La Traccion Electrica en La Alta Velocidad Ferroviaria (a.v.F.) - Roberto Faure Benito

Roberto Faure Benito

en la alta velocidad ferroviaria (ADVmFD)

Colaceión

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Tewnina su licenciatura elr Ciencias Mc~temáticase n 1950, ingresando a continuación e n La Escuela Supe?.ior Politécnica del Ejército en donde obtiene el titulo de Ingeniero de Constmcción, con el no1 de su promoció?~. En 1958 es becado para realizar estudios de especialización e n Ingenieria eléctrica, e n La Escuela Superior de Elect?-icidad de Paris, obteniendo el titulo de Ingeniero Electricista, con el número 1 de una promoció~?de 19%alumnos de dqerentes nacionalidades. E n 1960 inicia su carrera docente habiendo impartido cursos, e n el área eléctrica, e n la Politécnica del Ejército, en la antigua Junta de Energia Nucleaq e n el ICAI de la Univ. Pontijicia Comillas y desde 1963 e n la Escuela Técnica Superior de Ii~genierosNavales, perteneciente a la UPM donde, e n 1975, gana la Cátedra de Electrotecnia que ha ocupado hasta su jubilación e n 1998. Actualmente, es Profesor Emérito de la UPM, colaborando con el Vicewectorado de Investigació?~ei?la organixación de la participación de la UPM, e n La Feria ('Mctdrid por la Ciencia" y e n la (Semana de la Ciencia': Posee los g?-adosde Doctor Ingeniero de Construcción (1971) y Dr: e n Ciencias Flszcas por la Complutense de Madi-id (1972) Es autor de numerosas publicaciones docentes y, recientemente, de un tratado sobre '(Máquinas y Accionamientos El6ctricos" de gran actualidad.

La tracción eléctrica en la alta velocidad ferroviaria (A.V. F.)

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Roberto Faure Benito

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La tracción eléctrica en la alta velocidad ferroviaria (A.V. F.)

COLEGIO DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS Colección

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O Roberto Faure Benito O Colegio de Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos, 2004

Foto de Cubierta: O age fotostocklIngo Jezierskil2004

Maquetación, Producción e Impresión: Artes Gráficas Palermo, S.L. Pol. Ind. Santa Ana. 28529 Rivas (Madrid)

I.S.B.N.: 84-380-0274-9 Depósito Legal: M-1 1.1 15-2004

Queda prohibida la reproducción total o parcial de este libro, su inclusión en un siste~nainformatico, su transmisioli en cualquier.forma o por cualquier medio, ya sea electvónico, mecánico, por fotocopia. registro u otros métodos, sin el permiso preiio y por escrito de los titulares del Copyright.

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COLEGIO D E I N G E N I E R O S D E C A M I N O S , CANALES Y PUERTOS

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Almagro, 43 28010 M a d r t d

Recuerdo que, en mis años del entonces llamado bachillerato, y de esto hace ya bastante tiempo, además de las novelas de Salgari y de Karl May, cayó en mis manos una muy interesante colección de la editorial LABOR, en que de una manera amena pero con toda correcde "alta divu1ga~iór.i"~ ción técnica y científica, se nos introducía en casi todos los temas técnicos - - ( de más actualidad. Todavía conservo algunos ejemplares de esta colección. Por ejemplo "Los ángeles de hierro" sobre las máquinas, "Tú y la Electricidad", "El hombre vuela" sobre el desarrollo de la aviación, "Tu alma y la ajena" sobre sicología, "El mundo en la retorta" sobre química y muchos más que no poseo o no recuerdo. Yo creo que fueron mi avidez por leer todo lo que caía en mis manos y esta colección las responsables de que naciera en mí la vocación por los estudios de ingeniería y la curiosidad por saber cada día. un poquito más sobre el inundo que me rodea. Más tarde el padre de un alumno, al que daba clase particular para que cogiera el paso de los estudios en España después de largos años en USA, me regaló un tren eléctrico de juguete de la marca "LIONEL", muy completo y con vagones muy variados, con el que debo corifesar que todavía juego algunas veces. Pero las dos influencias que me hicieron caer en el apasionante "hobby" de los ferrocarriles fueron, sin duda, primero el haber sido alurnno del Profesor NOUVION en la Escuela Superior de Electricidad de Paris que daba un curso muy completo sobre electrificación ferroviaria y que fue por los años seserit,a uno de los "padres" de la moderna electrificación de los ferrocarriles franceses (SNCF).

Y, más tarde, a mi regreso a España, el haber tenido el honor de tratar personalmente, en la Asociación de Ingenieros del Ejército, ASINTO, a D. ALEJANDRO GOICOECHEA, inventor del t,ren TALGO al que, a mi juicio,

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cumpliéndose aquello del desagradecimiento y el olvido que caracterizan a nuestra sociedad, se le recuerda y menciona poco, mucho menos de lo que merece la puerta que abrió al tren de nuestros días. De este modo, al celebrarse los 150 años del Ferrocarril en España, con la línea Barcelona-Mataró y tener lugar un Congreso Internacional en Alicante, en 1998, sobre la Historia del Ferrocarril, me sentí fuertemente motivado a presentar una ponencia que evocara el nacimiento del TALGO ( "Un hito en la historia del Ferrocarril en España: el TALGO", referenciada en la Bibliografía) y más tarde, en el 2001, al recordar la efeméride del primer tren Madrid-Arai-ijuez con otro Congreso, organizado como el anterior por la Fundación de los Ferrocarriles Españoles y celebrado en el Real Sitio, preparé con todo entusiasmo una segunda ponencia sobre "La mejor manera de ir de aquí para allá" en la que entraba en el análisis del transporte moderno a partir de los tres grandes medios aparecidos hace poco más de cien años: el tren, el avión y el automóvil. Por último, en el verano de 2001, después de haber estudiado las características técnicas del AVE y de haber disfrutado viajando en esta magnífica realización de tren de Alta Velocidad, decidí escribir este libro con el objetivo de hacer algo análogo al contenido de aquellos a que nie he referido al principio, esto es, dar a conocer a todos, las posibilidades técnicas que ofrece un tren de A.V., las ventajas de la tracción eléctrica, los tipos de motores de tracción que puede utilizar, la forma de regular la toma de velocidad y el frenado, los sistemas de control, mando y señalización utilizados aplicando las modernas tecnologías electrónicas, las características que debe reunir la infraestructura, las limitaciones que imponen la catenaria, la circulación por túneles y tramos en curva, la manera en que se puede calcular la potencia eléctrica que se precisa para conseguir una determinada velocidad, el impacto ambiental que produce este tipo de trenes y, por último, qué soluciones se apuntan para poder utilizar trenes de levitación magnética, echando una mirada hacia el futuro de la Alta Velocidad Ferroviaria (A.V.F.). Para llevar a cabo la tarea que me impuse, además de estudiar la copiosa bibliografía que se relaciona al final, he contado con dos ayudas muy valiosas para llevar a buen término el trabajo. En primer lugar, debo citar al ingeniero de SIEMENS, España Don JOSÉ ORTIZ PAVÍA. Tengo el gusto de conocerlo desde hace veinte años, en los comienzos de mi trabajo como Catedrático de Electrotecnia en la Esc. T. S. de Ingenieros Navales de Madrid. Él estaba en el Departamento Naval y ya entonces me brindó su ayuda para el desarrollo de la docencia, con información para preparar cursillos de postgrado, con participación de especialistas de SIEMENS, Alemania, etc. En alguna parte oí o leí que una de las principales virtudes que pueden adornar a un hombre que trabaja en un grupo profesional es

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el entusiasmo. Si esto se admite, puedo afirmar que lo que caracteriza a José ORTIZ es su entusiasmo permanente, por su empresa a la que siempre estuvo vinculado y por todo el trabajo que desarrolla, ahora desde hace unos años, en la División de Transporte Ferroviario de SIEMENS. Algunos de sus trabajos en el área de la A.V.F., citados en la Bibliografía, me fueron de gran utilidad, aparte de un constante cambio de impresiones y consejos sobre el tema. Se ha jubilado en 2002 y como sé que seguirá trabajando, sirvan estas líneas para expresarle mi agradecimiento, mj admiración por ese ánimo que infunde a todo lo que hace y la gran amistad que le profeso. La segunda ayuda y sin que esto suponga ningún ordenamiento, ha sido la de JAIME TAMARIT RODRIGUEZ. Lo mismo que antes, conozco a Jaime desde 1975, cuando colaboraba como Adjuiit.0 en las tareas de la Cátedra y ya destacaba por su amor a la enseñanza, los alumnos le querían y respetaban, y por la profundidad de sus conocimientos. También poseía un entusiasmo contagioso y una gran bondad y entrega para con todos, compañeros y alumnos. Más tarde, pasa al CEDEX, dejando sus tareas docentes y, en la actualidad, ocupa el puesto en Bruselas de "Managing Director del ERTMS Users Group". Desde allí, ha tenido la amabilidad de facilitarme información sobre el ERTMS, para conseguir la interoperabilidad de los diferentes sistemas de señalización que se utilizan en la U.E. También me pasó libros muy interesantes sobre el TRANSRAPID y sobre el ICE, última versión, (tren de A.V. alemán), referenciados en la Bibliografía. El libro que ahora se presenta se puede considerar en realidad como una continuación del publicado anteriormente, en el año 2000, titulado "MÁQUINASY ACCIONAMIENTOS ELÉCTRICOS".En efecto, la especialidad del que esto escribe han sido siempre las Máquinas Eléctricas. Al jubilarse en 1998 y disponer de más tiempo, preparó un detallado volumen, introduciendo el concepto de accionamiento eléctrico que engloba, además del motor eléctrico, la electrónica de potencia y de control asociada que permite modificar su respuesta, regular la velocidad o el par, modificar las condiciones de arranque ("arranque suave"), etc. Dicho libro, con numerosos problemas prácticos resueltos y sin utilizar matemática elevada, que trata de establecer claramente las posibilidades que ofrece cada tipo de motor y su campo de aplicación, creemos que puede servir a quién desee profundizar más en la parte básica de la A.V. que ha pretendido abordar el libro actual, sin entrar más que ligeramente en el otro corriponente fundamental de la A.V., cual es la infraestructura de la línea, el tendido eléctrico y los problemas mecánicos asociados. Ya en el libro sobre ACCIONAMIENTOS se decía que éstos pueden analizarse por las aplicaciones industriales en que aparecen: mecanismos de elevación como son: grúas y puentes grúa, trenes de laminación, trenes eléctricos y más recientemente automóviles eléctricos, propulsión eléctri-

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ca de buques y, en potencias más pequeñas, todas las aplicaciones electrodomésticas y para el movimiento digitalizado de mecar-iismos de búsqueda de información en discos, cintas o accionamiento de "plotters" en ordenadores, etc. Al estar el libro editado por el Fondo Editorial de Ingeniería Naval (FEIN), por razones obvias, se incluyó un último Capítulo que introducía al estudio de la propulsión eléctrica naval, que presenta algunas particularidades de aumentar la maniobrabilidad y de regulación de la velocidad d~ crucero del buque. Pero, insistimos, se anunciaba que podían seguir otros análisis monográficos, dedicados a can-ipos específicos de aplicación de los accionamientos eléctricos. El libro que presentamos puede ser el primero referente a un tema concreto y, creemos, de gran interés en el momento actual.

A la hora de preparar el libro para su tratamiento y ulterior edición informatizada, búsqueda de figuras en "Internet", etc. (antes se hablaba de mecanografía y preparación y dibujo de figuras) hemos contado con la valiosa ayuda de CARLOS S. OLIVARES PÉREZ, que ya. colaboró con total entrega, en el libro sobre ACCIONANIIENTOS al que rios henios referido antes y que muy pronto obtendrá su título de "Ingeniero Naval y Oceánico". Muchas gracias a todos los que me han apoyado y, a los lectores, mi deseo de que este trabajo les resulte de alguna utilidad y despierte en ellos el interés por la Alta Velocidad Ferroviaria.

Madrid, Enero 2004

EL AUTOR.

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERR0VIARI.A (A.V.F.)

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~NDICE GENERAL

PROLOGO

. . . ..... ............................................................

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1. INTRODUCCI~N 2. LA LUCHA POR 3. EL CASO ESPAÑO 4. PLAN PLURIANUAL DE MODERNIZACIÓN Y ADAPTACI~N DE LOS FERROCARRILES 202 5. EL 6. NUEVO COlVCEPTO DE 7. EL AVE FRENTE A SUS 7.1. Coche o tren 7.2. Trenes bala . 8. ALGUNAS CURIOSIDAD 9. EL FUTURO. CAMINOS 9.1. Trenes de deslizamiento mag 10. RESUMEN DEL CAPÍTULO1

CAPITULO 11: ASPECTOS GENERALES DE LA TRACCIÓN ELÉCTRIC l. VENTAJAS DE LA TRACCIÓNELECTRIC 2. ASPECTOS GENERALES DE LA TRACCIÓNELÉCTRICA......... 2.1. Generalidade 2.2. Generació

2.3. Líneas de t 2.3.1. Línea de transporte y parque de alta tensión

...................

43 43 45 45

46 47 49

LA TRACC~ONELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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2.3.2. Subestaciones de tracció 2.3.3. Línea de contact 2.4. Paritógraf 2.5. La vía . . . . . .................................... . . . . . . .................................. . . . . . . . . . ...... . . ............ .. .... . . 2.6. Nociones sobre la dinámica del conjunto "pantógrafo-

2.6.3. Comportamiento dinámico de la catenaria .......... . . 2.6.4. Interacción pantógrafo-catenaria 2.7. Caídas de tensión en la línea de cont,act 2.7.1. Generalidade 2.7.2. Cálculo de las caídas de tensión

3. RESUMEN DEL CAPÍTULO11.....

1

.

.. .......................... . . .. ...

....

1. GENERALIDADES 2. TENDENCIAS ACT TÉCNICADE T R A C C I ~ NY CONTROL 2.1. Motor de corriente continua, con excitacion serie 2.2. Limitaciones del motor serie de corriente continua .................... 2.3. Motores monofásicos con colector. . . . . . . ... . . . ........................ ................. 2.4. Motores trifásicos de inducción con el rotor de "jaula".......... 3. APARICIÓNDE LA ELECTRÓNICADE POTENCIA .... ...................... 3.1. Unidades rectificadoras . . . . . . . . . . . . ............. .... ....... . . . . 3.2. Onduladores o convertidores c.c.-c.a. (monofásica ó trifásica 4. CONVERTIDORES C.C.-C.A- A BASE DE TIRISTORES................... . 4.1. Nuevas investigaciones en electrónica de poteiicia 4.2. Tendencias y perspect,ivas en el campo de los motores . .......................... . . . .. . . . ............................... y transmisiones... . . 5. RESUNIEN DEL CAPITULO 111

CAPITULO

m SISTEMAS DE CONTROL DE LA T R A C C I ~ N

1. INTRODUCCI~N 2. INTRODUCCI~N SISTEMAS DE TRACCIO 2.1. Constitución de un a 2.2. Ejemplo de automatismo en la tracción: el "antipatinaje"

LA TRACCIÓNELÉCTRICA

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EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

2.3. Conducción óptima y pilotaje automátic 2.4. Significado actual del control por rnicro 3. REGULADORES DE MARCH 3.1. Técnica de tracción mode 3.2. Circuitos de los convertidores de corrient 3.3. Módulos electrónicos para el regulador de 3.4. Amplificador de impulsos, como interfase para el . . . . . . . . . .. . ......... convertidor de corriente . . . . . 3.5. Módulos específicos para corriente trifásic 3.6. Módulos de adaptación a los periféricos 3.7. Vigilancia y diagnosis 3.8. Software modular 4. TÉCNICASDE CONTROL CON EL SIBAS 1 4.1. Características de .. . .. vehículos automotores...... . . . . . . .......... 4.2. Funcionamiento de los sistemas de "BUS serie" ............................. 4.3. Circuito de control electrónic 4.4. Diagnosis central del vehículo. 4.4.1. Test automático de componente ......................... ...... 4.4.2. Comunicación hombre-máquina 4.4.3. Equipos registradores, impresoras de viajes....... . . . ... . . . 4.4.4. Evaluación de los protocolos de averías . ................ . . ... ....... 5. PERSPECTI 6. RESUMEN DEL CAPITULO 1

1. INTRODIJCCIÓN ................................. ......... .. ................. ... . .......... .... . . ... . . . . . . . . .................... 2. ESFUERZOS RESISTENTES . . . . ........................... .................... ......................... 2.1. Resistencia al avance en llano y línea recta

2.3. Resistencia debida a la graveda

............ 3. LA ADHERENCIA.. . . . . ., 3.1. l\Jocion de adherencia... . ... ... ...... . . . ...... . . . . . . . . .............. ....... . ... .. ...................... 3.2. Adherencia global de una locomotora 3.3. Recuperación de la adheren .......... ....................... 3.4. Valor práctico de la adheren 3.5. La adherencia en el frenad ,

138 138 139 140 141 142 142 142 144 144 146 146 147 147 149 149

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LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA V E ~ O C I D A DFERROVIARIA (A.V.F.)

4. ESFUERZOS MOTORES PARA UNA VELOCIDAD "V. POTENCIA NECESARI 5. ESFUERZOS EN EL AR 5.1. Esfuerzos de aceleracio 5.2. Esfuerzo en el inoment ............................. 5.3. Ejemplos de cálculo de la "carga arrancable" .................. ................... 6. LIMITACIONES DEBIDAS A LA RESISTENCIA DE LOS ENGANCHES 7. RESUMEN DEL CAPITULO

169 169 170 171

CAP~TULOVI: G E S T I ~ NDEL TRÁFICO FERROVIARIO I: LA SEÑALIZACIÓN, LOS ENCLAVAMIENTOS, LAS COMUNICACIONES 173 1. INTROD 173 2. PRINCIP 178 2.1. Principio básico del circuito de vía: la deteccióri de los trenes. . ............................... . . ....................... ............................ . ....... .. 178 2.2. Transmisión de las Informaciones ..........,.,.,... ..................................................... 178 2.3. La ergonomía del sistem 180 181 181

3.2. Enclavamiento 3.3. Conducción automática de trenes (CAT) ó LZB ............................. 3.4. Enclavamientos electrónico 3.5. Sistema de detección de ocupación de vía FTG................ .......

182 182 185 185 187 189

4.1. Generalidades 4.3. Sistema de transmisión 4.5. Equipos telefónicos

4.8.1. Instalación para la evaluación automática de las bandas de rodadura de las ruedas, en trenes de A.V. . . . . . . . . . ................... ........ . . . . . ................. ..................... 198

-

4.9. Dispositivos de vigilancia ante bocas de túnel y pasos elevados 199 199 4.10. Equipos de alarma contra incendio y contra robo 200 4.11. Vigilancia por televisió . ... . . . . . ... . . 201 4.12. Equipos cronométricos . . . . . . .. . ... . 201 4.13. Indicadores de destino del tre 4.14. Equipos de megafoní 201 202 4.15. El puesto central de contro . ., ...................... . ...... . . . . . . . . ... ....... ............. 202 4.15.1. Orgamzacion 4.15.2. Puestos de operación de los jefes de circulación 202 4.15.3. Puesto de mando para el suministro de energía de 204 205 5. FUNCIONES DEL SISTEMA DE GOBIERNO Y CONTROL FERROVIARIOS 205 CAPITULO VII: GESTIÓN FERROVIARIA 11: CIRCULACIÓN, ITINERARIOS, SEGURIDAD, MANTENIMIENTO, ANÁLISIS DE FALLOS 207

l . CONFIGURACIÓNDEL SISTEMA 2. NIVELES DE APLICACIÓNDEL S NIVEL 0 ... . ................... .

............................

207 207 208 208 209 210 212 213

.,

. . . . . . ... ............................ . . . . . ..... ...... 3.1. Introduccion ........ . . . . 3.2. Las funciones del sistema de gestión del tráfico ferroviario

., 3.5. Conclusiori . ... .. ........................................................................... 4. ETAPAS EN EL DESARROLLO DE UN PROYECTO. .......................... 4.1. La fase de proyecto . ............................................................................................... 4.2. Confección de horarios.......................... ... . . . ............................................................

215 215 215 218 219 221 221 222 223

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LA TRACCIÓN ELÉCTRICA


5. RESUMEN DE LAS TAREAS DEI CONTROL DE O P E R A C I ~ N DE UNA LÍIVEADE A. 6. VlGILANCIA INTEG 6.1. I~rtroducción 227 6.2. Equipos más importantes para túneles de A.V.............................. 228 6.3. Alimentación de energía 228 6.4. Instalación y cables de fuerza ...................................... 229 229 6.5. Alumbrado y Aliiriibrado de emergencia 229 6.6. Ventilación y drenaje del túne 230 6.7. Sistema de detección de i 230 6.8. Centro de mando y contro 7. METRO DE MADRID. GESTIÓ P R O T E C C I ~ NCONTRA INCENDIOS (PCI). . . . . . . . .. 230 230 7.1. Gestióii de una emergencia 7.2. Sistemas de telecontrol de Inceridios (PCI 231

CAPÍTULOVIII: NUEVAS TECNOLOGÍAS:SISTEMA "MAGLEV-TRANSRAPID' 235 l . TECNOLOG~ASINNOVATWAS PARA MATERIALIZAR UN 235 FERROCARRIL INTELIGENTE 237 l.l. Tecnología de tracción 237 1.2. Límites del sisteiria rai 1.3. La electrónica como garantía de seguridad y buen ................................................................238 servicio. . . . . . ............................ 238 1.4. Comodidad para el usuario 240 240 240

1.7. Innovación y futuros avance 2. SUSTENTACIÓNY GUIADO DE LOS TRENES DE LEVITACI~NMAGNÉTIC 2.1. Sustentación y guiad 2.2. Sustentación y guiado por repulsión electrodinámica ............. 247

3.2. Tracción por riiotor lineal síncrono. 4. TREN "MAGLEV-TRANSRAPI 4.1. Generalidades

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LA T R A C C I ~ NELECTRICA


19

4.2. Des 4.3. El S 4.4. Fuerzas que se oponen al avance. Criterios de diseño ............ 4.5. Aceleración y distancia entre estaciones. ... ... . . . . . . ............. .. 4.6. El Trazad ,

4.8. Circulación en invierno 4.9. Control del tráfic 4.9.1. Centro de Control de Operaciones 4.10. Erilace con otros medios de transport 5. TREN DE LEVITACIÓNMAGNÉTICAJAP 6. CONSUMO ENERGÉTICODE LOS TREhT 7. DISTANCIAS IDÓNEASEN ALTA VELOC

..

CAPÍTULO IX: ALTA VELOCIDAD Y MEDIO AMBIENTE ............... 1. INTRODUCCI~ l.1. Marco de re 2. ACEPTABILIDAD MEDIO AMBIENTA 3. PROSPECTIVA EN EL HORIZONTE DEL 2015............................................. 4. INCREMENTO DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA.. . 5. EL RUIDO COMO AGENTE POLUCIONANT 6. COMUNICACIONES E INFORMACIÓNCOMO MEDIO PARA REDUCIR EL TRÁFICO(Transporte Virtual) 7. IMPACTO AMBIENTAL DEL TREN DE LEVITACIÓN

7.2. Los campos magnétic 7.3. Los CEM y el Medio 8. RESUNIEN DEL CAPÍTULO..........

CAPITULO X: PROSPECTIVA DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA PARA LA A.V.F. Y CONCLUSIONES... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ........ 305 1. CATEGOR~ASDE LOS SISTEMAS DE TRANSPORTE FERROVIARIO Y SUS AMBITOS DE UTILIZACIÓN l . l . Sistema global de transportes públicos l

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1.5. Evolución futura

305 308 310 311 311 313

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LA T R A C C I ~ NEL~CTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

2. RED DE ALTA VELOCIDAD ABARCANDO TODO EL TERRITORI 2.2. Interoperabilida 2.3. AVE Madrid-Barcelona.- El nuevo puente 3. NUEVAS TECNOLOGÍA

313 316 317 318 323 326

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LA TRACCIÓN ELECTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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CAP~TULO1: EL TREN, RESUMEN HISTÓRICO

l. Introducción La idea de colocar carriles de piedra o madera para facilitar el desplazamiento de carros es muy antigua. En las minas centroeuropeas ya se utilizaban carriles metálicos para facilitar el transporte del mineral. Tras el descubrimiento de la máquina de vapor, una de sus primeras aplicaciones fue la construcción de locomotoras. Richard Trevithick construyó, en el Reino Unido, un modelo propulsado con vapor que, en 1804, transportó a 70 personas durante un trayecto de 16 km. George Stephenson comprendió muy pronto la importancia de este nuevo medio de transporte, estableciendo en 1823 con su hijo Robert los primeros talleres destinados a su comercialización, lanzando en 1829 la legendaria locomotora "Rocket" que alcanzó 47 km/h. (Ver figura 1.1.).


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No podemos resistir la tentación de transcribir, a continuación, algunas fechas clave de la historia del ferrocarril español, tomadas del excelente libro de Pilar Lozano, publicado por la FFE, "El libro del tren": -

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1837, Inauguración del primer ferrocarril español en Cuba, de La Habana a Güines. 1848, Se inaugura el primer ferroca.rri1 de la Pei~ínsiilaentre Barcelona y Matar6 (Ver figura 1.2).

- 1851,

Nace el ferrocarril entre Madrid y Aranjuez y la primera estación ferroviaria Madrid, un embarcadero que se convertiría posteriormente en la estación de Atocha.

Los dos últimos eventos han sido conmemorados, en Alicante y en Ararl.juez, respectivamente, al cumplirse su sesquicentenario. En 1853 se pone en servicio "La Española", primera locomotora de vapor construida en España y en 1864 se inaugura la línea entre Madrid e Irún, de la Compañía de Caminos de Hierro del Norte. Antes de seguir adelante, debemos detenernos en el año 1879, de especial importancia si queremos entrar en la electrificación de las líneas férreas, para llegar más tarde a la alta velocidad, tema central de este libro.

En efecto, en 1879, con ocasión de la Exposición de Berlín, la sociedad SIEMENS & HALSKE, presenta el primer ferrocarril eléctrico, concebido por el ingeniero alemán WERNER VON SIEMENS. La versión exhibida se reducía a una unidad tractora que remolcaba algunas banquetas montadas sobre ruedas. En Francia, en la misma época, diferentes compañías hicieron ensayos que, si bien mostraron el interés de la tracción eléctrica, no se pensó en su utilización, salvo en aquellos casos en que la tracción a vapor no aportaba una solución satisfactoria. En base a estas ideas, se electrificaron a principios del siglo las líneas Paris-Versalles-Rive Gauche (1900), la línea Paris Quai d'Orsay a Paris Austerlitz (1900) y la línea Fayet-Chamonix (1901). Todas estas electxificaciones se llevaron a cabo ut,ilizando corrierite continua a 600 voltios y tercer raíl para la alimentación eléctrica.

LA T R A C C I ~ NELECTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA [A.V.F.)

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Por otra parte, en 1893, RUDOLPH DIESEL construye un primer motor eficaz que produce energía eléctrica a partir de un derivado del petróleo. En España, en 1919 se inaugura el "Metro" de Madrid (Ver figura 1.3.),con una línea de 3,4 km y en 1928 se crea la primera gran compañía pública, la Compañía Nacional de los Ferrocarriles del Oeste.

Figura 1.3.

En Europa la guerra del 14-18 había parado el desarrollo de las electrificaciones y, en España ocurrió otro tanto con nuestra guerra civil. Concluida ésta, en 1941, se constituye RENFE, fruto de la intervención estatal de las grandes compañías, para la explotación de la red nacional de ancho normal, como sabemos ligeramente superior al europeo, que alcanza ya los 12400 km. Vamos a detenernos aquí, por ahora, no sin antes citar que los primeros carriles estaban realizados en hierro fundido, por lo que eran poco seguros y se partían con facilidad. Por ello, a partir de 1870 empezaron a construirse en acero, material mucho más resistente. El tema de las vías lo traemos tan pronto a colacióri porque, como veremos, juega un papel muy importante en la alta velocidad. Lo podríamos comparar de inrriediato con el que juega la autopista si se quieren conseguir altas velocidades con un automóvil. En la actualidad, las antiguas traviesas de madera han sido sustitiiidas por bases continuas de hormigón y se utilizan cojinetes de goma para amortiguar el movimiento y el ruido. En el futuro se apunta ya a las soluciones monorraíles para sustituir en muchos trazados a las vías tradicionales. Pero de todo esto hablaremos, con más detalle, más adelante.

LA T R A C C I ~ NE L É C T R I C A

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E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

2. La lucha por la hegemonía Las locomotoras de vapor se encontraron pronto con la competencia de los motores eléctricos y diesel. Pero la lucha fue larga y durante casi 100 años los tres tipos de locomotoras compitieron por ser las más seguras, económicas y rápidas. El primer iiiotor eléctrico capaz de arrastrar vagones fue construido por Werner von Siemens en 1879, como ya se ha dicho. En 1903 un motor experimental alcanzó los 210 krnlh, el doble que los modelos más rápidos de la época. La primera locomotora diese1 de gran potencia fue construida para los ferrocarriles prusianos en 1912. Aunque la velocidad alcanzada nunca superó a los modelos eléctricos, la autonomía de sus máquinas que no exigía la electrificación de los trazados, la coiivirtieron pronto en una alternativa económica para trayectos o países con un sistema ferroviario poco desarrollado.

Al final de la primera Guerra Mundial se preparó, en Francia, un programa de electrificación de 8500 km de líneas férreas, con la idea direct,riz de unificar en todo el país el sistema de corriente que debía adoptarse. Una Comisión de expertos, nombrada al efecto, llegó a unas conclusiones que sirvieron de base a una decisión gubernativa que establecía: -

la corriente primaria que debía utilizarse debía ser la corriente trifásica industrial a 50 Hz.

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la única corriente continua utilizada sería a 1500 voltios y la única utilizada en los sistemas de ali~nentacióna las locomotoras (catenaria, tercer raíl). Sin embargo cabía la utilización de corriente continua a 750 voltios en líneas de cercanías o de 3000 voltios en casos especiales. A partir de 1926, Francia emprende la electrificación completa de las grandes arterias de su red y también de numerosas líneas de cercanías o tramos de montaña. Se llega así, en los años 60 a 4300 km de líneas con c.c. 1500 V, frente a unos 200 km en continua a tensiones más ba.jas (600 a 850 V), unos 60 km tan solo que trabajan, en la locomotora, a tensiones de 12000 V en alterna monofásica, a frecuencia reducida de 16 213 Hz, un tercio de la frecuencia indust,rial de 50 Hz , (ya veremos por qué) y 950 km que también en monofásica, trabajan a 25000 V. Y 50 Hz.

En España, las electrificaciones comienzan, de manera local, en los tramos de montaña, en que las locoii-iotoras de vapor rio daban buen resultado y con una gama de tipos de corriente y tensiones de trabajo muy variadas (según el país al que se adjudicaba la compra del equipamiento) que complicaban las posibilidades de unificar la electrificación de todo un largo recorrido. (esto ha llegado a suceder en el AVE, en el que, como veremos,

. i .

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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se trabaja con dos tensiones en catenaria: 25000 voltios monofásica, 50 Hz. y 3000 voltios c.c. Al final de los años 50 (Año 57) España cuenta tan solo con unos 1600 km de líneas férreas electrificadas, que representan un 12% del total de las líneas de ancho normal. En el mismo año Suiza alcanza el 98% de líneas electrificadas, mientras Suecia e Italia están alrededor de un 40% de electrificación. En la actualidad y de cara a los trenes de alta velocidad la supremacía de la tracción eléctrica resulta indudable, por las ventajas de todo tipo que aporta y que analizaremos en detalle en el próximo Capítulo.

En honor a la tracción diese1 digamos que, en España, en 1950, el TALGO 11 inicia sus servicios entre Madrid e Irún. En 1955 llegan a nuestro país las primeras locomotoras diese1 de línea, de fabricación norteamericana y en 1978 un tren TALGO bate, con 230 krnlh, el record mundial de velocidad, con este tipo de tracción. Una variante interesante es la locomotora diesel-eléctrica que constituye, todavía en la actualidad, una solución interesante. En este tipo de locomotoras, los motores de tracción son eléctricos pero la electricidad que precisan se genera en la propia locomotora mediante un grupo electrógeno diesel-alternador. Esta auto-generación evita la catenaria de alimentación y el elevado coste de tendido y mantenimiento de la misma, que solo se justifica en trayectos cortos y , sobre todo, cuando la cadencia de trenes es muy alta. A principios de los arios 90, en los Estados Unidos circulaban 25000 locomotoras de este tipo.

3. El caso español En la actualidad, España cuenta con más de 12000 km de vías, que permiten transportar 410 millones de pasajeros (366 corresponden a los trenes de cercanías). El número total de los kilómetros recorridos diariamente por los diferentes trenes españoles suman más de 460000 km, que equivalen a casi 12 vueltas a la Tierra por su ecuador (que, aproximadamente, mide 40000 km). Hasta la llegada del AVE, la estrella de los ferrocarriles españoles fue el TALGO (Tren articulado ligero Goicoechea-Oriol), cuyo diseño representó la modernidad y la velocidad. Las primeras pruebas tuvieron lugar el 21 de agosto de 1941 y entró en servicio, como ha quedado dicho, en 1950. Desde esa fecha, se han introducido numerosas mejoras en su diseño original y, gracias a ellas, el actual TALGO pendular, que empezó a funcionar en 1980, puede alcanzar los 230 krníh, aunque su velocidad media, en trayectos comerciales, es de 160 km/h.

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LA TRACCIÓN ELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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4. Plan plurianual de modernización y adaptación de los ferrocarriles 2025 Las directrices generales de la Política ferroviaria constituyen, en la actualidad un tema de Estado, ya que ha de ser coherente con la Ordenación General de Transportes en la Nación. Por ello es al Gobierno a quien corresponde formular las directrices generales, buscando el mayor consenso posible entre las fuerzas políticas que componen las Cámaras. Estas directrices deben tener en cuenta, por supuesto, las tendencias actuales marcadas por la CEE, que preconizan la liberación de los ferrocarriles de la tutela del Estado. Sin embargo, creemos que esta liberalización, que es urgente, debe ser progresiva. Como dice Juan López Muiños, en un excelente trabajo, publicado en la Revista ASIIVTO en 1998:

"Decimos que es urgente porque creemos que el modelo actual de , explotación de los ferroca?-riles, e n régimen de empresa pública que gestiona un servicio público, está agotado por d~versasrazones tales , como: El aumento continuado de la intervencioa del Estado que ha finalizado con la total politixación de las empresas gestoras que La explotan. La politica tarzfclria bajo el control del Estado que impide por tanto la agresividad de sus ofertas, para hacerlas más ágiles C/ competitivas. .. La insuficiente ordenación del transporte que hace actuar a los dverentes modos del sector e n régimen de competencia desigual, e n vez de e n régimer? de colaboración y complementariedad Pa?-a hacer progresiva esta libet-alización, deben establecerse directrices eficaces por el Estado y por las Empresas gestoras de los ferrocarriles': Fruto de estas reflexiones y otras análogas ha sido el Plan plurianual de modernización y adaptación de los ferrocarriles 2025 que pretende conseguir a medio y largo plazo: -

Un incremento sustancial de la participación del ferrocarril en el transporte.

-

La puesta a punto de una infraestructura moderna y competitiva a nivel nacional e internacional.

- Dicho Plan, aprobado por las Cortes y de acuerdo con la doctrina comunitaria debe procurar el equilibrio financiero y distinguir la

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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gestión de la infraestructura ferroviaria de la gestión de los servicios de transporte. -

Asimismo debe garantizar el acceso a las redes ferroviarias de las empresas nacionales e internacionales que lo demanden.

Este Plan plurianual debe resultar coherente con el Plan Nacional de Transporte basado en la Alta Velocidad (350 krnlh), la Velocidad Alta (220 km/h) y el cambio del ancho nacional al europeo, de forma que obligue a que todas las inversiones, tanto en infraestructura, como en material, estén orientadas en este sentido, con el fin de conseguir los objetivos antes apuntados.

5 . El ave

En 1992 la tecnología de la alta velocidad llega a España con el AVE (Alta Velocidad Española). Se trata de un modelo basado en el TGV francés, que puede alcanzar, en tramos de prueba, velocidades superiores a los 350 k r n h (Ver figura 1.4.).

Los trenes cuentan con dos unidades motoras situadas en la cabeza y cola del tren, que funcionan simultáneamente. Entre las dos cabezas motrices están situados ocho coches, un vagón cafetería y siete vagones destinados al transporte de viajeros. En la actualidad, el AVE transporta casi cinco millones de pasajeros al año. En la figura se aprecia, en cabeza, un escudo protector antichoque capaz de amortiguar un impacto a 180 kmlh sin deteriorarse. La cabina está informatizada e incorpora nue-

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vos adelantos técnicos de control como radar, detector de balizas y cámaras de video. Obtiene información a través de una línea de fibra óptica instalada en la vía. Los ocho coches intermedios forman una composición indeformable y reversible de 200 m de longitud. Sus siete coches t,ienen una capacidad total de 321 pasajeros. Circula por un ancho de vía internacional de 1435 mm. Lleva servicio de cafetería, teléfono, video y guardería. ' Esta primera aproximación al AVE es tan solo un flash de lo que desarrollaremos más adelante y que constituye el objetivo básico de este libro. Podríamos decir que este primer Capítulo pretende tan solo motivarnos y llevar nuestro interés al fascinante mundo del ferrocarril y, más concretamente, al mundo de la alta velocidad.

6. Nuevo concepto del viaje El tren de alta velocidad ha cambiado el concepto de viaje en España. Cuando se inauguró la línea Madrid-Sevilla muchos dijeron que se trataba poco menos que de un capricho. Cuando se han cumplido en 2002 los diez años de su puesta en servicio, toda España sueña con el AVE. Los cambios que han vivido los ciudadanos de Sevilla, Córdoba, Puertollano y Ciudad Real const'ituyen buenos ejemplos para las ciudades que se beneficiaron de la alta velocidad de forma inmediata. En un artículo reciente de José Bejarano y Xavier Cervera se comenta como las diez horas que, en 1975 se tardaba de P~ert~ollario a Sevilla se han reducido a menos de hora y media en la actualidad. Asimismo, la puntualidad se ha convertido en una maldita bendición. Muchos suspiran por un retrasillo de cinco minutos a ver si pillan la devolución del importe del billete. El AVE que podría hacer el recorrido Madrid-Sevilla en dos horas, se reserva treinta minutos de "colchón" para presumir de puntualidad.

%

Con el AVE puede pensarse en vivir en Ciudad Real y trabajar en Madrid, a 190 km de distancia y 50 minutos de tren En el mismo trabajo podemos leer como las ciudades, según el tamaño y la distancia que las separa, se atraen mediante una fuerza similar a la gravedad que mantiene el equilibrio del universo. La vía del AVE es un canal por donde circula esa fuerza de atracción (Ver figura 1.5.) Las principales beneficiadas son las ciudades grandes, sobre todo Madrid y Sevilla, aunque quizá sus efectos se notan más en las pequeñas. El daño principal ha sido para el comercio local

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que por ejemplo, en el caso de Ciudad Real se ha visto zarandeado y ha tenido que buscar una transformación radical para competir con Madrid. Castilla La Mancha, tan cerca de Andalucía, siempre se ha mirado en el potente espejo de Madrid. Sin embargo, el AVE ha hecho que, tímidamente, algunos se asomen a las tierras del sur. En el mismo dominical de 6 de abril de 2001 Antonio Cerrillo concluye que los proyectos de expansión de las nuevas líneas de alta velocidad en España han despertado una ola de inusitado optimismo y, en muchos casos el AVE es considerado como un factor de cohesión territorial y una gran

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oportunidad para reactivar los proyectos urbanísticos locales, de desarrollo económico y en el ámbito turístico. Si siempre se ha venido poniendo el ejemplo de lo acaecido en USA, en donde el ferrocarril sirvió de potente fuerza para la conquista del "lejaiio Oeste", otro tanto puede suceder ahora con el AVE y la red de trenes de alta velocidad de la Comunidad Europea, para que llegue a ser una realidad la Europa unida, a la que aspiramos todos. Tan solo ha sido necesario afiadir al viejo concepto del ferrocarril, como nexo de unión permanente entre los pueblos, el apelativo de "alta velocidad" que demanda la sociedad moderna y la competeiicia del avióii y del automóvil.

7. El ave frente a sus rivales 7.1. Coche o tren

I

La Revista "MOTOR 16", a raíz de la entrada en servicio del AVE: y la finalización de las obras de la autovía que une Madrid con Sevilla, se planteó la duda sobre que medio de locomoción resultaba más convenient,e, para ser utilizado en dicho recorrido. Evidentement,e,las diferentes necesidades y gustos decant'arán la eleccióii hacia uno 11 otro lado, pero tra.ta de comprobarlo, considerando los propios medios de que dispone la Revista, para encontrar un ganador en est,aaudaz competición. Las bases de la prueba resultan claras: se trata de ver el tiempo real que tarda una persona desde el centro de Madrid hasta el centro de Sevilla, en coche y en AVE. El coche elegido es un Alfa Romeo 164 turbo diese1 que encaja perfect.amente en el ideal de coche cómodo, rápido y económico para largos viajes por carretera. Con la firme promesa de respetar "dentro de un orden" los límit,esde velocidad partimos a las siete de la mañana desde la madrileña puerta de Alcalá a la cita que tenemos al pie de la Torre del Oro de Sevilla. Mientras el conductor del Alfa reniega entre el intenso tráfico dirigiendo su coche hacia la Nacional IV, e1 ciudadano de a pié se desespera ante la imposibilidad de encontrar un taxi libre que le acerque a la estación de Atoclia. Por fin llega con tiempo de sobra ya que es preciso estar con 20 minutos de aiitelacióri y se acomoda en su asiento de clase preferente. A las ocho, con toda puntualidad, arranca el tren y mientras disfruta de las atenciones del personal del AVE deja transcurrir las 3 horas y 55 minutos que tarda el tren en llegar a la estación de Santa Justa, en Sevilla. Mientras

LA T R A C C I Ó NE L É C T R I C A


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en el Alfa las cosas transcurren con toda normalidad. Con la aguja del velocímetro señalando una velocidad de 120 k m h los kilómetros van cayendo. Una parada a mitad de camino para estirar las piernas y tomar un refresco se aprovecha para rellenar el depósito, todavía muy lleno. En total 25 minutos bien aprovechados para que el viaje resulte relajado. Ya en Sevilla, nuestro viajero del AVE apenas tardó en tomar otro taxi que le lleva a la Torre del Oro, mientras que el viajero del Alfa Romeo lucha con un indómito plano callejero, para localizar el punto final de su destino. Nuestro viajero del AVE llega a la cita a las 11:20 mientras que el atrevido morro del Alfa aparece a las 12:35, es decir, una hora y cuarto más tarde. Entre los dos taxis y el billete del tren en clase preferente, el pasajero del AVE gasta 60 € (unas 10000 pesetas), mientras que el consumo de gasóleo y el refresco supone un desembolso, en la actualidad, de unos 30 £ (unas 5000 pesetas), esto sin contar los gastos de amortización, mantenimiento, garaje etc. ni el confort de no estar pendiente de una conducción que cada día resulta más peligrosa. Resulta interesante destacar que, contando el trayecto desde la Puerta de Alcalá a la Torre del Oro, lugar de la supuesta cita, la velocidad media del pasajero del AVE se reduce a unos 108 kmlh y la del Alfa supera los 96 kmlh, lo cual pone en evidencia la importancia de los tramos urbanos y la necesidad de que el ferrocarril se integre al máximo en la estructura urbana ( ese tren, en Barcelona, que tiene un apeadero en pleno Paseo de Gracia o la conexión, en Madrid, en Atocha y Chamartín con la red del metro). Queda abierta la discusión sobre quién aventaja a quién. Para el autor que ya peina muchas canas la competición tiene un claro ganador en el AVE por confort, rapidez y sobre todo por seguridad. La misma Revista, en lo que llama "Análisis a fondo del AVE" destaca, como cualidades: -

El confort de marcha. El buen rendimiento energético. El acceso cómodo.

Y como defectos: -

Costo de infraestructura elevado. Poca variedad de itinerarios y horarios.

Asimismo, extiende la comparación frente a sus rivales, el avión, el automóvil y el barco. Para ello transcribimos las cuatro fichas (Ver figura 1.6., en las que se resumen las características de cuatro ejemplos punteros, en técnicas de transporte de viajeros).

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6 000 000 000 pts

2 500 000 000 pts VELOCIDAD

Figura 1.6

Resulta evidente que las posibles comparaciones habrá que revisarlas a menudo por la rápida evolución que sufren las diferentes tecnologías en la actualidad y también considerando variables meteorológicas, ambientales, de ruido y sociales de modas y preferencias y muy especialmente de seguridad, por la elevada mortalidad a la que nos está llevando el gusto por la velocidad, en una sociedad cada vez más "acelerada".

7.2. Trenes bala En la Revista 112001 "New World" que edita SIEMENS podemos leer, refiriéndose a los "trenes bala": * Recientemente el Concorde ha sido dado de baja por su elevado coste de explotación


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'(Alcanzan más de 500 km/h. Centenares de miles de personas e n todo el m u n d o Los utilizan todos los dias. Son la elite de Los medios de transporte: los trenes de alta velocidad. S u tecnologia se adapta perfectamente a las condiciones espec2ficas de cada país (. . .). Los paises industrialixados de Occidente no daban crédito a Lo que veían: en 1964 Japón presentó un tren con el sonoro nombre de Shinkansen (Ver fzgura 1.Z) que c m a b a el archipiélago a 210 k d h , una veloczdad nunca alcamada hasta entonces: Las reacciones n ofueron uruinimes: mientras los europeos se mostraron impreslnmados desde un punto de vista técnico, hu,bo otros que no se t o m r o n en serio m,un primer momento a la n m a estrella de Los ferrocarriles japoneses (. ..).

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LA TRACCION ELECTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.1

S i n embargo, el Shinkarzsen, "la nueva vía': expresión que alude al hecho de que el tren utilizaba una vía de ancho n o m l e n lugar de la via estrecha habitual e n el Japón, no solo era rentable, sino que iniciaba también. a nivel mundial la era de los trenes de alta zielocidad (. . .). No tiene nada de extraño que el mundo de los "trenes bala" resulte m u y atractivo e n la actualidad y que e n él abunden las cifras espectaculares. E n un,os ensayos realizados e n 1996, el Shinkansen, con 71,na potencia de 12000 kilovatios (16300 CV), alcanzó z)elocidades de hasta 443 km/h. Gracias a su gran capacidad (1340 plazas), u n a frecuencia de paso mug elevada - en las h,oras punta, solo cada tres minutos y medio-, y sus escasísirnas paradas, el esbelto gusano metálico es capaz de transportar cada hora, entre Tokio y Osaka a 18000 viajeros hasta sus puestos de trabajo (...). El Shinkansen necesita sólo dos horas y media para recorrer los 515 k m que separan ambas metrópolis. S u puntualidad es legendaria: entre Tokio y Osaka las oscilacione.~nunca han superado los 42 segundos". Tuvieron que pasar 17 años antes de que, en 1981, el TGV (Ver figura 1.8.) francés ("Train a grande vitesse") le diera la réplica técnica "volando" entre Paris y Lyon a 380 km/h, una velocidad sensacional en aquel entonces. El TGV obtuvo el Cordón Bleu ferroviario e l 8 de mayo de 1990, cuando con una potencia de 8800 kilovatios alcanzó 515,skm/h.

En la actualidad, un máximo de doce trenes por hora, con 386 asientos cada uno, pueden transportar hasta 57000 viajeros al día entre Paris y

LA T R A C C I ~ NELECTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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Lyon, trayecto de 428 km, mucho más importante que el anterior desde un punto de vista económico. Alemania se propuso no quedarse atrás ante la competencia que se avecinaba. El país más poblado de la Unión Europea tenía que tratar al menos de "no perder el tren", nunca mejor dicho!!!, de los modernos sistemas de transporte de masas. En 1988 el ICE (ver figura 1.9) (Inter. City Experimental), alcanzó una velocidad máxima de 406,9 k m h . En rápida sucesión surgieron varias generaciones de estos trenes, cuyo producto final es el ICE-3, utilizado por primera vez durante la Expo 2000, 16 ejes rnotrices, con una potencia total de 8000 kilovatios, imprimen una velocidad de crucero de 300 kmlh a este tren de 200 metros de longitud, 405 toneladas de peso y 415 plazas.

El problema esencial de estos trenes era -y lo sigue s i e n d o conseguir una relación equilibrada entre el peso total y la capacidad de transporte. Los kilos por asiento es el parámetro que se suele utilizar para medir esta relación. El progreso salta a la vista: en la primera generación de trenes ICE este valor era de 1223 kilos, mientras que en el ICE-3 asciende solo a 986 kilos. En el TGV francés esta proporción es hoy de 1077 kilos y la generación actual de Shinkansen bate con mucho los valores de los otros trenes de alta velocidad, con un peso de 537 kilos por asiento. Según la jerga de los expertos "tiene un peso por eje muy pequeño" Esta misma preocupación por reducir la "tara" fue uno de los objetivos prioritarios de Alejandro Goicoechea, el inventor del TALGO (no olvidemos que TALGO es el acrónimo de "tren articulado ligero Goicoechea Oriol"). Sin embargo, Volker Müller, director comercial de Siemens Transportation



Systems, a pesar de las cifras anteriores, piensa que es más fácil "comparar manzanas con peras" que comparar trenes de alta velocidad. En efecto, tener solamente en cuenta sus características técnicas es olvidar las condiciones geográficas y los marcos legales de cada país. En Japón, por ejemplo, las líneas férreas que unen las grandes ciudades son casi rectas, gracias a un terreno muy poco accidentado. E n el e.ie TokioOsaka, con más de ochenta millones de habitantes, se encuentra el 65% de la población y el 75% de la industria japonesa. Por ello los ingenieros no tuvieron que proyectar nudos y ramales ferroviarios y, gracias a este tráfico "punto a punto", el transporte al pie del Fujiyama resulta muy eficaz. El ejemplo de Francia muestra también que todo tren de alta velocidad es, en cierto modo, un reflejo de las estructuras sociales propias de cada país. Una estructura estatal centralizada en Paris se despliega radialmente, no sólo desde un punto de vista político y cultural, sino también tecnológico. La red ferroviaria francesa, la más larga de la Unión Europea, con sus 36000 km, ostenta precisamente una estructura de este tipo, extendiéndose además sobre un terreno llano y, por lo tanto, muy apto para la construcción de vías de comunicación. Debido a la poca densidad de población existente a lo largo de las líneas de los TGV, los planificadores pudieron renunciar a gran parte de las paradas, lo que permite una elevada velocidad media. Por su parte Alemania, con 31000 km de vías férreas posee la segunda red más larga de la UE, pero también la más densa, debido a que la geografía histórico-política del país imprimió una estructura reticular a las vías de comunicación. El túnel del Canal de la Mancha ent,re Francia e Inglaterra es un ejemplo de cómo los aspectos políticos de un proyecto pueden constituir un obstáculo enorme para los t~criicos.Para los ingenieros fue sobre todo una pesadilla porque no iba a ser un túnel para coches, sino para trenes. No obstante el 20 de junio de 1993 se efectuó el viaje inaugural del Eurostar, un hecho casi milagroso. Aunque este embajador "transeuropeo" puede alcanzar los 300 k m h , las anticuadas vías inglesas permiten solo una velocidad de 80 km/h. En todo caso, el Eurostar, con sus 393 m es el segundo tren bala más largo del mundo. Los Shinkansen de la última generación tienen 400 m de longitud. Desde luego, gracias al "Advanced Passenger Train" (APT) (Ver figura 1.10.) capaz de cruzar el Reino Unido a 250 krnh, los británicos tienen también su tren de alta velocidad y otro tanto los italianos con su ETR (Ver figura 1.11.) que alcanza los 300 km/h, pero la mera existencia de este tipo de trenes no resuelve la cuestión de su viabilidad económica.

LA TRACCIÓN ELECTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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Mientras que los trayectos medios y con un gran volumen de pasajeros puedan resultar rentables, la construcción de líneas transcontinentales puede entrañar un riesgo considerable. Una prueba de ello son los EE.UU, donde una gran parte del tráfico interurbano corre a cargo de autobuses y aviones. Como el estado de las vías no permite la utilización de trenes de alta velocidad, los EE.UU tendrían que renovar casi por completo su red ferroviaria. Hasta el momento nadie se ha atrevido a afrontar el gigantesco coste de un plan semejante. Sin embargo, a principios de los ochenta la compañía AMTRAK mostró su interés por sistemas como el TGV, el ICE y nuestro TALGO, cuyo prototipo había sido construido en USA. La idea era cubrir la línea Washington-Nueva York. En la actualidad, el único tren de alta velocidad que circula en EE.UU. es el "Acela" que une Washingtori- Nueva York- Boston. Hay que darse cuenta que, en Norteamérica las distancias son grandes en la mayoría de los casos y el tren no puede competir con el avión, aunque aquel sea de gran velocidad. En cuanto a la utilización del autobús, con todas sus incomodidades, sobre todo en viajes largos, queda relegada a los que dan prioridad a su bajo precio. Recordando a los míticos "Orient Express" o "Transiberiano" han aparecido eri Europa sistemas pioneros como el Thalys. Se trata de un tren de alta velocidad que circula a una velocidad punta de 300 km/h entre Paris, Bruselas, Dusseldorf y Árnsterdam. Su confortable equipamiento proporciona un ambiente casi semejante al de una oficina, algo imprescindible en una Europa unida desde un punto de vista económico. Al fin y al cabo, el tiempo que dura un viaje se considera cada vez niás como tiempo de trabajo y la gente quiere emplearlo como tal.

8. Algunas curiosidades El tren de mercancías más largo se ensambló en 1967. Medía 6,4 km de longitud y contaba con 6 locomotoras diese1 que arrastraban 500 vagones de carbón.

El trayecto más largo del mundo recorre los 9500 km que separan Moscú y Najodka (Rusia) en 8 días. El tren cremallera que asciende la pendiente más pronunciada (47%) es el del monte Pilatus, en Suiza. La estación más grande del mundo es la Central de Nueva York.


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9. El futuro. Caminos propios Los trenes de alta velocidad vienen utilizando las vías tradicionales aunque con carril soldado, una fijación y posicionamiento muy cuidado y unas salvaguardias que impidan la entrada o cruce de personas o animales y los llamados pasos a nivel. Sin embargo, están apareciendo nuevos tipos de trenes que precisan agregar nuevos elementos al camino de rodadura. Hace algunos años se empezó a trabajar sobre trenes que utilizaban "motores lineales". Las unidades tractoras se "enganchan" por una fuerza de origen electroniagnético a una placa continua que se coloca en el centro de la vía y a lo largo de todo el recorrido en que vaya a trabajar el motor lineal. El resultado es análogo al que resulta en un tren cremallera aunque allí la acción es mecánica y la rueda dentada engrana físicaniente con la dentadura colocada, en el centro, a lo largo de la vía. Evidentemente, cuando el "enganche" es de tipo electromagnético las velocidades pueden ser mucho mayores. En ambos caso la ventaja de este sistema es que el avance del tren ya no depende exclusivamente de la adherencia de las ruedas tractoras de la locomotora, lo que obliga como veremos a que la máquina sea pesada ni tampoco de la pendiente del tramo por el que se quiere circular.

En otra variante, llamada de "vía activa", el motor situado en el tren se "engancha" sucesivamente a una serie de bobinas, siempre por un efecto electromagnético, situadas y alimentadas corivenientemente a lo largo de la entrevía. Este método resulta mucho más caro y sólo será viable si la cadencia de circulación de los trenes es muy elevada. Como suele pasar, tuvo una fase de éxito inicial pero en la actualidad parece haber quedado relegado a ser utilizado tan solo en tramos de montaña, fuerte pendiente, para suplementar la tracción del resto de ruedas motrices de la locomotora. Y en riingún caso para trenes de alta velocidad en que las obras de preparación de la vía habrán eliminado las pendientes por encima de un determinado valor. Más interesantes, en el mundo de la alta velocidad, parecen ser los trenes que utilizan las fuerzas electromagnéticas para hacer "levitar" al tren. Conseguida la levitación una vía especial, del tipo activo que antes hemos apuntado provoca el deslizamiento magnético y la levitación disminuye notablemente la fuerza tractora que se precisa para conseguir una velocidad elevada. Aunque lo expuesto hast,a aquí será tratado con más rigor tíiciiico más adelante, vamos a extendernos un poco más en este segundo tipo de trenes, que precisan un "camino propio" para su correcto funcionamiento.

9.1. Trenes de deslizamiento magnético El futuro de los trenes de alta velocidad puede estar en los sistemas de

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L A TRACCION ELECTRICA E N L A ALTA V E L O C IDA D FE R R O V I ARI A (A.v.F.)

deslizamiento magnético como el prototipo alemán Transrapid (Ver figura 1.12.) que supera los 400 km/h o el japonés ML500 R, que alcanzó los 517 k d h en pruebas. Los pioneros de esta idea fueron James R. Powell y Gordon Dandy, dos físicos del Laboratorio Nacional de Brookhaven (EEUU) que, hace más de 30 años, imaginaron un tren suspendido por bobinas magnéticas superconductoras, para evitar el rozamiento. El primer sistema comercial de este tipo de trenes fue una lanzadera de baja velocidad que operó en 1984 en Birmingham entre la terminal del aeropuerto y la cercana estación de ferrocarril. Este tren magnético parece ser un "arma" tecnológica polivalente. Al deslizarse sin rozamiento, no necesita ruedas ni bogies ni rodamientos susceptibles de desgastarse. Además alcanza una velocidad de 400 km/h y es igual de silencioso que los trenes de alta velocidad con 300 km/h.

Entonces ¿qué se opone a su utilización? Razones sobre todo de orden político. Dado que el Transrapid necesita también vías nuevas, el proyecto no es fácil de llevarlo a cabo en una época en que se cuestiona la degradación del medio ambiente. No obstante, como artículo de exportación puede tener un gran futuro. Los que más se han interesado por el Transrapid parece que han sido los chinos. Tras descartar el tren japonés de tracción magnética que con sus más de 500 k r n h es el más rápido de su clase, han optado por construir una vía de 33 km que enlazará la red del metro de Shanghai con el aero-


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puerto de Pudong. En enero de 2001 se han firmado los contratos con Trarisrapid International, compañía de riesgo compartido de Thyssen Krupp y Siemens. La inauguración de la línea estaba prevista para el año 2003 y ha tenido lugar antes del verano de dicho aiio.

10. Resumen del capítulo 1

El aumento de los problemas de tráfico y la degradación ambiental han llevado a reconsiderar la utilización de los ferrocarriles en muchos países del mundo. Al comienzo del nuevo milenio estamos asistiendo a su renacimiento, 150 años después de su invención. Cada vez resulta más eviderite que un sistema ferroviario eficaz es "vital", en la mayor parte de las regiones más pobladas del universo. Pero no es el ferrocarril de ayer el que tiene un gran futuro. Por el contrario, el ferrocarril debe continuar desarrollando innovaciones para lograr un funcionamiento óptimo: altos niveles de calidad en relación coi1 el confort y la velocidad, protección ambiental, bajo consumo energético, seguridad y fiabilidad y, en cuanto a los aspectos económicos también importaiites, deberá ser rentable. La tecnología de la alta velocidad ha entrado con fuerza en la mayoría de los pa.íses más avanzados y, como vamos a ver en el próximo Capítulo, siempre pasa por utilizar una tracción eléctrica. Vamos a tratar de adentrarnos en los soportes tecnológicos sobre los que se apoya: para valorar y apreciar una cosa hay que conocerla: Una idea que, como ingenieros, siempre nos ha atraído es aquel pensamiento de Johri Milton: "La principal sabiduría no es el profundo conocimiento de las cosas remotas, desusadas, oscuras y sutiles, sino el de aquellas que en la vida cotidiana están ante nuestros ojos".

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LA TRACCIÓN ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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CAP~TULOII: ASPECTOS GENERALES DE LA -TRACCIÓNELECTRICA

l. Ventajas de la tracción eléctrica La electrificación de una línea de ferrocarril viene impuesta, generalmente, por consideraciones económicas: el coste elevado del carbón, la carencia de petróleo, la disponibilidad de energía hidráulica, han determinado a muchos países, a electrificar su red ferroviaria. Pero la electrificación aporta igualmente una serie de ventajas técnicas y sociales, que resumimos en las líneas que siguen. a ) Potencia La potencia que se consigue por eje tractor es mucho más alta en una locomotora eléctrica que en una de vapor. Con una tecnología dada, la potencia de un motor solo viene limitada por su peso total y el esfuerzo posible de tracción por el peso adherente. La potencia y el esfuerzo de tracción pueden aumentarse tanto como se desee, acoplando varias locon~otoras"en unidades múltiples", controladas por un solo conductor, colocado en la cabina de cabeza. Los únicos parámetros que liniitan la potencia se derivan de la capacidad de las instalaciones fijas y por el esfuerzo a la ruptura que pueden soportar los enganches entre vagones. b) Capacidad de sobrecarga El niotor es capaz de soportar sobrecargas importantes que pueden ser tanto más elevadas cuaiito menor sea la duración de las mismas y de que, en el momento de presentarse la sobrecarga, la temperatura del motor sea más baja. En la práctica, una locomotora eléctrica puede proporcionar un esfuer-


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zo momentáneo comprendido entre un 50% y un 100% superior al que corresponde a su funcionamiento en régimen continuo. Por el contrario, en la tracción por vapor, el régimen de utilización se fija en un valor por debajo del obtenido en el banco de pruebas y esto es debido a que debe tenerse en cuenta que la potencia de una locomotora en servicio sufre reducciones debidas a la formación de costras y depósitos de grasa en las paredes interiores de la caldera e incluso a la habilidad del maquinista para sacar todo el partido posible de su locomotora. Esta potencia disminuida varía incluso, según el servicio que debe realizar la máquina.

c) Flexibilidad de explotación La supresión de servidumbres, como la recarga de carbón, de agua y de arena(para favorecer el agarre inicial de las ruedas tractoras) permite una gran flexibilidad de explotación del material eléctrico pero es , sobre todo, en el servicio de cercanías donde más se aprecia esta flexibilidad, al poder ' componer trenes más o menos largos, de manera instantánea según las necesidades de cada momento, añadiendo o eliminando elementos automotores.

d) Regularidad El estado de mantenimiento de la locomotora eléctrica tiene poca influencia en la operatividad de marcha, mientras que, en la de vapor, la limpieza de la caldera y la calidad del carbón juegan un gran papel. No sucede lo mismo con la locomotora eléctrica, capaz en cualquier momento de dar su plena potencia, lo cual explica la regularidad de servicio que es capaz de proporcionar. e ) Economía de combustible La electrificación de una línea nos asegura, en general, una notable economía de combustible. Inclusive, aunque la energía sólo fuera obtenida a partir de centrales térmicas, la transformación resultaría ventajosa. En efecto, se puede constatar que donde se consumían 2 kg de carbón (de calidad superior) quemado en una locomotora de vapor el consumo eléctrico, una vez electrificada la línea pasa a a ser de 1 kWh, contado a la entrada de la subestación que da servicio a la catenaria y esta energía puede ser, indistintamente, de origen hidráulico o térmico. f) Economía de mantenimiento y de conducción

El mantenimiento de una locomot,ora eléctrica resulta mucho menos oneroso que el de una máquina de vapor, debido al inenor número de elementos importantes en movimiento. Por otra parte, ya herrios dicho que las servidumbres son prácticamente inexistentes en tracción eléctrica.



45

Por último, el rendimiento kilométrico medio de una locomotora eléctrica es el triple del de una máquina de vapor, lo que permite reducir el parque a la tercera parte.

g) Mejoras sociales La tracción eléctrica mejora la condición del hombre: -

Evitando el mantenimiento penoso que precisaba el carbón. Mejorando la habitabilidad de los puestos de conducción (maquinista). Disminuyendo el esfuerzo físico del personal de operación.

Como puede verse eludimos, por el momento, el aumento del confort del pasaje y las mayores ventajas de explotación que ofrece la tracción eléctrica y que serán tratadas más adelante. Por ahora, nos hemos centrado en los aspectos que interesan al empresario y al personal del ferrocarril (ferroviarios).

2. Aspectos generales de la tracción eléctrica

2.1. Generalidades Las ventajas que emanan de la tracción eléctrica se han hecho patentes poco a poco y han dado lugar a diferentes modos de electxificación, con formas extremadamente variadas.

A lo largo del t,iempo,se han ido imponiendo dos grandes tipos de soluciones para el ferrocarril: una proviene de la opinión de que se debía simplificar al máximo, en la empresa ferroviaria, las instalaciones de alimentación de energía a las loconiotoras; la otra basada en la idea de que el problema del mecanismo de tracción era lo suficientemente importante en si mismo como para tratar de escoger, para resolverlo, el motor más adecuado y de mejores características para la aplicación en estudio. La primera solución implicaba la utilización de corriente monofásica, a alta tensión, 10 a 16 kv, pero solamente a baja frecuencia porque, inicialmente, era. difícil construir motores aptos para la tracción, incluso para la frecuencia industrial de 50 Hz. De hecho, se ehgió 5013 Hz en Europa y 25 Hz en U.S.A. La segunda implicaba la utilización del motor de excitación serie de corriente continua, pero trabajando a una tensión moderada, 500 a 3000 V., tanto por razón de la dificultad de construir motores de tensiones más altas como por la de disponer de una aparamenta que trabajase adecuadamente, con tensiones continuas más elevadas.

-

Ambas soluciones estaban, por tanto, peiializadas inicialmente, una por trabajar a una frecuencia "anormal" y la otra por utilizar una tensión débil. Sin embargo, en los años 30 el mejor motor de tracción, por sus características de par y su facilidad de regulación de la velocidad, era el motor de continua por lo que esta solución prevaleció durante muchos años, hasta que se fueron superando las dificultades iniciales. Así se consiguió llevar los 5Ci Hz hasta la propia locomotora en lugar de convertirlos, en la subestacióri, en los ya citados 5013 Hz. También se aprendió, como veremos más adelante, a conseguir buenas características de tracción con motores de alterna, aunque el motor de continua se ha llegado a utilizar, por ejemplo, en el primer TGV francés Paris-Lyon. Anticipemos que el paso de gigante, hasta llegar a las soluciones actuales de los trenes de alta velocidad ha sido posible gracias a la aplicación de la electrónica de potencia y de control a los accionamientos eléctricos. Casi como curiosidad histórica, cabe citar el uso de una tracción trifásica directa (directa ya que las tres fases entraban desde el exterior a la locomotora). Creemos que, en la actualidad, ha desaparecido totalmente esta solución deniasiado complicada.

2.2. Generación de la energía eléctrica que precisa la red electrificada Como en cualquier otro sistema, el funcionamiento del mecanismo motor propiamente dicho depende de los órganos de generación, de transporte y de distribución, En primer lugar está, evidentemente, la generación de la energía eléctrica que precisa el sistema. Al principio de la elect,rificación ferroviaria fueron las empresas de explotación de la red las que construyeron sus propias centrales, para asegurar el suministro de energía que necesitaban.

Con el desarrollo de la red riacional interconectada y, por tanto mucho más fiable que un sistema autónomo y de potencia reducida, en la actualidad, es esta red general la que alimenta las subestaciones instaladas a lo largo del recorrido, las cuales acondicionan la energía recibida al tipo de motores utilizados. A veces, conio veremos, la tensión en la catenaria es de unas caracteríslicas diferentes de la que se aplica a los motores de tracción y es en la propia loconiotora donde se efectúa el acondicionamiento de la energía recibida por el tendido eléctrico. Estamos, implícitamente, pensando en el caso en que existe un tendido eléctrico que alimenta las locomotoras en servicio, a través de sus pantógrafo~de toma. Pero existe una variante, muy utilizada en el caso de

. )

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA


47

recorridos muy largos, en que la energía eléctrica que precisan los motores de tracción se genera a bordo del propio tren: este es el caso de la locomotora diesel- eléctrica, en la que cabría distinguir la parte que genera la electricidad por medio de uno o más grupos electrógenos (motor dieselgenerador eléctrico de alterna o de continua), enviando la energía producida, directamente, a los motores de tracción, constituyendo así una unidad autónoma que no precisa ni de la red general de distribución de energía eléctrica al país ni del tendido sobre la vía para recibir energía. El combustible primario es, en este caso, el gasóleo que consume el motor diese1 del grupo electrógeno. Cuai-ido se alimenta de la red general, el consumo de la red electrificada resulta modesto en relación con el consumo total del país. Tan solo unos pocos % de la cifra total. Tampoco suelen presentarse problemas por la coincidencia de las puntas generales y las propias de la red ferroviaria electrificada. Digamos también que al alimentarse de la red general, el ferrocarril se beneficia, de forma gratuita, de la mejora del rendimiento de las grandes centrales, especialniente de las que consumen combustibles fósiles. Una cifra que se utilizó antaño era la de los gramos de carbón necesarios para producir un kilovatio-hora de energía eléctrica. Sin llegar a los bajos rendimientos de las locomotoras de vapor que hemos apuntado en el párrafo ant,erior,este parárnetro puede estar, actualmente, en unos 300 gramos de carbón, dependiendo, naturalmente, de la calidad del carbón utilizado. Últimamente, con el gran aumento del consumo eléctrico se están produciendo "apagones" que paralizan todo el país y, en particular, la red ferroviaria dotada de tracción eléctrica. Se impone encontrar soluciones a est,e grave problema.

2.3. Líneas de transporte y subestaciones En un primer momento la demanda de potencia a transmitir al tren era baja, debido a que las velocidades eran reducidas y el peso de los trenes no era muy elevado. En estas condiciones se imponía, por la simplicidad de su regulación y el buen par de arranque, el motor de excitación serie de corriente continua, pririiero a 1500 V y posteriormente a 3000 V. Éste fue el caso de Francia, Italia, Bélgica y España. En Alemania y países de su entorno económico, por el contrario, comienzan la electrificación con corriente alterna monofásica a 15000V, pero, con objeto de soliicionar problemas de conmutación en el mot,or

O

48


serie (que también puede trabajar alimentado con corriente alterna, si la frecuencia de ésta no es muy elevada), deciden reducir la frecuencia de la corriente a 16 213 Hz. Esta reducción al tercio de la frecuencia industrial resulta relativamente fácil de conseguir. Debido a que la t,erisión eléctrica utilizada en- corriente continua es relativamente baja, al aumentar la potencia absorbida por el tren, debido a las demandas sociales (aumento de peso, aumento de velocidad o, simplemente, aumento del número de trenes en explotación), aparece el problema de una caída de tensión excesiva y la necesidad de aumentar las densidades de corriente con que trabaja la línea aérea de contacto (catenaria). Ante esta problemática cabía reaccionar de dos maneras: o bien incrementando la sección de los conductores o aumentando la tensión eléctrica de alimentación. La primera solución, aumentar las secciones de la línea de * contacto, conlleva un aumento de masa apareciendo entonces un problema de incompat,ibilidad con la velocidad. Se trata de un problema de vibraciones y sincronización de frecuencia de movimiento de catenaria-pantógrafo por el que se producen despegues entre ambos con el consiguiente desgaste excesivo del hilo de contacto. Una vez resueltos los problemas de los motores de tracción de corriente alterna y teniendo en cuenta la facilidad con que la tensión, en alterna, se aumenta o disminuye por medio de iin transformador y qiie el volumen y peso de los equipos rectificadores, necesarios para convertir a continua la tensión de la red general, se reducía considerablemente con la aparición de los semiconductores, con respecto a las antiguas máquinas conmutatrices y de vapor de mercurio, se hizo factible, por tanto, transmitir la potencia a los trenes en corriente alterna monofásica a una tensión más alta como apuntaba la segunda solución y si los motores eran de continua rectificar la alterna de la catenaria, a bordo de la propia locomotora. Desde ese momento se implanta la corrientc alterna monofásica a 25000 V. Y 50 Hz (frecuencia industrial normalizada en toda Europa). La citada alimentación, debido a su voltaje más elevado, permite montar conductores en catenaria, de sección reducida, e incluso materiales de menor coriductividad eléctrica que el cobre y mayor resistencia mecánica, como es el caso del bronce a igualdad de masa (peso). Ya insistiremos en ello, pero podemos anticipar que la norma esencial para aument,ar la velocidad de circulación de los trenes bajo catenaria es aumentar la tensión de tendido, sin aumentar o reduciendo la masa de los conductores y esto solo fue posible aumentando la tensión eléctrica.

El resumen anterior nos lleva a que las tensiones en uso, con que se

alimentan los tendidos de catenaria, son cuatro: 1500 o 3000 voltios en corriente continua y 15000 V 16 213 Hz ó 25000 V 50 Hz en alterna. Ya, las unidades tractoras del AVE admiten en la catenaria 3000 V C.C.ó 25000V, 50 Hz, en alterna. Veremos que el ICE alemán dispone de una versión de locomotora que puede admitir en catenaria cualquiera de los cuatro tipos de tensión anteriores. Ello le permite circular por cualquier país de la C.E., después de efectuar la oportuna conmutación en la entrada del sistema eléctrico de tracción de la locomotora. Después de esta visión de conjunto de los antecedentes y evolución de la electrificación de alta potencia en Europa, vamos a detenernos, aunque sea brevemente, en los distintos elementos que componen las instalaciones fijas de una red ferroviaria electrificada y preparada para la alta velocidad.(elevadas potencias eléctricas en juego). Tomaremos como instalación de referencia la del AVE Madrid-Sevilla.

2.3.1. Linea de transporte y parque de alta tensión N~rrnalrnent~e, la alimentación a las subest,aciones de tracción se efectúa a partir de una línea de muy alta tensión, por encirrla de los 90 kv, que discurra cerca del tramo que se trata de atender. Esta línea puede tener carácter "especializado",atender tan solo a las subestaciones de tracción o aprovechar una línea ya existente, relativamente próxima a la línea ferroviaria y que alimenta a otros consumidores, además del tren. Por ejemplo, en la figura 2.1. se aprecia que, en la solución del AVE, se han ut,ilizado dos líneas de transporte: una de R.E.E. (Red Eléctrica Española) y otra de Cia. Sevillana de electricidad. La primera, en trazo fino en la figura, alimenta las subestaciones del tramo Madrid-Córdoba, a 220 kv (subestaciones de Villaverde, Aceca, Puertollano y La Lancha). Esta línea discurre próxima a la traza de la línea ferroviaria, con distancias máximas a las subestaciones de tracción de 19 km. En todas las subest,aciones, excepto en Ciudad Real, la forma de alimentación es desviar el circuito con objeto de hacerlo pasar por la subestación de tracción. Como consecuencia, desde el punto de entronque (un poste de línea) hasta cada subestación es necesario construir una línea en doble circuito (ida y vuelta) trifásico. Las subestaciones de tracción en este tramo, como se aprecia en el plano son 9: El Hornillo, Añover, Mora, Emperador, Ciudad Real, Nava, Venta Inés, Arroyo V y La Lancha y están marcadas con un asterisco y denominación: subestación de tracción N.A.F.A.(Nuevo Acceso Ferroviario a Andalucía), con una separación media entre ellas de aproximadamente 40 km.

-

50

LA TRACCION E L ~ C T R I C EAN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F.)

Figura 2.1.

Entre Córdoba y Sevilla se sitúan 3 subestaciones que se alimentan de una línea, propiedad de Companía Sevillana de Electricidad, que une La Lancha con Santiponce a 132 kv. Salvo la tensión de alimentación, 220 kv ó 132 kv, el diseño de todas las subestaciones es exactamente el mismo. Cada subestación utiliza dos fases, nada más, del sistema trifásico de la red de distribución de energía eléctrica. La distancia entre subestaciones, también aquí, ronda los 50 km.


51

Las subestaciones, como decimos toman dos fases y de una a otra se van rotando las fases elegidas, con objeto de aproximarse lo más posible a un sistema equilibrado (fases RS, RT, ST, RS, RT, ST, etc.). En cada subestación se montan, en el caso del AVE, 2 transformadores de 20 MVA cada uno, excepto en El Hornillo, junto a Madrid en donde se monta un tercero, también de 20 MVA, para alimentar a la climatización de trenes en la estación de Madrid-Atocha. Los transformadores admiten sobrecargas del 50% durante 15 minutos y del 100% durante 6 minutos. La potencia total instalada ha sido de 500 MVA en las 12 subestaciones.

En la vista aérea, de una de las subestaciones, de la figura 2.2. se aprecia que el parque de alta tensión, a 220 ó 132 k v es de tipo intemperie, lo cual suele ser típico de estas subestaciones de tracción. Asimismo, se aprecian los dos transformadores de 20 MVA cada uno, montados también al exterior.

Figura 2.2.

En el edificio que aparece entre los dos transformadores se encuentran, distribuidos por celdas, los siguientes elementos: - 2 celdas de protección de salida de transformador, lado 25 kv.

\

-

- 3 celdas de salida de "feeder" (circuitos alimentadores de la catenaria en diferentes puntos de la misma), a 25 kv. -

1 sistema de prueba de iínea a 25 kv.

- 1 celda para el transformador de servicios auxiliares de 100 kVA con el primario a 25 kv.

2.3.2. Subestaciones de tracción Como venimos apuntando, las subestaciones de tracción tienen por finalidad transformar la energía que reciben por la línea de transporte, a tensión muy elevada, en una energía que resulte utilizable por los motores de tracción de las locomotoras.

-

En una subestación (como las de la instalación de referencia del AVE) cabe distinguir: -

Un parque de alta tensión, generalmente montado a la intemperie. Uno o varios "grupos de tracción" o de transformadores (caso del AVE) que transforman la tensión y, a veces, la naturaleza de la corriente (rectificadores para pasar la alterna a corriente continua).

- Una serie de salidas de "corriente tracción" que alimentan a través de "feeders" (en inglés, "feeder" significa precisamente "alimentador"), convenientemente conectados en puntos determinados, para reducir al máximo las caídas de tensión, consiguiendo así que los motores de tracción trabajen a una tensión lo más uniforme posible. Esta "corriente de tracción" es, en la actualidad, básicamente: -

Corriente continua a 1500 ó 3000 V.

- Corriente rnonofásica 16 213 Hz y 15 kv. -

Corriente monofásica 50 Hz y 25 kv.

La separación entre subestaciones se determina a partir de la potencia máxima que tiene que suministrar, en determinado momento, a la red de tracción. Una vez determinada la potencia máxima que debe dar la subestación para el desarrollo normal del tráfico, se instala un "grupo de tracción" suplementario, de reserva, destinado a sustituir al grupo que quede averiado En este caso, (subestación con "reserva pasiva") se puede admitir que cada subestación ~ s t ' a r siempre á en condiciones de alimentar la línea de contacto.


53

Por el contrario, cabe imaginar que las subestaciones disponen de un solo "grupo de tracción", sin reserva, con lo que su coste será inferior. Pero en este caso, resulta necesario suponer que una subestación dada pueda quedar fuera de servicio y, ante esta posibilidad, es preciso que las subestaciones se acerquen, de forma que si una se avería, la sección de línea de contacto que atendía junto con la propia pueda ser atendida por una sola subestación, en condiciones razonablemente aceptables. Se tendrá una pequeña dificultad temporal y localizada que se "perderá" en el buen funcionamiento del resto del tendido. Tendremos menos "grupos de tracción" pero trabajarán todos permanentemente. Además habrá que sobredimensionarlos ligeramente para hacer frente a la contingencia de avería de una subestación vecina. Este tipo de subestaciones suelen denominarse de reserva activa y aporta un mejor comportamiento, frente a la continuidad del servicio, que la solución clásica. En definitiva, a pesar de la aproximación de las subestaciones y, eventualmente, el aumento de la potencia unitaria de los "grupos de tracción", la segunda solución suele disponer también de unidades de reserva, pero estas reservas, en lugar de estar localizadas en grupos normalmente inactivos, se encuentran distribuidas en los grupos que están en servicio que, además son más numerosos. Por eso, a veces se prefiere llamar, a esta filosofía de instalación, "solución con reservas repartidas". Cabe, por último, sustituir una subestación averiada por una subestación móvil montada sobre un vagón. En la figura 2.3. puede verse una subestación móvil 5000 kWl3300 V, corriente continua, para RENFE. Sus características principales son: - Tensiones de alimentación en c.a.: 15-20-25-30-45-50-55-66 kv.

Figura 2.3.

-

LA TRACCIÓNE L É C T R I C A E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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-

Tensiones de salida en C.C.:1650 Vl3300V.

- Potencia nominal en

C.C.:

5000 kW.

-

Intensidad nominal en c.c.: 1515 A permanente.

-

Sobrecargas del 150%: 2272 A durante 2 horas.

-

Sobrecargas del 300%: 4545 A durante 5 minutos.

-

No de salidas de "feeder": 4.

-

Bobina de alisamiento y sistema de filtros de 600 y 1200 Hz.

-

Servicios auxiliares en c.a.: 3x220 VI75 kVA.

-

Servicios auxiliares en C.C.:11 O VI 70 Ah.

-

No de salidas a pórtico: 8 (4 a cada lado de la S/E Móvil).

-

Mando incorporado de seccionadores de pórtico de salida de "feeder". '

-

Preparada para telemando.

La figura 2.4. corresponde a un esquema de subestación sensiblemente igual al de las subestaciones de la línea del AVE. En el esquema se tlistingue entre los disyuntores e interruptores y los seccionadores (los primeros enmarcados con un rectángulo pueden maniobrarse en carga, además los disyuntores tienen poder de corte, es decir pueden cortar una corriente de defecto o cortocircuito varias veces superior a la nominal; en cambio los seccionadores solo pueden operarse cuando no circula corriente a través de ellos, o sea cuando están en "vacío"). En la parte inferior de la figura aparecen los dos tramos adyacentes de la línea de contacto a los que sirve la subestación. Conio se aprecia existe la posibilidad de aislar entre sí las dos secciones de la catenaria. Entre dos subestaciones se puede agregar un elemento de puesta en paralelo de las dos líneas de contacto o bien un puesto de seccionamiento y puesta en paralelo (Ver figura 2.5. a y b). La puesta en paralelo tiene por objeto disminuir las caídas de tensión en la línea de contacto, extremo éste que justificaremos en el punto 2.7.2. En cuanto al puente de seccionarniento sirve para privar tan solo de tensión, en caso de disparo de un disyuntor de la subestación, a un semi-intervalo entre subestaciones. Evidentemente, la adopción de estos puestos intermedios depende de la separación a la que se hayan dispuesto las subestaciones. Las subestaciones del AVE están telecomandadas y para ello se incorporán al telemando de señalización del que hablaremos en su momento. Las protecciones implantadas en cada subestación son:

55


-

-

Disyuntores AT

Transformadores

-,$,,j +

las salidas a catenaria

Figura 2.4 Subestación

Subestación

Puesto de conexión en paralelo e salidas

Subestación

Subestación Puesto de seccionarniento y conexión en paralelo

e salidas

Figura 2.5 a y b

:,, i

I

" .


56

-

-

Protección sobre ¡a línea aérea de contacto. contra cortocircuito en dos escalones. contra sobrecarga, en forma de relé de imagen térmica, teniendo en cuenta la temperatura ambiente. Protección de cada transformador de 20 MVA. contra fallos internos. fallos externos. sobrecargas no admisibles.

- Protección de la instalación de maniobra. -

Protección superpuesta. intensidad suma excesiva. de barras colectoras. instalaciones de prueba. 0

Además de los interruptores, seccionadores, autoválvulas (para descargas de origen atmosférico) y transformadores de intensidad y tensión, de protección y medida, los sistemas de protección comprenden también:

- Protección diferencial de barra. -

Protección de comparación de fases.

-

Protección de distancia.

-

Protección de fallo de interruptor.

-

Comprobación de sincronismo.

-

Mínima tensión.

-

Vigilancia de los circuitos de disparo.

Las subestaciones de tracción a la que nos estamos refiriendo, al estar intercaladas en la red de distribución general de energía eléctrica están telecomandadas desde los despachos de maniobra de las compañías eléctricas Uriión-Fenosa y Sevillana de Electricidad. No entramos en la descripción de las subestaciones para alimentar la catenaria en continua ya que la única diferencia con las que la alimentan a 25 kV es la adición de equipos re~t~ificadores que, al principio eran de vapor de mercurio (aún pueden encontrarse en alguna vieja instalación) pero, en la actualidad, sustituidos por rectificadores en seco a base de semi-conductores. Además, ya hemos visto que, para la alta velocidad, con pot,encias de tracción muy superiores, lo aconsejable es trabajar con la máxima tensión en catenaria, para no llegar a secciones de conductor excesivas. Una diferencia entre las subestaciones de alterna y de continua

LA T R A C C I ~ NELECTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

57

es que estas últimas suelen situarse a distancias unas de otras, relativamente pequeñas, para evitar que en la red general de alterna se produzcan repercusiones molestas, lo cual conlleva el situarlas con intervalos menores. Conviene indicar también que, aunque las unidades tractoras del AVE son bitensión, pudiendo trabajar con catenaria a 25 kv, 50 Hz ó C.C. a 3000 V, la potencia máxima del tren a 25 kv. es de 8000 kW, adecuada para alcanzar la velocidad máxima de 300 km/h y tan solo de 5400 kW si circula bajo catenaria a 3000 V C.C..Con ello, en este caso su velocidad máxima se reduce a 200 kmíh ya que, en estas condiciones, el tren está circulando sobre líneas clásicas cuyo trazado no permite alcanzar velocidades superiores a los 200 kmíh.

2.3.3.Linea de contacto Con este término se designa al dispositivo que sirve para llevar la captación de corrierite hasta la unidad móvil y también al que se precisa para el retorno de dicha corriente. Para el circuito de "ida" son dos los medios que se han utilizado: 1. Tercer carril Colocado a un lado de la vía y a corta distancia del suelo. Se utilizó sobre todo para tensiones que no rebase los 750 V. La toriia de corriente tiene lugar a través de un patín que sobresale de la locomotora y roza por la parte inferior del carril. (Ver figura 2.6.). El perfil que aporta la corriente suele ser de acero dulce, con una sección equivalente de cobre de unos 900 mm2. Los apoyos suelen encontrarse cada 5 ó 6 traviesas. Da una buena captación de intensidades fuertes a

Figura 2.6.

58


cualquier velocidad su rigidez pero presenta dificultades en las travesías, pasos a nivel, riesgos de electrocución y una sensibilidad al hielo ó nieve. Se ha aplicado en trenes metropolitanos y de cercanías pero ha quedado descartado para trenes de alta velocidad.

2. Línea aérea Se dispone con una suspensión "catenaria" y de ahí su nombre típico, para que el conductor que roza con el "pantógrafo" permanezca horizontal. Se sitúa a varios metros del suelo, en el eje de la vía. La captación de corriente se realiza por medio de un pantógrafo así denominado por su carácter retráctil, con objeto de poder dejar sin tensión a la locomotora y, por tanto a todo el tren. En la figura 2.7. puede verse un pantógrafo de accionamiento eléctrico, con una intensidad nominal de 1600 A y una altura de plegado de medio metro aproximadamente. . I ,

-

-u

Figura 2.7.

En cuanto al circuito de retorno hasta la subestación, está constituido en general por los carriles de rodadura y el suelo. Para asegurar una buena conductividad se toman las debidas precauciones.

Existen distintos tipos de catenarias que van desde la utilizada en los tranvías en que el hilo de contacto está simplemente tendido entre dos soportes con una suspensión relativamente elástica (Ver figura 2.8. a), solución que solo perrriite la toma de algunas centenas de amperios y esto con velocidades inferiores a los 50 km/h.. En la parte "b" de la misma Figura ya aparecen dos cables: el portador del que se cuelgan el o los hilos de contacto, por medio de péndulas bastante numerosas a lo largo del tramo. Esta forma de suspensión corresponde a lo que puede llamarse una "suspensión catenaria".

Un parámetro muy importante para asegurar una buena captación es la "elasticidad" que se define como la elevación del hilo de contacto al paso del pantógrafo, bajo el efecto de un esfuerzo dado: valores normales son de 5 a 10 rnrn por kilo de fuerza aplicado. Evidentemente la elasticidad es variable desde el centro de un tramo entre dos soportes (punto "blando") a la que existe en las proximidades de los apoyos (punto "duro") y ésta, a su vez depende en la práctica, del tipo de catenaria. Precisamente, para homogeneizar mejor la elasticidad y asegurar una captación aceptable a todas las velocidades se recurre a uno de los artificios siguientes: en alimentación monofásica, en que la mayor tensión permite disponer un solo hilo de contacto se emplea una suspensión en "Y" (Ver figura 2.9). Este es el tipo de suspensión adoptado en la línea del AVE, corno veremos a continuación. La elasticidad en el centro viene dada por:

LA T R A ~ I E~L N ~ C T R I C AEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

60

Figura 2.9.

Siendo L= distancia entre soportes y C T la suma de tensiones mecánicas. Por ejemplo, si L = 63 m y C T = 1500 kg resulta E = 10,7mm. La tensión mecánica a que nos referimos es la que provoca en el hilo de contacto un contrapeso montado sobre un aparato "tensor". Cuando se trabaja con voltajes más bajos (por ejemplo, 3000 V c.c.) se precisan mayores secciones en el hilo de contacto (para tolerar más ampera-je). Entonces se acude, a veces, a trabajar con un hilo portador y dos hilos de contacto (solución italiana). I No podemos entrar en la casuística de las variadas soluciones que pueden encontrarse en la práctica, ni tampoco son el objeto de este libro, que se orienta principalmente a los problemas eléctricos de la alta velocidad. Por ello, como hicimos en el caso de las subestaciories, nos situamos en el caso del AVE, dando seguidamente las características eléctricas y mecánicas más notables del tendido adoptado en este caso: En primer lugar cabe decir que RENFE seleccionó una solución ya experimentada en alta velocidad. Fue ésta la utilizada por la DB en la República Federal Alemana, con un récord de velocidad de 400 km/h. La denominación técnica es la Re-250. Las características más destacadas de este tipo de catenaria es su gran uniformidad de elasticidad ya que consigue valores relativos del 10% con el criterio de Las componentes que la definen son:

- Hilo de contacto de 120 m m q e cobre con 0,1% de plata 42 kN, es decir, unos 4200 Carga Kg fuerza Tensión mecánica de trabajo 15 kN, (como en el ejemplo anterior) Peso por metro 1,O7 kg /m Corriente admisible en reg. perm. 550 A Densidad de corriente admisible 4,5 Al mmz -

Cable sustentador o portador de bronce 11 70 de 65,81 mm' de sección Carga de rotura 38,6 kN

LA TRACCIÓNELECTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA ( A V F )

61

Tensión mecánica de trabajo 15 kN Corriente admisible en rég. perm. 4,5 Aírnrn2 -

-

Dotada de péndola en "Y", lo cual como hemos dicho, mejora la uniformidad de elasticidad ya que disminuye la rigidez en el punto de apoyo. Geometría: Vano máximo

50 m en túnel y 65 m en cielo abierto 0,30 m cada 1200 m 5300 mm (valor medio)

Descentramiento Cantón de compensación Altura del hilo de contacto

El descentramiento se refiere a la disposición que se adopta, para la catenaria, de un trazado sinuoso a uno y otro lado del eje de la vía con el fin de evitar que roce con el pantógrafo siempre en el mismo punto, lo cual provocaría la rápida destrucción de éste. En la figura 2.10. se aprecia, esquemáticamente, el descentramiento. Los números están dados en cm. brazo de llamada

antibalance en tensión

antibalance en

7 compresión ,

via

catenaria

r--

cotas en cm

-

S1

Figura 2.1O.

Las ménsulas de las que pende la catenaria son de tubo de aleación de aluminio resistente a la corrosión, con lo que el mantenimiento queda prácticamente reducido a cero. Los postes son de hormigón armado, pretensado y centrifugado. Los aisladores empleados son de porcelana, con una carga a tracción de 210 kN, siendo su carga nominal de 130 kN. El retorno de la corriente de tracción se hace por el carril y por un conductor de aluminio de 240 mm2 situado en la parte exterior del poste. La distancia entre eje de vía y eje de poste es de 3,05 m. La carga eléctrica admisible con hilo de contacto nuevo es de 850 Arriperios y, desgastado en un 20% de 780 Arnperios. Dado que las subestaciones contiguas no se ponen en paralelo, entre ambas se establece una zona neutra, o de cambio de fases (ya dijimos que las fases utilizadas en cada subestación contigua se iban alternando). Como consecuencia se producen desequilibrios sobre la red trifásica de

-

62

LA T R A C C ~ ~ELECTRICA N E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

alta tensión que son función del cociente entre la potencia de cortocircuito propia de la red, en el punto de enganche y la potencia demandada por los t,renes, integrada en un periodo de 10 minutos, en %. En el caso del AVE, una vez analizado el problema con las compañías eléctricas implicadas y a la vista de las potencias de cortocircuito de la red, se llegó a la conclusión de que un tráfico de trenes cada cinco minutos, con el esquema de subestaciones proyectado, provocaría desequilibrios superiores al 2%, máximo admisible en régimen continuo, según la experiencia de la Compañía francesa EDF y de SCNF (Equivalente a nuestra RENFE). Por este motivo, en el AVE, se limitaron las circulaciones de unidades a 15 minutos. Evidentemente, pueden buscarse, en otros casos, soluciones, más o menos onerosas que salven la limitación anterior. Por el extenso y prolijo número de valores, especificados a propósito de la catenaria (aún podrían darse algunos más), queremos atraer la atención sobre la importancia que tiene este elemento para el buen funcionamiento de la alta velocidad. El autor tuvo ocasión de ver, en los años 60, la filrnación de las pruebas de una locomotora BB francesa en que la velocidad máxima venía limitada, precisamente, por el contacto pantógrafo catenaria que, en determinado momento empezaba a "escupir" chispas en todas direcciones, con peligro de deteriorarse en muy corto plazo. En el apartado 2.6. entraremos con más detalle en el análisis del comportamiento dinámico del sistema pantógrafo-catenaria. En la figura 2.11. se muestra una vista general del tendido de catenaria en un tramo recto de vía. Se puede distinguir en primer plano, a la derecha, el descentramiento del hilo de contacto, al que antes nos hemos referido. En la figura 2.12. se reproduce los soportes de catenaria en túnel, situados ahora en el centro de la entre-vía, anclados a la bóveda.

2.4. Pantógrafo En la figura 2.7. se ha mostrado un pantógrafo moderno, de accionamiento eléctrico. El pantógrafo constituye el nexo de unión entre la locomotora eléctrica (no locomotora diesel-eléctrica ya que ésta no recibe alimentación del exterior) y la red de distribución de la energía eléctricas que precisan los trenes en circulación. El problema fundamental de una catenaria es el de su comportamiento al paso de un pantógrafo, para garantizar una captación satisfactoria a la velocidad requerida por el proy~cto.

LA T R A C C I ~ NELSCTRICA


Figura 2.11.

Figura 2.12

63

64

L A T R A C C I ~ NE L ~ C T R I C AEN L A ALTA V ELO C ID A D FE RR O VIARI A (A.v.F.)

En realidad no se puede disociar este problema de su aspecto "eléctrico" ya que la palabra captación implica la noción de intensidad que hay que captar. Pero, afortunadamente, la experiencia nos enseña que un contacto deslizante, a diferencia de lo que ocurre con uno fijo, solo precisa una superficie muy pequeña para captar intensidades importantes. Por ello, si el contacto es regular y si el apoyo de la banda que roza con el hilo ó hilos de contacto, se mantiene de manera constante, la dificultad de la captación no crecerá de 1 a 10, cuando pasemos de las centenas de amperios de la tracción en monofásica a los millares de amperios de la corriente continua. Tan solo habrá que pensar, en el segundo supuesto, en prever dos hilos de contacto, en lugar del hilo único que hemos visto se utiliza en monofásica a 25 kv. Gracias a este comportamiento, el problema de las intensidades a captar está resuelto. Subsisten las precauciones que hay que tomar para asegurar la continuidad del contacto, evitando el despegue del pantógrafo, incompatible o con una buena captación (aparición de chispas, desgaste excesivo, riesgo de aparición de "flash", etc). Es aquí donde interviene, como factor irnportante de la catenaria, su elasticidad en el sentido vertical. En efecto, el pantógrafo para asegurar un buen contacto levanta ligeramente la línea de contacto en la medida que la elasticidad de aquella lo permite. Si imaginamos un hilo de contacto tendido entre dos apoyos fjjos, su flexibilidad será alta en el punto medio del vano y nula en los puntos de apoyo. Estos puntos se denominan "duros" ya que provocarían choques y despegues del pantógrafo al pasar delante de un soporte. Este tipo de tendido ya dijimos que se denomina "suspensión simple" ó hilo de tranvía y solo cabe su utilización en estaciones o centros de clasificación de vagones, casos en que la circulación es muy lenta. Como ya hemos dicho, en el apartado 2.6., analizaremos el comportamiento del sistema pantógrafo-catenaria. En el caso del AVE, podemos añadir que la presión que ejerce el pantógrafo sobre el hilo de contacto, a 300 kmíh tiene un valor máximo de de 190 N (unos 19 kg aproximadamente), mínimo de 50 N y medio de 120 N. La tolerancia de montaje exige que la diferencia de altura del hilo de contacto entre dos apoyos contiguos sea como máximo de 2 cm en más o en menos y de 1 cm entre péndolas contiguas.

2.5. La vía La circulación por encima de los 200 kmlh, como corresponde a la alta velocidad, suele exigir la construcción de nuevos trazados. En lo que respecta al diseño en alzado, la heterogeneidad que se observa en las líneas


65

construidas se debe a las diferentes características de tráfico previstas, a las dificultades orográficas de cada trazado y t,anibién a la época en que fueron concebidas. La infraestructura de una línea ferroviaria es el espacio existente entre el balasto y la línea que define el terreno natural. Establecidos los parámetros mínimos para una línea de alta velocidad así como los puntos de paso obligado (estaciones con parada), las dificultades y el coste de la infraestructura det,erminarán la situación exacta de la línea y los tramos que irán en desmonte, terraplén o túnel, el número de viaductos y puentes, así como la distribución de los drenajes a efectuar. Se utiliza una vía sin juntas, entendiendo por tal aquella cuyos carriles de longitud normal se han soldado para formar barras de gran lorigitud en las que su parte central no experimenta movimientos por efecto de las dilataciones o contracciones originadas por los cambios de temperatura. Brevemente, podríamos decir que se trata de construir una "autopista" para el tren de alta velocidad. Por ejemplo, se suprirrien t,odos los pasos a nivel (téngase en cuenta que el AVE circulando a 300 krri/h, utilizando la acción conjugada de todos sus sistemas de freno precisa de 3600 m para detenerse), el cierre de la línea ha de ser total para impedir que la crucen animales o personas, los radios de curvatura en planta serán como mínimo de 3000 m y la pendiente máxima no será superior a 12,5 milésimas (12,5 mm en vertical por 1 ni en horizontal) En las líneas destinadas exclusivamente al transporte de viajeros que, además solo están recorridas por un único tipo de tren acorde con el trazado, la pendiente (como ha sucedido en la línea TGV) puede aumentar hasta 30-40 milésimas y los radios de curva pueden se pueden reducir. Así el trazado se puede adaptar con mucha mayor facilidad al terreno en todo el tramo, lo cual reduce proporcionalmente los costes de construcción. Por otra parte, la necesidad de una mayor dotación de instalaciones de seguridad y comunicaciones (se coloca canaleta a ambos lados de la explanación) y la conveniencia de disminuir las turbulencias al cruce de dos trenes (se pasa de una entrevía de 3808 mrn en ancho RENFE a 4300 mm en ancho UIC) ha hecho que la anchura de plataforma se aumente a 13,30 m, tanto en desmonte como en terraplén. En la figura 2.13. se representa la sección tipo, para el AVE, de las vías en cielo abierto con indicación de las cotas principales, alguna de las cuales ya se han citado anteriormente. En la fase de planificación de las líneas de alta velocidad, tiene una extraordinaria importancia la decisión sobre la explotación de tipo exclusivo o la explotación mixta. Además de la decisión sobre los parámetros del

O

LA TRACCIÓNE L É C T R I C A EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

66

\ CERRAMIENTO

-

i3.*1."1 tramo GETAFE B R A z A r O m A q 12 70 (en el tramo BRAZATOR'AS COADOBA,

Figura 2.13.

trazado existen toda una serie de problemas técnicos y empresariales de los que, brevemente, mencionaremos los principales:

- Volviendo a los túneles, su mayor problema es la diferencia de presión en el aire, que se produce al paso de los trenes. En efecto, las condiciones de presión atmosférica en el túnel vienen influidas por su sección y por el coeficiente de obstrucción (sección del vehículo / sección del túnel). Para que estas condiciones de presión del aire no sean demasiado desfavorables, en los tramos de nueva construcción, los túrieles tienen una sección doble de la que tenían los construidos hace 100 años (ya hemos dicho que la entrevía en el AVE ha pasado de 3808 mm a 4300 mm) En el AVE, se ha optado por una sección de 75 m"ue se considera adecuada en base a que, en la zona de túneles, la velocidad no será nunca superior a los 250 krníh. y que no parece que la sección máxima de 84 m q e los ferrocarriles alemanes (DB), provenga de razones aerodinámicas sino de razones geométricas. -

Las condiciones aerodinámicas al paso por los túneles con altas velocidades se han investigado ya a fondo, de modo que las condiciones reales futuras se pueden prever con bastante exactitud.

-

Según los datos obtenidos, a velocidades superiores a 160 krnlh en el túnel, se producen durante breves momentos diferencias tan altas de la presión atmosférica que todos los vehículos con viajeros deben estar presurizados. Esto no solo afecta a los trenes de alta velocidad que, al ser vehículos nuevos con instalaciones de aire acondicionado, servicios sanitarios, cabinas de conducción, etc.

-

estarán presurizados convenientemente, sino también a los trenes de construcción convencional que circulan a baja velocidad pero pueden cruzarse con una unidad de velocidad alta. Por esta razón en los programas de explotación se prevé separar el transporte de mercancías y el de viajeros y hacer que los trenes de mercancías circulen solo por la noche. -

También conviene señalar que un servicio de trenes muy denso, durante las 24 horas del día puede no dejar suficientes intervalos para los trabajos de inspección y mantenimiento en la vía. Como es natural esto resulta especialmente cierto en los tramos de alta velocidad, cuyo perfecto estado debe comprobarse con más frecuencia. Podríamos decir que estamos ante un problema de optirnización logística.

-

Otro problema de la explotación, lo presentan las secuencias de trenes con diferentes velocidades ya que, para los trenes lentos, hay que crear posibilidades de desvío, es decir, a determinados intervalos hay que prever vías de adelantamiento a lo largo del recorrido de alta velocidad.

-

Finalmente, en relación con el rendimiento de la explotación, hay que mencionar el equipo de señalización para las líneas de alta velocidad y el sistema para mantener distancias entre los trenes a diferentes velocidades. Sobre est,e punto insistireinos al estudiar con más detalle los medios utilizados últimamente.

Como último aspecto importante habría que tratar la superestructura en las líneas de alta velocidad con explotación mixta. La condición más importante para una explotación mixta en las líneas de alta velocidad, es que exista una fuerte construcción de superestructuras y un buen asiento geométrico de vías, sin grandes errores de alineación, para que se garantice una marcha tranquila. El mejor resultado como construcción estándar lo ha dado el carril soldado. El peralte máximo adoptado en el AVE ha sido de 140 mm lo cual corresponde, aproximac(amente, a 5,6 grados de inclinación. La decisión de construir tramos de alta velocidad para la explotación mixta tiene naturalmente considerables efectos en los parámetros del trazado en planta y alzado y, con ello en general, en todo el trazado: debido al gran peso de los trenes de mercancías la pendiente máxima de los tramos debe limitarse a 10-15 milésimas (en el ALTE,ya hemos dicho que se ha torriado para este parámetro 12,5 milésimas). Además las grandes diferencias de velocidad entre uno y otro tipo de trenes (250 kmlh para la A.V. y 1001120 krnh para los trenes de mercancías), su circulación por las curvas

r

68


requiere un cuidadoso ajuste entre la aceleración centrífuga de los trenes rápidos y la aceleración centrípeta de los trenes lentos en las vías con circulación transversal. La figura 2.14. ilustra este extremo:

Al circular el vehículo ferroviario en curva de radio "R" (m) a una velocidad "V" (krnlh), está sometido a una aceleración centrífuga en el plano horizontal, dada por Esta aceleración es la que corresponde a la fuerza marcada en la figura con la letra "f'. En la figura también aparece la letra "u" que nos da el peralte de la vía (u= 140 mm en el caso del AVE).

La fuerza centrífuga "f.' combinada con el peso propio del vehículo "g" nos da la resultante "r" también dibujada en la figura. La resultante "r" nos da una componente, sobre el plano de la vía que, en la figura 2.14. viene marcada por "p" ó "-p", dependiendo de la magnitud de "f '. Si el tren es rápido "f' será grande y la componente "p" tiene un

LA T R A C C I ~ N ELÉCTRICA E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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carácter centrífugo ya que tiende a llevar el vagón hacia el exterior de la curva. En cambio, si "f' es pequeño (tren lento), la misma componente se convierte en "-p" ya que ahora actúa en sentido centrípeto. Este ajuste entre la insuficiencia de peralte que se admite para los trenes rápidos y el exceso de peralte que se produce necesariamente en los trenes lentos exige en definitiva que se adopten curvas con radios relativamente grandes (recuérdese que según la fórmula (2.1) un mayor radio disminuye "f'. Por ejemplo, en los tramos de nueva constriicción de los ferrocarriles alemanes normalmente se toman radios de 7000 m. ó mayores. El gran problema que representa el tener que construir constantemente nuevas vías para estos "supertrenes" de A.V. se ha intentado resolver gracias a las "técnicas de control de inclinación", sistema que se está utilizando ya en diferent,es países. Mediante esta técnica, no se obtiene un aumento de velocidad incidiendo sobre el sisterria de tracción -incrementando la potencia del motor- sino absorbiendo la fuerza centrífuga geiierada en las curvas Para ello se pensó en los coches de pasajeros inclinables. En Esparia, tenemos una solución muy ingeniosa para abordar este problema como ha sido "el sistema TALGO de pendulación natural". Una vez comenzados los estudios en este sentido, surge la disyuntiva de elegir entre los sistemas de basculación forzada ó pendulación natural. Los primeros utilizan mecanismos, generalmente hidráulicos, gobernados por sensores de detección de curvas, acelerómetros, giróscopos, etc. Pueden conseguirse inclinaciones de 6 a 9 grados y son utilizados por el ATP inglés, el ETR 401 italiano y el electrotrén basculante español entre otros. El método de pendulación natural, elegido por Patentes TALGO, S.A., se basa en la elevación del punto de suspensión de las cajas de los coches a una altura superior al centro de gravedad, siendo la fuerza cent,rífugala que inclina el coche con un ángulo de 2,8 a 3,5 grados en las realizaciones actuales del TALGO PENDULAR. El sistema TALGO de Pendulación Natural arroja resultados muy importantes: no aumenta los costes de fabricación ni de conservación, es de absoluta fiabilidad, no puede producir errores en la inclinación y está prácticamente exento de averías al no incorporar ningún sistema sofisticado de detección de curvas ni de servomaniobra. Existe, aparte de otros, un magnífico trabajo de D. Angel Torán Tomás, Dr. Ingeniero Industrial, publicado en la Revista española AIT (de la Asociación de Investigación del Transporte), e11 su no51 de Marzo-Abril de 1983) en el que expone el principio del sistema y analiza las ventajas y posibles inconvenientes (problema del retraso en la respuesta) así como

-

70

LA T R A C C I ~ N ELÉCTRICA E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

las pruebas y ensayos llevados a cabo en su día. En la actualidad, el TALGO PENDULAR se ha difundido por varios países, incluida España, y su progreso ascendente continúa para satisfacción de todos los españoles en demostración de la calidad de nuestros técnicos. Este libro no puede reproducir los detalles del sistema, porque nos queremos centrar sobre los aspectos eléctricos de la Alta Velocidad (A:V.). Sin embargo, reconocemos que, como grandes enamorados del ferrocarril, siempre que sale el TALGO a relucir, no podemos evitar la digresión, ante el tema del que queremos ocuparnos con prioridad. Nos limitaremos, en este caso, a exponer el principio en que se basa. La figura 2.14. nos había servido para darnos cuenta de cómo la fuerza centrífuga en una curva, combinada con la gravedad, podía dar lugar a una componente centrípeta ó centrífuga actuando sobre el vehículo, dependiendo su signo del peralte de la vía y de la velocidad a la que se circula. En la figura 2.15. a y b, hemos añadido un tercer elemento que interviene en la velocidad alcanzable de manera segura y con el adecuado confort para el viajero: se trata de la posibilidad de que la caja del vehículo se incline con respecto al plano de la vía. En la parte a) de la figura se representa el caso de un vehículo convencional en el que, como ya vimos, aparece una aceleración "y" en el plano horizontal como resultado de la fuerza resultante de combinar peso propio y fuerza centrífuga (dada por la expresión 2.1.). La misma fuerza resultante da lugar a una aceleración "y," sobre el plano del pasajero (sensiblemente paralelo al suelo del vehículo) ó "y,"

Figura 2.15. a s/ b

. I ,


71

sobre el plano de la vía (paralelo a la vía peraltada). La primera admite un valor máximo por razones de confort. La segunda queda igualmente lirnitada por razones de seguridad y los valores máximos de ambas se establecen por las administraciones ferroviarias. Es también práctica habitual en dinámica ferroviaria denominar "S" (coeficiente de balanceo) a un coeficiente que, sumado a la unidad, nos da la relación entre los valores de las dos aceleraciones anteriores o sea:

En un vehículo ferroviario convencional, en el que el centro de gravedad de la caja (ver figura "a") está situado por encima del plano de sustentación del vehículo, la inclinación en curva ocurre hacia el exterior de ésta y el valor del coeficiente de balanceo "S" es positivo. Por el contrario, en un tren pendular en el que el centro de gravedad de las cajas se encuentra debajo del plano de sustentación de la suspensión (figura "b"), la inclinación se produce hacia el interior de la curva y "S" toma un valor negativo. En otras palabras, para una determinada aceleración centrífuga y, consecuentemente, para s i l correspondiente proyección sobre el plano de la vía "y," , el vehículo coiivencional actúa "amplificando" el efecto sobre el pasajero, mientras que el vehículo pendular lo disminuye. Hay que hacer notar que la aceleración lateral en el plano de la vía "y," es totalmente independiente de la inclinación de la caja. La rotación de ésta sirve para hacer mayor o menor el valor de la aceleración sobre el pasajero "y," pero, sea cual sea el ángulo de inclinación, no se altera la dinámica rueda carril. Hemos dicho que la elevación del plano de sustentación por encima del centro de gravedad produce una inclinación de la caja. Y es verdad, pero no es éste el único sistema para conseguirlo. No entramos en los sistemas de basculación forzada cuyo principio de funcionamiento es, por otra parte obvio, después de lo dicho. Los críticos del TALGO PENDULAR le han atacado diciendo que siempre implicaba un tiempo de retardo, desde la entrada en curva hasta que se iniciaba la inclinación del vehículo. No hay duda de que esto es cierto pero los ensayos y medidas realizados permiten afirmar que su influencia en el confort es despreciable, teniendo a su favor su simplicidad de diseño y el no precisar de costosos servomecanismos para provocar la inclinaciór-i ante la previa detección de la curva. Como cifra orientativa de la aceleración máxima, sin compensar, que se tolera sobre el pasajero vale, en el AVE, "y," = 0,65 m Iseg2.

-

72


Para cerrar el complejo tema de la vía que, ni mucho menos, hemos agotado señalemos un aspecto de la mayor importancia, cual es el de tratar de limitar, en la medida de lo posible, las fuerzas ejercidas sobre la vía. En efecto, para reducir los costes de mantenimiento de la vía con la alta velocidad (A.V.) resulta necesario limitar las fuerzas dinámicas ejercidas sobre la vía. Se puede ver que esto se logra mediante una restricción en el diseño de la masa no suspendida de las locomotoras. Esta reducción de la masa no suspendida se consigue montando, como veremos, los motores de tracción sobre el "bogie", con un mecanismo de transmisión flexible a los juegos de ruedas si ha lugar. Señalemos que estas fuerzas dinámicas son mayores cuando la locomotora pasa por una irregularidad en el perfil de la vía.

2.6. Nociones sobre la dinámica del conjunto "Pantógrafo-catenaria"

2.6.1. Planteamiento del problema Como ya hemos dicho, la captación de la corriente se realiza por un órgano llamado "pantógrafo", colocado sobre el techo de la locomotora y compuesto por un chasis articulado o cuadro, provisto de resortes que aseguran su despliegue y que ejercen una presión suficiente sobre el hilo de contacto. En su parte superior rnonta un patín, suspendido elásticamente, que frota sobre la catenaria. La calidad de la captación depende esencialmente de la calidad del contacto, es decir, a la vez, del comportamiento dinámico del pantógrafo y del de la catenaria cuyo análisis está íntimamente ligado uno al otro.

2.6.2. Comportamiento dinámico del pantógrafo Designando por "m" la masa del patín y por " M la del cuadro, la masa total M,=M+m debe equilibrarse con la acción de los resortes y la aplicación de un esfuerzo "F," (esfuerzo estático) sobre el hilo de contacto. A est,e esfuerzo estático viene a sumarse una fuerza suplementaria, debida a la acción del aire (esfuerzo aerodinámico) que depende de la velocidad "V" según la ley cuadrática bien coi-iocida.Por tanto el esfuerzo de contacto "F," valdrá:


73

Si el plano de contacto fuera rectilíneo, de altura constsnte e indeformable, este esfuerzo de contacto sería constante, para una velocidad dada. Los desniveles de poca amplitud que puedan aparecer, al circular la locomotora, en el patín del pantógrafo, resultan despreciables debido a la pequeña masa de éste y apenas modifican el esfuerzo con que se aplica al hilo de contacto. Por el contrario, el conjunto del pantógrafo se encuentra sometido a oscilaciones verticales de mucha mayor amplitud, debidas a la flexibilidad del hilo de contacto que, como dijimos, resulta mayor en el centro de los tramos que en la vertical de los soportes. Estos desniveles, de forma "casi sinusoidal" actúan sobre el conjunto cuadro + patín. Aparece, por tanto, en cada punto, una aceleración "y", positiva o negativa que es función de la velocidad y que da origen a un esfuerzo adicional, con lo que el esfuerzo de contacto pasa a ser:

F,= F, + KV2 Iy (M, + m)

(2.4)

Los esfuerzos resultantes provocan variaciones importantes en la fuerza con que el patín se aplica a la línea de contacto y pueden llegar a ser negativos, lo que originaría el despegue del patín del pantógrafo, ruptura del contacto y aparición de un arco. Al contrario las aceleraciones positivas favorecen la captación, al aumentar el esfuerzo de contacto pero someten a la catenaria a esfuerzos de "levantamiento" cada vez más importantes. Como se ve por la fórmula (2.4) el esfuerzo perturbador es proporcional a la masa móvil del pantógrafo y a la amplitud de la deformación del hilo de contacto. El problema que habrá que resolver será buscar los dispositivos constructivos que nos aseguren, por una parte, que la amplitud de la catenaria es lo más pequeña posible, consiguiendo una gran uniformidad en su elasticidad y, por otra, una masa reducida para el sistema articulado o cuadro del pantógrafo. Además cada parte del sistema deberá tener una frecuencia propia que evite cualquier fenómeno de resonancia, dentro de la gama de velocidades con que se va a trabajar.

2.6.3. Comportamiento dinámico de la c a t e n a ~ a La amplitud de las deformaciones del plano de contacto depende, en primer lugar, de las características constructivas de la catenaria que son

0

74


las que le confieren una cierta elast,icidady una frecuencia propia de oscilaciones. Ya hemos visto que la forma de conseguir una mayor uniformidad de la elasticidad era adoptar una suspensión en "Y" en los soportes. En cuanto a la frecuencia propia de sus oscilaciones no depende, prácticamente de la velocidad con que se mueve el pantógrafo. Depende, por el contrario, de la tensión mecánica a que se encuentra sometida, pudiéndose decir que resulta proporcional a la raíz cuadrada de esa tensión e inversamente proporcional a la raíz cuadrada de su masa. La expresión que se admite es: f = 0,51L ..\I (C T I C M)

(2.5)

siendo L la distancia entre dos postes sucesivos, T la tensión mecánica a que están sometido los conductores, M la masa (por metro) de la catenaria. En el caso de la catenaria monofásica (caso del AVE), muy normaliza- , da, la frecuencia propia vale aproximadamente de 0,75 a 0,8 Hz, independientemente de la temperatura En el AVE, L = 63 m 2 T = 15000 N (catenaria) + 2800 N (cable soporte) = 17800 N y C M = 1,07 (m.1. de hilo de contacto) + 0,569 (m.1. de soporte) + 0,31 (m.1. de péndolas) = 1,949 kglm, como masa por in.1. de la catenaria. Aplicando (2.5) resulta: f = 0,5163 . -\1 (17800/1,949) = 0,7585 Hz dentro de los valores dados.

2.6.4. Interacción pantógrafo-catenama Las oscilaciones engendradas en la catenaria se propagan con una velocidad alta, superior a los 350 km/h. Por tanto el pantógrafo se encuentra siempre una catenaria en movimiento, lo cual aumenta la amplitud de los fenómenos de oscilación. Dicha amplitud depende de sil velocidad pero, por un efecto de resonancia, llega a alcanzar un valor importante, para determinadas "velocidades críticas". En esta situación se perturba seriamente la captación de la corriente al favorecer el "despegue" del pantógrafo. La resonancia tendrá lugar cuando el tiempo que emplea el pantógrafo en recorrer la distancia entre dos apoyos de la catenaria corresponda al periodo propio de oscilación de ésta. A la velocidad correspondiente se la denomina "velocidad crítica". El efecto de resonancia tiene carácter transitorio y, cuando se rebasa la velocidad crítica, la amplitud de las oscilaciones se atenúa y la captación se restablece. Conviene "pasar" por una velocidad crítica lo más rápidamente posible. Cabe imaginar dos situaciones:

LA T R A C C ~ ~ELÉCTRICA N EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

-

-

75

Que la velocidad comercial prevista sea igual o esté muy próxima a la velocidad crítica fundamental y, en este supuesto convendrá desplazar el valor de la velocidad crítica, actuando sobre los parámetros de construcción de la catenaria, por ejemplo, la tensión mecánica de los coriductores. Nuestra velocidad comercial de proyecto es netamente superior a la velocidad crítica y, entonces, convendrá adoptar todas las medidas pertinentes para pasar por este valor de la velocidad sin que se produzca un deterioro inadmisible de la calidad de la captación y sin que existan riesgos para la instalación.

Todo lo anterior ha dado lugar a numerosos ensayos, realizados por diferentes países, obteniéndose en todos los casos resultados concordantes y han permitido llegar a soluciones acordes con las velocidades de circulación previstas. Si, como es el caso del AVE, la distancia entre apoyos de la catenaria es de 63 m., el tiempo que invierte el pantógrafos en recorre esta distancia valdrá: 631 V (en mls) = 63 . 3,6 / V (en kmh) = 226,8 / V (en kmh) y existirá resonancia si este tiempo es igual al periodo propio de la catenaria, inverso de la frecuencia propia que hemos obtenido por la fórmula (2.5). Se llega así, para la fórmula que nos da la velocidad crítica (para una separación de apoyos de 63 m):

Que, con f

=

0,75 Hz nos da V, = 170 krn/h y para f

=

0,s V,

=

182 kmlh

La velocidad crítica resulta, por tanto en este caso del orden de los 180 krnh y, como dijimos, sensiblemente independiente de la temperatura.

2.7. Caídas de tensión en la línea de contacto

Se trata en este apartado de analizar, desde un punto de vista puramente eléctrico, las instalaciones fijas de alimentación a las unidades móviles de viajeros o de mercancías que suponemos se mueven por una red electrificada y de tecnología avanzada (A.V.). En Electrotecnia se acostumbra a distinguir tres grandes capítulos en la utilización práctica de la electricidad. ]Vos referimos a la:

-

LA T R A C C ~ ~ENL ~ T R I C EAN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

76

- Generación. -

Transporte.

-

Distribución hasta llevar la energía eléctrica a los usuarios (alumbrado, accionamientos, convertidores ca-cc, cc-cc, cc-ca, etc, termotecnia, depósitos elect,rolíticosy un largo etcétera de aplicaciones de la electricidad).

En nuestro caso obviarnos la generación de la energía eléctrica que precisa nuestra red ferroviaria, ya que hemos supuesto que la realizaba11otros (Compañías eléctricas) y que nos la entregaban, en muy alta tensión, en los puestos intemperie de las subestaciones repartidas a lo largo de la línea. Obviarnos también el transporte de la energía que, como hemos dicho en el párrafo anterior, se realiza por otros en alta tensión hasta las entradas de las subestaciones distribuidas a lo largo de la línea que queremos alimentar. Pero ¿quién es, en definitiva, nuestro cliente, aquel a quién tenemos que aportar la energía que precisa para circular?. Evidentemente es la locomotora eléctrica, esa máquina que ha alcanzado uri alto grado de perfeccionamiento pero que presenta dos particularidades: se mueve a lo largo de grandes trayectos prefijados y, por ello hay que montar una alimentación distribuida: la red de distribución no busca a unos clientes repartidos sino a unos clientes bien determinados, pero con la particularidad de que se desplazan a grandes velocidades. El tema de las locomotoras eléctricas que abordaremos en el próximo Capítulo, constituye un buen ejemplo de lo que, en la actualidad, se denomina un "accionamiento eléctrico" y resulta ser una aplicación de las leyes del electromagnetismo y de una aplicación juiciosa de los convertidores de energía eléctrica. Cuando se empezó a distribuir a distancia la energía eléctrica, la teoría de circuitos nos dice que se podían haber seguido dos caminos duales entre sí: hacerlo, trabajando a tensión constante, ó bien haciéndolo a corriente constante. Sin ent'rar en los motivos, la mayoría de las aplicaciones (la soldadura eléctrica requiere en muchos casos un generador de corriente constante) se resolvieron organizando una red en la que el suministrador nos ofrece, en el punto de conexión, una determinada tensión, 220 voltios en nuestras casas, independientemente de la corriente que demandemos a la red. El producto V . 1 define la potencia que estamos consumiendo (en c.a. aparece un tercer factor que es el factor de potencia). Y naturalmente, como la red que nos atiende no es de potencia infinita, si nuestra demanda de corriente es excesiva, la tensión cae, pudiendo hacer-

.



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lo hasta cero, en el caso de que provoquemos un cortocircuito. En la operación de la red, el principal problema que se presenta es t,ratar de mantener la tensión al valor contratado con el cliente, que es también el que garantiza que nuestros receptores de abonado, luces, motores, etc. van a trabajar correctamente. Cuando vamos a una tienda a comprar una bombilla, lo primero que nos preguntan es la tensión a la que la voy a conectar y, a continuación, su potencia de la que depende su poder lumínico. Y tan malo es hacerla trabajar a una tensión por debajo de su tensión nominal (luce menos) como alimentarla a una tensión más alta (se acorta su vida e incluso puede llegar a fundirse rápidamente). Lo mismo les sucede a los motores eléctricos que resultan sensibles tanto a las sobre-tensiones como a las tensiones por debajo de su valor de diseño o nominal. La distribución de energía eléctrica "tropieza" con dos leyes fundamentales que condicionan su comportamiento:

- La primera es la ley de JOULE: cuando una corriente circula a través de un conductor, en éste se disipa una potencia que se manifiesta en forma de calor y que tiene por valor RI? Esta ley cuadrática nos indica el rápido crecimiento de las "perdidas JOULE" en cuanto aumenta la corriente. El trabajar con corrientes elevadas disminuye el rendimiento, a no ser que la resistencia del conductor sea bajísima. -

La segunda es la ley de OHM: cuando una corriente circula por un conductor existe una diferencia de tensión entre sus extrenios que viene dada por AV = R . 1. Cuando se trata de un hilo de contacto, si lo alimentamos por un extrenio a una tensión constante, el voltaje que tenemos disponible sobre él va "cayendo", a medida que nos alejamos del punto de alimentación y, si no hacemos algo para remediarlo, llegaremos a un punto en que la tensión eléctrica disponible se sale de tolerancia, los motores de la locomotora quedarían subalimentados en tensión y correrían el riesgo de quemarse si seguíamos solicit,ando de ellos su potencia nominal. Dos observaciones importantes: Afortunadamente, la resistencia eléctrica de un conductor se mantiene constante siempre que mantengamos su longitud y la sección de paso de la corriente. Como sabemos la expresión de "R" es: R = p . LIS, siendo "p" la resistividad del material que compone el conductor "L" la longitud del mismo y "S" la seccióri del hilo. Como valor fácil de recordar, si "L" lo expresamos en metros y "S" en m1n2, la resistividad media del cobre vale 0,016 'S1 por metro de longitud y m m q e sección. La segunda observación es que la resistencia eléctrica varía con la temperatura y esta temperatura, en la catenaria, va a depcnder de la corriente que circule en cada

-

momento (calor desprendido por efect,o JOULE) y de la facilidad para evacuar el calor producido (velocidad del viento y temperatura ambiente). Las dos leyes anteriores condicionan el cálculo de las líneas eléctricas. En efecto, si tengo que transportar una potencia dada, importante, a distancia, tengo que hacerlo a una tensión alta pues si no elevara la tensión, la corriente sería muy alta, la caída de tensión "RI" muy grande y los voltios se "perderían por el camino", y tendría pérdidas muy altas en la línea, a no ser que diera mucha sección a los hilos del tendido, lo cual resulta antieconómico. Algunos llaman a trabajar así "enterrar cobre" y el cobre es un metal "casi noble". Por eso suele decirse que la línea se calcula "por caída de tensión", es decir, lo que preocupa es conseguir, con un diseño adecuado, que la caída de tensión se mantenga dentro de lo tolerable. Tuve un querido Profesor que nos decía: en Baja Tensión, hasta quinientos voltios en c.a. pretender transportar la energía eléctrica a más distancia que los metros que expresan el valor de la tensión de servicio no resulta económico, o nos quedamos sin voltios al llegar al receptor que queremos atender ó, como decíamos, nos dedicamos a "enterrar" cobre. Por ejemplo, si quiero alimentar una bomba, en una explotación agrícola, que se encuentra a 220 metros de distancia del pié del transformador donde tengo los 220 V., debo de pensar seriariiente en carribiar la tensión del secundario de mi transformador al siguiente escalón de 380 V. para realizar un buen proyecto. Evidentemente, esto es una "regla" orientativa que habrá que verificar por los cálculos en cada caso concret,~. También es evidente que el transformador ha sido y sigue siendo el elerrieiito "mágico" que nos perriiit,e elevar o reducir la tensión de trabajo adaptaiido su valor a las condiciones que pide el transporte o la seguridad de los usuarios no profesionales. En cambio, cuando se trata de llevar una corriente irnportarite a uii receptor que t,rabaja a tensión muy reducida, como es el caso de un horno de arco, en el tramo final de su alimentación, ahí lo que manda son los amperios y hay que darles mucha sección a los conductores o pletinas que alimentan el horno para que el efecto JOLTLE no las furida en poco tiempo. En este caso la "línea" se calcula "por corriente" ya que su corta longitud y gran sección nos va a dar una caída "RI" insignificante. Se "entierra" pero procurando que el recorrido sea mínimo. Después de este análisis, un tanto intuitivo pero que se ajusta a la realidad, creemos poder afirmar que: "Las caídas de tensión en las líneas de contacto, lo mismo que el rendimiento (bajas pérdidas JOULE) son función de las resis-

*


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tencias kilométricas de los tendidos, del esquema del circuito eléctrico de la catenaria y de la intensidad absorbida por la locomotora, es decir, del modo de conducción de éstas". En los comienzos de la tracción eléctrica, se consideraban en corriente continua, cuatro modos posibles de conducción: -

-

A potencia constante ó, más exactamente, a una potencia dada que será la que deba considerarse, cuando el tipo de locomotora que va a utilizarse todavía no está definido y que tan solo se trata de cubrir un cierto programa de explotacióri. A tensión constante en el pantógrafo, o lo que resulta equivalente a caída de tensión constante. Este modo se utilizaba en las líneas rnal equipadas.

-

Tratando de cumplir una determinada curva característica F(V) , es decir la relación que nos da el valor del esfuerzo que se precisa en la llanta de la máquina, en función de la velocidad deseada.

-

A intensidad constante, que constituye, en la práctica, el modo más iit'ilizado en "gran tracción" ya que corresponde a las posibilidades del material de tracción (locomotoras).

Nosotros vamos a centrarnos en esta última hipótesis que es la que suele utilizarse en A.V. Recordemos también que, como sucede en el AVE, en monofásica a 25 kv, 50 Hz, las subestaciones que alimentan dos secciones consecutivas de la catenaria nunca pueden ponerse en paralelo sobre una sección, es decir, que dos subestaciones alimenten a la vez una misma sección del tendido. Implícitamente nos estamos refiriendo a que el tendido se encuentra dividido en secciones y a cada sección le atiende una subestación solamente, a través de sus salidas a 25 k v ó "feeders" (3 ó 4). En caso de eriiergencia una subestación puede seguir alimentando su sección y, además, a una de las adyacentes, pero siempre que aquellas hubieran perdido su alimentación propia. "Entre la fuente de energía (subestación que tiene asignada la sección) y el pantógrafo de la locomotora (situado en determinado punto de esa sección) existe una caída de tensión que depende de la intensidad absorbida y de las características eléctricas del circuito. El rendimiento de la instalación será tanto mejor cuanto que se consiga que dichas caída de tensión resulte lo más pequeña posible". "El problema del equipamiento eléctrico de la línea consistirá en determinar las distancias entre subestaciones, su emplazamiento teórico óptimo, la potencia a instalar en cada una de ellas

-

y la sección del hilo de contacto, de forma que la tensión en el pantógrafo satisfaga a las dos condiciones siguientes:

-

Que la tensión media a lo largo del recorrido se mantenga lo suficientemente próxima de la tensión nominal, con objeto de que las locomotoras que cubren el trayecto puedan aprovechar, en condiciones normales, toda su capacidad de tracción y asegurar una marcha normal de los trenes.

-

Que en ningún punto del trayecto, la tensión pueda descender por debajo de un cierto mínimo para el que se ha definido el funcionamiento del equipamiento de la locomotora (motores de tracción y equipo auxiliar de seguridad y señalización)

".

De lo anterior se desprende que habrá que considerar siempre la tensión media que se va a encontrar a lo largo de un trayecto y la caída de tensión máxima que puede aparecer en determinados puntos del recorrido y ante determinadas circunstancias. Una caída de tensión media inferior o igual al 10% de la tensión nominal suele considerarse como aceptable. La tensión mínima admisible viene fijada por los reglamentos internacionales. La ficha n" 600 de la UIC, nos da, para 25000 V 50 Hz un valor máximo de la tensión de 27500 V (sobretensión = 10% del valor nominal), un valor mínimo de 19000 V (76 % del valor nominal) y un valor mínimo instantáneo de 17500 V (reducción al 70% del valor nominal). Caída de tensión media y caída máxima tolerable constituyen los dos parámetros que habrá que tener en cuenta y respetar en todo momento, cuando se determine todo el equipamiento fijo que va a colocarse en el tendido. En definitiva, los elementos a tener en cuenta, para el proyecto de toda la instalación del servicio eléctrico, han de ser:

1. Las situaciones que ocupan en un instante "t" los diferentes trenes (x,, x2, ......) y las intensidades absorbidas por cada uno de ellos (1,, 1,; ...........). 2. El valor de la tensión "U" en los bornes de salida de las subestaciones.

3. La distancia "d" alimentada en "flecha", es decir desde un extremo, por una subestación o la distancia entre dos subestaciones cuando sea posible que trabajen en paralelo. 4. La impedancia kilométrica del circuito de tracción, constituido por el conjunto catenaria + camino de retorno (la impedancia es una generalización del concepto de resistencia eléctrica. Lo mismo que

"



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la caída óhrnica era "R . I", en alterna la caída de tensión también se expresa por "Z. 1", aunque tiene un carácter vectorial) Las situaciones de los trenes suelen ser datos del problema ya que se trata de asegurar un cierto tráfico, según unos horarios prefijados. Por lo que se refiere a las corrientes, si admitimos que un motor, en determinado punto, debe desarrollar una cierta potencia, la intensidad en el pantógrafo va a depender de la tensión que exista en ese punto de la catenaria, o sea de la caída de tensión. Pero, como ya hemos dicho, las consignas de conducción lo que suelen fijar son las intensidades y no la potencia. Por tanto, podemos considerar a las intensidades 11,Iz,...., como datos que varían a lo largo de la línea según el perfil de ésta, sus curvas y velocidades aconsejadas. En cuanto a la tensión "U" en los bornes de salida de las subestaciones cabe suponerla constante. En efecto, esto resulta posible, dentro de ciertos límites, gracias a los dispositivos de "regulación en carga" de que están dotados los transformadores que hemos visto se colocaban en las subestaciones para pasar de la alta tensión de la línea de transporte a la tensión "U" que alimenta a la catenaria. Estos "reguladores en carga" trabajan de manera automática, modificando la relación de transformación del aparato, sin necesidad de cortar el servicio y teniendo, como valor de consigna, el valor de "U" prefijado. Conviene advertir que al hacer los cálculos no debe olvidarse la caída interna del transformador situado en la subestación, la cual depende de la intensidad con que trabaja aquel. Además, conviene señalar que a la impedancia interna del transformador se le suele dar un valor relativamente alto (del orden del 8% es un valor usual) para lirnitar la corriente de cortocircuito que pueda producirse en la catenaria.

2.7.2. Cálculo de las cuidas de tensión

2.7.2.1. Cálculo en corriente continua Evidentemente, el cálculo habrá que hacerlo en continua o en alterna, según el t,ipo de tensión con que estemos trabajando. En ambos casos se trabaja utilizando la ley de OHM y, si hacen falta, con lo lemas KIRCHHOFF, pero en alterna aparecen diferencias importantes: -

Además de la resistencia kilométrica del circuito de tracción, hace falta considerar su impedancia o, más exactamente, las dos componentes de la impedancia resistencia y reactancia. Conviene señalar que un aumento de la sección del cobre solo cambia "R" por lo que tendrá una influencia menor que en C.C.

-


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-

-

No basta con considerar el valor de la corriente absorbida por un tren sino que, además, se precisa conocer el factor de potencia (cos cp) de la locomotora. También conviene resaltar que las pérdidas en la línea de contacto siguen siendo "R12" y no, como sucede en C.C. que pueden expresarse por "1 . A U" (corriente por la caída de tensión entre los dos puntos considerados).

Tradicionalmente, el cálculo de las caídas de tensión, con la hipótesis de varios trenes circulando simultáneai-nente, conducía a cálculos muy laboriosos que se resolvían con el uso de tablas o de ¿íbacos. En la actualidad, el ordenador, como en tantos otros campos, ha simplificado la tarea y lo más importante es sentar bien las hipótesis de partida, teniendo en cuenta las consideraciones que han sido expuestas al final del párrafo anterior. Por ello no vamos a entrar en el detalle de estos cálculos y nos limitaremos a referirnos brevemente a los valores de la resistencia kilométrica del circuito de tracción y a presentar, a título de ejemplo, algún caso sencillo de un solo tren y, para mayor sencillez, en el supuesto de utilizar corriente continua. Si designamos por la letra "p" la resistencia kilométrica del circuito de tracción (catenaria + feeders + vías de rodadura, habida cuenta de su posible puesta en paralelo), evidenkmente esta resistencia dependerá de la sección de la catenaria (sección equivalente de cobre) y del tipo de carriles utilizados. El valor empírico de la resistencia de catenaria viene dado por la expresión "18,81S" a la temperatura de 40" C, en ohmios y con S en mm2. En cuanto a la resistencia del circuito de retorno suele expresarse por la fórmula empírica R, = 0,9 1 p , siendo "p" la masa en kg por metro de carril. Por ejemplo, para la línea del AVE, se tiene para el valor de la resistencia kilométrica (el carril utilizado es el UIC-60, con un peso de 60 kg por metro) que coincide sensiblemente con el valor 0,17 + j 0,46 = 0,49 L 69" 43' n/km que suele darse, para la impedancia de la catenaria en vía única, a 25 kv, en su componente resistiva. Vamos a plantear, por último, algún ejemplo de cálculo de caídas de tensión, con las hipótesis simplificativas siguientes: -

Trabajamos en corriente contiriiia.

-

La tensión "U" a la salida de las subestaciones es indeperidiente de la carga y tiene e1 mismo valor en dos subestaciones consecutivas.

O


-

-

83

La intensidad "1" absorbida por un tren se mantiene constante a lo largo de un recorrido. Trabajamos con un tren único.

1°.Supongamos un tren único "1" que se desplaza a lo largo de una sección de longitud total "d", alimentada en "flecha" por la subestación "A" (Ver figura 2.16.).

Figura 2.16

La caída de tensión, cuando el tren se encuentra en la abscisa "x" valdrá:

Al desplazarse el tren la curva figurativa de la tensión en el pantógrafo es la de la figura 2.17. (recta de puntos (a)).

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La caída media de la tensión vale: AU,=pdIl2 y la máxima caída de tensión AU,

=pd1

2".Seguimos con un tren único, pero ahora la sección dispone de doble vía, con la posibilidad de ponerlas en paralelo. El esquema eléctrico equivalente será el de la figura 2.18. Con la notación del esquema podemos escribir sucesivamente: con I1 + I2 = 1

, '

de donde resulta p x (1 - 12) = p (2d - X) 12 + 12 = ~ 1 2 1 d

resultando, AU = p . x . (2d - x)/2d . 1

La curva correspondiente es una parábola (curva (b) de la figura 2.17.), con una caída cero para x = O y x = 2d y AU,,

= 112 p 1d

La caída de tensión media se obtiene por una integral y resulta

AU, = 213 A U,,, = 113 p 1 d

(2.8)

3".Se tiene en este supuesto un tren único situado sobre una sección alimentada por dos subestaciones "A" y "B" pero sin puesto intermedio de puesta en paralelo del circuito de vía. El esquema es el de la figura 2.19. Resumimos a continuación los resultados más relevantes, dejando al cuidado del lector su deducción, muy elemental como las anteriores, a partir de la ley de OHM. Se obtiene: La curva representativa es la (c) de la figura 2.17.



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Figura 2.19.

La caída de tensión máxima vale AU,, y la caída media

AU, = 213 AU,

=

114 p 1 d

= 116 p 1 d

(2.9)

4". Se trata en este caso de tren único que circula por una sección equipada con doble vía y alimentada por dos subestaciones "A" y "B". Además existe una puesta en paralelo en el punto medio del intervalo. El esquema puede verse en la figura 2.20. y la variación de la caída de tensión en la curva (d) de la figura 2.17.

Figura 2.20.

Como se aprecia en la figura aparece, en cada semi-intervalo una parábola, que tiene por ecuación: La caída máxima se produce para x = d13 y x = 2 dí3 y la caída máxima vale Para la caída media hay que hacer una pequeña integral y resulta AU, = 118 p 1 d

(2.10)

Comparando los valores de (2.7), (2.8), (2.9) y (2.10) se observa que la caída de tensión media disminuye sucesivamente de los supuestos 1" a 4" analizados (coeficientes 112 , 113, 116 y 118 , afectando a la caída global P 1 d).

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3. Resumen del capítulo 11 El capítulo ha tenido un primer apartado 1. en el que, de una manera sucinta, se han trat,ado de establecer las razones que hablan a favor de utilizar la tracción eléctrica. Situados ya en esta hipótesis, en el desarrollo del apartado 2. se ha abordado la determinación de las inst,alaciones fijas de alimentación a los trenes en circulación. Aquí, aunque se ha hecho un planteamiento general ya nos hemos decantado por las peculiaridades de una línea de alta velocidad, tomando como instalación de referencia la del AVE español que tan buenos resultados est,á dando. Se ha visto que, en las instalaciones fijas, hay que atender con igual importancia a los aspectos de ingeniería eléctrica como a los de ingeniería civil ya que los trazados de alta velocidad constituyen en realidad verdaderas "autopistas" en las que las modernas y potentes locomotoras que ya se sabe construir, puedan desarrollar todas sus posibilidades. La comparación del trazado con el de una autopista creernos que es del todo afortunada: de nada sirve tener un automóvil que alcanza los 200 k r n h para circular por una carretera calculada para una velocidad de 90 k m k . Los dos casos, trazado de A.V. para ferrocarril y autopista han sido posibles gracias al desarrollo alcanzado, al final de la G.M. 11, por las máquinas de movimiento de tierras, de perforación de túneles, niveladoras de desmontes y terraplenes, etc.. Asimismo, en el caso de las líneas de alta velocidad ha sido preciso desarrollar una tecnología muy avanzada y la maquinaria correspondiente, para conseguir la perfecta colocación de la vía, su fijación y uniones por soldadura, así como el tendido de la catenaria con precisiones que eviten los rebotes del pantógrafo, etc. No hemos podido extendernos en estos aspectos, no obstante su gran importancia, para no desviarnos demasiado del objetivo de partida de este libro escrito por un "eléctrico". Hemos descartado para la A.V. la solución de máquina diesel-eléctrica porque nos lleva a un tren muy pesado que tiene que repostar frecuentemente de combustible. Esta solución puede valer para recorridos de miles de km donde, además, la A.V. no puede pensar en competir con el avión. Tanibién hemos dejado a un lado la alimentación por un tercer carril ante la necesidad de disminuir las corrientes de alimentación elevando la tensión eléctrica de trabajo. Se ha llegado así a la conveniencia de adoptar, como se ha hecho con el AVE, a la alimentación a 25 kV en monofásica a 50 Hz. Subsisten todavía en Europa trazados en corriente continua 1500 y 3000 V y en alterna monofásica a 16 213 Hz pero, cuando no se quiera renovar estos tendidos se pueden construir, como veremos, locomotoras bi-

-


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tensión e inclusive tetra-tensión que pueden circular por estos tendidos aunque lo hagan con alguna limitación de potencia y velocidad. Por último, hemos entrado en el apartado 2.7. en el problema de las caídas de tensión a lo largo de la catenaria, caídas que hay que t,ener muy en cuenta en el proyecto para que, en ningún momento, la tensión que ve el pantógrafo descienda por debajo de un valor mínimo establecido en los Reglamentos internacionales. Hemos visto que el tendido se divide en secciones a lo largo de las cuales cae la tensión que llega a la locomotora hasta que entra en una riiieva sección en que empieza a recorrerla con la tensión nominal. Aunque no se ha dicho antes el sistema resulta "parecido" al sistema de post,as establecido en USA, ant,es de que el ferrocarril llegara a California, para mandar el correo de costa a costa: Un jinete con un caballo fresco realizaba una parte del camino hasta llegar a una estación de postas donde renovaba su caballería. Creemos que estamos preparados para abordar el estudio del material motor que constituye el corazón de este libro. Eso será en el próximo Capítulo.

0

CAP~TULO111: MATERIAL RODANTE MOTOR

1. Generalidades

El material de tracción comprende las locomotoras y los vehículos LLautom~tore~~'. En ambos casos cabe distinguir: -

Una parte eléctrica: motores de tracción y aparamenta de captación y distribución de la corriente (nosotros nos hemos centrado en tracción eléctrica).

-

Una parte mecánica: ejes, chasis que los agrupan, cajas en las que se aloja la aparamenta eléctrica y los órganos de frenado.

La parte mecánica, evidentemente, conserva puntos en común con la construcción de las locomotoras de vapor, los coches de viajeros, etc. La única norma para designar los diferentes tipos de locomotoras modernas se refiere a los ejes, tractores o no: -

Los ejes sustentadores se designan por cifras arábigas, cuyo valor indica el número de ejes sucesivos que existen, de est,e tipo.

- Los ejes tractores se designan por letras latinas , mayúsculas, agrupando juntos los ejes motores que forman parte de un mismo chasis (bogie). Así, la locomotora de alta potencia S 252, de SIEMENS, que aparece esquematizada en la figura 3.1. es del tipo BB ya que dispone de dos bogies cada uno con dos ejes motores. La figura sirve también para ver como se han dispuesto los elementos principales que aloja. Antes de adentrarnos más en el tema, resumiremos una conferencia dictada por el Dr. Rudolf Wagner de SIEMENS, en el que analiza las tendencias que han ido apareciendo en el desarrollo de la técnica de tracción y control, hasta llegar a los trenes de A.V. que ya son hoy una realidad.

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LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA ( A V F.)

1. Transrormador principal 2. Bloque central ( 1 bogie)

3. Refrigerador de aceite 4. Bloque de equipos de alta tensión 5. Ventilador de motor de tracción 6. Ondiilador para equipo auxiliar

Figura 3.1. 7. Bloque de equipos auxiliares 8. Compartimiento del compresor 9. Bloque de aire a presión 10. Armario para sistema de mando continuo

(algunos autores designan este campo de aplicación como A.V.F. iniciales de "Alta Velocidad Ferroviaria"). Pero antes de adentrarnos en este trabajo convendrá que recordemos la evolución seguida por la tracción eléctrica ferroviaria, desde su aparición.

2. Tendencias actuales en el desarrollo de la técnica de tracción y control La tecnología utilizada en cada caso en tracción, constituye el núcleo de todo vehículo automotor ó locomotora eléctrica. Para los alemanes hablar de equipos modernos equivale a pensar en la técnica de tracción trifásica con motores asíncronos y rotor de jaula, convertidores con tiristores GTO y, naturalmente, con una técnica moderna de control a base de microprocesadores. Estamos nombrando indirectamente la tecnología que ellos han llevado al tren ICE. >

-

Pero antes de llegar a dominar la técnica de la tracción trifásica, los ingenieros ya habían soñado, desde siempre, en la utilización ferroviaria de

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIA'RIA (A.V.F.)

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los sencillos y robustos motores asíncronos trifásicos con rotor en cortocircuito Hubo varios intentos para la introducción de esta máquinas en la técnica ferroviaria. En efecto, en la década de los 30, en Alemania estuvieron circulando trenes automotores que a velocidades comerciales (no máximas), de 120-130 km/h desarrollaban un tráfico que suponía veintitantos mil kms de recorridos diarios, lo que nos dice que las velocidades importantes se han conocido hace ya mucho tiempo y, sin embargo, no se ha desarrollado antes la A.V. porque, como ha dicho el Profesor D. Manuel Losada Catedrático de Ferrocarriles de Caminos, se dio la paradoja de que el ferrocarril apareció demasiado pronto: tal vez la evolución natural debía haber sido que a una diligencia y a un carro les sucediera un automóvil y un camión y, más tarde, debiera haberse inventado el camión articulado con uno o dos remolques llegando, a continuación, a las pistas aisladas y separadas para estos vehículos (tercer carril), etc., etc. pero ciertamente la historia no discurrió así: Súbitamente, para sustituir a carros y diligencias apareció un medio tremendamente poderoso -el ferrocarril- que, aparte cualquier consideración sobre sus ventajas técnicas (y tuvo muchas) redujo los costes del transporte en tal medida que se hizo prácticamente con todo el mercado del transporte terrestre (el transporte marítimo y fluvial siguen teniendo su vida propia). Seguramente, por este hecho, el ferrocarril se acostumbró a una vida demasiado fácil y pensó y actuó como si pudiera seguir funcionando de este modo indefinidamente. Abundando en lo dicho al principio del párrafo anterior, en la figura 3.2. puede verse un tren automotor, construido por SIEMENS & HALSKE en

Figura 3.2.

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN L A ALTA VELO C IDAD FERR O VI AR IA (A.v.F.)

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1903, que alcanzó el increíble record de velocidad para aquellos tiempos, de 210 krnh, montando motores asíncronos trifásicos.

Sin embargo, aparte cualquier consideración que quiera hacerse, la tracción eléctrica se impuso gracias a un motor que se adaptaba perfectamente a los requerimientos dinámicos que demandaba la tracción ferroviaria, superando con creces a la tracción por vapor, como hemos visto al principio del Capítulo 11. Ese motor es el "motor de corriente continua con excitación serie".

2.1. Motor de corriente continua, con excitación serie Su esquema puede verse en la figura 3.3. y las ecuaciones que rigen su funcionamiento son, como las de todo motor de corriente continua:

A las que hay que añadir, en el caso del motor de excitación serie: Rs=R+r

(3.4)

En estas ecuaciones: "U" es la tensión aplicada al conjunto inducido + inductores serie.

"E" es la fuerza electromotriz (contra-electromotriz suele decirse si la máquina trabaja como motor).

"R," es la resistencia global de inducido + bobinas inductoras como nos dice la ecuación (3.4) (R = res. de inducido). "1"

es la corriente que, en cada instante, circula por el inducido y también por los inductores (para este tipo de motor (ver esquema).

"a"es

el flujo inductor generado en cada momento por las bobinas inductoras.

"in" es la velocidad angular con que gira el rotor (inducido) del motor. Se expresa en radianes 1 segundo o en r. p. m. (revoluciones por minuto) según el valor que demos a "kv.

"T" es el valor del par mecánico desarrollado por el motor (El par, los franceses suelen designarlo por la letra "C", inicial de "couple" y


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los alemanes por la letra "M" inicial de "momenturn". La "T" es anglosajona y proviene del término inglés "torque" utilizado por ellos para designar el par. A título de curiosidad, los portugueses llaman al par mecánico "binario" ya que, en el fondo, equivale a dos fuerzas iguales que actúan en sentido contrario, dando lugar a un movimiento de giro.

Las ecuaciones anteriores nos explican, con toda su sencillez, la forma en que responde este tipo de motor. Serie

I

Figura 3.3.

En efecto, si aplicamos una tensión "U" al motor, en el instante inicial todavía "E" vale cero ya que el rotor no ha empezado a girar. Luego la ecuación (3.1) queda reducida a su segundo término y como R, debe ser pequeña para disminuir las pérdidas JOLTLE del motor, resulta una corriente de arranque muy superior a la corriente nominal. Esto es típico de los motores de corriente continua: "corriente de arranque elevada". Por esta razón, es preciso disponer un reóstato de arranque que intercale resistencias adicionales que limiten la corriente de arranque a un valor aceptable (de 1,5 a 2 In). Cuando el rotor coge velocidad empieza a crecer "E" (Ver ec. (3.2)) con lo que "1" se auto-limita y el reóstato puede quedar fuera de servicio. Pero, en el motor serie, la corriente de arranque elevada implica que el flujo magnético creado por las bobinas inductoras también lo sea. Antes de la saturación puede admitirse que dicho flu.io es proporcional a 1 con lo que la ecuación (3.3) nos dice que el par motor crece proporcionalmente a 1" Si, por ejemplo, el reóstato de arranque h i t a la corriente a dos veces el valor nominal, el para de arranque valdrá cuatro veces el par nominal (siempre en el supuesto, de que el circuito magnético no se sature). Como ya vimos, a propósito de la ley de JOULE, una ley cuadrática tiene siempre mucho "peso". La consecuencia es que un motor serie se caracteriza por su


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elevado par de arranque. Siempre un motor de continua tiene un buen par de arranque, pero en el caso de un motor de excitación serie este efecto es mucho mayor por depender de una ley que tiende a ser cuadrática. Creemos que no hace falta insistir en la importancia que tiene, en técnica ferroviaria, en disponer de un par de arranque elevado: El tren "echa a andar" más rápidamente y adquiere velocidad en menos tiempo (más aceleración ante la mayor diferencia entre par motor y par resistente). Si en la ecuación (3.2) despejamos ''O" y sustituimos "E" por su valor en función de la tensión de alunentación nos queda la ecuación muy importante:

Esta ecuación nos da los medios de que disponemos para variar la velocidad de un motor de corriente continua. Tenemos tres formas de actuar:

a.

-

Disminuir el flujo inductor

-

Aumentar R, ( poco aconsejable porque aumentan las pérdidas JOULE).

- Disminuir la tensión "U" que aplicamos al motor (Veremos que es la más int,eresante). En el caso del motor serie vemos que, al aumentar la corriente "1" absorbida por el motor, la velocidad disminuye por dos razones: disminuye el nunierador de (3.5), al aumentar su sustraendo y aumenta el flujo iriductor (denominador) por estar atravesado por la misma corriente "1". Suele decirse que la velocidad cae con la carga ya que corriente absorbida equivale a potencia absorbida, trabajando a tensión constante y si la potencia que demanda el iiiotor aumenta es porque también lo hace la potencia que solicita la carga mecánica del motor. Resulta de lo anterior que este tipo de motor es muy sensible a la variación (le carga y que su velocidad cambia en buena proporción cuando lo hace la carga. Y esta reacción del motor va en el buen sentido: cualquiera de nosotros si arrastramos una carga y ésta aumenta, tendemos a perder velocidad. Tan sensible resulta el motor serie a la carga que, si se queda sin ella ("1" tendiendo a cero) tenderá a embalarse. Pero que una locomotora se quede sin carga equivale a decir que ha volcado y, cuando esto sucede, el pantógrafo ya no está alimentando a los motores. Si el motor serie se utilizara para accionar un torno, por ejemplo, est,e peligro de embalamiento si sería preocupante, porque con bastante facilidad si puede suceder que se rompa la herramienta que está arrancando viruta y el cabezal del torno, al


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embalarse, podría provocar proyecciones de material peligrosas para el operario que maneja el torno. En definitiva resulta un motor que arranca muy bien, que "tira" muy bien, acelerando rápidament,e la carga y que se autorregula en velocidad tendiendo a tener una curva par-velocidad en forma de rama de hipérbola, presentando un conjunto de características que lo hacen ideal como motor de traccióii ferroviaria.

Sin embargo a esta ventajas hay que oponerle, como casi siempre sucede en ingeniería, algunos inconvenientes: Las luiútaciones del motor serie derivan, en su mayor parte, de su colector, ese elemento de su estructura, coniún a la esencia del motor de continua, que aunque fue LUI modelo de ingenio y de arte ingenieril cuando se inventó, ha sido siempre el talón de Aquiles, el punto débil de estos motores. Vamos a ver esto un poco más de cerca.

2.2. Limitaciones del motor serie de corriente continua Entendemos por conmutación de una bobina o, como suele decirse, de una sección del d~vanadode inducido, comprendida entre dos derivaciones al colector (Ver figura 3.4.) al fenómeno por el cual la corriente que circulaba por la sección que conmuta cambia de sentido, pasando de +I a -1 , en valor relativo, y esto debe de hacerlo en el breve tiempo que trans-

Figura 3.4.

LA T R A C C I ~ N ELÉCTRICA

96


curre entre el contacto de la escobilla con una y otra de las derivaciones de la sección que la conectan al colector. Cualquier eléctrico sabe muy bien que cuando se intenta modificar el sentido de la corriente que circula por una bobina, inmediatamente, por la famosa ley de LENZ, aparece una f.e.m. inducida en la bobina que tiende a oponerse a dicho cambio. Se trata de una especie de inercia por la que la bobina "desearía quedarse como está". Esta fuerza electromotriz tiene una expresión que es del tipo:

/

en la que "Lb'' es el coeficiente de autoinducción de la bobina que conmuta y "di / dt" es la derivada de la variación de la corriente, con respecto al tiempo de conmutación. Teniendo en cuenta que la variación de la corriente en la bobina va, de +I a -1 , la derivada anterior puede expresarse con bastante aproximación, en términos incrementales, por A 1= 21 en un tiempo "t," que es el denominado tiempo de conmutación. Con esto, la ecuación (3.6) nos queda La f.e.m. "e," tiende a apartar la conmutación de lo que se llama una conmutación lineal, de tal forma que cuando la escobilla abandona la delga (cada una de las piezas que componen el colector) sobre la que rozaba para pasar a la siguiente tiene que interrumpir una corriente por rotura "mecánica" que será tanto mayor cuanto mayor sea "e, ". Es decir la conmutación provoca un chispazo que conduce a la rápida destrucción del colector, pudiendo llegar a comunicar todas las delgas ("flash en el colector") entre sí, poniendo el inducido de la máquina en cortocircuit,~. Con esta explicación, un tanto somera, pero "cierta" (hay libros enteros, dedicados a desmenuzar en detalle, el fenómeno de la conmutación de una máquina de c.c.) vemos que una buena conmutación depende de que la f.e.m. que se opone a la variación de la corriente sea lo más pequeña posible. Y jcuáles son los medios para reducirla?. La ecuación (3.7) nos lo indica claramente:

- Podemos tratar de reducir "Lb" que básicamente depende del número de espiras que componen la bobina que conmuta. Esto supone aumentar el número de delgas del colector, lo cual nos lleva a escobillas estrechas y muy alargadas con la correspondiente limitación, por fragilidad de las mismas. -

Reducir el término "21" pero este término es variable y, por lo tanto, cualquier máquina que está conmutando bien dejará de hacerlo, cuando la carga de la máquina aumente indebidamente.


-

97

Aumentar el tiempo de conmutación "t,", es decir, reducir la velocidad de la máquina, pero aquí sucede lo mismo que en el punto anterior: una máquina que conmuta bien dejará de hacerlo cuando su velocidad rebase una cierta velocidad prevista por el diseñador y, de una manera general, no convendrá construir máquinas de continua muy revolucionadas.

No hemos dicho hasta ahora que la conmutación ideal tiene lugar cuando la sección que conmuta lo hace sobre la "línea neutra" que es donde la fuerza inducida por la excitación de la máquina es, o se aproxima mucho a cero. Sin embargo, si alimentamos al motor serie de continua con una tensión alterna, en principio parece que tiene que seguir funcionando pues se invierten a la vez la corriente en el inducido y en los inductores por lo que el par motor no cambia de sentido (regla de la mano izquierda para determinar la fuerza de LAPLACE que aparece sobre un conductor, de longitud "l", por el que circula una corriente "1" y que se mueve en un campo magnético, de valor "B", : F = B 1 1).

Y así es en realidad, resultando el "motor monofásico serie", que trabaja con tensión alterna. Pero conviene darse cuenta que en este motor la conmutación resulta mucho más difícil: además de la "temible" "e," aparece, en este caso, otra f.e.m. que llamaremos "eb", producida por lo que suele llamarse "efecto transformador", es decir la f.e.m. que se induce en una bobina que no se mueve pero que está sometida a un campo rnagnético variable. Y resulta que esta nueva f.e.m. inducida en la bobina que conmuta, también tiene un efecto negativo sobre la conmutación. Luego la conmutación de un motor monofásico serie alimentado en alterna va a ser peor "a priori" que en el motor trabajando en continua. ¿Cómo tratar de remediarlo, al menos en parte? La idea más sencilla es que, como ''el," es proporcional a la velocidad con que varía el campo magnético alternativo, es decir, a la frecuencia de la tensión con que alimentamos el motor, la solución pasa por reducir esta frecuencia. De ahí vino la idea de trabajar a frecuencia reducida (16 213 Hz en Europa ó 25 Hz en USA) para alargar la vida de los colectores de los motores de tracción trabajando en alterna pero aprovechando las ventajas de la alterna para trabajar a tensiones más altas y menores corrientes en catenaria. Nace así la tracción en alterna monofásica a frecuencia reducida.

2.3. Motores monofásicos con colector Ya hemos dicho que un motor monofásico con colector no es otra cosa que un motor de corrient,e cont,inua con excitación serie, más o menos

adaptado para trabajar en las mejores condiciones, al pasar a alimentarlo con corriente alterna. Pero la realización de estos motores nioiiofásicos, dotados de colector, de gran potencia y su utilización en tracción ferroviaria presenta dificultades cuya característica principal es la de aumentar rápidamente con la frecuencia de la corriente de alimentación. Se trata, como henios visto en el apartado anterior, de la aparición de la f.e.m. "e," inducida en la sección que conmuta, que es la "responsable" de la existencia de una corriente de circulación en dicha sección, corriente que es imposible anular completamente a todos los regímenes de marcha y que, finalmente, son las escobillas las que deben cortarla.

)

El problema esencial, por tanto, consistirá en reducir esta intensidad a un valor aceptable que no destruya en poco tiempo las delgas del colector y las escobillas que rozan con el mismo. Para resolver e1 problema cabe atacarlo por distintos caminos: -

Realización de un bobinado especial del motor que disminuya la tensión entre las delgas del colector.

-

Llevar a cabo una regulación especial del campo en que tiene lugar la conmutación. en función de la velocidad.

-

Utilizar un sistema de conexiones resistentes.

-

Simplificar el bobinado est,at,órico,suprimiendo el arrollamiento de compensación.

Sin pretender entrar en estos tecnicismos, de diseño interno de los motores, veamos, sucintamente, la evolución histórica que ha tenido lugar, para adaptar el motor de colector a la tracción ferroviaria: La electrificación utilizando corriente alterna, con motor serie con colector empezó en los Estados Unidos hacia el año 1900. Para mejorar la conmutación se utilizó la colocación entre delgas y devanado de inducido de resistencias adicionales, con aplicaciones, en 1907, en la red New-York, New-Haven y Hartford. En Europa, en esta misma época, empezaba la tracción eléctrica, utilizada hasta entonces tan solo en tranvías, como medio eficaz de tracción ferroviaria. La corriente continua inicialmente manejada se limitó a 600 voltios y, muy pronto, los tecriicos empezaron a pensar en recurrir a la corriente alterna de baja frecuencia. Hacia 1905 se ensayaron, simultáneamente, dos tipos de motores: -

Un motor serie compensado, probado en los ferrocarriles suizos

-

Un mot,or de repulsión compensado, ensayado e11 la red alemana de ferrocarriles.


99

En Francia, la compañía "Chemins de fer du MIDI" adoptó, desde principios de siglo, la corriente monofásica 16 213 Hz a 12000 voltios, habierido promovido, hacia 1910 un concurso entre los priricipales constructores especializados, para construir una locomotora prot,otipo en esta tecnología. De este concurso nació la fusión de los "Ateliers du Nord" y de "Ateliers de 1'EstX, creando la sociedad "Forges et Ateliers de Constructions Eléctriques de JEUMONT" que presentó su modelo en 1910, poco antes de la 1" Guerra Mundial. La potencia de esta locomotora era de 1500 CV. Montaba tres motores del tipo serie compensado, que trabajaban como motores de repulsión durante el arranque. En 1920 la solución monofásica quedó aparcada al adoptarse en Francia la corriente continua 1500 V. La elección de una frecuencia reducida (16 213 ó 25 Hz) resultó favorable al desarrollo de la electrificación con corriente alterna, al simplificar la realización de los motores de tracción. Como curiosidad cabe decir que, cuando la compañía americana empezó a trabajar a 25 Hz , inicialmente se había pensado en los 15 Hz, valor que ya se pensaba suficientemente alto para la realización de motores de tracción. Hay que t,eiier en cuenta que entonces la red USA trifásica trabajaba a 25 Hz por lo que resultaba tentador adoptar este valor, a pesar de las dificultades que pudieran aparecer. Además se consideraba el interés de unificar las frecuencia en t,racción y en los talleres e instalaciones anexas. En la década de los cincuenta el motor serie compensado con colector es el único tipo de motor que se tiene en consideración a la hora de realizar motores de algunos cientos de caballos. No obstante, sigue siendo válido que las dificultades crecen rápidamente con la frecuencia utilizada y estas dificultades provienen, básicamente, de la conmutación. Si, como ya hemos dicho, el motor serie alimentado en alterna se comporta en principio como el motor de corriente continua, en el primer caso se nos presenta un fenómeno suplementario, debido al flqjo inductor de alterna (efecto transformador), flujo que induce en las espiras que conmutan, la repetida "e,". Se concibe, por tanto que la conmutación en corriente alterna conlleva un fenómeno nuevo, cuyo valor debe limitarse a unos pocos voltios. Ya hemos dicho que el valor de "e," es proporcional a la frecuencia pero debemos añadir que también depende, e igualmente siendo proporcional, al valor del "flujo por polo" por lo que entre las condiciones constructivas un remedio evidente, aparte el de reducir la frecuencia, consistirá en la reducción de este parámetro. Así, por ejemplo, cuando pasamos de un motor a 16 213 Hz a uno de la rnisma potencia a 50 Hz, el número de polos del motor habría que multiplicarlo por 3, si se conservan los valores de la inducción, velocidad y las misiiias dimensiones. De hecho, no resulta posible triplicar el número de polos en el supuesto ante-

rior y, por tanto habrá que imaginar otros artificios para impedir el crecimiento de la tensión perturbadora. Sin entrar en el análisis de los parámetros constructivos adoptados, en la citada década de los 50 se proponen motores monofásicos con colector que trabajan a 50 Hz. Como siempre sucede han sido los progresos tecnológicos de los materiales (mejor calidad del carbón de las escobillas, nuevas disposiciones de los brazos portaescobillas, menores velocidades periféricas, etc) las que permitieron este progreso, de tal forma que el número medio de km de recorrido, entre dos revisiones del colector, pudo crecer en gran medida.

Podríamos concluir que la utilización del motor serie con colector se ha consagrado como válida lo mismo que lo fue y sigue siendo la del motor de corriente continua. Si los motores de colector admiten la frecuencia industrial se llega a una construcción de locomotoras y automotores tan sencilla y barata como en C.C.,al eliminar la necesidad de un convertidor para pasar de los 50 Hz a la frecuencia reducida adoptada. En la figura 3.5. se puede ver un prototipo de locomotora, construido por "Forges & Ateliers de Constructions Eléctriques de JEUMONT, equipada con motores aptos para trabajar con corriente monofásica 50 Hz, y construida al principio de la década de los 50.

Figura 3.5.

2.4. Motores trifásicos de inducción con el rotor de "Jaula" Ya hemos dicho como los alemanes orientaron su investigación, desde el principio de siglo (1900), para conseguir la utilización del motor de inducción, con rotor de "jaula", en tracción ferroviaria. Este motor se caracteriza por su robustez y sencillez debida, principalmente a carecer de colector, órgano delicado y punto débil, como hemos visto, del motor de corriente continua. Sin embargo, la regulación de su velocidad depende directamente de la frecuencia de las corrientes con que lo alimentamos. La fórmula p . N = 60 f ( p = no de pares de polos, N = velocidad eii r.p.m.) nos da la velocidad de sincronisino, del campo giratorio que se crea por la acción combinada de las tres bobinas trifásicas, situadas en el estator. Y el rotor de jaula, para trabajar con bajas pérdidas, debe girar ligeramente por debajo de esta velocidad, con un cierto deslizamiento. Así, por ejemplo, un motor de inducción, de 4 polos, alimentado a 50 Hz tiene una velocidad de sincroriismo de 1500 r.p.m. Si nos dicen que trabaja con un deslizamiento del 3% quiere decir yue su rotor está girando a 1500 - 3% de 1500 = 1500 - 45 = 1455 r.p.m. En un principio llegó a pensarse en una alimentación trifásica de la locomotora, pero esto complicaba excesivamente la infraestructura fija y tarribién la móvil de la propia locomotora. Por ello esta idea quedó rápidamente rechazada y empezó a trabajarse en la posibilidad de "fabricar" iina trifásica a partir de una tensión monofásica. Para ello se estudiaron soluciones a base de un transformador de fase y de frecuencia que se componía en esencia de un convertidor monotrifásico que alimentara a frecuencia variable, a los motores trifásicos de rot,or de jaula, que suministraban la tracción a la máquina. Algunos aspectos de estas soluciones fueron presentados en mayo de 1951 a la 7" Sección de la Sociedad Francesa de Electricistas. Sin embargo, todos estos balbuceos para utilizar el motor trifásico de rotor de jaula iban a quedar "barridos" por la irrupción, en el campo de tracción ferroviaria, de la electrónica de potencia, en la década de los 60. Vamos a verlo un poco más de cerca.

3. Aparición de la electrónica de potencia 3.1. Unidades rectificadoras Volviendo a citar al Profesor Losada, en su opinión, la alta velocidad

ferroviaria (A.V.F.) propiamente dicha tendrá una estructura de vía muy parecida a la de las líneas ya en servicio (TGV-A, IVAFA en España, etc.). En cuanto al sistema de tracción podrá ser cualquiera. Desde hace relativamente pocos años, la electricidad ha sido "domesticada" y se hace con ella cualquier cosa. Se puede convertir, como es sabido, cualquier corriente y cualquier voltaje en no importa qué corrient,e ni voltaje. Con ello se ha logrado que se puedan utilizar todo tipo de técnicas de tracción por lo que, en cada caso, se irán usando los motores y sistemas que resulten más convenientes. En estos momentos parece que los motores trifásicos están en la cresta de la ola. Aquí termina la cita y nosotros nos permitimos añadir que el dominio alcanzado sobre las formas de onda y sus desfases relativos ha resultado posible gracias a los avances conseguidos por una rama nueva de la electrónica: la electrónica de potencia. Como ya vimos en el apartado 2.2. del Capítulo aiit,erior,salvando la la época de la electrificación ferroviaria, en que cada compañía generaba la energía eléctrica que precisaba para la explotación de sus trenes bien pronto, el crecimiento de la red eléctrica nacional, interconectada, hicieron que la energía necesaria para alimentar la catenaria, a lo largo del recorrido cubierto por ésta, se adquiriera de una conipañía eléctrica dotada de una línea de transporte (alta tensión) con un recorrido lo más próximo posible al del tramo de línea ferroviaria que se deseaba atender. Nació así el sistenia de línea de transporte y subestaciones que hemos descrito en el apartado 2.3. del Capítulo 11, a propósito de la forma en que se alimentan las unidades del AVE, en su recorrido Madrid- Sevilla. ¿Cómo casa lo anterior con el hecho de que los primeros motores de tracción eran de coritinua?. La solución es de sobra conocida: en las subestaciones se colocaba, a cont,ii-iuacióndel transformador de ajuste de la tensión de alterna, un equipo rectificador. Este equipo convertía la tensión alterna en un tensión continua del nivel que precisaba11 los motores de tracción. Conocido éste último, la caída interna del rectificador y el tipo de montaje que utilizaba internamente, se determinaba el voltaje de alterna con el que debía alimentarse la entrada del rectificador. Y el voltaje de alterna necesario lo daba fácilrnente el transformador de ajuste a que nos hemos referido antes. ¿Cómo evolucionaron los dispositivos rectificadores? Al principio se utilizaron unas máquinas rotativas, las "conmutatrices ' de bajo rendimiento y que necesitaban una atención permanente para su correcto funcionamiento. El conseguir rect,ificadores estáticos, capaces de dar las potencias elevadas que demandaban las locomotoras con motores cada vez mayores, 7

LA TRACCIÓNE L É C T R I C A


103

resultó posible gracias a los rectificadores de vapor de mercurio, cuya descripción omitimos, lo mismo que la de las conmutatrices, por constituir ambas, piezas de museo. De los rectificadores de vapor de mercurio todavía hablan libros clásicos como el TESSIER y aún puede encontrarse alguna instalación que los mantiene en servicio o que los ha sustituido recientemente. En la figura 3.6. se aprecia la subestación fija de Sagrera, para TMB, Ferrocarril Metropolitano de Barcelona, en su primitiva versión del año 1960 (foto superior) dotada previamente con 6 rectificadores de vapor de mercurio de 1500 kW cada uno (situados a la derecha de la foto) y el resto de la aparamenta distribuida en celdas de mampostería entre dos pisos del edificio. El equipamiento de esta subestación fue sustituido por rectificadores a base de semiconductores, durante un periodo de siete meses, man. , . .L

Figura 3.6.

.

teniéndose plenamente el servicio durante la realización de la nueva instalación. El aspecto que presentaba en 1992 puede verse en la foto inferior de la figura 3.6., constituye~idoen la actualidad la subestación mayor de la Red del Metropolitano de Barcelona. Las características principales que ha pasado a tener son: -

Alimentación por línea trifásica a 25 kv, 50 Hz.

-

Tensión de salida en C.C.150011200 V.

-

Composición: 14 celdas de 25 kv. 6 transformadores de potencia de 2250 kVA. 6 rect,ificadores de 2000 kW (los de vapor de mercurio eran de 1500 kW). 12 salidas de "feeders". 2 celdas de retornos. (omitimos las salidas para el servicio de estaciones y los S.A.).

Hay que tener presente que, aún hoy, las subestaciones rectificadoras (SSIEE rectificadoras) tienen una gran importancia en las redes de ferrocarriles metropolitanos, que siguen trabajando en continua, por la dificultad de meter tensiones muy altas en los t,úneles y por haber sido una de las primeras aplicaciones de la tracción eléctrica, insustituible en esta aplicación concreta. Uno de los ejemplos relativamente reciente lo constituyen las SSIEE Rectificadoras y Acometidas para la línea 1 del Metro de Bilbao. En este proyecto, se incluyó la entrega por ABB, de las 6 SSIEE que sirven a los 31 km de los que consta la línea. La potencia total instalada, para tracción en C.C. es de 34 MW. La composición global de las 6 subestaciones consta de: -

41 celdas de entrada a 30 kv , aislamiento al aire.

-

11 celdas a 30 kv en SF6 (exafluoruro) que resultan más compactas.

-

17 celdas a 13,8 kv para alimentación de los servicios de túnel y estaciories.

- 7 transformadores de estación 30113,8 kv. - 14 grupos rectificadores de 2 MW. -

19 salidas de "feeder" de 2600 A.

- 6 centros de control distribuido.

- 6 equipos de ventilación. -

6 equipos de detección de incendios.

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V F.)

105

Recsfpcawr Oesenchufable 2 tdw 2 MtV Disc?. rclablc recf !e.

Feeder cc~2~n~nulabIe 2600 A .':c.:

.

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.

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Pues10~ r ~ n c i p(l
Figura 3.7.

La tensión nominal de trabajo de los motores de tracción es de 1500 V. La figura 3.7. muestra diierentes aspectos de una de las subestaciones. En la parte superior se ve el frente de las celdas de C.C. 1650 V (izquierda) y de las de c.a. (SF6 de 30 kv).Debajo, a la izquierda se aprecia una unidad rectificadora de 2 MW extraída del cuadro y debajo de la anterior el panel desenchufable de una salida de "feeder" de 2600 A. Por último se ha representado uno de los puestos de control distribuido, mod. IMAD. Como vemos por los dos ejemplos anteriores, la tecnología ha evolucionado en la dirección de sustituir los primitivos rectificadores de vapor de

106


mercurio por rectificadores que trabajan utilizando las propiedades de conmutación rápida y alta fiabilidad de los materiales semiconductores que entraron en las aplicaciones industriales en la década de los 60 y siguientes. Las ventajas que aportan son su menor espacio y peso, a igualdad de potencia, elevado rendimiento y escaso mantenimiento, siempre que se respeten las condiciones de refrigeración previstas en diseño. Estas ventajas se han impuesto rápidamente y desplazado a solucioiies anteriores, permitiendo incluso que se pueda pensar en montar, a bordo de las locoen que no motoras, las unidades rectificadoras. No es el caso del "Met,roW se puede hablar de locomotoras sino tan solo de unidades automotoras o, simplemente arrastradas.

3.2. Onduladores o convertidores C.C.-C.A. (monofásica o trifásica) El paso más importante que han permitido los convertidores electrónicos, a base de materiales semi-conductores, es el de poder pasar de continua a alterna, monofásica o trifásica, y esto a nivel de las grandes potencias que precisa la tracción eléctrica. Estos convertidores de continua a alterna se denominan a menudo "onduladores" por la forma de onda que generan, que trata de acercarse a la forma de onda sinusoidal, que constituye la base del estudio teórico de los circuitos de corriente alterna (la furición sinusoidal goza de la propiedad, muy interesante, de que su derivada es también una función sinusoidal, aunque con un desfase de 90"). Esta nueva rama de la electrónica que se ha dado en llamar "electrónica de potencia" porque acepta trabajar con potencias de interés industrial se caracteriza porque sus componentes, transistores, tiristores, GTO's, triacs, diodos, etc., admiten, convenientemente refrigerados, altas densidades de corriente, ocupan poco espacio y constituyen dispositivos de conmutación muy rápida (téngase en cuenta que una onda de 50 Hz cambia de polaridad cada 10 milisegundos) con los que se pueden realizar circuitos de muy buen rendimiento y relativamente ligeros y de poco "empacho" que rectifican, trocean u ondulan una forma de onda determinada. Esta compacidad y ligereza ha permitido "subirlos" a las locomotoras, realizar unidades bi 6 tetra- tensión y alimentar a frecuencia variable a los "deseados" motores de inducción y rotor de jaula, dotados de su inestimable robustez y facilidad de mantenimiento. Por otra parte, el motor de inducción de rotor en cortocircuito ("jaula") Iiabía presentado, hasta la década de los setenta, una dificultad para regularlo: tardaba en estabilizarse, ante un cambio, en el nuevo

valor de consigna que debía adoptar. Como saben los que han estudiado algo de Teoría de Control, esto es debido a que sólo tiene una "puerta" de entrada, a través de su estator, a diferencia del motor de continua que tiene dos entradas que pueden ser totalmente independientes, por su inducido y por el reglaje de la corriente que circula por los inductores. Suele decirse que el motor de inducción tiene un acoplamiento interno que es el causante de su dificultad para regularlo. Pues bien, por los años setenta, se descubrió el llamado "control vectorial" del motor, que lo regula con una respuesta tan rápida y precisa como la que puede darnos el motor de continua. Este control vectorial ha resultado posible gracias al control electrónico, pudiendo llevarse a cabo trabajando en "analógicon ó en "digital". Se llega así al concepto moderno de "accionamiento" ("driver" para los anglosajones ó "entrainement" para los franceses), constituido por el conjunto del motor, más la electrónica de potencia que "fabrica" la forma de onda que se precisa en cada aplicación, más la electrónica de control para regular y optimizar la respuesta del accionamiento a las necesidades mecánicas de cada aplicación, por ejemplo, de una determinada aplicación de tracción ferroviaria. Es e n este sentido como puede decirse que la electricidad ha sido domesticada.

4. Convertidores C.C.-C.A- a base de tiristores Finalmente se logró, con la ayuda de convertidores a base de t.iristores, la generación a bordo de la corriente trifásica necesaria, de tensión y frecuencia variable, para alimentar las máquinas asíncronas y esto con un control eficaz que permitía superar en respuesta al mot,orde corriente continua: el denominado control vectorial, del que hablarenios más tarde. Desde un punto de vista de la electrónica de potencia se ha llegado a disponer, en la actualidad, de dos tipos de convertidores. Ambos sistemas consisten en los denominados convertidores de circuit,~ intermedio, compuestos respectivamente, por el convertidor de entrada, el circuito intermedio y el ondulador en el lado próximo a la alimentación de los motores.

En el convertidor con circuito intermedio de intensidad (Ver figura 3.8.) ,designado por CSI ("Current-source inverter"), el circuito intermedio se caracteriza por incorporar una inductancia y, en el convertidor con circuito intermedio de tensión (Ver figura 3.9.), VSI ("Voltaje-source inverter"), caracterizado por incorporar un condensador en el citado circuito intermedio.

108


El convertidor de entrada tiene, en ambos casos, la misión de alimentar al circuito intermedio con corriente continua. La selección del tipo de convertidor depende: 1. Del sistema de corriente de alimentación, es decir, catenaria de corriente alterna o de corriente continua, o bien corriente trifásica procedente de un grupo diesel(locomotora diesel-eléctrica).

2. De las exigencias en cuanto a armónicos y carga de potencia reactiva, admisibles en la alimentación.

3. Del tipo de freno eléctrico, es decir, freno reostático (la energía de frenado se disipa en un reostato dispuesto sobre la locomotora), regenerativo (la energía de frenado se devuelve a la Línea de contacto), o ambos conjuntamente.

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m

0

ii*%m*do S -ww

a

CSI

. . -

-

.v.

"

--

MmsmdamritsnsOommlam m* DIICUI~O intermedioe ,nviuersoi VSi

Figuro -3.8. y 3..9.

Cuando se elige un convertidor con circuito intermedio de intensidad, se dispone de un ondulador secuencia1 de fases en el lado de los motores de tracción que distribuye simétricamente la corriente alterna que genera sobre las tres fases del motor asíncrono.

Dicho convertidor solo controla la frecuencia, en tanto que el control de la tensión y la intensidad es asumido por el convertidor de entrada. En el caso del convertidor con circuito intermedio de tensión el ondulador pulsatorio genera el sistema trifásico necesario, con frecuencia y tensión regulada, a partir de la tensión constante del circuito intermedio. Cuando se empezó a utilizar esta tecnología y solo se disponía de tiristores como componentes de los semi-conductores de potencia, SIEMENS se decidió, en la mayoría de las aplicaciones, por la utilización del convertidor con circuito intermedio de intensidad. El CSI precisa menos y más simples semiconductores de potencia, resulta más sencilla su regulación y permite realizar una fácil protección contra fallos de conmutación y cortocircuitos como consecuencia de la presencia de la inductancia en el circuito intermedio. Así, por ejemplo, no se necesita incorporar fusibles ya que el crecimiento de la intensidad en caso de avería está limitado por la reactancia y la protección puede realizarse con un interruptor normal. Otra ventaja consiste en que, al producirse un cortocircuito de conrnutación, el par del motor baja inmediatamente a cero, no apareciendo ningún esfuerzo peligroso sobre el motor o la cadena de transmisión. SIEMENS afirma que ha resuelto con esta técnica más de 1000 vehículos, entre ellos las 60 locomotoras diesel-eléctricas suministradas a RENFE (Ver figura 3.10.). La figura 3.11. nos da una planta y alzado del mismo modelo, con indicación de la ubicación de los elementos principales que lo componen.

Figura 3.1O.

VI-

?

Vista general (dimensiones en mm)

Figura 3.11. 1. Turbina de ventilación del equipo eléctri- 5- Armario aparellaje (SI) co 6. Alternador auxiliar 7. Alternador principal 2. Armario de resistencias (Rl) 8. Motor Diésel 3. Armario inductancia (Ll) 4. Convertidor 01)

El grupo motor diesel-alternador, siempre de las locomotoras de la serie 311.100, puede verse en la figura 3.12., en la que se aprecia el alternador trifásico, de 690 kW, 6 polos, que puede accionarse a 1000 ó 1800

' U

Figura 3.12.



111

r.p.m. dándonos frecuencias de 50 Hz (300013) ó 90 Hz (540013) a tensiones que van de 200 a 930 Voltios y con potencias de salida que oscilan entre 290 y 800 kVA. El factor de potencia varía de 0,3 a 0,9. Como otro ejemplo de esta misma técnica, en la figura 3.13 pueden verse una unidades recientes del Metro de Madrid con el esquema eléctrico del convertidor que alimenta a los motores de tracción trifásicos (4 en la figura). En el esquema se ha resaltado la inductancia que monta, en serie, el circuito intermedio del convertidor CSI.

Metro Madnd

P 6WV=

Tensión de entrada: 600 V DC Potencia 480 KW Potencia de frenado: 685 KW

Troceador

Figura 3.13.

Los convertidores CSI aún encuentran aplicación en aquellos casos en donde, no obstante los progresos alcanzados en los semi-conductores de potencia, no se alcanza con ellos la potencia exigida. Como ya es sabido, los tiristores pueden conducir corriente al aplicar un impulso de encendido a la rejilla (base del tiristor). Sin embargo, no es posible desconectarlos ("apagarlos") mediante otro impulso. Como consecuencia de ello, resultaba muy costoso el ondulador pulsatorio para un convertidor con circuito intermedio de tensión. Para cortar la corriente era necesario conectar a cada tiristor el llamado circuito de extinción, compuesto por tiristores, condensadores y reactancias. A finales de los años 80 y tras un periodo de investigación de más de 10 años, se dispuso de los primeros tiristores GTO de alta potencia que per-

\-

112


miten cortar el paso de la corriente, mediante la aplicación de un impulso de extinción (GTO viene de "go to zero", "vete a cero"). Frente a los tiristores convencionales, con corto tiempo de recombinación, los GTO aportan las siguientes ventajas: -

Se eliminan los circuitos de conmutación.

-

La conmutación resulta independiente de la tensión de entrada.

-

Poseen una elevada tensión de bloqueo y una alta potencia de maniobra.

Al igual que los tiristores convencionales, los GTO tienen también una estructura semi-conductora de cuatro capas (PNIPN). La figura 3.14. muestra la tabla de características y aspecto exterior de un CTO de 4,5 k v / 3 kA , con un diámetro de 76 mm. Tensi6nde bloqueo directa Tensi6n de bloqueo inversa

DORM

= 4,5KV

DRRM

=15V

intensidad desconectable JTQO Pendiente de intensidad admisible dildt Pendiente de tensi6n admisible PBrdidaspor ciclo de maniobra ManiobraJT = 1,5 KV respecto UD = 3KV Tensión de paso (JT= 1.5KV)

duldt

= 3KA = 400Ah = 500M

Wm + W OH = 8Ws

UT

=

3V

Figura 3.14.

Se llega a la conclusión de que los GTO se adaptan perfectamente a los convertidores con circuito intermedio de tensión. El circuito del convertidor de entrada que, como ya hemos indicado, se ocupa en alimentar con corriente continua al circuito intermedio, depende del tipo de la alimentación de entrada. En los últimos tiempos se han adoptado circuitos con: l. Convertidor de cuatro cuadrantes (Ver figura 3.15.). Este convertidor es, en principio, un ondulador monofásico que está conectado

por el lado de continua al condensador del circuito intermedio y por el lado de corriente alterna al transformador principal del vehículo. Puede controlarse de modo que solo intercambie potencia activa con la red, reduciendo al mínimo las pérdidas.

2. Ajustador de corriente continua ("chopper o troceador en castellano") para redes de corriente continua. Las tensiones nominales de catenaria sabemos que son 600,750, 1500 y 3000 voltios y como, en la actualidad, se dispone de tiristores GTO para una tensión de bloqueo de 4500 voltios fabricados en serie, se plantea la posibilidad de conectar el ondulador pulsatorio directamente a la catenaria, sin convertidor de entrada (Ver figura 3.16.).

Arm2+3 Arm 1 + 2 Arm 3 + 4

U;=-U~ U, = O U, = O

Figura 3.15.

V Figura 3.16.

Conviene tener en cuenta que, cuando se realiza la conexión directa de tiristores a la red de alimentación, debe considerarse un factor de seguridad 3 para la tensión. Así pues, los onduladores podrán conectarse directamente hasta una tensión de 1500 voltios, por lo que resulta necesario el convertidor de entrada cuando la tensión de catenaria es de 3000 V.

Citemos por último que, mediante elementos montados en anti-paralelo, puede devolverse energía a la red y del mismo modo durant,e el frenado. Se llega así al result,ado de que solo se necesitan tres convertidores distintos para cubrir todas las aplicaciories, es decir, el "chopper" ó troceador, el ajustador de cuatro cuadrantes (que permite retornos de energía) y el ondulador. Además, todos se construyen a partir del mismo módulo básico, denominado módulo de fase, lo cual ha permitido una normalización que aporta las siguientes ventajas: -

Utilización universal en los circuitos de convertidor más importantes.

-

Sencilla configuración especifica de proyecto, para distintas situaciones de montaje, en el tráfico de cercanías y en el de larga distancia.

-

Adaptación óptima al tipo de accionamiento y a la potencia de tracción requerida.

-

Modulación de costes mediante la normalización.

-

Asistencia técnica más sencilla.

- Reducción de piezas de repuesto. En cuanto a los componentes que incorporan estos módulos tenemos, en primer lugar los dos tiristores GTO y los dos diodos de retorno, los circuitos de protección de los GTO para limitar sobretensiones y algunos componentes de características especiales (condensadores). Para el funcionamiento de los GTO se necesitan las correspondientes unidades de mando, que generan los impulsos de corriente para el encendido y apagado de los mismos. De los módulos de fase cabe señalar que existen dos versiones según el modo de refrigeración con que trabajan: los refrigerados por aire y los que lo hacen en baño con ebullición. Los primeros, en vehículos ferroviarios, deben ser cuidadosamente dimensionados por exceso en sus aislamientos, a causa de la suciedad procedente del agua de refrigeración. La refrigeración en baño con ebullicióri aporta importantes ventajas. Consiste en una refrigeración líquida con circulación natural del refrigerante. Todos los componentes eléctricos, salvo pocas excepciones, son refrigerados en baiio por ebullición del líquido. De este modo se obtiene una buena protección contra la suciedad por encapsulado. Adiciorialmente, se obtienen ventajas por reducción del peso y volumen del convertidor. El refrigerante utilizado suele ser el R-113 que no es venenoso y resulta estable contra pirólisis hasta 500"C como mínimo.


11 5

Los módulos GTO refrigerados por ebullición se utilizan, generalmente, en convertidores de alta potencia, destinados al tráfico de largo recorrido. Con este módulo se han equipado las locomotoras del ICE en Alemania, las locomotoras de alta potencia S252 de RENFE y las unidades de cercanías 447 también de RENFE. De la locomotora S252 hemos dado una visión esquemática y de ubicación de su equipamiento en la figura 3.1. Está concebida en ejecución bitensión para funcionar a 25 kv.,50 Hz y 3 kv en corriente continua y resulta adecuada tanto para trenes rápidos de viajeros, con velocidades de hasta 220 km/h como, por ejemplo para el "TALGO" Pendular, con 1,25 a 1,5 m/s2 de aceleración transversal, así como para el transporte rápido de mercancías. La S252 puede circular con vías de ancho normal o ancho RENFE simplemente cambiando los bogies. Puede "traccionar" composiciones de mercancías con carga remolcada de 800 toneladas con pendientes de 20 milésimas y circular a alta velocidad , arrastrando trenes de viajeros de 500 toneladas a 220 km/h. Esta locomotora que, a nuestro juicio constituye una de las realizaciones más interesantes de la técnica ferroviaria moderna y'que hemos tenido el gusto de visitar y conocer con bastante detalle tiene, según su fabricante, SIEMENS, las siguientes características principales: Equipo eléctrico

La locomotora dispone de dos bogies, cada uno con dos motores que accionan independientemente cada eje (Ver la figura 3.17. que representa uno de estos bogies). Esto permite un control individual de cada eje que es fundamental para compensar las descargas dinámicas en el arranque y tener un coeficiente de adherencia idéntico en cada eje. Además, el sistema de protección antipatinaje y antibloqueo permite aprovechar la adherencia de los ralles de forma óptima.

Figura 3.1 7


116


El equipo es modular y está dividido en dos bloques iguales que actúan sobre cada uno de lo bogies. El funcionamiento con ambas tensiones de alimentación es similar y la mayoría de los elementos son comunes. Esto puede apreciarse en las figuras 3.18. y 3. 19. En la figura 3.20. se puede ver el bastidor central que contiene el convertidor de tracción, condensadores, aparatos de maniobra y electrónica de control. Este bastidor, marcado con el no 2 en la figura 3.1. representa el núcleo fundamental del equipo eléctrico. El cambio de tensión se realiza mediante dispositivos electro-mecánicos mientras que el resto de las maniobras, exclusivamente con elementos electrónicos. El control de la locomotora se realiza mediante mjcroprocesadores y se verá con más detalle en el Capítulo próximo. Los servicios auxiliares se alimentan mediante convertidores estáticos que toman su energía del circuito intermedio del equipo de potencia, por lo que son independientes de la tensión en catenaria.

Figura 3.18.

Y

Figura 3.19.


117

Figura -7.20.

Equipamiento mecánico Tanto la ejecución de los bogies como la unión entre caja y bogies , la diferente suspensión y el montaje elástico del motor de tracción en el bogie, permiten que los esfuerzos dinámicos sobre la vía sean muy inferiores a los de otro tipo de locomotoras con pesos similares por eje. El diseño de la caja, aparte de lograr una cabina de conducción estanca, permite con una sola ejecución y con la mayoría de elementos comunes disponer de bogies intercambiables de ancho de vía europeo y ancho RENFE. Como otros datos técnicos cabe añadir que la longitud entre topes es de 20380 mrn y la distancia entre pivotes 10500 mm.La anchura es de 3000mm, el diámetro de las ruedas es 1250 mm y la distancia entre ejes de un bogie es también 3000 mm. Su peso es de 90 toneladas. Su potencia continua UIC es de 5600 kW y trabaja con factor de potencia = 1, regulado. Su velocidad máxima ya hemos dicho que era de 220 kmk y el esfuerzo de tracción en el arranque es de 300 kN y el esfuerzo de tracción continua a 70 km/h de 290 kN. En el frenado eléctrico puede absorber 5600 kW regenerativo y 3300 kW reostático.

118


4.1. Nuevas investigaciones en electrónica de potencia Si nos planteamos la pregunta sobre los sectores en que se necesitan nuevas investigaciones, podemos apreciar que los datos de los tiristores GTO se encuentran esencialment,e estabilizados y por lo tanto no se esperan mejoras drásticas, tales como una reducción en la potencia de pérdidas. Tampoco se esperan logros significativos en la utilización de tiristores GTO para el margen de potencias de hasta 1 MW. Solo se confía en continuar incrementando su fiabilidad. La magnífica realización de la locomotora S252 que acabamos de comentar así lo acredita. En cambio, se ha trabajado en una nueva generación de convertidores de alta potencia que deben proporcionar más potencia en menos espacio. Para lograrlo se aplica una nueva refrigeración con agua que pueda evacuar más calor que la refrigeración por ebullición y que permite el empleo de sei-tiiconductores mayores con potencia de desconexión de hasta 4000 A. Pero la electrónica es una ciencia joven y estamos viendo cada día, por ejemplo, el progreso exponencial de los ordenadores. Así, han aparecido los transistores bipolares MOS (IGBT's) que aportan coiisiderables mejoras y simplificaciones respecto a los tiristores GTO en el margen inferior de potencias. Consultar un catálogo de componentes de un año para otro nos lleva a la sorpresa del aumento continuado de las tensiones de bloqueo e intensidades de corte que consiguen los IGBT. Como ventajas más significativas de los transistores MOS cabe seíialar sus menores pérdidas, que necesitan menores potencias de mando y que las técnicas para su protección resultan más sencillas. También con esta nueva tecnología, al no variar los circuitos de los convertidores, se desarrollan módulos de fase de utilización universal.

Y la firma ABB ya habla de las excelencias de los IGCT's ..... Pero hay que darse cuenta de que, en la industria, hay dos premisas inmutables: la primera es que, al adoptar una nueva tecnología ha de haber sido demostrada su fiabilidad y facilidad de mantenimiento. Esto llega, en algiinos casos, a disponer de un personal de operación y mantenimiento adecuado que conozca debidamente los nuevos dispositivos. La segunda es que hay que amortizar las inversiones ya realizadas. Así, hemos visto la reluctancia a instalar el Transrapid en Aleniania porque ello suponía aparcar la red existente y la reacción adversa de Norteamérica, cuando los europeos quisieron introducir prematuramente la aviación comercial a reacción. Incluso, en la actualidad, se aducen razones ecológicas para la introducción de determinadas nuevas tecnologías.

4.2. Tendencias y perspectivas en el campo de los motores y transniisiones Acabamos de ver como la electrónica de potencia ha permitido resolver los problemas de alimentación de los motores de continua rectificando la corriente alterna de la red general de distribución de energía eléctrica. Y también como ha hecho posible la entrada en la tracción ferroviaria del motor asíncrono trifásico con rotor de "jaula". Pero no debe olvidarse que los franceses, fieles al motor de continua y al motor síncrono, que guarda con aquel determinado parecido, salvo la no presencia de un colector, lanzaron su primera versión de TGV con un motor de continua que se alimentaba a través de un "chopper" ó troceador. Ya vimos por la fórmula (3.5) que una de las formas de controlar la velocidad de un motor de continua era variando la tensión de alimentación del inducido. Este procedimiento constituye el fundamento del viejo sistema Ward Leonard, Pero con un troceador se evita el uso de tres máquinas rotativas en cascada, con un rendimiento global muy bajo, al sustituir aquel al conjunto motor-dinamo del Ward Leonard.

Al realizar la versión de TGV hacia el Oeste (Bretaña) los franceses evitaron todavía el motor de induccióri por no disponer de la tecnología del control vectorial del motor de inducción y resolvieron el proyecto con motores síncronos autopilotados, es decir, alimentados con un convertidor cuya conmutación controla la propia f.e.m. generada por el motor al girar. Este método deja una lagima en el momento del arranque del motor ya que entonces iio hay f.e.m. Este vacío se resuelve por un sistema auxiliar para el arranque del motor. Sin embargo ya el Profesor Losada nos decía que, al parecer es el motor de induccióri el que se encuentra en la cresta de la ola ya que, por naturaleza, es una máquina robusta, sencilla y carente de mantenimiento. Además, como resulta insensible a la suciedad, se puederi elirniliar los habituales canales de aire que se dejan en los motores de corriente continua para la aspiración del aire limpio.

Al no existir, en los motores asíncronos, elementos al descubierto sometidos a tensión, no cabe que se prodiizcar~descargas pero si existe el riesgo de sobrecalentaniiento producido por la suciedad acumulada en los orificios del aire de refrigeración del estator y del rotor. Esto ha llevado a iniciar desarrollos de motores ventilados por la superficie o refrigerados por agua. De todas formas, los niotores de tracción siempre se construyen con aislamientos de clases altas (F, H) que conservan sus cualidades aisl a n t e ~aún con temperaturas de trabajo elevadas. Simultáneamente se han reducido las solicitaciones mecánicas en las transmisiones, mediante relaciones de dos etapas, de forma tal que sean

120


posibles intervalos de mantenimiento de hasta dos millones de km. Ya es sabido que la máquina cerrada es más pesada que la abierta pero, por otra parte, resulta más silenciosa, al no transmitirse los ruidos al exterior, por carecer de aberturas de ventila.ción.

5. Resumen del capítulo 111

Después de una breve introducción, se ha pasado a estudiar las principales características del motor de corriente continua con excitación serie, que durante mucho tiempo, constituyó el motor de tracción eléctrica por excelencia. En efecto se ha visto que este tipo de motor daba un par de arranque elevado y que tendía a trabajar a potencia constante.

A continuación se han estudiado las limitaciones que presenta, todas ellas derivadas, principalmente de la presencia del colector que obliga a un mantenimiento bastante frecuente. Esto se ha puesto de manifiesto en la industria del automóvil que hace ya tienipo sustituyó la dinamo de carga de la batería por un alternador y una rueda de diodos que rectifica la corriente alterna generada por aquel. En cambio ha conservado el motor de arranque de continua, por su elevado par, muy útil para "despertar" al motor cie explosión. Se ha visto como el motor serie, si bien teóricamente podía trabajar alimentado con una corriente alterna, ello hacía rnás delicada la conmutación, lo que obligaba a muy frecuentes revisiones de los colectores que funcionabaii en estas condiciones. Para paliar lo anterior un factor decisivo, aparte otras modificaciones posibles, es disminuir la frecuencia de la corriente alterna con que se alimenta el motor. Se han utilizado las frecuencias de 16 213 Hz y 25 Hz e inclusive se han llega00 a construir motores mofásicos con colector que trabajaban en condiciones aceptables con la frecuencia industrial de 50 Hz. La red de 15 kv, 16 213 Hz todavía se encuentra en servicio en algunos países, por ejemplo, en los Ferrocarriles Federales Alemanes.

En el punto 3. se ha destacado el alcance que tuvo la aparición de la electrónica de potencia y de la electrónica de control en la constitución de un accioiianiiento moderno, en todos los campos de la industria y, en particular, en la tracción eléctrica ferroviaria. Se han recordado, en primer lugar, los viejos métodos para rectificar corrientes y corrlo se logró con los rectificadores de vapor de mercurio, algunos todavía en servicio, soluciones aceptables para alimentar la catenaria con corriente continua, especialmente en ferrocarriles metropolitanos que, todavía hoy, utilizan la continua muy frecuentemente.


121

Pero la aparición de los senliconductores condujo a soluciones mucho más compact,as y de peso más reducido lo que permitió "subir" los convertidores a las unidades tractoras. En particular, se ha vist,o conio los convertidores de C.C. a c.a. han permitido la aplicación del motor asíncrono como elemento de tracción alimentándolo a tensión y frecuencia variable. Esta tecnología ha resultado posible para las potencias de las grandes locomotoras modernas gracias a la introdiicción de los tiristores GTO, con tensiones de bloqueo de 4,5 k v y corrientes de corte de 3 kA, con una pendiente de variación de la intensidad de 400 Als. Se han citado desarrollos niás recientes pero ahí están máquinas tan bien logradas conro la locomotora S252, realizada con tecnología de t,iristores GTO. Se han recordado otros intentos de seguir utilizando los motores de corriente continua o los motores síricronos autopilotados aunque, en el momento actual el motor que parece estar en la cresta de la ola es el asíncrono con rotor de jaula. También ha quedado aparcado para un Capítulo posterior el análisis, más de cerca, de las soluciones de futuro: levitación magnética, vía activa, etc. Por último, en los apartatios 4.1 y 4.2. se han tratado de dar unas pinceladas sobre las nuevas investigaciones que se llevan a cabo en el campo de la electrónica de potencia y sobre las tendencias y perspectivas en el campo de los motores y de las transmisiones. Nos queda ahora, para su análisis en el Próximo Capítulo, el adentrarnos en el desarrollo de la microelectrónica que ha dado un cambio, también radical, a las técnicas de control de los accionarriientos eléctricos, montados en locomotoras y unidades automotoras.

LA TRACCldN ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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CAP~TULOIV: SISTEMAS DE CONTROL DE LA TRACCIÓN

1. Introducción Nos viene a la memoria, al empezar este Capítulo IV,una simpática serie de televisión que llevaba por título "Caos contra Control". Según el D.R.A.E.(Diccionario de la Real Academia Espanola), caos es sinónimo de confusión y desorden, en tanto que control lo es de dominio, mando o preponderancia. También nos da conio acepción de control la "regulación manual o automática sobre un sistema". Es evidente que cuando se proyecta cualquier sistema en ingeniería, se trata de que se comporte como ha previsto el diseñador, para cumplir el fin propuesto y que se dispone de un sistema de control, más o menos sofisticado, para poder ejercer ese mando o dominio sobre el sistema controlado. En efecto, las acciones de control pueden ir desde una simple vigilancia (es el "monitoring" de los anglosajones), quedando a cargo del operador o conductor del sistema el decidir y adoptar las acciones de control para regularlo y mantener sus parámetros dentro de los márgenes deseados. Este es el caso, por ejeiuplo, del conductor de un automóvil que trata de mantener a un valor dado ("valor de consigna") la velocidad de su vehículo y atiende a las indicaciones del tacómetro para modificar en el sentido conveniente su acción sobre el acelerador. Los aparatos para realizar esta labor de vigilancia sobre el sistema controlado, suelen ser del tipo de "aparatos indicadores". A veces, a la labor de vigilancia anterior se añade o superpone una acción de registro. El tacómetro del ejemplo anterior puede convertirse en tacógrafo cuando almacena sobre un soporte adecuado los valores por los que ha pasado la velocidad de un vehículo durante un recorrido. Se puede convertir en uno de los componerites de la "caja negra" con que, a

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LA TRACCldN ELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

veces, se equipan los camiones, para poder detectar "a posteriori" si el conductor no respetó la limitación de velocidad que se le había fijado, dada la naturaleza de la carga que transportaba. Los aparatos registradores cumplen funciones de control estadístico, de un determinado parámetro, recogiendo su evolución con el tiempo. En la actualidad los viejos aparatos de plumilla se han visto clesplazados por un almacenamiento de los datos sobre un soporte magnético. Una tercera acción de control, muy utilizada, es la de alarma. En este caso, lo importante es dar aviso al operador del sistema de que algún parámetro de interés preferente se ha salido de los márgenes que se habían fijado. A veces, esta función se combina con la de vigdancia. Por ejemplo, un presostato no nos informa tan solo de la presión que existe en el interior de determinada vasija sino de cuando dicha presión se sale de los lírrutes a los que se ha regulado previamente el aparato. En otras ocasiones, un aparato indicador nos está dando los valores instantáneos del parámetro y, además, 110sda alarma, e incluso orden automática de desconexión, cuando el parámetro se aparta de lo previsto. La alarma suele ser acústica en el primer momento, pasando a luminosa hasta que el origen de su disparo ha desaparecido. Una acción que se ha desarrollado mucho con la utilización de los ordenadores en los sistemas de control es la de multiplexado. Con ella, se aprovecha un solo aparato indicador para vigilar una serie de parámetros de naturaleza similar, por ejemplo, la temperatura en cada uno de los doce cilindros de un motor diese1 o la temperatura de los 2000 canales del núcleo de un reactor nuclear. En el primer caso podría bastar un conmutador, accionado manual o aut,omáticament,e de forma secuencial, que conecta el indicador con el sensor seleccionado, del cilindro cuya temperatura interior queremos conocer, mientras que, en el segundo parece evidente que hay que acudir a u11 sistema de conmutación electrónica que puede trabajar con una cadencia mucho mayor. Al tiempo que tarda el sistema de multiplexado en pasar de un punto de toma al siguiente se le suele llamar tiempo de escrutación. Llegamos, por último, a la acción "reina" del control que es la regulación. Como las acciones anteriores puede ser manual o automática. En el ejemplo que hemos puesto más arriba, del control de la velocidad de un automóvil, si suponemos que el conductor se dedica solamente a ese menester se deduce, en primer lugar, la peligrosidad de su conducción y en segundo la fatiga que le produciría ese estado de concentración permanente. Por esta razón, lo hemos puesto como ejemplo de acción de vigilancia, al suponer implícitamente que el conductor se limitaba a vigilar, de vez en cuando, su velocidad y que la corregía, para mariteiierla alrededor de un valor prefijado pero sin pretender la exageración de tratar de mantenerla a un valor estrictamente constante.

Por lo anterior, vemos que se tiende a que la regulación se pueda hacer de manera autort-iática,para descargar la atención del operador o conductor, reservando el paso a manual para las situaciones, que no requieran una acción tan inmediata y que, además, sea este paso a nianual, lo más acertado, por la necesidad de resolver una situación compleja que aconseje la intervención de un "operador inteligente". Nos ha parecido interesante dar un repaso a las cinco acciones básicas que suelen tener en cuenta los tratadistas de los sistemas de control, tratando de introducir algunos matices que nos pueden ser de utilidad en la exposición ulterior. Pero nos queda aún el paso rnás importante que se ha dado en los últimos veinte años. En efecto, el ordenador se ha introducido en los sistemas de control como en tantos otros campos. Un ordenador que se integra en el sistema de control como un componente más, el microprocesador, con las funciones típicas de una CPU + la memoria asociada, y unas "puertas" de entradas y salida que lo conectan con el mundo exterior. Sabemos que el primer regulador automático fue el famoso regulador de Watt o de bolas que, bajo el efecto de la fuerza centrífuga, abrían más o menos el paso de vapor. Siguieron a estos reguladores otros de tipo rnecánico, hidráulico, fluíciico o neumático. Llegaron finalmente los reguladores electrónicos que, por procedimiento analógicos, sentaron las bases para una regulación cuya respuesta se podía predecir, a partir de la función de transferencia del sistema controlado. Estos reguladores ejercían tres acciones básicas de control: -

Acción Proporcional (acción P) en que la acción de control resulta proporcional al error que existe, en cada momento, entre el valor actual de la variable controlada y el valor de consigna o valor deseado para la misma.

- Acción Integral (acción 1) en que la acción es proporcional a la integral de la señal de error. -

Acción Derivada (acción D) en que la acción es proporcional a la derivada de la señal de error.

-

Acción combinada de las tres anteriores (acción PID ó, sirnplemente PI).

Sabemos que el cálculo analógico, aunque menos preciso, es más rápido que el digital por lo que los ordenadores al principio tuvieron dificultades para trabajar "en tiempo real", es decir para darnos la respuesta a lo que se les solicitaba, con el tiempo y la precisión suficiente para que esa respuesta nos llegara a tiempo para la acción de regulación que se preci-

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saba en cada instante. Pero, a partir de esos veinte años a que nos hemos referido antes, la potencia rápidamente creciente de los ordenadores y la drástica disminución del tiempo de un ciclo de trabajo del ordenador, ha perniitido que los microprocesadores trabajen "en tiempo real", en el control de los procesos industriales.

2. Introducción de los automatismos en los sistemas de tracción No se trata en este apartado de repasar todos los automatismos que se han incorporado a los sistemas de tra.cción, sino de presentar algunos ejemplos característicos, para demostrar como han servido para mejorar el funcionamiento de estos sistemas. Una definición más estricta de automatismo nos dice que una acción de control es automática cuando, ante la aparición de determinado evento, se sucede la ejecución de una acción de control, sin la intervención humana. Si se trata de una sucesión de acciones sin intervención del hombre se llega a lo que suele llamarse "automatización de un proceso". En esta automatización de un proceso, el encadenamiento puede no ser tan estricto que la realización de un aconteciniieiito determinado "B" se produzca, siempre que ha tenido lugar el evento " A . Si, por ejemplo, "A" tiene lugar en el instante t2,en lugar de hacerlo en el instante t , esto puede conducir a la ejecución de una acción "C", que se produce en lugar de la "B". Lo anterior nos lleva a que puede resultar necesario, en la automatización de un proceso, introducir ciertos niveles de decisión . Si las decisiones ó acciones a tomar resultan depender del instante de aparición de los acontecimientos ó de su orden de aparición ó del valor que alcanza, el automatismo ya no es un "todo ó nada", un "O" ó un "1". Los niveles de decisión precisan "unidades de cálculo", dentro de la cadena de sucesión de los acontecimientos ó acciones. Estos "cálculos" consisten en tratar los acontecimientos en función de instrucciones, establecidas previamente por el hombre y concretadas en forma de esquemas lógicos, a semejanza de lo que se denomina "lógica" en términos filosóficos: el razonamiento deductivo. Es esta puesta, bajo forma lógica, de nuestro razonamiento a lo que se suele llamar bbalgoritmo". Cuando se trabaja a este nivel, el automatismo se vuelve complejo y, corrientemente se le clasifica bajo la apelación de "cibernético" ó, como define el D.R.A.E., entramos en "el arte de construir y manejar aparatos y máquinas que mediante procedimientos electrónicos efectúan automáticamente cálculos complicados y otras operaciones

L A T R A C C I ~ NE L ~ C T R I C AEN L A ALTA V E L OC IDA D FERR O VI A RI A (A.v.F.)

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similares". En efecto, en estos casos, el automatismo tiene que decidir entre diferentes opciones y tomar decisiones . Hemos llegado al ordenador que, siempre siguiendo al D.R.A.E. se puede definir como una "máquina electrónica dotada de una memoria de gran capacidad y de métodos de tratamiento de la información, capaz de resolver problemas aritméticos y lógicos, gracias a la utilización automática de programas registrados en ella". El papel inicial de los autornatismos fue ayudar al hombre, especialniente, en aquellos trabajos repetitivos, penosos y rutinarios. Pero, la tecnología utilizada para la realización de los automatismos -esencialmente la electrónica- ha permitido lograr un segundo objetivo: la mejora del furicionamiento ya que el automatismo consigue en muchos casos "hacer las cosas" mejor que el hombre. No mejor en el sentido del razonariiiento ya que éste proviene siempre del hombre sino mejor en el sentido "ejecución del trabajo".

2.1. Constitución de un automatismo Un auton~atismosuele estar coiistituido por: -

Uno ó más sensores, cuyas señales son enviadas a un órgano de tratamiento que:

-

Da forma a estas señales.

-

Las combina, en función de la lógica del órgano de tratamientro.

-

Suministra las señales de salida, aptas para entrar en el órgano de tratamiento (ordenador) que modifica su "acción" según las instrucciones que le han programado. El órgano de tratamiento puede ser un simple amplificador o el ordenador indicado: todo dependerá de la complejidad del trataniierito que ha de llevar a cal~o.

- La salida del órgano de tratamiento, que puede consistir simplemente en la indicación sobre una pantalla de rayos catódicos ("CRT = cathode ray tube") o en la alimentación de una bobina de mando de un contactor, etc.

2.2. Ejemplo de automatismo en la tracción: el "antipatinaje" Aunque se estudiará en detalle, más adelante, cuando abordemos la dinámica de los trenes, la importancia de la adherencia rueda mot,riz-rail,

LA TRACCIÓN ELECTRICAE N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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para asegurar que el par desarrollado por el motor de tracción, se convierte realmente en un esfuerzo de tracción, podemos anticipar ya que una locomotora posee buenas condiciories de adherencia, desde el punto de vista de su concepción eléctrica si: -

-

Las características F(V), esfuerzo-velocidad, son lo más verticales posible (La figura 4.1. nos da una familia de curvas F(V), para una locomotora equipada con motores de continua, alimentados a tensión variable regulada, a través de rectificadores controlados. La tensión en bornes de los motores puede controlarse e independizarla de un eventual fenómeno de patinaje de las ruedas motrices.

En efecto, la aparición de un patinaje puede constituir un riesgo aceptable, siempre y cuantio dicho pat,inaje no degenere en ernbalamiento de los ejes motores y que se sepa detectar su aparición y ponerle remedio rápidamente. Estas dos condiciones se pueden cumplir, por una concepción jiiiciosa del equipamiento eléctrico de la locomotora y gracias al apoyo que puede darnos la detección automática de su aparición.

-

Características posibles por __, w regulación de la tensión

_ _,

Hipbrbola de equipotencias

-

Características posibles

_ 'por, la regulacióndel campo Característica de campo mínimo

Un dispositivo a~t~omático puede detectar con gran rapidez la aparición de patinaje y ordenar-sin la intervención del "maquinistan-una reducción del esfuerzo de tracción del único motor que ha iniciado el patinaje. Como sucede siempre, los sensores utilizados han evolucionado con el tiempo, pero puede decirse que lo que tratan es de medir la velocidad de

LA TRACCIÓN ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA ( A V F )

129

cada eje motor y, de la comparación de estas medidas, la unidad de tratamiento (ordenador) debe poder detectar el patinaje, determinando además, cual es el eje que ha empezado a patinar. En la actualidad, el método más utilizado es el esquematizado en la figura 4.2. en la que se aprecia un captador de señal, dispuesto en la cadena de transmisión del esfuerzo de tracción y colocado frente a una rueda dent,ada montada en el "carter" del engranaje. El captor está constituido por un imán permanente de dos polos. El núcleo del imán tiene a su alrededor una bobina, en cuyos bornes aparece la tensión alterna producida por las variaciones de reluctancia, debidas al paso de los dientes. La frecuencia de esta tensión resulta proporcional a la velocidad de la locomotora. Esta señal se conforma de manera que resulten una serie de "dientes", todos de la misma amplitud y duración pero cuya frecuencia coincide con la de la señal de partida. El valor medio de esta tensión será, por tanto, proporcional a la velocidad del eje. La detección del patinaje se obtendrá de la comparación de las tensiones elaboradas a partir de las señales de los diferentes sensores.

Polosdel imán -.

-

-

Figura 4.2.

Ahora, el tratamiento de la señal constituye la parte "inteligente" del automat~ismoy puede resultar o muy sencilla o muy compleja según cada realización en concreto. Desde algún caso en que la detección se traducía en una acción directa sobre un relé de antipatinaje hasta el caso opuesto, como puede ser el caso de una locoiiiotora moderna que trabaja con tiristores. Los captores de la señal "velocidad" siguen siendo los descritos en base a la figura 4.2. Un primer tratamiento de la señal consiste en eliminar el inconveniente que puede provenir de la influencia del diferente diámetro de las ruedas. Para esto pueden seguirse dos métodos:

130


1. Para una velocidad constante del convoy, la diferencia de velocidades de 2 ejes V, - V2 se mantiene constante, en el supuesto de que esta diferencia se deba a los diferentes diámetros de rueda. La derivada de esta diferencia será, por tanto nula. En caso de patinaje, la diferencia aumenta rápidamente y, para un valor dado de la derivada, se puede, por intermedio de una báscula ele~t~rónica, liberar la acción del dispositivo. Sin embargo, si la diferencia de velocidades evoluciona de manera muy lenta, podría suceder que el disparo no se llegara a efectuar. Por este motivo se añade una detección por umbral del valor de la diferencia V, - V2 . Más allá de un valor suficientemente alto de esta diferencia, para salvar una diferencia debida realmente a las ruedas, el dispositivo se dispara, independientemente del valor de la derivada. El diagrama de bloques de esta solución puede verse en la figura 4.3. Otra forma de actuar consiste en introducir un corrector con "memoria" a la salida de la señal que nos da uno de los captores (Ver figura 4.4.). Con ocasión de una marcha al paso o cuando la intensidad que absorben los motores es muy pequeña (20% de la nominal) que pueda hacer pensar la total ausencia de patinaje se comparan VI y V2. La desviación que resulta de esta comparacióri, debitlo exclusivamente al efecto de las ruedas, se suministra a un corrector " K que transforma la señal de velocidad "V", en una señal KV = VI, de forma que VI = V2 . Este reajuste se hace en cada marcha al paso y resulta, por tanto, casi continuo. Un segimdo tratamiento que cabe efectuar sobre las señales que generan los captores, puede consistir no solo detectar el patinaje por "todo o nada" sino, además, medir su valor. Con esta solución se puede pensar en

u Medida de velocidad

Figura 4.3.



131

Circuito de corrección

1 < 20% de Ic

n Medida de velocidad

Figura 4.4.

adaptar la acción de antipatinaje, en función de la gravedad del patinaje, en la medida que lo permita el esquema eléctrico de la locomotora. Por ejemplo, en las locomotoras francesas BB 15000 con tiristores, la conducción se lleva a cabo por consigna de intensidad en los motores, pero con limitación de la velocidad máxima. (lo que prohíbe todo embalamiento). Se puede por tanto actuar de manera muy suave sobre la consigna de corriente: a partir de las señales que se reciben de los sensores, corregidas como se ha dicho antes por iin dispositivo con memoria y completadas con informaciones sobre la aceleración del tren, determinada a partir de un cálculo que tenga en cuenta el esfuerzo de tracción y la resistencia al avance del tren, el tratamiento nos da una medida del deslizamiento de los ejes y ya no solo del patinaje. Si guardamos esta iiiedida en memoria y esperamos el resultado de la accióri de antipatinaje mandada en función del deslizamiento, podremos actuar de nuevo, si esta acción nos aparece como irisuficiente. El objetivo que se cubre así es tratar de dosificar la acción al iiiíiiimo para no reducir rriás que lo imprescindible el esfuerzo de tracción. Todo lo anterior resulta concebible gracias a la electrónica que nos da, con un volumen pequeño y poco peso, la posibilidad de combinar todas las funciones necesarias, incluida la función "memoria". Digamos, por último, que si utilizamos tiristores y la conducción se hace por consigna de intensidad, el antipatinaje se realiza de manera continua y no por "todo o nada" por disparo de un relé. En las locomotoras antes citadas se distinguen las zonas de regulación siguientes:

a) Si el deslizamiento es inferior al 1,5%de la velocidad del convoy, el dispositivo de antipatinaje no modifica el valor de consigna de la intensidad. b) Cuando el deslizamiento sobrepasa el 1,5% la intensidad del eje afectado o del bogie que patina, se reduce progresivamente. c) Mientras el deslizamiento se sitúa entre 0,5 krnh y 1,5%de la velocidad del tren, la intensidad se mantiene en el valor al que se había llevado por la acción b). d) Cuando el deslizamiento vuelve a ser inferior a 0,5 kmíh se vuelve progresivamente al valor de consigna inicial. e) Cuando la aceleración de un eje sobrepasa los 0,s mís2 se provoca una reducción rápida de la intensidad. f) Si la desviación de velocidad supera los 7 krn/h se produce la anulación del valor de consigna de la intensidad que vuelve a tomar su valor inicial.

2.3. Conducción óptima y pilotaje automático Creemos que el ejemplo anterior resulta suficientemente elocuente de que tan solo un automatismo es capaz de llevar a cabo las acciones descritas que nos llevan, por otra parte, en su conjunto, a un aprovechamiento máximo de las "cualidades" de adherencia de los motores de tracción. Podríamos tratar de exponer ahora el ejemplo máximo de automatización en el caso de un tren: Al estar guiado por raíles, todas las acciones de conducción se reducen a órdenes de tracción o de frenado. Puede decirse que el itinerario está "inscrito" en el suelo. Estas acciones de conducción deben respetar tres reglas: a) Respetar en cualquier punto del recorrido las velocidad máxima permitida por el trazado (o por la velocidad máxima que puede desarrollar el tren, si ésta resulta inferior). b) Evitar todo alcance con un tren que le preceda o todo "cizallamienton en una bifurcación. c) Respetar el horario.

f/

La seguridad ferroviaria se basa en el respeto riguroso, por parte del maquinista o conductor del tren, de las dos primeras reglas. En cuanto al respeto de la tercera se deriva de lo que suele llamarse "conducción optimiza-


133

da", modulando de la mejor manera posible la marcha del tren para que cumpla su horario. Sin embargo, la conducción óptima ignora totalmente la señalización de espaciamiento o de protección de las bifurcaciones, por lo que la seguridad sigue siendo responsabilidad del maquinista, siempre encargado de la observación y respeto de las señales. Podríamos decir que la conducción óptima nos da una acción de regulación automática. Si hablamos de "pilotaje automático" se tratará de uri sistema que permite el respeto automático de la señalización para lo que tiene que poseer un conocimiento "electrónico" de las mismas. Asimismo, con un pilotaje automático, el tren circula sin necesidad de que su conductor tenga que dar las órdenes de tracción o de frenado. El PA (pilotaje automático) deberá ser de "seguridad ferroviaria" ya que, toda mala interpretación por su parte, podría Uevarnos a no respetar las órdenes de señalización y, por tanto, a una situación peligrosa. El PA puede incorporar también elementos que le permitan aplicar la tercera regla, a saber, el respeto de los horarios de explotación y, con ello, poseer una acción de regulación. Pero estos elementos no han de presentar la misma tasa de seguridad que aquellos que le permiten el respeto de las señales. Conviene señalar que las órdenes de señalización que han de tener en cuenta la posición de los diferentes trenes, no pueden elaborarse más que por un dispositivo que se encuentre fijo. A continuación, habrá que transmitir estas órdenes a bordo de los trenes para traducirlas en acciones de tracción o de frenado. Todo PA precisa por tanto de una "comunicación vía-máquina". De una manera resumida podemos citar a continuación las ventajas que pueden derivarse de uri PA:

- Permite aumentar el tráfico de las líneas. - Menor dispersión en las velocidades y tiempos de recorrido. -

Suele permitir la ejecución de órdenes de regulación de marcha que se le pidan.

-

Permite la reducción del intervalo entre dos trenes consecutivos especialmente si los trenes son de la misma naturaleza (viajeros o carga).

-

Aumenta la seguridad y reduce las necesidades de personal.

2.4. Significado actual del control por microprocesador Después de la complicación creciente que se ha ido dando a los automatismo~de conducción de los trenes, resulta evidente la necesidad de la

134

L A T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN L A ALTA VE L OC IDAD FE R R O V I A R IA (A.v.F.)

introducción del control por microprocesador, que permite calcular los complicados algoritmos que acabamos de ver, en "tiempo real" para ser aprovechados y trabajando con la celeridad que exigen las crecientes "altas velocidades" y las explotaciones con mayores cadencias de tráfico. La firma SIEMENS incorporó en 1981, en un coche del Metro de Nüremberg, el primer prototipo del regulador de marcha SIBAS 16, con microprocesador que, en pocos años se ha convertido en un sistema de control universal para vehículos automotores y del que, según SIEMENS, se han suministrado o pedido varios miles de equipos para varias aplicaciones distintas. Como siempre sucede en estos casos, las grandes firmas del ramo han puesto a punto sus propios sistemas basados en ordenador. Así, ABB dispone de un sistema de adquisición, vigilancia y mando centralizados, comandado por ordenador (ZEUS), de un sistema de diagnóstico (DAVID) y un sistema de diagnóstico prioritario (MICAS S). También GEC ALSTHOM puso a punto el sistema RTM (Rail Traffic Management) para gestionar el tráfico ferroviario del túnel bajo el Canal de la Mancha. Asimismo, el AVE Madrid-Sevilla que pertenece a la familia de los TGV franceses, posee un avanzado sistema informático que se compone de una serie de unidades dotadas de rnicroprocesador. Por cada cabina de conducción existen una unidad de tratamiento principal (UTP) y otra de tratamiento auxiliar y por cada uno de los dos bloques motores de cada cabeza tractora, existe una unidad de tratamiento UTR-A. Todas estas unidades están ligadas por medio de una red informática "TORNAD" que permite el intercambio de información entre ellas. La locomotora S 252 de SIEMENS lleva montado un sistema de regulación SIBAS-16., que va a servirnos para describir la arquitectura de este tipo de sistemas de control. Inicialmente, el sistema SIBAS-16, se aplicó exclusivamente como regulador de marcha, pero actualmente puede realizarse toda la técnica de control de automotores, con componentes de este sistema. En este contexto juegan un importante papel los sistemas de BUS serie, así como la diagnosis de averías en vehículos. Su estructura tiene la ventaja de que es modular y el número de módulos disponibles ha ido creciendo, al mismo tiempo que aumentaba la gran diversidad de tipos de instalaciones. El núcleo del sistema está constituido por el ordenador central equipado con el microprocesador 8086 de 16 bit, los módulos de memoria así como uno o varios sub-procesadores (8088, 80 C 188). Alrededor de este núcleo se han dispuesto, en un primer nivel, los módulos que están conectados al bus del ordenador y que establecen la unión con los módulos periférico~.Su mayor espectro, en número de módulos, configura la periferia

LA TRACCIÓNELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

135

del nivel externo, lo cual le permite realizar los más diversos tipos de aplicaciones. En la figura 4.5. se representa el espectro de módulos del SIBAS 16. En paralelo, al crecer la complejidad del "hardware" también lo hizo el volumen del "software", procurando un desarrollo del mismo que fuera sistemático, modular y bien documentado.

A continuación, tomando como base su aplicación más importante, como regulador de marcha y su utilización en la técnica de control, daremos un ligero repaso a las múltiples aplicaciones del sistema, en vehículos automotores.

Figura 4.5

136


3. Reguladores de marcha

3.1. Técnica de tracción moderna en vehículos ferroviarios Sabemos que los sistemas clásicos de control, usuales a principios de los años 70, eran de tipo electro-mecánico y tales como el conmutador escalonado en vehículos automotores con corriente alterna o el mecanismo de mando y las resistencias en los vehículos de corriente continua. Estos sistemas fueron sustituidos paulatinamente por otros de tipo electrónico. Esta transición se basó, lo mismo que ocurrió con la electrónica de potencia, en los progresos alcanzados por la técnica de los semi-conductores que convirtió al "tiristor" en un seguro y potente interruptor que, además podía trabajar con velocidades de conmutación niuy superiores a los interruptores de tipo electro-mecánico. La consecuencia más inmediata fue la utilización del circuito "chopper" o "troceador" como forina de alimentar a tensión variable los motores de corriente continua alimentados, a partir de una continua de valor constante en catenaria. En alterna, se utilizó el convertidor guiado por la red, en sus diversa variantes (semi-controlado, totalmente controlado y controlado por sector). La introducción de la técnica de tracción trifásica se inició en las aplicaciones del tráfico de cercanías con el circuito intermedio de i~it,ensidad y el ondulador secuenciador de fases, mientras que el circuito intermedio de tensión con ondulador pulsatorio encontró aplicación en los trenes de largo recorrido. Por último, el desarrollo más reciente de los potentes tiristores GTO ha posibilitado una importante simplificación de los circuitos existentes y la utilización de nuevas aplicaciones, como por ejemplo, para el funcionamiento directo de un ondulador pulsatorio con una catenaria de corriente continua. El resumen anterior ya lo hemos expuesto en el Capítulo anterior. Si lo traemos aquí es para decir que el SIBAS 16 puede utilizarse para todas las variantes de tracción, gracias a su estructura modular. Un folleto de SIEMENS ilustra lo aiit,eriorcon diversos ejemplos de realizaciones, en Alemania y en otros países, resueltas con este sistema de control. Uno de esos ejemplos lo constituye la locomotora de REhTFE, S252 de la que venimos hablando.

3.2. Circuitos de los convertidores de corriente La figura 4.6. nos muestra, agrupados, los esquemas de principio correspondientes a las diversas variantes. Si se analizan estos esquemas

Figura 4.6.

observaremos que todas las aplicaciones procedn de una combinación de 5 grupos de convertidor distintos. El elemento más simple viene representado por el "chopper" que alimenta al motor de corriente continua, partiendo de una catenaria de corriente continua (solución adoptada para el primer TGV francés, en el recorrido Paris-Lyoi~. El convertidor guiado por la red presenta una estructura igual de simple y trabaja conectado a una catenaria monofásica o al generador trifásico de una locomotora diesel-eléctrica, para alimentar a una máquina mixta o de corriente continua. Si combinamos uno de estos dos circuitos con un ondulador de circuito intermedio de intensidad (CSI), obtenemos el primer grupo de circuitos para motores trifásicos.

El último grupo consta de un ondulador con circuito intermedio de tensión (CVI), que está conectado con un módulo de regulación, con entrada con puente de diodos no controlados o con un chopper de 4 cuadrantes (que permite el frenado con recuperación, devolviendo energía a la red).

3.3. Módulos electrónicos para el regulador de marcha Para cada uno de los circuitos básicos de electrónica de potencia que acabamos de ver en 3.2 y a los que ya nos referimos en el Capítulo 111, al

analizar los procedimientos actuales de tracción, existe el correspondiente módulo de control en el SIBAS 16, es decir: -

Módulo de control de "chopper"

-

Módulo de control de red.

-

Módulo de control "1" de ondulador.

-

Módulo de control "V" de ondulador.

-

Módulo de control de "chopper" de 4 cuadrantes.

Esto significa que la totalidad de la técnica de tracción puede cubrirse mediante la conibinación de tan solo 5 tipos de módulos de control distintos. Esta estructura modular constituye uno de los principios básicos del SIBAS 16 y lo que, indudablemente, le confiere un atractivo especial. Además, con dicha modularidad queda abierto, de manera flexible, a posibles nuevos circuitos de los convertidores de potencia.

3.4. Amplificador de impulsos, como interfase para el convertidor de corriente Entre el regulador de marcha y el convertidor de corriente se precisa una interfase que genere las señales de control destinadas a los diversos semi-conductores. Para ello se pueden utilizar dos procedimientos. En el primero, se transmite la energía necesaria para la conexión del semi-conductor, conjuntamente con la señal de marido. En el segundo, solo se transmite la señal y una alimentación separada facilita la energía de encendido. La primera solución se utiliza preferentemente si se trabaja con tiristores y la segunda si se utilizan GTO. El SIBAS 16 dispone de amplificadores de impulsos para ambas soluciones de forma que pueden controlarse todo tipo de convert,idores.

3.5. Módulos específicos para corriente trifásica Los valores analógicos actuales, necesarios para la regulación de un accionamiento, como pueden ser las intensidades y tensiones son llevados al sistema de control a través de etapas de entrada analógicas (Ver figura 4.5.).


139

En los accionamientos que incluyen motores de continua, los valores de medida pueden ser evaluados directamente por el microprocesador de control, mientras que los accionamieiitos que trabajan con motores trifásicos hay que trabajar con el llamado "control vectorial" o principio "TRANSVEKTOR" puesto a punto por la empresa SIEMENS, precisamente para conseguir una respuesta satisfactoria en el control de los motores trifásicos de inducción con rotor de jaula. Evidentemente, el SIBAS 16 de la misma firma, incorpora este "control vectorial" que, en esencia, consiste en obtener los valores actuales, como el flujo, la corriente de magnetización y la intensidad activa a partir de una reproducción (modelo) de máquinas con el "modelo de flujo" y un procesador de vector. Ambos módulos electrónicos carecen de sintonización y los parámetros para el modelo de flujo son regulados por el procesador (*).

3.6. Módulos de adaptación a los periféricos Las señales procedentes de la periferia, como son los valores actuales, confirmación de estado de contactores, etc., así como las señales procedentes del regulador de marcha y las de mando para contactores, se introducen eii el sistema de control a través de módulos de adaptación especiales. Estos módulos se adaptan si es necesario a la tensión de batería existente en el vehículo. En las "Etapas de entrada digitales" existen, en el SIBAS 16 cuatro niveles para 24, 48, 72 y 110 voltios. Dichas etapas convierten las señales procedentes del vehículo, como confirmaciones y Órdenes, en el nivel de la señal de mando. Por el contrario, las órdenes generadas por el procesador deben llevarse a la periferia. Para ello se utilizan los módulos de "Mando de coritactores", realizados asimismo para diversos valores de tensión. Con las señales analógicas se procede del mismo modo. Como ejemplo de lo anterior, cabe mencionar el módulo de "Elaboración del valor actual" y a las "Entradas analógicas". Para detectar la temperatura de los motores de tracción y de los convertidores existe un módulo de "Detección de temperatural'al que se pueden conectar opcionalmente termómetros de resistencia, como el Pt 100 o sensores semi-conduct,ores del tipo KTY 10.

(*) Un detalle del fundamento del control vectorial puede verse en el punto 7.4. del libro "Máquinas y Accionarnientos Eléctricos de Roberto Faure Benito, págs. 406 a 423, editado por el Fo~idoEditorial de Ingeniería Naval. Colegio Oficial de Ingenieros Navales y Oceánicos. Año 2000.


140

3.7. Vigilancia y diagnosis La vigilancia y diagnosis juega un papel importante, como consecuencia de la complejidad creciente de las funciones de control en los vehículos aut,omot,ores.La localización y eliminación de averías solo puede realizarse de rriariera rentable si se dispone de un sistema eficiente para ello. El SIBAS 16 dispone de dos procedimientos distintos: a) Con los módulos "Detección de averías" y "Vigilancia del sistema de control" se vigilan en el hardware las señales del convertidor y, adicionalmente, se dispone del procesador para la diagnosis. Como ejemplo puede mencionarse el fallo de desconexión de un tiristor GTO ó la sobreintensidad de los motores. Estos módulos establecen, simultáneamente, un estado seguro para la instalación, como puede ser el bloqueo de todos los impulsos de encendido para el convertidor. b) Actuando por software, éste almacena en la memoria las señales del equipo y, adicionalmente, las señales internas como pueden ser: -

Palabras de estado.

- Palabras lógicas. -

Palabras de control y

-

Señales analógicas.

Las palabras de estado contienen los estados de señal de la periferia (por ejemplo, confirmación de contactores, orden de marcha). Las palabras lógicas caracterizan el estado interno del equipo (por ejemplo, estado de marcha y confirmación de arranque. En las palabras de control se encuentra almacenada la situación de las señales emitidas a la periferia por el regulador de marcha (por ejemplo, mandos de cont,actores). En el protocolo de averías se incluyen también algunos valores analógicos específicos de la instalación, como tensión de red, revoluciones, corriente de motores, etc. La indicación de avería tiene lugar en el caso más simple, mediante un display de siete segmentos, directamente, en la unidad de mando y regulación del microprocesador. Mediante la impresora puede leerse la totalidad del protocolo de averías que expresa en texto las incidencias surgidas y, por acoplamiento de un ordenador personal, descrito en el punto 3.8., (Evaluación de protocolos de averías del SIBAS 16) se dispone, además, de un paquete de software que facilita adicionalmente el diagnóstico.

LA TRACClÓN ELÉCTRICA


141

3.8. Software modular

La estructura modular, que estamos viendo posee el hardware del SIBAS 16 tiene su reflejo en el software. Así, se dispone de más de 200 módulos de programa, reunidos a su vez en grupos funcionales individuales. El propio sistema posee una forma sencilla para la elaboración de programas que dispone de varios niveles de elaboración cíclicos así como de niveles de interrupción escalonados. Tras la conexión del equipo, corren en primer lugar los paquetes de programa "Arranque del sistema" y "Cálculo de constantes". Con el primer paquete se inicializa el sistema y con el segundo se transforman los parámetros indicados en valores físicos y los valores de ajuste en el formato del procesador. Todo ello posibilita unos tiempos más cortos para correr los programas. Una vez concluida esta fase, arranca la elaboración cíclica.

En la figura 4.7. puede apreciarse la cooperación entre los distintos grupos funcionales. Mediante los bloques de entraddsalida se convierten en magnitudes normalizadas los diversos valores de referencia prefijados, valores actuales y entradas restantes. De este modo se dispone de valores a los que pueden acceder los programas estándar. La parametrización de la instalación durante el proyecto o en la fase de puesta en servicio se realiza en magnitudes físicas. La conversión tiene lugar en el bloque de cálculo de constantes.

Bus del tren RS 485 2 -

-

.-

Bus dei tren RS 485 1

Figura 4.7.

4. Técnicas de control con el SIBAS 16 4.1. Características de la moderna técnica de control de vehículos automotores La introducción de los microprocesadores en control ha permitido la adopción de niveles de control, de rango superior, al tiempo que posibilita una estructura de distintos niveles. La característica sobresaliente del nuevo nivel de control, viene expresada por los sistemas de "BUS serie" que permiten la transmisión de datos, entre los diversos equipos de los vehículos y la unidad central de control. Volviendo a la figura 4.7., vemos en ella como se utilizan varios sistemas de "BUS serie", adaptados a las correspondientes exigencias en cuanto a velocidad de transmisión y protocolo (RS 232, RS 485, ...). Toda la información importante queda disponible en la unidad central de control, a través del reticulado entre los diversos componentes del vehículo, es decir, en cada momento existe una clara imagen de estado a través del sistema "vehículo". Con esta información la unidad de control central está en condiciones de satisfacer un gran número de funciones (Ver la figura 4.8.). La consecuente realización de la nueva estructura, con las tareas más significativas relacionadas en la figura, en combinación con los sistemas "BUS serie" conduce a grandes ventajas en proyecto, montaje y servicio de mantenimiento. Las principales pueden ser: -

Rápida ejecución de esquemas ya que las relaciones lógicas se realizan por software.

-

Reducción importante del número de cables.

-

Menores gastos de montaje.

-

Menor peso del vehículo.

- Aumento de la disponibilidad, fiabilidad y potencia del vehículo motriz.

4.2. Funcionamiento de los sistema sde "Bus serie" Una característica de los modernos vehículos de tracción es la aplicación de sistemas "BUS serie" para la transmisión de datos. En la figura 4.8. se han representado dichos sistemas que son controlados por la unidad de control central y mediante los cuales tiene lugar una transmisión de información.



Sistemas de BUS SIBAS

f

Nivel de control de tren "BUS de tren"

L / Nivel de control

.

Interface físico RS 485 160 V (2 hilos) DIN 43 322 Parte 3 Cuota de transmisión 100 Kbaudios Código Manchester II Protocolo: HDLC Configuración: Master / Repetidor Interface fisico RS 485 (4 hilos) DIN 43 322 Parte 2 Cuota de transmisión 100 Kbaudios Código Manchester ll Protocolo: HDLC Configuración: Master 1 Repetidor

$e vehiculo BUS de vehiculo"

\ Nivel de subsistemas

Interface fisico RS 485 (2 hilos)

143

1 3

, \

, \

"BUS de control" Cuota de transmisión 62.5 Kbaudios Protocolo: Estandard de firmas p

f

Conexión MMK (Comunicación hombre - maquina)

Interface físico RS 232 C i RS 422 (20 mA)

\

Cuota de transmisión 4'8 Kbaudios

"BUS de Display" Protocolo: asincrono

i

/

Conexión de servicio "BUS de diagnosis"

lnterface fisico RS 232 C

3

Cuota de ttansmisión 4,8 Kbaudios Protocolo: asincrono

\

f

J Información de viajeros "BUS IBIS"

L

Interface físico Norma IBIS VOV (4 hilos)

\

Cuota de transmisión 1.2 Kbaudios Protocolo: asincrono , Configuración: Master I Repetidor

,

Figura 4.8.

La unidad de control central asume la función de "master" y a través de dicho BUS se transmiten todas las señales necesarias para la tracción. El telegrama de transmisión incluye, junto a las órdenes de control del tren, todos los datos necesarios para la diagnosis del vehículo. El RS 485, con un protocolo de transmisión conforme al procedimierito HDCL ("High Leve1 Data Link"), constituye una interfase adecuada para dicho BUS.

144


La unidad de control central trabaja con la interfase RS 232 C y la RS 422 (20 rnA), como conexión punto a punto para las series de bits. A estas interfases se conectan los aparatos destinados a la comunicación hombremáquina, así como el "display" del conductor o los aparatos destinados al mantenimiento. La velocidad de transmisión alcanza como máximo 9,6 kbaudios. Además de los sistemas del "BUS serie, se dispone del BUS de vehículo "IBIS", para la información a viajeros en el tráfico de cercanías.

4.3. Circuito de control electrónico El circuito de control de los vehículos tradicionales se realizaba con mayor o menor número de relés auxiliares y relés temporizados, provistos de contactos de cierre y apertura. Su interconexión en serie o en paralelo con diodos de desacoplo, conducía con frecuencia a estructuras complejas. El traslado de estos niveles de interconexión al software permite una estructura clara y sencilla, del hardware correspondiente, al circuito de control. La realización de los niveles de interconexión en el software se efectúa a través del lenguaje lógico SIBAS 16-LOG, muy fácil de aprender. Dicho lenguaje se basa en el correspondiente a los autómatas programables y ofrece al usuario la posibilidad de realizar fácilmente modificaciones o ampliaciones en los circuitos de control, mediante la adaptación del software. Esta propiedad elimina las modificaciones de cableado, consiguiendo con ello un considerable ahorro en costos y en incremento de la calidad. Mediante la inclusión de la función "circuitos de control", en la unidad de control central, puede realizarse de forma muy compacta el nivel de mando del pupitre de control. Solo resulta un contacto por cada una de las órdenes de "marcha", "frenado", "adelante", "atrás", así como para los interruptores provistos de llave (para evitar su actuación intempestiva). El valor prescrito para el par, se establece mediante un potenciómetro analógico o con un emisor digital de posición. En caso de avería, se dispone de un circuito de seguridad convencional que actúa directamente sobre los sistemas de frenado.

4.4. Diagnosis central del vehículo El concepto de diagnosis posee afinidades con una serie de otras expresiones técnicas, como "prueba", "vigilancia", "medida", "test", "chequeo",

L A T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN L A ALTA VE L OC IDAD F ERR O VIARIA (A.v.F.)

145

"inspección", o similares. El concepto de "diagnosis"sue1e utilizarse, ante todo, cuando está asociado con el proceso un determinado grado de automatización. El mantenimiento de los vehículos, dividido en inspección, entretenimiento y mantenimiento representa un factor de costos importante para las Compañías. La crecient,e utilización de circuitos electrónicos de potencia y control, carentes de desgaste, hace prácticamente innecesario el mantenimiento preventivo (sustituir un elemento al cabo de unas determinadas horas de servicio, sin esperar a que falle). Los componentes electrónicos fallan muy raramente pero de forma imprevisible. Por esta razón no puede planificarse una inspección o revisión. Precisamente en este aspecto, encuentra utilidad la función de la "Unidad de Control Central" (Ver figura 4.7.) como equipo de diagnosis. El equipo de diagnosis asume la misión de detectar con antelacjón las averías (por una breve manifestación del fallo), así como de localizar rápidamente su causa, con la nieta de minimizar el tiempo de parada. El análisis del estado de los componentes tiene lugar sin desmontarlos y sin la necesidad de realizar viajes de prueba. Cuando la Unidad de Control Central detecta un fallo de funcionamiento, mfornia inmediatamente al conductor. Esto puede realizarse , por ejemplo, mediante un aviso de avería y una orientación, a través de un "display", sobre las medidas a adoptar. La calidad de un equipo de diagnosis puede medirse por la relación entre las averías manifestadas por la diagnosis y el total de averías realmente posible y su "veracidad" por la relación entre el número de diagnósticos correctos y el número total de todos los resultados de diagnosis. Según el tipo de vehículo, se conectan a la Unidad de Control Central, los grupos funcionales más importantes: -

Aparatos de control tracción / frenado

-

Servicios auxiliares (aire comprimido, ventiladores, convertidor).

-

Equipos importantes de seguridad.

-

Puertas.

-

Calefacción.

-

Resortes acumuladores de energía, frenos de vía.

-

Equipos de información al viajero.

Conviene señalar que los elementos del vehículo controlados por rnicroprocesador, están en situación de diagnosticar su propio estado, es


146


decir, que están provistos de "auto-diagnosis" y que, en este caso la Unidad de Control se limita, por programa, a integrar los resultados que recibe de las restantes unidades de control, a través del BUS serie, con lo que está eii condiciones de facilitar una información evaluando la capacidad de funcionamiento del conjunto. Esta evaluación se define generalmente en cuatro grupos, apoyados en las recomendaciones FERM (captación de averías y evaluación) : -

A: Vehículo sin posibilidad de funcionamiento.

-

B: Servicio limitado, Vmáx = 50 krníh.

-

C: Servicio limitado, hasta que esté disponible el vehículo de reserva.

-

D: Observación para el taller.

4.4.1. Test automático de componentes

La Unidad de Control Central asume, como segunda parte de la diagnosis técnica, la comprobación activa de la capacidad de funcionamiento de los componentes del vehículo antes de iniciarse el viaje. Esto afecta sobre todo a los componentes significativos para la seguridad: -

Equipo de frenado de emergencia.

- Producción de aire comprimido.

-

Prueba neumática del freno.

-

Puertas.

-

Vigilancia de señal final.

-

Equipos de disparo por corriente de defecto a 50 / 42 Hz.

La Unidad de Control Central del vehículo cuya cabina de mando y control está ocupada, asume la función "Master" y controla el desarrollo del test.

4.4.2. Comunicación hombre-máquina (M-K) La interfase de comunicación entre el sistema "vehículo" y el personal, está constituida por la cabina de conducción, con sus emisores de mando, instrumentos de indicación, lámparas de señalización y aparatos emisores ("displays") de imágenes y textos.

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F)

147

En la figura 4.9. puede verse una maqueta del puesto de conducción de la locomotora S 252. Los displays indican, por ejemplo, los datos de diagnosis, con indicación de la clase de avería, localización e ir-istrucciones para su eliminación, control de la preparación automática del tren para la marcha, etc.

Figura 4.9

4.4.3. Equipos registradores, impresoras d e ,viajes Los equipos registradores electrónicos o bien las impresoras de viajes se utilizan cada vez con mayor frecuencia en vehículos de tracción, siistituyendo a los registradores de cinta magnética. El regulador de marcha puede adaptarse también para esta tarea mediante un "casette" adicional y un paquete de software.

4.4.4. Evaluación de los protocolos de aveilias Para este cometido se encuentra disponible un extenso paquete de software que, en combinación con un PC, cubre desde la selección de datos hasta la transmisión, la estadística mediante su evaluación y el archivo de la información. La figura 4.10. muestra las diversas posibilidades para la transmisión de datos a un banco de datos, centralizado, por ejemplo, en la zona de talleres de grandes revisiones, que documenta cada avería y que permite efectuar un análisis de fallos, de gran utilidad para el perfeccionamiento de los equipos.

148


Talleres centrales I Oficinas de averias -- Protocolo Impresora de viajes

PC estacionario Banco de dalos lotal

Figura 4.1O.

Por último, la figura 4.11. nos muestra el rack que contiene los módulos de una determinada composición de un sistema de control SIBAS 16.

Figura 4.11.

LA TRACCIÓN E L É C T R I C A


149

5. Perspectiva El análisis de las posibilidades que ofrece el sistema de control, puesto a punto por SIEMENS, SIBAS 16, creemos que nos ha permitido ver en que puede consistir un sistema basado en microprocesador para vehículos ferroviarios, independiente y dirnensionado para las condiciones más duras (-40" C hasta +85"C). El éxito de este sistema ha sido evidente aunque hayan aparecido otros sistemas concurrentes. La introducción del control basado en un ordenador ha permitido aprovechar todas las ventajas de una solución que trabaja por programa, frente a las soluciones clásicas que lo hacían con lógica cableada. Es algo parecido a lo que ha sucedido en los procesos de fabricación, al introducir los autómatas programables (PLC) que controlan las tareas parciales del proceso, integrándose en un nivel superior de control de supervisión que da información al responsable de toda la cadena. Creemos que ha quedado patente la reducción de peso que supone (Ver la figura 4.11.) y la gran ventaja, a nuestro juicio, de su estructura modular que permite abarcar más o menos funciones de control según la aplicación que se quiere resolver en cada caso. En algunas ocasiones, tal vez, hemos utilizado directamente la "jerga" que utilizan los informáticos pero nos ha parecido que, actualmente, casi todos nos vamos metiendo en ella, con el PC que suele acompañarnos en la oficina o en el taller y con el que tenemos en nuestras casas. El avance más importante que suponen las nuevas tecnologías han sido los módulos de control con procesadores de señal para convertidores GTO que han hecho posible los nuevos procesos de control y regulación, la utilización del sistema "TRANSVEKTOR" para la regulación de los motores trifásicos de rotor de "jaula" y la introducción de los sistemas de "BUS serie"norma1izados. Resumiendo, puede decirse que el control con microprocesadores pertenece al equipo estándar de los vehículos ferroviarios más modernos y, en especial, de las necesidades de la Alta Velocidad (A.V.F.). Su campo de aplicación incluye la totalidad de las técnicas de control con diagnosis, la más moderna instrumentación de cabina y equipos de registro universales.

6. Resumen del capítulo IV Se inicia el Capítulo con una Introducción, en la que se repasan las acciones básicas de control, hasta llegar a la regulación automática, como

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aquella acción que ha hecho progresar a la moderna teoría de control, que se inició con el viejo regulador de Watt. A continuación, en el punto 2. se analiza más de cerca el concepto de automatismo, especialmente desde el punto de vista de su utilización en los sistemas de tracción ferroviaria, destacando como, en muchos casos, el automatismo mejora la posible acción manual, evitando los trabajos tediosos y actuando con la velocidad de respuesta que requiere el sistema controlado. Como prólogo a los sistemas de control basados en microprocesador se estudia la solución de un automatismo clásico, el anti-patinaje y los problemas que plantea la conducción óptima y el pilotaje automático (P.A.) En el apartado 2.4. se entra en el significado de un control basado en microprocesador y se elige el sistema SIBAS 16, para analizar las funciones de control que puede ofrecernos un sistema avanzado de esta naturaleza. En el punto 3. se repasan las características del Regulador de marcha y en el apartado 4. y siguientes se estudian las técnicas de control basadas en SIBAS 16, llegándose a la conclusión de que los microprocesadores de regulación para la tracción son, en la actualidad, parte integrante de los modernos vehículos ferroviarios. Un sistema de control, de características análogas al SIBAS 16 nos aporta las siguientes ventajas: -

Aumento notable de la fiabilidad al incorporar un menor número de componentes.

-

Eliminación de los problemas de variación de parámetros y envejecimiento, mediante la elaboración digital de las señales.

-

Entrada simple de parámetros a través de teclados normalizados de serie o con apoyo de pantalla.

-

Absoluta reproducción de las magnitudes de ajuste en una serie continua.

-

Captación y almacenaje de los fallos e incidencias, que asiste al personal de mantenimiento, en la localización y diagnosis de las mismas.

Las tareas más importantes del subsistema ASG (Regulador de marcha) (Ver figura 4.7.) son las siguientes: -

Elaboración de las señales de control para la emisión de órdenes a los sistemas de potencia electrónicos de tracción. Dichos sistemas facilitan las tensiones, intensidades y frecuencias necesarias para


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los pares motrices requeridos en los motores de tracción. La regulación de los mot,ores asíncronos t,rifásicos se realiza conforme al principio de orientación del campo "TRANSVEKTOR". -

Las magnitudes determinantes para la formación del par, tales como el flujo, intensidad reactiva y ángulo entre el vector de intensidad reactiva y flujo, se obtienen mediante procesadores de vector, partiendo de las magnitudes reales de intensidad y tensión de los motores. Dichos valores se comparan con los valores prescritos calculados y son convertidos adecuadamente en impulsos de control para los convertidores de tracción.

En el texto se da una referencia, de un libro del autor, en el que se explica con todo detalle el sistema "TRANSVEKTOR" para el control vectorial de los motores asíncronos trifásicos. Adicionalniente, el sistema SIBAS 16 realiza también las siguientes funciones: -

Elaboración de las confirmaciones y avisos procedentes de la periferia.

-

Protección aiitipatinaje y antibloqueo.

-

Limitación de las variaciones de aceleración.

-

Vigilancia de la intensidad de frenado, con transición automática al freno auxiliar.

Además de la captación normalizada de averías en el ASG, que comprueba y almacena esencialment,e las señales del equipo de tracción en caso de anomalía, el ASG está equipado con una memoria adicional para la vigilancia y almacenaje de magnitudes periféricas. Esta memoria de datos posee además una interfase distribuida para poder almacenar y evaluar las señales, seleccionadas durante un largo periodo de tiempo, en una barida de registro destinada a la localización y evaluación racional de averías. La relación de funciones de este resumen no recoge más que parte de las funciones que hemos visto en la descripción general, dada en los párrafos 3.y 4. Tan solo se centra en las funciones principales. Una interfase, que adquiere especial importancia a la hora de caracterizar una aplicación determinada, es la de coniunicación entre el sistema "vehículo" y el personal de conducción, perfilando los elementos que componen la cabina. Esta interfase incorpora los emisores de órdenes, indicadores y lámparas de señalizacióri. Asimismo, para hacer niás efectiva esta comunicación, se disponen pantallas indicadoras de texto o de gráficos (esquemas).


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La "Unidad de Control Central" (ZSG) (Ver figura 4.7.) se ocupa de controlar la pantalla mediante una interfase RS 232. Las indicaciones principales suelen ser: -

Datos de diagnóstico con tipo de error, lugar del mismo y recomendaciones para su eliminación.

-

Valores de funcionamiento tales como velocidad, intensidad, etc.

En pantalla pueden representarse todos los juegos de datos memorizados y decodificados, sobre un listado de errores de texto explícito. El texto de este listado contiene además de la imagen del proceso, indicaciones sobre el tipo y lugar del fallo. Si, con el transcurso del tiempo, se logran nuevos conocimientos sobre determinados fallos, pueden incluirse fácilmente en los list,ados,es decir, que coriforme transcurre el servicio de los vehículos, va enriqueciéndose la base de datos con los conocimientos aportados por el usuario.

CAPITULO V: CONDICIONES DE TRACCIÓN

1. Introducción El estudio y eventual proyecto del material motor -locomotoras y automotores- implica el conocimiento de un cierto número de nociones básicas, referentes a las condiciones en que van a ~itilizarse,es decir, a las "condiciones de tracción" con que vamos a encontrarnos. Estas condiciones determinan, en efecto, la concepción del material motor, tanto en su parte mecánica como en la parte eléctrica. Esta última constituye nuestro int,erés preferente, de cara a los trenes de alta velocidad, pero no estará de más que repasemos la dinámica de un tren, ya que existen interdependenc i a ~evidentes siendo, tal vez la más importante, el que estas condiciones de tracción van a darnos la potencia que deben tener nuestros accionamientos eléctricos. Las condiciones de tracción de los trenes que suelen englobarse bajo el concepto de "dinámica de los trenes" y que analizaremos sucesivamente, son las siguientes:

1) Los esfuerzos resistentes que habrá que vencer, para conseguir que un convoy se desplace a una velocidad determinada.

2) Las limitaciones al esfuerzo niotor, que provienen de la adherencia con que puede contarse a una velocidad "V. 3) El esfuerzo motor que debe preverse a la velocidad "V", lo que nos dará la potencia de los motores de tracción. 4) Los esfuerzos resistentes y los límites de adherencia en el arranque, de cuyo conocimiento se podrá definir la noción de "carga que puede arrancarse".

5) Las limitaciones qiie provienen de la resistencia de los enganches, especialmente entre la locomotora y el primer vagón del convoy.

Esta limitación va a condicionar la longitud de las composiciones de los trenes.

2. Esfuerzos resistentes Los esfuerzos resistentes que aparecen en un convoy (locomotora + material remolcado), cuando se desplaza a una velocidad constante "V", pueden descomponerse como sigue: 1. La suma t,otal de las resistencias, de cualquier tipo que, en llano y en línea rect,a, se oponen al avance del tren. Reciben el nombre genérico de "resistencia al avance" y dependen de la velocidad.

2. La resistencia suplementaria debida a las curvas. 3. La resistencia debida a la gravedad (componente positiva, es decir, resistencia suplementaria que aparece en las rampas, negativa en los descensos). 4. Los esfuerzos debidos a la inercia de las masas giratorias (en periodos de arranque y de aceleración.

2.1. Resistencia al avance en llano y línea recta Esta resistencia se debe a dos componentes principales que no obedecen a las mismas leyes de variación en función de la velocidad; por un lado, las resistencias debidas al rodamiento y a todos los rozamientos que acompañan al movimiento del tren y por otro la resistencia del aire: a) Resistencia debida al rodamiento y al rozamiento mecánico El rozamiento de las llantas coi1 los raíles y los rozamientos en las cajas de grasa originan una resistencia independiente de la velocidad pero que depende de las características del material : carga por eje, número de ejes, tipo de las cajas de eje (modernamente las cajas tienen rodamientos de bolas pero ello influye poco en la resistencia, salvo en el arranque que resulta facilitado). Independieritemente de la rodadura de las llantas sobre los raíles, existe uria resistencia al avance debida al rozamieiito de las pestaiias de las ruedas con el raíl. Y a esto hay que añadir las pérdidas por histéresis mecánica y por el amortigilamiento resultante de las oscilaciories verticales y


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horizontales del vehículo. Estas resistencias son proporcionales a la masa y a la velocidad, dependen también del tipo de vehículo (su comportamiento en marcha, anchura,...) y del estado de la vía. Este término resultaba en tiempos difícil aislarlo de los otros y, por ello, se ha despreciado a menudo. Actualmente, con métodos de medida más modernos, se ha podido porier en evidencia para cualquier material moderno que circule por una vía bien cuidada. b ) Resistencia del aire

Se ejerce sobre la superficie frontal y actúa por rozamiento sobre las caras laterales (o superficie mojada), especialmente sobre cualquier aspereza. Actúa por aspiración sobre la part,e t,rasera del convoy y a su efecto hay que añadir un efecto de "suelo" (hueco que queda entre el suelo y el fondo de los vehículos) Se trata de una función que aumenta rápidamente con la velocidad y puede asimilarse a uria variación de la forma "K V2". Por otra parte, el vieiito tiene un efecto considerable: el peor, por los efectos que produce, es el que actúa oblicuamente a la trayectoria del tren. En un tren de alta velocidad, la resistencia del aire resulta ser, con mucho el término preponderante en la resistencia al avance. Por ello habrá que cuidar de manera especial el carenado del tren, sus formas aerodinámicas y la eliminación de asperezas en las superficies exteriores. c) Fórmulas de resistenciu al avance Se han establecido numerosas fórmulas empíricas, a menudo complejas, para tratar de cuantificar la resistencia al avance. Creemos que el tratar de tener en cuenta todos los factores que acabamos de repasar resulta una empresa casi vana. Vamos a dar, a título de ejemplo, algunas de las más utilizadas.

Para locomotoras eléctricas suele darse, como resistencia total en la llanta, expresada en daN (un deca-newton es aproximadamente igual a un kg fuerza)

Siendo L = masa de la locomotora en toneladas 11 = número de ejes V = velocidad en k r n h Esta fórmula nos da, para una locomotora S 252 de 90 toneladas y tipo

BB, con cifras redondeadas:

Para el material de viajeros, con bogies (41 a 46 toneladas, en carga) se admite una "resistencia específica", es decir, una resistencia expresada en daN por tonelada de material de: Para los vagones modernos, más aerodinámicos se suele adoptar:

Para los vagones de mercancías corrientes la fórmula es análoga a la (5.3) salvo que el factor 4500 se reduce a 1600. Suelen darse otras fórmulas, según el tipo de vagones, pero todas tienen la misma estructura, variando el divisor del término de velocidad.

Refiriéndonos al AVE, su resistencia al avance es notablemente reducida, gracias al perfil aerodinárriico del tren y a su concepción articulada, lo que tiene la notable ventaja de permitir un reducido consumo energético. Se ha calculado que la resistencia al avance es de 58 kN, aproximadamente, cuando el tren cargado circula a 300 kmh, lo que equivale a una resistencia específica de so1ament.e 13,8 daN / t . La fórmula que proporciona el valor de la resistencia al avance del tren AVE, en vía recta y horizontal es la siguiente:

Donde R es la resistencia de un tren AVE, expresada en decaNewtons (dalV) y V es la velocidad del tren en kilómetros por hora. Con las fórmulas (5.1.) (5.2) y (5.3.) se llega a resultados del mismo orden de magnitud, pero notablemente superiores.


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Para 300 krnh la fórmula (5.5.) nos da R = 254 + 1014 + 4536 = 5804 daN que divididos por la masa del tren cargado (= 421,6 t) nos da 13,76 = 13,8 daN/t dados anteriormente.

2.2. Resistencia suplementaria debida a las curvas de la vía La resistencia en curva proviene de dos causas principales: a) Por una parte, al rozamiento de las pestañas de las ruedas y las caras laterales del borde del raíl. b) Al deslizamiento de las ruedas sobre el raíl ya que los ejes de un bogie o de un vagón de dos ejes están obligados a permanecer paralelos. Este segundo efecto resulta, en la práctica, preponderante. Estos rozamientos ocasionan pérdidas que se traducen finalmente en una resistencia adicional. Dicha resistencia depende, no solamente del radio "R," de la curva sino, además, de la separación rígida entre ruedas y de otros factores secundarios como son la coriicidad que tienen las bandas de las ruedas y también del alabeo y sobre- separación de la vía y, por último del valor del coeficiente de rozamiento en el instante considerado y para las velocidades relativas de las partes que rozan. En los libros clásicos se admite, para todo tipo de materiales, una resistencia específica por este efecto: r, = 800 / p en dalV/t y p = radio de la curva en metros

(5.6.)

2.3. Resistencia debida a la gravedad Es la componente del peso, tomada paralelamente a la vía (Ver figura 5.1.): siendo "a" el ángulo que forma la vía con el plano horizontal y "Q" la masa del vehículo. Para todas las pendientes con que nos encontramos en la tracción por simple adherencia (es decir, sin cremallera), se puede confundir "sen a" con "tg a", es decir, con la pendiente de la vía "i" que se expresa en "rnilésimas" o mmlm (milímetros de subida por metros de avance en horizontal). Luego, si expresamos por Q, la masa del tren en toneladas, nos queda:

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f (newtons) = 1000 Q, . 9,81 . i (en milésimas)

(5.8.)

o bien, sensiblemente podemos escribir

lo que nos dice que la resistencia específica debida a la gravedad y expresada en daN es, sensiblemente, igual a la pendiente de la vía "i" expresada en mrnlm (ó en 0 / Dicho de otra manera, basta añadir a la resistencia específica al avance la cifra "i". Si combinamos este resultado con la fórmula (5.6.) que nos daba la resistencia específica debida a la curva nos resulta:

Al valor " i' " se le llama a veces "perfil corregido". Así, por ejemplo, en un tramo de línea que tiene una pendiente de 10 mrnlm, con curvas de 800 m de radio, diremos que tiene un perfil corregido de 11 m d m . Algunos autores opinan que mejor que hablar de m d m sería referirse a una línea de 11 dalY /t.

2.4. Esfuerzos resistentes totales en régimen estabilizado (ejemplo) Como resumen de lo dicho, si suponemos un tren de viajeros de 800 toneladas + locomotora BB de 80 toneladas a 100 krnlh , por (5.1) tendremos una resistencia para la locomotora: 104+ 0 , 8 V + 3 0 0 = 1 0 4 + 8 0 + 300 =484daN=500daN y para el conjunto de vagones, por (5.3):

800 (1,5 + 10000/4500) = 800 . 3,72 = 2.976 daN = 3000 daN Redondeando, se ve que la parte de la locomotora es de un 14%. y que la resistencia, con una rampa de 10 d m , pasa a ser: 3500 + 880 . 10 = 3500 + 8800 = 12300 daN

2.5. Efectos de inercia de las masas giratorias La mecánica nos enseña que, para acelerar una masa "M" con una aceleración "y", hay que desarrollar un esfuerzo My. Cuando se trata de masas que están girando, la masa pasa a ser el momento de inercia y la aceleración lineal se convierte en la aceleración angular.


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Si se conoce el momento de inercia "1" de las masas que giran se puede obtener la "masa ficticia equivalente", M', referida a las llantas de la rueda: órganos ligados al eje, sin desmultiplicación:

M', = 1, / R'Qiendo "R" el radio de las ruedas

(5.11)

órganos ligados a través de engranajes, de relación de desmultiplicación ,'P"

En el cálculo de los esfuerzos aceleradores, se reemplaza, por tanto, My por KMy, siendo "K" un coeficiente mayor que la unidad e igual a (M+M')1 M, que tiene en cuenta el esfuerzo de inercia debido a las masas giratorias.

3. La adherencia La adherencia impone una limitación al esfuerzo motor que puede ejercerse sobre la llanta, a la velocidad V. Si se sobrepasa este esfuerzo el o los ejes patinan y la locomotora deja de poder garantizar sus características de tracción en condiciones normales.

3.1. Noción de adherencia Consideremos el par motor TM (ver figura 5.2.) que se ejerce sobre un e.je tractor. Este par se traduce en la llaiit,a por una fuerza horizontal FM. Si la locomotora avanza equivale a decir que esta fuerza horizontal encuentra en el raíl un "apoyo" , o sea una reacción igual y de sentido contrario que es lo que puede llamarse un "apoyo" horizontal RM La existencia de este "apoyo", sin que se produzca un deslizamiento de la rueda sobre el raíl, es lo que constituye la adherencia. La explicación física de este fenómeno parece apoyarse en dos fenómenos: por un lado el "engrane" de las rugosidades que presentan todos los cuerpos, incluso los mejor pulidos y, por otra parte las uniones interatómicas que realizan una especie de soldadura. Segíln algunos físicos es esta segunda acción la principal, pero cuando se echaba arena sobre la vía parece que sería el primer efecto el que se pretendía aumentar. Dejando a un lado las hipótesis más o menos ciertas, un hecho decisivo en el fenómeno de adherencia es que resulta tanto mayor cuanto que el

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peso "P" que gravita sobre la rueda también lo sea. Existirá realmente adherencia mientras el esfuerzo "F" aplicado a la llanta sea una fracción "Y del peso "P", es decir, cumpla la desigualdad:

FI . f (siendo f el llamado coeficiente de adherencia)

(5.13)

Cuando "F" rebasa este límite, el fenómeno cambia bruscamente de aspecto. Se produce la "ruptura" de adherencia, la rueda patina sobre el raíl y la reacción del raíl sobre la rueda cae al valor "P f ' ", expresión en la que "f ' " representa ahora un coeficiente de rozamiento, inferior a "f". La diferencia entre el par motor y el par resistente que corresponde a Pf ' provoca la aceleración de la velocidad de giro del eje tractor y de las masas giratorias asociadas. (motor, transmisión). Se ha producido el conocido fenómeno del patinaje, al que ya nos referimos en el Capítulo IV al hablar de los dispositivos que nos avisan de su aparición.

3.2. Adherencia global de una locomotora En la práctica, cuando se habla de coeficiente de adherencia, no se suele referir a una sola. rueda tractora sino al coeficiente "global" que puede definirse como la relación entre dos números: por un lado el esfuerzo total en las llantas que ejerce la locomotora inmediata~iienteantes de que uno cualquiera de los ejes inicie el patinaje y, por otro, el peso total adherente de la misma. Es evidente que esta relación está muy lejos de mantenerse constante. Una serie de circunstancias, unas en relación con la vía y otras con la máquina pueden modificar en cada caso el valor del "coeficiente de adherencia. Se tiene:

1 ) Influencia de la via. Entre las circunstancias que dependen de la vía cabe citar:

a) Estado de la superficie de los raíles. b) Regularidad del plano de rodadura.

c) Curvas de la vía cuando no se toman a la velocidad para la que ha sido calculado su alabeo. 2) Influencia de los motores. Entre las circunstancias que dependen de los motores de tracción, pueden citarse:

LA TRACCIÓN E L ~ C T R I C AEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

161

a) Las descargas de los ejes motores que se producen debidas al "encabritado" al aplicarles el par motor. b) Las oscilaciones de la máquina debidas a su suspensión (estas oscilaciones reducen la adherencia a medida que aumenta la velocidad).

c) Los movimientos de "lazo" o serpenteo que obligan a girar a la rueda sobre un diámetro mayor. d) Las irregularidades del par motor y las variaciones bruscas de esfuerzo (ventaja de disponer de un acoplamiento elástico y de un equipo eléctrico que nos dé una regulación "fina" de este esfuerzo evitando los "tirones".

e) El mando individual de los ejes motores que ha sustituido totalmente a las transmisiones mecánicas por bielas. Este cambio evidentemente es perjudicial desde el punto de vista de la adherencia. El problema se evita en parte con los bogies monomotor. Todas las causas anteriores nos llevan a considerar que resulta inútil el pensar que se llegue a poder definir un coeficiente de adherencia preciso.

3.3. Recuperación de la adherencia Si hemos hablado de "pérdida de adherencia" parece lógico que hablemos también de "recuperación de la adherencia". Hay un hecho cierto y es que el número de pérdidas de adherencia es mucho mayor que el de patinajes. Precisamente, ya vimos en el Capítulo IV que el objetivo de detectar rápidamente el patinaje era el evitar que este se produjera. Indudablemente, existe una influencia del esquema eléctrico que controla el motor sobre la adherencia, o dicho más exactamente, sobre las condiciones de utilización de esta adherencia. Cabe también añadir que, si las características par-velocidad, de los motores que accionan los ejes tractores, son tales que un principio de patinaje sobre el raíi, es decir, un ligero aumento de la velocidad de rotación, provoca una fuerte caída del par motor y, por tanto, del esfuerzo sobre la llanta, el eje tal vez podrá encontrar un nuevo punto de equilibrio y no llegar a embalarse. llna vez salvado el defecto local causante de la pérdida de adherencia, puede restablecerse el par normal y la perturbación pasar prácticamente desapercibida y la tracción del tren no quedar comprometida.

162



3.4. Valor práctico de la adherencia en el arranque Habida cuenta de todo lo dicho hasta aquí, los valores prácticos de los coeficientes de adherencia, utilizados para determinar la "carga que puede arrancar" una locomotora dada se escalonan entre el 18% para locomotoras antiguas, de corriente continua, con motores suspendidos por "la nariz" y acoplados en serie-paralelo, hasta un 35% para loconiotoras monofásicas o las locomotoras alirneiitadas con corriente continua "t,roceadaV. Para la locomotora de gran potencia alemana S 252, el esfuerzo de tracción al arranque es, según dat,os del fabricante, de 300 kN = 30000 daN e 30 t = 90 . f . Luego "f' vale un 33%. Conviene señalar que antaño el problema era llegar a construir motores cuyo esfuerzo pudiera alcanzar el límite de adherencia. En la actualidad, en cambio, el problema es tratar de que los límites de adherencia disminuyan, para evitar colocar un peso en las locomotoras que ya resulta inútil.

3.5. La adherencia en el frenado En frenado, el par desacelerador aplicado al eje motor (por medio de zapatas, por discos o por frenado eléctrico) se traduce, en la llanta, en una fuerza, dirigida ahora en el sentido de la marcha que encuentra, lo mismo que antes, un "apoyo horizontal" sobre el rail, a condición de iio sobrepasar, ahora también, los límites de adherencia. Si se supera este límite, la rodadura se convierte en rozamiento, llegándose al bloqueo del eje. Tanto en tracción como en frenado el fenómeno físico de la adherencia es análogo. La diferencia principal estriba en que, en el frenado, la pérdida de adherencia se traduce en un aumento de la distancia de parada, con lo que se entra en una dinámica de seguridad. No nos podemos permitir trabajar con valores medios del coeficiente de adherencia, con la consecuencia de pasar a trabajar con una probabilidad no despreciable de riesgo. Otro problema, derivado, de la pérdida de adherencia es que, al bloquearse los ejes, se pueden formar planos en las ruedas (o me.jor dicho, en las llantas con las correspondientes consecuencias importantes sobre el confort , la fatiga de la vía y de las partes no suspendidas de la locomotora e incluso sobre la estabilidad por el hecho del deterioro muy rápido de las condiciones de rodadura. Esta última consideración se encuentra en el origen de las investigaciones realizadas para desarrollar métodos de frenado que no utilicen la reacción entre rueda y rail (frenado electromagnético, frenos lineales por corrientes de FOUCAULT, etc.


163

"

En la práctica, las fórmulas para determinar las distancias de frenado trabajan con valores, muy conservadores, que suponen tan solo coeficientes de adherencia del 10 al 12% (frente a los valores del 18 al 35 % dados para tracción).

4. Esfuerzos motores para una velocidad "V". Potencia necesaria Sabemos que la potencia mecánica viene dada por el producto de la fuerza por la velocidad ( P = F . V ). Veamos un ejemplo: Tomando, como siempre el AVE, hemos visto que la resistencia al avance específica era de 13,8 daN, e11 llano y línea recta, para una velocidad de 300 km/h. Si multiplicamos por la masa del AVE cargado, 421,5 t obtenemos que se precisa un esfuerzo en la llanta de 5816,'i daN = 58167 N y la potencia correspondiente será:

Si rueda con una pendiente de 12,5 mm., la resistencia específica pasa a valer 13,8 +12,5 = 26,3 daN y siempre a 300 k m h , la resistencia al avance, cargado, será:

y la potencia:

que rebasa ligeramente la pot,encia máxima de 8800 kW que puede dar a 25 kv y 50 Hz. Tomando el peso en vacío la potencia anterior de 9237 kW baja a 8604 kW . Algo parecido sucede si disminuimos la resistencia específica a 25,3 (pendiente de 11,5 mm) la potencia tractora en llanta que se precisa baja a 8887 kW. Hemos encontrado la forma de evaluar esta potencia en diferentes supuestos a partir de la fórmula (5.5) y de la expresión general de la potencia mecánica. Como dato curioso cabe citar que, siempre por (5.5), a 250 krníh la resistencia específica baja a 10 daNIt , lo que significa que la resistencia del aire es suficiente para mantener constante esta velocidad del tren cuando desciende una pendiente de 10 milésimas, sin necesidad de aplicar ningún tipo de frenado.

L A T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN L A ALTA V E L OC IDAD FERR O V I A RIA (A.v.F.)

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5. Esfuerzos en el arranque: "carga arrancable" En el arranque intervienen dos circunstancias especiales que provocan el aumento de los esfuerzos necesarios para vencer la resistencia de rodadura y las resistencias suplementarias, debidas a las curvas y a la gravedad: 1) Mientras dura el arranque, es decir, hasta que la velocidad no ha alcanzado su valor de equilibrio, resulta preciso añadir al esfuerzo resistente el esfuerzo correspondiente a la aceleración.

2) En el instante inicial del arranque, o sea, en el "despegue" del tren, los esfuerzos resistentes son mucho más iniportantes que los que nos darían las fórmulas vistas anteriormente para V = 0.

5.1. Esfuerzos de aceleración Sabemos que, para darle a una masa " M una aceleración "y", se precisa una fuerza "F": Jugando con las unidades se obtiene inmediatamente la fórmula práctica:

F (daN) = M (toneladas) . 7 ( cm 1 seg2)

(5.14)

Este resultado resulta cómodo pues se ve que, para obtener el esfuerzo total en el arranque bastará sumar a la resistencia específica del tren, en daN como venimos expresándola, sumarle, decimos, la aceleración deseada en crnJseg2 . y multiplicar la suma por la masa del tren en toneladas.

En realidad, la masa "M" del tren es igual a la masa del tren + la masa de la locomotora y si solo se tienen en cuenta las inercias de las masas giratorias de ésta última, por lo visto en el apartado 2.5., habrá que afectar a su masa de un coeficiente corrector " K , mayor que la unidad y que puede variar de 1,10 a 1,30 según el tipo de locomotora de que se trate. (para el material remolcado "K" suele oscilar entre 1,O2 y 1,09). Las aceleraciones a las que se suele llegar son:

2 a 5 cmlsegz

-

Para trenes de mercancías

-

Para trenes de viajeros ...................................................................................

8 a 10

-

Para automotores

50 a 100 "

...........................................................................

.......................................................................................

"

En los trenes de alta velocidad, las aceleraciones con que se trabaja son del mismo orden que las dadas más arriba para trenes de viajeros. En efec-

to la A.V.F. establece pocas paradas en sus trayectos y el tardar algo más para coger velocidad no tiene importancia y si la tiene, en cambio, el confort que supone una aceleración suave que el cuerpo casi no percibe. Recordamos la experiencia personal de la primera vez que viajamos en el TGV francés de Paris a Lyon: una de las primeras cosas que iriipresionan es el estar sentado, parado, y empezar a ver como desfilan los postes del tendido de la catenaria cada vez más deprisa y sin casi apercibirse de ello. Sabemos que, en los automóviles, una cifra a la que los amantes de la velocidad atribuyen una gran importancia es el tiempo que un vehículo, parado pero con el motor al "ralentí" tarda en ponerse a 100 km/h. El valor que suele diferenciar a los coches familiares de los "deportivos son los 10 segundos. Los de competición llegan a 3 segundos. Pero esto equivale a aceleraciones medias de 100/3,6 = y . 3 lo que nos da una aceleración próxima a la de la gravedad i i i y estas aceleraciones te incrustan contra el asiento (supongo, nunca he llevado un fórmula 1). De la ficha técnica del AVE tomamos el dato de aceleración, donde da, como valor máximo de ésta la que, en 56 segundos, pone el tren de O a 300 kmh y como valor normal el de 86 segundos para acelerarlo, también de O a 300 km/h. Cuando el AVE circula bajo catenaria de 25 kv., la potencia máxima es de 8800 kW a 300 km/h. Lo que supone una potencia específica superior a 22 kW/t (8800 / 421,5 = 22,88 kW/t). El e s f ~ ~ e r ztractor o máximo en el arranque es de 220 kN y de 104 kN a 300 kndh. Estas características permiten al tren cargado (peso = 421,5 t), arrancado en vía horizontal, alcanzar los 300 km/h en 16,5 km y niantener esta velocidad con una aceleración residual de 10 cm/s2 Sabemos que el tren es capaz de subir rampas de 12,5 milésimas a más de 250 km/h. Los datos anteriores merecen algún comentario. En primer lugar conviene advertir que el esfuerzo tractor máximo de 220 kN viene lirnitado por el coeficiente de adherencia. Veremos en 5.3. algún ejemplo numérico. Hemos visto, por la fórmula (5.5) que, a 300 krnlh la resistencia al avance del AVE era de 5800 daN y acabamos de dar el dato de que el esfuerzo tractor máximo, a la misma velocidad es de 104 kN = 10400 daN. Luego tenemos un excedente de 10400-5800 = 4600 daN , a los que corresponde una aceleración residual de: 4600 (daN) = 421,5 (t) . y (residual), de donde y = 4600/421,5 = 10,9 crnIs2 valor que coincide sensiblemente con el dato facilitado en la ficha técnica ( no se ha tenido en cuenta el coeficiente K debido a las masas giratorias : con K= 1 , l la aceleración residual encaja perfectamente con el dato técnico).

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LA TRACCIÓNEL~CTRICAE N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

Las dos unidades tractoras del AVE tienen un peso aproximado cada una de 70 toneladas. Con un coeficiente de adherencia de 0,2, tenemos una limitación en el esfuerzo tractor máximo, en el arranque de 140 . 0,2 = 28000 daN lo que permite, con un esfuerzo específico en el arranque de 25 daN /t (aceleración de 12,5 crnls" pendiente de 12,5 milésimas ), arrancar una masa de 1120 toneladas, muy superior al peso total cargado del AVE. Esto es consecuencia de la evolución hacia la adherencia total. En efecto, se dice que un ingenio motor tiene adherencia total cuando t,odos sus ejes son motores. Y el AVE tiene 8 ejes motores (unidades tractoras en cada extremo) y 16 ejes de las 8 unidades remolcadas. Otro ejemplo que puede resultar interesante es el de la locomotora S 252. Su potencia en servicio continuo es de 5600 kW desde 70 krnlh hasta la velocidad máxima de 220 krrdh. La figura 5.3. nos muestra el diagrama de marcha FN que facilita el fabricante. En ordenadas aparecen los esfuerzos en llanta en kN y en abscisas las velocidades. La zona que corresponde a posibles estados de marcha, aparece limitada por una curva que tiene una parte rectilínea que va desde una fuerza de tracción máxima de 300 kN en el arranque hasta una fuerza de tracción, en servicio continuo, de 290 kN a 70 km/h. El punto representativo a este estado de marcha corresponde a una potencia F* V = 290000 70/3,6 = 5600 kW que es la dada como de servicio continuo. A partir de este punto, se ha trazado la hipérbola correspondiente a una potencia constante de 5600 kW, que limita los posibles puntos de funcionamiento a los que estén situados a la izquierda de la misma. En la misma figura están representados cuatro condiciones de servicio, que son las que han servido para trabajar en la fase de proyecto: Trenes de viajeros de 500 toneladas, en trayectos rectos a 200 km/h y una aceleración residual de 5 cnds2.

Trenes de viajeros de 500 toneladas, en una pendiente ficticia de 15%0a 150 km/h. Trenes de viajeros de 800 t., en una pendiente ficticia de 20%0a 80 km/h. Trenes de mercancías de 750 t., en una pendiente ficticia de 20%0 a 80 km/h. De la figura se deduce que el esfuerzo tractor a la velocidad máxima de 220 km/h es de 90 kN y también se puede estimar que, para la primera condición de servicio (tren de 500 t., en llano), a 200 krnh se precisa un esfuerzo tractor de 70 kN y que, a esa velocidad, el esfuerzo máximo (punto correspondiente de la hipérbola es 100 kN). Luego disponemos todavía de 30 kN que nos pueden dar, para una masa de 500+90 = 590 t.,

-

una aceleración residual de 301590 = 0,051 m/sz 5 c r n l s ~ u puede e servirnos, por ejemplo, para superar a la misma velocidad una pendiente de

5%0. La figura 5.4 reproduce la información facilitada por el fabricante, relativa al diagrama de frenado dinámico FN . En esta locomotora, por el tipo de convertidores que monta, la conversión de energía entre catenaria y rueda trabaja en ambos sentidos. De este modo puede devolverse la eiiergía de frenado eléctrico a la red, si disponemos de convertidores que trabajen en los cuatro cuadrantes. Cuando funciona como freno de recuperación tiene una potencia de 5600 kW y de 3300 kW cuando lo hace con freno reostático. Ambas potencias se deducen de la figura y corresponden a las dos ramas de hipérbolas de potencia constante, la exterior, marcada "recuperación" y la interna con la indicación "reostático" (obsérvese que la rama de hipérbola marcada "recuperación" en la figura 5.4. es la misma que la de la figura 5.3.). Como se aprecia también en la figura, la fuerza rriáxima de frenado está limitada a 170 kN.

Hipérbola

,de potencia

- 7201 \( constante

O

200 v)
280

O

200 v(i~n#l) 280

Figura 5.3. y 5.4.

Debe t.enerse en cuenta que el freno del tren remolcado se hace por aire comprimido. La eliminación total del freno por vacío está prevista por RENFE para llevarla a cabo gradualmente. Por ello, en estas nuevas locomotoras, ya no es necesario instalar equipos neumáticos de freno dual, aptos para frenar trenes con aire comprimido o con vacío. E1 freno iieumático está cori.iugado con el freno eléctrico de la locomotora, con objeto de reducir al mínimo posible la aplicación de las zapatas de freno sobre las ruedas de aquella.

168


El freno eléctrico de la locomotora y el neumático actúan de manera combinada, utilizándose como freno de parada desde la velocidad máxima de 220 kmih, tanto en freno de servicio como en frenada de urgencia. Para una y otra acción el esfuerzo producido por el freno eléctrico de la locomotora varía en fiirición del grado de depresión de la tubería de freno automático (TFA) y est,e último se aplica superpuesto al eléctrico solo si el eléctrico no alcanza a cubrir la demanda solicitada por el conductor y en la medida necesaria para hacerlo. (En inglés esta forma de trabajo la designan por "blending" que puede traducirse por "casar", "mezclar" "combinar"). La actuación del freno combinado es capaz de detener la locorriotora en una distancia inferior a 1200 m, cuando circula aislada a 160 krrdh. El freno neumático de la S 252 se aplica en dos escalones. Entre 220 y 160 krnh actúa una fuerza de frenado de unos 45 kN sobre la llanta de la rueda y, entre 160 y 0 k m , aproximadamente de 90 klV. El accionamiento mecánico de los frenos en el bogie se realiza por medio de dos bloques de freno diametralmente opuestos en cada rueda. Para obtener un mejor coeficiente de fricción se emplean zapatas de material sinterizado. Uno de los bloques de cada rueda dispone de freno de estacioriamiento del tipo de muelle acumulador, con los que se puede mantener frenada la locoinot,ora en pendientes de hasta 45 milésimas. Los sist.emas de frenado de los trenes AVE están constituidos por un freno eléctrico de tipo reostático de gran potencia (6250 kW) que actúa sobre los bogies motores solamente. El esfuerzo máximo de este freno es de 160 kN y puede actuar incluso en el caso de ausencia de tensión en la catenaria. También dispone de dos discos dobles de freno en cada eje portador. Son discos de acero, de alta potencia, con guarniciones especiales de material sinterizado. El esfuerzo de aplicación se reduce por encima de los 215 k m h con objeto de limitar la energía disipada.

Y por último un bloque de freno por zapatas cuyo esfuerzo se reduce por encima de los 200 kmíh para reducir, lo mismo que antes, la energía disipada. Lo mismo que en la S 252 su actuación está conjugada automáticamente ("blending") con el freno eléctrico. Ya dijimos que la actuación conjugada de todos los dispositivos de freno provoca la parada del tren AVE, en caso de emergencia, en 3600 metros, cuando circula a 300 kmih en horizontal y en 1450 m a 200 km/h . En condiciones normales, la distancia de frenado sube 11000 metros, también desde 300 km/h. Asimismo dispone de un sistema de inmovilización, en estacionamiento, incluso con rampas de hasta 30 milésimas. Para cerrar este apart,ado, cabe añadir que el esfuerzo acelerador durante el arranque tiene un valor importante, en comparación con la resistencia específica en llano, tratada anteriormente.

LA TRACCIÓN

ELECTRICA


169

5.2. Esfuerzo en el momento inicial del arranque Al iniciarse el arranque, el tren presenta una resistencia al avance que es netamente mayor que cuando está moviéndose. Para el "despegue" se necesita un esfuerzo del orden de una decena de daN /t en lugar de 1 a 1,5 cuando ya está rodando. Si se quisiera cuantificar, para el conjunto del tren, en base a un esfuerzo específico de 10 daN/t y con una aceleración inicial de 5 cm/s< se precisarían esfuerzos de 15 dalV/t en llano y de (15+i') daN/t, en una rampa corregida de i' %o, lo que nos da un esfuerzo total del orden de 150 kN. En el pasado, esto se paliaba recurriendo al juego y elasticidad de los enganches. El tren arrancaba por "tiempos" ya que se tenía en cuenta su "deformabilidad": cuando la locomotora ya estaba rodando el último vagón de tercera todavía estaba parado y, de repente, tras una fuerte "convulsión" se ponía en movimieiito. Actualniente, esto ya no sucede salvo, tal vez en los largos trenes de mercancías cuyos enganches no están bien apretados. Evidentemente, en la A.V.F. esto ha quedado desterrado, al constituir el tren un conjunto prácticamente indeformable y el arranque se ha llevado a esa aceleración suave y sin "tirones" a que nos hemos referido con ocasión de nuestra priiiiera experiencia con el TGV francés de Paris a Lyon. Y ello ha sido posible gracias a la rnayor potencia de los motores de tracción, a una adherencia más repartida y, sobre todo, por la regulación electrónica de los accionamientos que consigue esa aceleración suave y gradual, evitando cualquier deslizai~iientode las ruedas y cualquier "tirón" inconfortable sobre los viajeros y perjudicial para la estructura del tren.

5.3. Ejemplos de cálculo de la "carga arrancable" Tomados del libro de Marcel Tessier sobre tracción eléctrica, damos a continuación dos ejemplos de carga de un tren que se puede arrancar, ante determinados supuestos. Creemos que estos ejemplos servirán para fijar el método a seguir y resumir lo expuesto anteriormente. 1 ejemplo: Arranque d e un tren d e viajeros.

Locomotora BB de corriente continua, de 80 t. Rampa de 8960 (8 daN/t). Resistencia específica al arrancar: 2 daN/t. Aceleración: 8 cmls2. Coeficiente de adherencia global: 0,2.


170

Cálculo: El esfuerzo máximo con que podemos contar en el arranque será 80 . 0,2 = 16 . 103daN El esfuerzo específico en el arranque valdrá: 2 (arranque)

+ 8 (aceleración) + 8 (pendiente)

= 18 daN1t

Luego la masa "arrancable" será:

M = 16000118 = 880 t Y la masa que puede arrancar la locomotora vale: 880 - 80 = 800 t

2" ejemplo : Arranque de un tren de mercancias Locomotora BB monofásica, de 84 t. Rampa 10%1o(10 daN1t). Curvas de 400 m de radio (8001 400 = 2) (Fórmula 5.6). Luego rampa corregida i' = 12%0. Resistencia específica de "despegue" = 1,5 daN/t. Aceleración: 2 crnJs2. Coeficiente de adherencia global: 0,35. Cálculo: El esfuerzo máximo en arranque: 84 . 0,35 = 29.4 . 103 daN El esfuerzo específico en el arranque valdrá: 1,5 (arranque)

+ 2 (aceleración) + 12 (perfil corregido) = 15,5 daN1t

y la masa "arrancable" será:

M = 29400 1 15,5 = 1896 t Con lo que la locomotora puede arrancar 1896 - 84 = 1800 t

6. Limitaciones debidas a la resistencia de los enganches Existen dos tipos principales de enganches: en Europa: el de 70 t y el reforzado de 85 t. En principio, los trenes de viajeros y los de mercancías ordinarios utilizan el primero, quedando el segundo para los vagones de mercancías especializados. Para recoger en una Tabla, los valores máximos de los esfuerzos específicos de arranque que pueden soportar el enganche de la locomotora, sin

riesgo de sobrepasar el límite elástico del material, se adopta un coeficiente de seguridad de 2,4. Con este margen, resulta un esfuerzo máximo en dicho enganche, el más desfavorable, de: 30 toneladas para el atalaje de 70 t Y de

36

"

'6

LL

<'

"

85 t

Dividiendo estos esfuerzos máximos por el perfil corregido se obt,ienen las cargas máximas que toleran los enganches, en diferentes supuestos de perfil, recogidas en la Tabla 5.1 que se da a continuación: Tabla 5.1.:Cargas límites prescritas por las instrucciones de la SNCF

Perfil corregido i' %o en daN/t 5 1O 15 20 30

Viqieros > 1600 t > 1600 t 1375 t 1080 t 745 t

Mercancías Enganche 70 t Enganche 85 t 3155 t 3790 t 1965 t 2360 t 1675 t 1395 t 1300 t 1080 t 895 t 745 t

Digamos por último que en USA se fijaron enganches con mayor resistencia, lo que les permitió componer trenes de mucha más longitud que los europeos. Así salió ese tren que se citaba como curiosidad en el Capítulo 1, que medía 6,4 km de longitud y que contaba con tres locomotoras diese1 que arrastraban 500 vagones de carbón.

7. Resumen del Capítulo V

En la Introducción se fijan los temas básicos que se van a desarrollar en el Capítulo: determinación de los esfuerzos resistentes y las limitaciones que se derivan de las condiciones de adherencia, la resistencia al avance, a la velocidad "V", para determinar la potencia que deben tener los motores de tracción, la determinación de las condiciories de arranque y estimación de la carga que una locomotora, en determinadas condiciones, puede arrancar y, por último, las limitaciones que provienen de la resistencia de los enganches entre vagones y del primer vagón cori la locomotora. Para este estudio se utiliza valores específicos que se miden en daN/t (deca-newtons por tonelada). El dalV equivale sensiblemente al kg de fuer-

172


EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F.)

za y cuando se quiere pasar a valores globales basta con multiplicar los específicos por las toneladas totales del tren. El trabajar con valores en daN/t tiene la ventaja adicional de que las pendientes en milésimas y las aceleraciones en crnIs2 se traducen inmediatamente en esfuerzos específicos, expresados en daN1t. Se han estudiado ejemplos de marcha y de frenado en el AVE y en la locomotora de alta potencia S 252, interpretando los diagramas FN facilitados por el fabricante. También se han presentado algunos ejemplos de cálculo de la "carga arraricable", en el caso de trenes clásicos de viajeros y de mercancías. Por último se han recogido datos sobre resistencia de los enganches normalizados en Europa y una Tabla de valores prescritos por la SNCF.


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CAP~TULOVI: GESTIÓN DEL TRÁFICO FERROVIARIO 1: LA S E N A L I Z A C I ~ NLOS , ENCLAVAMIENTOS, LAS COMUNICACIONES

1. Introducción Gestionar el tráfico de una línea de Alta Velocidad, representa tratar más de un millar de informaciones que llegan del sistema de señalización y reaccionar en menos de un segundo para el envío de órdenes automáticas de itinerario. Cuando se circula a 300 km/h la percepción del conductor, del estado de una seha1 luminosa de vía, puede resultar dudosa, sin que tenga la posibilidad de "volver atrás" para confirmarla. Se hace necesario disponer de informaciones complement,arias que le permitan conocer, bien directamente, o a través de la información que recibe de un punto central de control, de cual es la situación real de la señal que acaba de rebasar. Por otra parte, el puesto central debe tener conocimiento del lugar que ocupa un determinado tren para poder elaborar las órdenes de gestión del tráfico, adecuadas en cada instante. Otro problema que se plantea es que, a la vista del gran éxito obtenido por el transporte ferroviario de A.V. y considerando que este tipo de transporte es el más compat,ible con la conservación del medio ambiente, la Comisión Europea ha decidido eliminar las fronteras que, una explotación excesivamente tradicional y restringida a ámbitos nacionales, impone a esta modalidad del transporte. Hemos visto que no resulta difícil concebir una locomotora tetra-tensión capaz de moverse por todos los países miembros de la Comunidad. Pero, la interoperabiliclad ferroviaria, desde un punto de vista técnico, se centra en la unificación de los sistemas de señalización ferroviaria. El objetivo último de esta unificación es que un tren pueda circular a través de

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LA T R A C C ~ O NELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

varios países con un único sistema y sin cambiar de conductor. Las Directivas Europeas tienden a garantizar la interoperabilidad a lo largo de la red Trans- Europea. El nuevo sistema unificado de señalización europeo se denomina con las siglas ERTMS (European Rail Traffic Management System). Como su nombre indica se trata de un sistema de gestión del tráfico ferroviario. El núcleo del sistema ERTMS engloba diversa funciones de protección y control para la conducción asistida de trenes: ATPIATC, (Automatic Train Protection 1 Automatic Train Control). Este núcleo de control se reconoce como ETCS (European Trairi Control Systeni). La Asociación Europea para la Interoperabilidad Ferroviaria (AEIF) procede actualmeiite a la transferencia de las Especificaciones ERTMSIETCS a una riueva norma CENELEC. El Comité A21, como representante de todos los Estados-Miembro de la Comunidad está aprobando una serie de Directivas Europeas que deberán garantizar la interoperabilidad ferroviaria a lo largo de la red Trans-Europea. Los primeros borradores de esta normativa ya han sido entregados (Principio de 2001) a los miembros de este Comité. La industria de señalización europea, agrupada en UNISIG ha revisado la especificación del sistema ERTMS para acordar una realización de los primeros prototipos. Esta operación coiiierizó con una revisión detallada de los requerimientos funcionales del sistema, con objeto de seleccionar aquellas funciones consideradas como necesarias para garantizar dicha interoperabilidad. A partir de aquí, en una segunda fase, UNISIG redactó las especificaciones que debía cumplir el sistema, de manera que se asegurara una interpretación idéntica de las mismas, por parte de todos los fabricantes. El proceso emprendido por la industria europea de señalización se afianzó en el proyect,~EMSET estableciendo la realización de ensayos del sistema utilizando escenarios comiiiies de prueba. En estos ensayos se utilizaron equipos producidos por diferentes fabricantes. La demostración de la interoperabilidad técnica alcanzada en estas primeras realizaciones del sistema se ha realizado con herramientas comunes de referencia, primero en los laboratorios del CEDEX, en Madrid y, más tarde a escala real, en la línea Madrid Sevilla del AVE, en el t,rarno de 40 km, entre las estaciones de La Sagra y Mora. Las pruebas citadas han constituido el objetivo del citado proyecto EMSET y los ensayos a escala real han contado con la valiosa participación de RENFE para llevarlos a buen término. La situación de partida se refleja en los sistemas de protección automática de trenes (ATP), instalados en las redes ferroviarias de los diferentes países de la Comunidad Europea, reflejada eii la figura 6.1.

Podemos contar hasta quince sistemas instalados. Algunos de ellos, como el TVM francés y el alemán LZB, ofrecen unas prestaciones, seguridad y grado de sofisticación como las requeridas para las aplicaciones de A.V. y prácticamente alcanzan ya las que se solicitan del nuevo sistema ERTMS. A la vista de la figura, se aprecia que las nuevas tecnologías electrónicas se han incorporado en todos los países, pero también nos indica las fronteras que impone al desarrollo de la A.V., la diversidad de sistemas. Trenes internacionales que atraviesen varios países (Paris, Bruselas, Londres, Ámsterdam, Colonia) deben incorporar hasta cuatro sistemas diferentes de protección automática y cambiar de conductor en cada frontera.

Figura 6.1

Frente a esta situación, heredada de una etapa de desarrollos nacionales, la Comunjdad propone la creación de una red Trans-Europea para el transporte rerroviario, con características comunes, acordadas por todos los Estados-Miembro. Cada una de las administraciones de la Comunidad definiría posteriormente aquellas líneas de su red que desea incorporar a la red, siguiendo la directiva de interoperabilidad, tanto para el tráfico de pasajeros como para el de mercancías.

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Este nuevo planteamiento requiere la introducción de reformas profundas acompañadas también de un cambio de mentalidad. siguiendo el profundo y detallado Informe, preparado por el "ERTMS Users Group", con sede en Bruselas y del que es "Managing Director" el español Jaime Tamarit, los aspectos cruciales de este proceso, son los siguientes: -

Separación de la Gestión de la Infraestructura. A diferencia de lo que ocurre en otras modalidades del transporte, el operador gestionaba su propia infraestructura, incurriendo en inversiones que solamente son accesibles desde la Administración del Estado. El primer paso hacia una gestión privatizada y competitiva, de la modalidad de A.V.F. del transporte, pasa por la separación de las funciones del gestor de la infraestructura y del operador. Los nuevos gestores de la infraestructura deberán planificar las inversiones y el desarrollo y mantenimiento de las nuevas infraestructuras ferroviarias y, además, gestionar su explotación y cobrar los cánones de utilización de las mismas.

-

Privatizar a los operadores. La figura del operador ferroviario pasará a ser privada y desligada de la Adniinistración del Estado. Este operador deberá adquirir trenes compatibles con la infraestructura montada por el gestor y trabajar con otros operadores en un marco de abierta competencia.

-

-

Certificación y validación en el ámbito europeo. La base que asegura la separación de la gestión de la infraestructura y el operador reside en la aplicación de una normativa que asegure la compatibilidad de las instalaciones y sistemas a lo largo de la red TransEuropea. Esta compatibilidad quedará definida, desde un punto de vista t,écnico por las especificaciones de interoperabilidad (TSI= "Techi-iical Specifications for Interoperability") . Normalización de los componentes e incremento de la competitividad. La instalación de sistemas nacionales, desarrollados por las diferentes compañías de señalización, establece unas deperidencias fijas que quedan eliminadas al introducir componentes normalizados. Ya en la actualidad, la utilización de componentes ERTMS normalizados se está extendiendo a un ámbito paralelo, como es el transporte urbano (nietro y trenes de cercanías).

Digamos, para cerrar esta Introducción, que con objeto de emprender este proceso de liberalización del transporte ferroviario se constituyeron una serie de consorcios, cada uno con una misión definida. Los consorcios constituidos aparecen esquematizados en la figura 6.2. Por una parte tenemos:

*

LA T RA CC I O N ELECTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

177

-

Grupo de Usuarios ERTMS (a la izquierda de la figura), constituido por las administraciones ferroviarias de Alemania (DB), Francia (SCNF) e Italia (FS). Posteriormente se abrió para dar paso a las administraciones de España (RENFE), Holanda (NS) y Reino Unido (Railtrack). Sus objetivos son la definición de especificaciones y los ensayos de viabilidad y validación de las especificaciones técnicas, propuestas por el grupo de industriales europeos que trabajan en señalización.

-

EUROSIG (Representado a la derecha de la figura 6.2.-) formado como decimos por las industrias europeas de señalización. En principio lo forman las nueve siguientes: Adtranz, .ACEC, ALCATEL, GEC, ALSTOM, ANSALDO, CS Transport, INVENSYS, SASIB Y SIEMENS. Este Grupo ha sufrido algunos cambios, debidos al proceso de globalización.

- EMSET consorcio que agrupó a la Industria europea de señalización (ya agrupada en EUROSIG) más RENFE y el CEDEX, con el objetivo de llevar a cabo los ensayos básicos con los primeros prototipos de los diferentes constituyentes del sistema, de manera que se pudiera garantizar la interoperabilidad entre los primeros desarrollos de los diferentes fabricantes. Estas pruebas se realizaron primero en un Laboratorio de referencia con herramientas comunes y, posteriormente, en pruebas funcionales a escala real en la línea Madrid-Sevilla. El Laboratorio se instaló en las dependencias del CEDEX. Asimismo, se equiparon 40 km de línea entre las estaciones de La Sagra y Mora. E R T M S S p r ~b; l ~ i l r a sp i l i ~ l o

178

L A T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN L A ALTA VE L OC I DAD FE RR O VIARIA (A.v.F.)

Los grupos de trabajo enumerados y los trabajos llevados a término por los mismos tienen todos el mismo objetivo: configurar el sistema europeo de señalización, común a toda la red de A.V.F. que se vaya completando a través de todos los países de la Comunidad. Pero antes de seguir adentrándonos en los planteamientos muy ambiciosos y globalizadores, como acabamos de esbozar, parece razonable exponer los principios generales que debe cun~plirun sistema de señalización avanzado, como demanda la A.V. para gestionar la circulación, la velocidad y la distancia entre trenes y cuya exigencia de máxima seguridad pasa por la informática y los automatismos que resultan alcanzables gracias a las herramientas que nos ofrece la electrónica actual.

2. Principios generales del sistema de señalización 2.1. Principio básico del circuito de vía: la detección de los trenes El principio clásico de la señalización ferroviaria consiste en subdividir la vía en <>.A cada cantón se le asocia un circuito de vía que tiene por objeto detectar la presencia o no, de un tren sobre el mismo: si un tren está presente se dice que éste ocupa el cantón y el circuito de vía emite una información "lógica" de esta presencia que será tratada por el sistema de señalización. Este sistema avisará al tren que viene detrás, presentando un estado restrictivo, con el fin de que éste, en caso de un acercamiento peligroso, ponga en marcha una secuencia para aminorar su velocidad. La longitud de los circuitos de vía es variable según las características qixe se soliciten del sistema de señalización. Para las líneas TGV francesas la longitud de un cantón varía de 1500 a 2200 m. Para el túnel bajo el Canal de la Mancha es de 500 m. El circuito de vía está constituido por un emisor y un receptor. Normalmente, el emisor inyecta una seíial (llamada de sefialización) en los raíles, en una extremidad del cantón. Eii el otro extremo del mismo está situado el receptor que recibe la señal. En caso de presencia de tren en el cantón, su primer eje crea un cortocircuito y la señal no llega a alcanzar al receptor. Este último emite entonces un estado lógico de <>.Por el contrario, cuando el cantón no está ocupado, el rwc>ptor recibe la señal del emisor y genera un estado lógico de <> o de <>.

2.2. Transiiiisión de las inforinaciones Siguiendo con la descripción de los principios generales de un sist,ema

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F)

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de señalización avanzado y tomando como ejemplo el sistema TVM 430 (Transmisión Vía- Máquina), montado sobre las líneas TGV Norte y Túnel bajo el Canal de la Mancha, en éstos se utiliza el equipo del circuito que acabamos de describir como soport,e de transmisión continua de la informacióri que procede del suelo hacia el tren. Así, la corriente del circuito de vía, utilizada para la detección de presencia, se modula por una serial denominada de "señalización". Dicha modulación, muy elaborada contiene las informaciones que serán descodificadas por el equipo montado a bordo del tren. Cuando un tren está parado sobre un cantón (Ver figura 6.3.) se adviert e al tren que le sigue con varios cantones de antelación, con objeto de que disponga de tiempo y distancia suficiente para efectuar su parada (con el debido margen de seguridad). Por consiguiente las secuencias de disminución de velocidad o de eventual parada se extienden a varios cantones.

velocidad máxima

presencia de tren

Este sistema TVM 430 permite por tanto, suprimir la señalización lateral (de apreciación difícil a alta velocidad), al hacer llegar a bordo con seguridad las informaciones necesarias para la conducción del tren. Al conductor se le avisa en tiempo real sobre la velocidad máxima tolerada y ejecuta si ha lugar la maniobra de aminorar la marcha. Como apuntábamos, la ausencia de señalización lateral, permite que el sistema trabaje con velocidades más altas y con ello conseguir una mayor circulación de trenes. Por ejemplo, para el túnel bajo el Caiial de la Mancha, la cadencia de trenes, considerada en proyecto, era de 2 minutos, es decir, de hecho uri iritervalo de aproximadamente 80 segundos de intervalo t,éciiico, prescindiendo de los márgenes de explotación. Para los trenes del TGV Norte el intervalo comercial entre trenes es de 3 minutos, con

velocidades que pueden llegar hasta 320 kmh. Según un dato de 1998 los trenes de cercanías de Madrid circulan en las horas punta con un intervalo comercial de 4 minutos. Suponemos que a la hora de escribir este libro se haya conseguido disminuirlo, aunque ello suponga una tensión de trabajo muy alta en el personal que está de servicio si no se dispone de una señalización de altas prestaciones (a favor están las velocidades mucho más reducidas en este caso).

2.3. La ergonomía del sistema Sabemos que, según el DRAE, la ergonomía, que todo ingeniero ha de perseguir, consiste en procurar, en todo proyecto, la adaptación entre el hombre y la máquina que ha de utilizar. Pues bien, la ergonomía escogida en el caso del TGV se aprecia en la figura 6.4. y trata de indicar claramente al conductor las velocidades límite que ha de respetar, permitiéndole efectuar con toda seguridad la con-


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ducción de su tren. Cuando la información que se le presenta parpadea se está avisando al conductor que el cantón siguiente le dará una información de velocidad más reducida. Debe notarse que el parpadeo obedece a condiciones de seguridad. Además del control que efectúa el conductor, existe un control permanente de velocidad que supervisa de manera continua la velocidad del tren, comparándola con la velocidad máxima admisible en cada instante. En este control se tiene en cuenta, evidentemente, la velocidad con respecto al suelo y la posición real que ocupa el tren dentro del cantón que ocupa, siguiendo por tanto una curva parabólica de retardación, como la indicada eri la figura 6.3. Eri el caso en que el tren rebase esta curva, por ejemplo por no respetar el conductor las indicaciones de la señalización, el control de velocidad activa automáticarnente el frenado de la unidad.

2.4. La seguridad

El concepto de seguridad ferroviaria constituye un elemento esencial de los sistemas de señalización. Se trata de conseguir que la probabilidad de que se produzcan situaciones contrarias a la seguridad resulte extremadamente baja (inferior a 10-9por tren y por hora de funcionamiento). El razonamiento sub-yacente es que toda avería en una función de seguridad ha de terier como consecuencia presentar a los trenes, bien sea un estado "positivo" de la señalización, en que la disponibilidad es total o bien un estado restrictivo que conduce a una desaceleración del tren hasta la parada. IVo debe de poderse dar, a no ser con una probabilidad muy pequeña, que un fallo de una f~ii-iciónde seguridad provocara un estado más "liberatorio" (que permitiera actuar al conductor con más libertad). Con objeto de cumplir tales objet,ivos,resulta preciso aplicar técnicas y procedimientos de validación extremadamente elaborados. En particular, para las tecnologías informáticas, el sistema TVM 430 ha sido precursor de toda una metodología de validación en el seno de la SCNF y del constructor "CS- Transport".

2.5. Resumen El resumen de los puntos esenciales, expuestos en este punto 2 sobre los principios generales del sistema de señalización TVM 430 puede ser el siguiente:

182


-

El sistema se compone de equipamiento situado en el suelo y embarcado a bordo del tren. La sefialización lateral en la vía férrea no resulta ya necesaria. Se utilizan tecnologías de punta y responde a objetivos muy relevantes de seguridad.

-

Los equipos en el suelo aseguran la localización de los trenes. Ejecutan además, algoritmos sobre las distancias de seguridad, en función del tipo y de la velocidad del tren en circulación. Ellos funcionan y transmiten los datos elaborados a los equipos situados a bordo.

-

Los equipos embarcados presentan los datos necesarios para la conducción y controlan automáticamente los casos de sobre-velocidad. Un automatismo verifica que se ha respetado la señalización por el conductor e interviene sobre el equipo de frenado si la seguridad del tren parece estar comprometida.

3. La señalización en la línea de A.V. Madrid-Sevilla (AVE) 3.1. El sistema de señalización Se ha repetido ya, en varias ocasiones, que la línea de alta velocidad Madrid-Sevilla está diseñada para la circulación de trenes con tracción eléctrica a una velocidad máxima de 300 krnlh,así como de otros trenes de via.jeros y de mercancías, arrastrados por locomotoras con sistemas múltiples (servicio mixto). Toda la línea es de doble vía y está banalizada, es decir, se han dispuesto puestos intermedios en que los trenes pueden cambiar de vía. Debido a la gran distancia entre estaciones, estos puestos de banalización están instalados a intervalos de aproximadamente 25 km. En la figura 6.5 se aprecia uno de estos cambios de vía. Este sistema muy flexible requiere a cambio un sistema de señalización moderno, con sus correspondientes instalaciones de telecomunicación. Y así está dotada de un sistema de conducción automática de trenes (CAT), semejante al que hemos visto en el apartado 2. y que también sustituye a las señales luminosas, fijas en la línea. IVormalmente, el servicio de toda la línea se concentra y vigila desde la central de control de servicio, situada en Madrid-At,ocha, por lo que los puestos de explotación locales pueden trabajar sin personal. Además, el servicio está lo suficientemente autorrintizado como para descargar al personal de la central de control de las operaciones más rutinarias.

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V F.)

183

Figura 6.5.

La base del sistema está constituida por los enclavamientos electrónicos (ENCE) del sistema ESTW L90, con una instalación exterior que cornprende:

- Dispositivos de indicación de vía libre. - Accionamientos de agujas. -

Señales de maniobras.

Toda la línea está equipada con dispositivos de uidicación de vía libre y todas las agujas de las vías están equipadas con cartelones móviles que disponen de hasta once motores de aguja que permiten velocidades de paso de hasta 160 krnh, por vía desviada.


Dado que el CAT se hace cargo de las funciones de señalización, se prescinde de las señales principales fijas, instalándose solamente señales de maniobra ante las zonas de agujas (en estaciones y puestos de banalización) . El sistema de mando del sistema ENCE abarca los módulos de mando de elementos (MME) y los equipos de mando de agujas, señales de rnaniobra y circuitos de vía.. Estos equipos están concentrados en los edificios técnicos, en las estaciones y los puestos de banalización. Los sistemas electrónicos de circuitos de vía solo se emplazan en casetas de conexiones junto a la vía, cuando resulta insuficiente el alcance de estos (Máximo 6,5 km). La zona de influencia de una central ENCE abarca un campo mayor (máximo cuatro MME). Las ocho centrales ENCE, dispuestas a lo largo de toda la línea se encuentran en las estaciones de La Sagra, Urda, Ciudad Real, Puertollano, Brazatortas, Córdoba (2 centrales) y Majarabique. En cada caso constan de un módulo de seguridad (MS), un módulo de operación e indicación (MOI), un módulo de control de monit,ores (MCM) y los correspoiidientes dispositivos de mando. La función de bloqueo de la línea está integrada en el ENCE. Las instalaciones de señalización y telecomunicación en las estaciones y los puestos de banalización requieren suministro de energía eléctrica con alta disponobilidad o, lo que es lo mismo, de gran fiabilidad. Por este motivo cada uno de estos puestos está equipado con una doble fuente de alimentación (Ver esquema de la figura 6.6.). Fuente de alimentacion para señalización y telecamunicación (en estaciones y puestos de banalización )

FUENTE DE ALIMENTACION Red local -,,...,.-m d111(11101

770VI

1 I

Grupo electrógeno

1

de enieraericia

,

Figura 6.6.

60V-


185

Como se aprecia e11 el esquema la alimentación de los equipos de suministro de energía eléctrica se realiza normalmente desde la catenaria a través de transformadores sobre poste. En caso de fallo de la tensión de catenaria se conmuta autornáticamente a la red auxiliar. En los puestos de explotación en los que no se dispone de una red pública de alimentación eléctrica se utiliza un grupo electrógeno de emergencia como fuente de alimentación auxiliar.

3.2. Enclavamientos Los enclavamientos tienen por finalidad impedir las falsas maniobras y, básicamente, pueden ser mecánicos y electrónicos. Los enclavamientos locales carecen de personal. Se operan a distancia desde la Central de Control del servicio, aunque también pueden operarse localmente cuando, de forma provisional, resulte conveniente por razones del servicio. El núcleo de las instalaciones de señalización, situado en la Cent,ralde Control de Madrid-Atocha está formado por un sistema de varios ordenadores. El sistema de control del servicio abarca todas las funciones de indicación del número del tren, formación de itinerarios, el horario de toda la línea y el telemando de los enclavamientos. En el sistema de control del servicio están memorizados los itinerarios de todos los trenes. Con ayuda de los avisos que proporcionan los enclavamientos se realiza el seguimiento de los trenes, se muestra su emplazamiento con número de tren y estado del itinerario y se forman los itirierarios automáticamente según el horario. Los procesos rutinarios están en gran parte automatizados, de modo que los jefes de circulación, situados en Madrid-Atocha, pueden concentrarse totalmente en la supervisión de los trenes y en la gestión de las eventuales averías. La operación de las centrales CAT t,ambién se realiza, normalmente, desde la Central de Control del servicio. Ya que el CAT recibe todos los datos necesarios de los trenes y de los enclavamientos electrónicos, la operación se limita básicamente a introducir puntos provisionales de marcha lenta y a coniunicar las iricidencias o averías.

3.3. Conducción automática de trenes (CAT) o LZB El CAT se utiliza junto con el sistema de enclavamientos para la señalización en la cabina de conducción. Se basa en un intercambio de datos

186

LA TRACCldN ELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

continuo entre las centrales CAT fijas y los microprocesadores sit,iiados en las unidades tractoras. Como medio de transmisión se utiliza un cable tendido a lo largo de la vía: el "cable de vía" (Ver figura 6.5.) Los equipos interiores de las instalaciones CAT de vía están reunidos en las centrales CAT. Cada central CAT incluye un sistemas de tres ordenadores con los correspondientes dispositivos de entrada y salida de datos y los dispositivos de transmisión y operación. Los lugares de emplazamiento y las zonas de influencia de las centrales CAT coinciden con las centrales ENCE (enclavamientos electrónicos). La central CAT recibe del ENCE, entre otros datos, aspectos de las señales "ficticias" y posiciories de agujas a través de una interfase en serie y, a partir de ahí, determinan los telegramas de órdenes para los trenes, transmitiendo estos datos a través del cable de telecomunicacióii y señalización a los Equipos de Intercambio de Datos con los trenes (EID) instalados en la vía. Estos aparatos envían los telegramas de la central CAT a los cables de vía y retransmiten a la central los telegramas de respuesta recibidos de los trenes. Todos los trenes que circulan por la línea de A.V. van provistos de equipos CAT de vehículo, tipo LZB 80. La unidad lógica central de estos equipos consta de un sistema de ordenadores, con equipos de entrada y salida, dispositivos de transmisión y fuente de alimentación. A través de las antenas de ferrita se reciben las instrucciones de la central CAT y comunican continuamente a ésta su posición, la velocidad real y otros datos actuales. Los equipos CAT de vehículo van instalados en cada locor-tiotorade los trenes normales y en cada unidad tractora de los trenes de A.V. (AVE). La señalización del CAT en la cabina de conducción sustlit,uyea la señalización fija por lo qiie el maquinista no tiene que considerar las señales fijas (marcha a "vista eléctrica"). Las secciones de bloqueo están marcadas en la línea por cartelones fijos y las señales de maniobra ante las zonas de agujas sirven solo para recorridos sin señalización CAT en la cabina de conducción (por ejemplo, trayectos de maniobras, trenes taller). Normalmente el tren marcha con total automatismo, sin necesidad de operación manual del maquinista. El CAT vigila continuamente la velocidad máxima admisible del tren en cada tramo y los procesos de frenado. Los equipos CAT del vehículo transmiten condicionaiites teóricos al marido automático de rnarcha y frenado (MAMF) de las unidades tractoras y emiten órdenes individuales a los dispositivos especiales del vehículo. Toda la línea Madrid-Sevilla est,á subdividida en zonas que se denominan "cantones CAT", los cuales están constituidos a su vez por uno o varios circuitos de vía. El coriiienzo y el final de estas zonas está marcado por un cartelón de bloqueo (PB). Las señales dispuestas en las entradas de la


187

estación, vías de apartadero y escapes de vía se anuncian con cartelones especiales (PA) que se encuentran situados unos 700 metros antes. La secuencia de trenes queda limitada por la longitud de los cantones CAT. La velocidad admisible se obtiene en función de los cantones CAT libres y se indica a través de la señalización en la cabina de conducción. La salida de los trenes puede efectuarse cuando queda libre el primer cantón CAT y, en consecuencia, la señalización CAT en la cabina de conducción permite la marcha. El servicio de maniobra se realiza según el sistema normal de señalización (sin CAT) y solo es posible efectuarlo en las vías que no estén afeetadas por otros itinerarios ni por un bloqueo.

3.4. Enclavamientos electrónicos La configuración típica de un estación, así como de uno de los puestos para cambio de vía, situados a distancias de unos 25 km, se exponen con los ejemplos de La Sagra (Ver figura 6.7.) y del puesto de banalización de Parla (Ver figura 6.8.). La figura 6.9. nos muestra la disposición típica entre dos estaciones, con los escapes de vía y la función de bloqueo de línea, integrada en el enclavamiento electrónico.

0 = Pantalla de preavanzada antes de la e s t a c a n = Pantalla de bloqueo 50mc

* <1OOm

Como se puede ver están omitidas todas las señales principales fijas. Tan solo las estaciones y los escapes están equipados con seriales de maniobra. Los límites de los cantones CAT se identifican con certelones de bloqueo.


188

1 0

0.7km

/*/

M m r *slWm


L*!

0.7km

4

= Panlalla de preavanzadaantes de la estaci

0 = Pantalla de bloqueo

Figura 6.8

E3 = Pantalla de preavanzadaantes de la estacidn 12= Pantalla de bloqueo

Figura 6.9.

La ventaja del enclavamiento electrónico es que, entre otras cosas, permite controlar el nivel de mando de forma descentralizada, lo cual se aprovecha de modo completo. Los módulos de mando se emplazan en edificios técnicos al lado de la estación o en casetas de conexión, junto a los circuitos de vía y se conectan a su correspondiente central ESTW (ENCE), a través de interfases serie. Las centrales, a su vez, se comunican entre sí, también por conexiones serie establecidas entre los módulos de mando. También forma parte del equipamiento de los enclavamientos la conexión en serie con la Central de Conducción Automática de Trenes y con la Central de Madrid-Atocha, desde donde se dirigen todos los ENCE. Además, en cada central de enclavamiento también se encuentra un puesto de mando local. El puesto de mando local dispone de monitores en color que, además del gráfico de vías reflejan el esquema de indicaciones ac:tualizado y seguro, así como los números de tren. El nivel de seguridad constituye el corazón propiamente dicho del equipo pues en él se realizan las funciones cen-


189

trales del enclavamiento tales como comprobación, establecimiento, supervisión y anulación de itinerarios, así como el tratamiento de órdenes individuales. En los enclavamientos cie una línea de A.V., el módulo de seguridad ha de ser capaz de comprobar los requisitos de enclavamiento del nivel de entrada y salida, en función de la situación actual de los elementos internos y externos, así como del contexto del itinerario. También se procesan en el módulo de seguridad los datos necesarios para la conducción automática de trenes que se transmiten directamente a la central CAT a través de un módulo de acoplamiento. Este módulo convierte el flujo de datos existentes en el ENCE en un flujo de datos cíclico necesario para el CAT y lo adapta en cuanto a sincronización y velocidad de transmisión a las necesidades del CAT. De esta forma, en cuanto a la señalización, el CAT es independiente de los posibles estados de avería de las instalaciones exteriores de señalización. La seguridad del sistema se consigue por medio de amplias comprobaciones de las funciones de "software". La seguridad del módulo básico se consigue gracias a un procesamiento múltiple paralelo con comparación subsiguiente por "software".

3.5. Sistema de detección de ocupación de vía FTG Una de las partes más importantes del enclavamiento es la detección de ocupación de vía. El sistema FTG cla a conocer, con precisión y seguridad si los vehículos ocupan cantones de agujas, o si estos están libres. El sist,ema de transmisión consiste eii un generador estabilizado de audiofrecuencia ubicado en el edificio técnico correspondiente y cuya frecuencia modulada es enviada por cable a la instalación exterior de caja de sintonía (transmisor) y lazo correspondiente. La caja de sintonía y el lazo de unión forman un circuito resonante paralelo. La corriente es transmitida al lazo de unión ubicado al otro extremo del circuito de vía, por medio de los carriles que funcionan como conductores. A través de la caja de sintonía (receptor) la señal es enviada al equipo de FTG en el Edificio Técnico, para el tratamiento de esta información. Cuando un vehículo entra en un trayecto, un cortocircuito del eje baja la tensión de vía, por lo que el receptor FTG no recibe señal indicando la ocupación del cantón.

190


3.6. Resumen Por la explicación sucinta que acabamos de dar, de la señalización adoptada para el AVE, vemos que los criterios seguidos responden a conseguir una seguridad máxima en la señalización, acudiendo a la informática y a los automatismos (enclavamientos), ajustándose perfectamente a los principios generales expuestos en apartado 2 de este mismo Capítulo g tomando como base el circuito de vía, para detectar la presencia de un tren en determinado cantón. La descripción expuesta en este apartado 3 ha podido resultar de lectura un tanto farragosa y difícil de asimilar por la extendida costumbre de designar los diferentes módulos por siglas que resultan muy numerosas. Sin embargo, podemos afirmar que en cuanto se utilizan algún tiempo y se tienen en memoria, sin necesidad de "traducirlas" eii cada paso del aiiálisis, la comprensión resulta muy fácil, precisamente porque el sistema resulta muy modular y repetitivo. Por ello aquí, en la lectura del apartado que ahora terminamos, lo importante es darse cuenta del modo de funcionamiento, de las prioridades de seguridad que se han cuidado al máximo y de cómo en A.V. se tiende a la co~iducciónautomática de los trenes y a dar el máximo apoyo al conductor desde tierra y a través de la información que se le facilita continuanierite. Vamos a referirnos en el próximo apartado, al sistema de t,elecomunicaciones Tren-Tierra, por con~unicacióntelefónica (cable) o radiotelefonía.

4. El sistema de telecomunicaciones en e l AVE

4.1. Generalidades El servicio ferroviario de la línea de A.V. Madrid-Sevilla, con cinco estaciones de viajeros, quince puestos de adelantamiento y estacionamiento y ocho puestos de banalización se telemanda y vigila desde Madrid-Atocha. Aunque las estaciones y los puestos de adelantamiento y estacionamiento están equipados con salas de operaciones para la maniobra descentralizada de las instalaciones locales, éstas solo se utilizan eii casos excepcionales: lo normal es que el control del servicio se realice de forma centralizada desde el puesto de control de Madrid-Atocha. Para llevar a cabo este concepto de explotación se precisa un sistema de comunicaciones integrado de alta capacidad con la máxima fiabilidad.


191

Para conseguir esta fiabilidad los cables conductores de fibra óptica y los sistemas de transmisión se han instalado por duplicado. El sistema de telecomunicación de la línea de A.V. Madrid-Sevilla está constituido por dos sub-sistemas: los equipos de transrnisión,comunicaciones y telemando por un lado y los equipos de vigilancia e información por otro. Los equipos de transmisión, comunicaciones y telemando constan de los siguientes elementos: -

-

-

Cable de comunicaciones. Sistema de transmisión. Sistema de transmisión telefónica y de datos. Equipos telefónicos. Sistema de radiotelefonía tren-tierra. Sistema de telemando.

Los equipos de vigilancia e información se componen de: -

-

-

Equipos detectores de cajas calientes. Eyi~iposde vigilancia para bocas de túneles y pasos elevados. Equipos de alarma contra incendios. Equipos de alarma contra robos. Vigilancia por televisión. Equipos cronométricos. Equipos de megafonía. Indicadores de destino del tren.

4.2. Cables de comunicaciones

A lo largo de toda la línea se han tendido cables de fibra óptica para la teletransmisión de conversaciones, imágenes y datos y un cable de cobre para las comunicaciones locales. Para aumentar la fiabilidad, el cable de fibra óptica es doble y está tendido a izquierda y derecha de la línea, en canaletas de hormigón junto a las vías del ferrocarril, enlazado con todas las estaciones y puestos técnicos. Se han utilizado cables de fibra óptica (Ver figura 6.lO.parte a)) de cristal de cuarzo de alta pureza que, gracias a su estructura pueden transmitir ondas Iilminosas con escasa atenuación. Las propiedades esenciales de estos cables son: pérdidas de transmisión muy pequeñas, ausencia de problemas de diafonía (mezcla de canales), ausencia de pérdida por irradiación a lo largo del cable, insensibilidad a campos de interferencia exteriores, separación eléctrica de potencial y poco peso. Se utilizan cables con fibras monomodales, es decir, conductores de fibra óptica sin reflexión.

192

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA íA.V.F.1

.

-/

..

-

.

..

Cubierta exterior de PE Fibras de alastlca resis~en~es'tracc~dn

-

Envolhmi exterior de protecc16n

Relleno

,

Armadura ae acem Fibra ó p t b Elemento central Unidad tubular Elemento de supiementc

\

Cusdrete en estrella 0.9 mm . Cuadrete en estrella 1.4 mm Anollamtento de alma

.

Cubierta de aluminio

L ~nudtun interior

Armadura( corrugado

,

de proteccion

a) De libra Óplica

b) De cobre

..

Figura 6.10.

Dado que los cables de fibra óptica solo tienen conexión con las estaciones, para los diferentes sevicios a lo largo del recorrido de la línea, se tiende un cable de cobre (Ver iigura 6.10. parte b)), destinado a las telecomunicaciones de línea. Este cable enlaza con la estación o el puesto lécnico más proxirno los siguienles servicios: - Teléfonos de línea.

- Puestos telefónicos de línea de la radiotelefonía tren-tierra. - Equipos detectores de cajas calientes. - Vigilancia de túneles y pasos elevados. - Subestaciones de telemando en las subestaciones de tracción. - Teléfonos en las subestaciones y en las casetas de conexiones de la señalización.

El cable de telecomunicaciones de línea también contiene conductores de datos para los enclavamientos electrónicos. Por razones de fiabilidad, el cable para comunicaciones de línea correspondiente a las telecomunicaciones y el cable de telecomunicaciones correspondiente a la señalización se tienden separadamente en las canaletas para cables, situadas a ambos lados de la vía.

4.3. Sistema de transmisión Los cables de fibra óptica se conectan en cada estación a un distribuidor para cables que constituye la interfase entre el cable y el equipo de



193

transmisión. Para la transmisión de informaciones a través de los cables de fibra óptica se utiliza el procedimiento digital de modulación de impulsos codificados. El sistema de transmisión pone a disposición de los subsistemas los correspondientes canales de transmisión. Por razones de fiabilidad, el sistema de transmisión posee una estructura redundante, de modo que las vías de transmisión de ambos sistemas existen con absoluta irideperidencia entre si, gracias a los trazados diferentes, de los cables de fibra óptica. Esta redundancia existe también en las fuentes de alimentación, separadas con fusibles independientes para los sistemas de transmisión. Disponen de interfases directas con el equipo de transmisión, los siguientes sub-sistemas: -

-

-

Enclavamientos electrónicos y conduccióri automática de trenes (CAT), en la técnica de seguridad. Nudos del sistema de transmisión digital HICOM, para la comunicación telefónica. Nudos para la red digital de transmisión de paquetes de datos EWSP para la transmisión de datos.

-

Transmisión telefónica para los equipos de radiotelefonía tren-tierra.

-

Música de fondo para el equipo de megafonía.

-

Señales de video y conexión secuencia1 de imagen para los equipos de vigilancia por televisión.

El sistema de transmisión proporciona también el ciclo de sincroriismo para los equipos de comunicaciones HICOM. Este ciclo se obtiene a partir de un elemento normalizado de rubidio, instalado en la central de control del servicio, en Madrid-Atocha. Su coiistancia la recogen los llamados dispositivos de frecuencia normal, previstos a lo largo de toda la línea MadridSevilla, a determinados intervalos para la alimentación de ciclos sin fluctuaciones.

4.4. Sistemas de comunicación telefónica y de datos Para poder cumplir los múltiples requisitos que se plantean, se utilizan exclusivamente sistemas de comunicación digitales. Por razones de seguridad se han instalado dos sistemas independientes entre si para las conversaciones y los datos. Estos sistemas se establecen en cada estación y eri cada puesto técnico y se enlazan a través de los sistemas de transmisión digitales.

Para las comunicaciones telefónicas se empleó el sistema de comunicaciones digitales HICOM CS, que se subdivide en dos bloques funcionales esenciales: -

unidad de conmutación secuencial.

-

servidores integrados.

La función principal de la unidad de conmutación secuencia1 es el establecimiento y la interrupción de enlaces individuales ó múltiples. Los servidores integrados son ampliaciones del ordenador de comunicaciories con la misma base de "Iiardware" y de "software" para los servicios de información y las características de memorización de las comunicaciones. Para la transmisión de datos se utilizó el sistema de transmisión por pacliietes de datos EWS P. Estos dispositivos se encuentran instalados tanto en el puesto central de control de Madrid-Atocha como también en todas las estaciones y puestos técnicos. La conexión a los terminales de datos se lleva a cabo por una interfase, denominada X.25.

A los equipos EWS P van conectados los siguientes subsistemas: -

El ordenador de control del servicio para el sistema de sefialización.

-

La transmisión de datos para el sistema de radiotelefonía tren-tierra.

-

Los equipos detectores de cajas calientes.

-

Los equipos de indicadores de destino de tren.

4.5. Equipos telefónicos Los puestos de trabajo de los tres jefes de circulación y del jefe de telemando para las fuentes de alimentación, en el puesto central de control de Madrid-Atocha, disponen cada uno de un teléfono universal que permite la llarnada directa. Debido a la alta responsabilidad de estos puestos, por seguridad, todas las conversaciories se registran en cinta magnética. En general, las estaciones carecen de personal. Sin embargo, está previsto el poder realizar una explotación descentralizada. Para ello, en la sala del jefe de circulación hay un teléfono de corriiinicaciones igual que el de los puestos de trabajo de la central de Madrid-Atocha. Asimismo, en plena vía, cerca de las señales de bloqueo y en los emplazamientos de las señales de mariiobra, existaencajetines telefónicos con batería local cada 1,5 km, a ambos lados de la vía.


195

4.6. Sistema de radiotelefonía tren-tierra Entre la unidad de tracción ó locomotora y la línea, las conversaciones se transmiten según normas UIC. En los puestos de radio de la línea, estas señales se convierten al formato PCM, es decir a formato digital. A su vez, las informaciones digitales como pueden ser los telegramas para la estructura de enlace o los telegramas para la transmisión de datos se convierten en los puestos de radio de la vía(PTRV) al formato necesario para la transmisión radiada. Los PTRV están unidos a los dispositivos de las estaciones a través del cable para telecomunicaciones de la línea. Cada puesto de radio está unido a los dispositivos de las dos estaciones colaterales, como puede verse en la figura 6.11., de modo que, en caso de producirse una interrupción en el cable para telecomunicaciones de línea se sigue disponiendo siempre de una vía alternativa.

ll ------7

r----------

!1

7

Estación

--

m -

--

-- -

Estac&

-... . .. . - - Sector 1

1 Sector 2

Figura 6.11

Las instalaciones de estación constituyen la interfase con la red general de telecomunicaciones por cable, estando unidas al puesto central de control de Madrid-Atocha, a través del sistema digital de control y del cable de fibra óptica. Desde la sala de operaciones de cada estación también se puede acceder al sistema de radiotelefonía tren-tierra, por lo que resulta posible descentralizar el servicio y operar localmente los enclavamientos.


196

Desde el punto de vista organizativo, toda la lííea está dividida en tres secciones que a su vez se segmentan en secciones de estación. Las estaciones de una sección constituyen una cadena para la transmisión t,elefónica ya que, al igual que los puestos radiotelefónicos de línea tiene la función de conmutar la mejor señal con la central, a través de enlaces digitales fijos. En el puesto central de control en Madrid-Atocha, los tres jefes de circulación tieiien acceso, con igual prioridad, al sistema de radiotelefonía tren-tierra. Sin embargo, es posible distribuir los tres puestos de trabajo para operar individualmente en cada sección. Los trenes que circulan en la línea de A:V. Madrid-Sevilla van equipados con dispositivos móviles de radiotelefonía tren-tierra. Vemos por tanto que todo el sistema radio ofrece una alta disponibilidad, además de dar una alta calidad de comunicación.

4.7. Sistema de telemando El control y la vigilancia de los diferentes dispositivos técnicos en los puestos de explotación, tales como estaciones, puestos técriicos y subestaciones, así como a lo largo de la línea, se realizan por medio de un sistenia integrado de telemando, centralizado en el puesto de control de Madrid-Atocha. El sistema de telemando está previsto para las siguientrestareas: -

-

Control y vigilancia de los equipos de conmutación en las subestaciones. Transmisión de los valores de medición desde las subestaciones. Control y vigilancia de los seccionadores de poste en la red de catenaria.

-

Transmisión de avisos procedentes de los equipos de alarma contra incendio y contra robo, transmisión de avisos del sistema de vigilancia en bocas de túnel y pasos elevados.

-

Control y vigilancia de los calefactores de agua, transmisióri de avisos de fallo del sistema digital de transiiiisión.

-

Transmisión de avisos procedentes de los dispositivos de alimentación de corrier1t.ey de los sistemas de climatización en las estaciones y puestos técnicos.


197

En el puesto central de control, la red de datos traslada las informaciones a los equipos de doble ordenador del sistema de telemando a través de acoplamientos de telemando. En estos equipos de ordenadores se disponen tres puestos de trabajo con las siguientes tareas: -

-

-

Puesto de jefe de conexiones para los equipos de alimentación de corriente. Puesto de ayudante de jefe de circulación para los dispositivos de vigilancia. Puesto para la gestión de datos o puesto de trabajo de reserva.

Desde estos puestos de trabajo se pueden vigilar y controlar de forma centralizada los dispositivos técnicos mencionados en toda la línea MadridSevilla. Todas las incidencias del servicio se imprimen en irnpresoras en forma de protocolo abierto.

4.8. Equipos detectores de cajas calient,es Al aumentar la velocidad en la línea crece también el peligro de que se produzcan accidentes en los vehículos por desperfectos en los rodamientos. Como la línea Madrid-Sevilla ha sido concebida para velocidades de hasta 300 km/h , este tipo de daiios se debe conocer de forma precoz. Y dado que cuando existen dichos desperfectos en los rodamientos se produce una mayor fricción, resulta posible detectarlos midiendo la temperatura de los mismos. La auscultación de este dato "in situ" solo se puede conseguir en las unidades de nueva construcción. Para la mayoría de los trenes, sobre todo para los de mercancías, solamente resulta posible aplicar u11 dispositivo de vigilancia local que pueda medir las temperaturas de los rodamientos de los trenes al pasar, sin tocarlos. El viejo sistema de comprobación por el "oído" dando un ligero mart,illazoa la caja de grasa no resulta ya válido por el aumento de la velocidad, para evitar en lo posible el fallo humano y por el descenso de paradas de los trenes A.V. Los equipos fijos detectores de cajas calientes se deben instalar a distancias de aproximadamente 40 km. Por ello, a lo largo de la línea se han previsto 12 puntos de iiiedición. En cada uno de esos puntos, a travéis de detectores de infrarrojos se miden las temperaturas de todos los rodamientos de los trenes que pasan, para reconocer daños en los mismos, así como las temperaturas en los discos de freno o en los discos de rueda para detectar los frenos bloqueados. Dado que estas meciiciones dependen de

198


muchos imponderables, como por ejemplo el grado de suciedad de los dispositivos de medición, la radiación solar, la temperatura ambiental, etc. las falsas alarmas se eliminan en gran medida por medio de pruebas de plausibilidad en la electrónica de evaluación. En el puesto central de control se encuentra la unidad central de aviso y control en la que se registran todos los valores de medición, en los doce puntos de medida. En el PC de la unidad central de aviso y control se comprueba que estos valores de medición no superan los valores máximos, se comparan los resultados de los diferentes puntos de medida entre si y se realizan análisis de tendencias. Con esto se consigue reconocer los rodarnientos o los frenos defectuosos eri un estado precoz, todavía inofensivo.

4.8.1. Instalación para la evaluación automática de las bandas de rodadura de las ruedas, en trenes de A.V A raíz del grave accidente ocurrido a un tren ICE alemán, al desprenderse la banda de rodadura de una de sus ruedas, con la mala suerte de que el vagón afectado se cruzó en la vía, en el preciso niomento en que el tren se adentraba en un paso elevado de otra vía, ante este grave accidente, decimos, la empresa PATENTES TALGO, S.A., con la colaboración del INSTITUTO DE AUTOMÁTICAdel CSIC., han desarrollado una patente para "Instalación para la evaluación automática del estado de las bandas de rodadura de las ruedas, de los trenes que circulan a A.V.". El sistema, que trabaja de acuerdo con el principio de "vigilancia de condición", es de decir, de comprobar que el elemento o instalación sigue siendo plenamente operativa, comprende, de acuerdo con el esquema de la figura 6.12., tomada de la publicacióri de la patente citada: -

Sobre los raíles (1) se colocan las sondas P l , P2, P3 y P4 que tienen por finalidad entrar en contacto con las ruedas que circulan sobre ellas, estando alojada en fundas aptas para asegurar un buen contacto entre la rueda y la sonda. El equipo ultrasónico (12) genera ultrasonidos que transmite pulsos ultrasónicos a través de las ruedas y genera los correspondientes gráficos. Un procesador local (13) controla el equipo de ultrasonidos y recibe las señales gráficas que se han generado al paso de las ruedas. Un ordenador (14), conectado al procesador local, para gestionar el equipo electrónico y una antena (15), conectada al ordenador compara las señales obtenidas con las medidas directanieiite en los trenes. El desarrollo resulta útil para detectar las grietas en las bandas de rodadura de las ruedas de los vehículos ferroviarios, según se afirma en la Patente.

L A T R A C C I ~ NE L ~ C T R I C AEN L A ALTA VE L OC ID A D F ERR O VIARIA (A.v.F.)

199

Figura 6.12

4.9. Dispositivos de vigilancia ante bocas de túnel y pasos elevados Las entradas de los tíineles y los pasos elevados de carreteras se protegen contra la caída de objetos con mallas metálicas. Un dispositivo de vigilancia reconoce cuando se produce un desperfecto en este t,ipo de red y dispara una alarma. Este dispositivo de vigilancia trabaja según el principio de corriente de reposo, es decir, al romperse un cable de la red se dispara un relé y así comunica un caso de peligro. El punto de medición transmite este aviso con ayuda de un sistema multiplexor de audiofrecuencia, con dos audiofrecuericias distintas a través del cable para telecomunicaciones de línea hasta la estación o el puesto técnico más cercano. Allí una unidad electrónica de evaluación que trabaja de forma ambivalente capta el aviso a través de la red integrada de telecomunicaciones hasta el puesto central de control en Madrid-Atocha, donde se presenta en un monitor, situado en el puesto de trabajo del ayudante del jefe de circulación.

4.10. Equipos de alarma contra incendio y contra robo Todas las estaciones, puestos técnicos y subestaciones van equipadas con sistemas de alarma contra incendios y contra robo. Los avisos se reciben en centrales locales de vigilancia y se transmiten a.1puesto central de control en Madrid-Atocha a través del sistema de telemando y de la red integrada de telecomuiiicaciones. Allí se presentan en un monitor situado en el puesto de trabajo del ayudante del jefe de circulación. El sistema de alarma contra incendios trabaja según el principio de impulsos de alarma. Cada (lispositivo de alarma emite a intervalos de tiempo definidos un aviso de situación que se memoriza en la subceritral. Así se reconocen a tiempo no solo las alarmas sino también las perturbaciones,

los ensuciamientos, etc. y se comunican al puesto central de control junto con el número correspondiente del dispositivo de alarma. Además los avisos de alarma mismos se señalizan óptica y acústicamente en el edificio. Una alarma también se puede disparar a mano por medio de pulsadores instalados dentro y fuera del edificio. Ya que las estaciones, los puestos técnicos y las subestaciones no están contiriuamente ocupados con personal, los edificios están equipados con instalaciones de alarma contra robo. Estas instalaciones sirven fundamentalmente para descubrir la entrada de personas no autorizadas. Todas las puertas de acceso se vigilan por niedio de contactos con electroimán y pestillo. Las salas importantes, como por ejemplo las salas de operaciones y de sistemas, así como los pasillos, se protegen con alarmas volumétricas por rayos infrarrojos. Adernás, la sala de operaciones se equipa con una alarma contra asalto por pulsador que puede accionarse cuando el puesto de operaciones está ocupado. Las puertaasaseguradas pueden ser abiertas por personas autorizadas que se identifiquen por medio de tarjetas magnéticas. Las alarmas, disparadas por personas no autorizadas, se detectan en las subestaciones y, a través del sistema de telemando, se transmiten al puesto central de control en Madrid-Atocha. Allí se señalizan en el puesto de trabajo del ayudante del jefe de operación.

4.11. Vigilancia por televisión Por razones de seguridad todas las estaciones y puestos técnicos se vigilan con ayuda de equipos de vigilancia por televisión. Las imágenes de las cámaras de televisión en color CCD se transmiten al puesto central de control en Madrid-Atocha, a través del codificador de televisión, el sistema digital de transmisión, los cables de fibra óptica y el decodificador de televisión. La distribución de la imagen en las estaciones, los puestos técnicos y el puesto central de control se realiza con coordenadas de video, controladas por mici~oprocesador.Para la transmisión se utilizan iin total de 3 canales de video, dos de est,os canales transcurren por un cable de fibra óptica y el tercer canal a través del otro cable de fibra óptica. Las imágenes de televisión se presentan en el puesto central de control en tres monitores situados en el puesto de trabajo del ayudante del jefe de circulación. La identificación de las señales de cámara se realiza mediante el fundido de letras y cifras. La fecha y la hora se sincronizan en el emisor de señal horaria DCF77. Un sisteiiia automático programable, de fiincioriamiento individual o en grupo seciiencial, permite la observación cíclica de las imágenes de las cámaras a intervalos de tiempo graduables.

Además de la presentación de las imágenes de las cámaras en el puesto central de control, las imágenes de las cámaras de una estación también se pueden presentar en un monitor en la sala de operaciones de esa estación. Allí, las imágenes de las cámaras se pueden conmutar cíclicamente, o el personal las puede consultar de forma selectiva. Debido a la tensión del hilo de contacto de 25 k v y a las elevadas corrientes de arranque hay que prestar una atención especial al problema de las interferencias magnéticas. Por ello, las señales de las cámaras de andén se transmiten a los aparat,ossituados en el edificio de la estación por medio de cables conductores de fibra óptica.

4.12. Equipos cronométricos Todas las estaciones y los puestos técnicos disponen de equipos cronométricos. Para ello, cada estación dispone de un reloj principal autónomo, sincronizado por medio de una señal de radio. Este reloj principal controla los relojes secundarios instalados en la estación y en todas las salas de operación y servicio.

4.13. Indicadores de destino del tren En las estaciones con tráfico de viajeros, los andenes de las vías están equipados con indicaciones de destino del tren. Estos indicadores informan a los pasajeros sobre la hora de salida, el destino, el itinerario, la composición y el número del tren. Los equipos indicadores de destino del tren se controlan desde el puesto central de control en Madrid-Atocha. El horario se mantiene continuamente actualizado para controlar los equipos indicadores de destino del tren, según dicho horario. Para ello, a partir del horario nominal se genera cada día un horario actualizado, con las desviaciones específicas del día. Todas las desviaciones que se producen a lo largo de un día se anotan directamente en este horario actualizado, quedando disponibles para el sistema de indicadores de destino de tren.

4.14. Equipos de megafonía Todas las estaciones con tráfico de viajeros van provistas de equipos de megafonía para información de los viajeros. Normalmente, los avisos en los

LA T R A C C ~ ~ELÉCTRICA N E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

andenes los efectúa el jefe de circulación o su ayudante, en el puesto central de control en Madrid-Atocha. Para la selección y la realización del aviso utilizan el teléfono universal situado en su puesto de trabajo. A tra-

vés de la red integrada de telecomunicaciones de la estación correspondiente, conect,a los circuitos de altavoces adecuados y el canal telefónico del puesto central de control. De ser riecesario, también se pueden pasar avisos desde cualquier otro teléfono siempre que se disponga de autorización.

4.15. El puesto central de control 4.15.1. Organización El mando cent,ralizado de la explotación ferroviaria de la línea de A.V. Madrid-Sevilla se realiza desde el Puesto Central de Control (PCC), situado en las inmediaciones de la estación Madrid-Atocha. En este Puesto se sitúan los equipos técnicos que permiten la vigilancia de circulación y el control de itinerarios. El Centro además está dotado de los equipos necesarios para vigilar las instalaciones de explotación en estacior~es,apartaderos y puestos de banalización, así como las subestaciones de tracción y catenaria a lo largo del trazado. Controla también todo el sistema de telecomunicaciones que incluye las instalaciones telefónicas, los equipos de comunicación tren-tierra, la vigilancia por televisión de las estaciories y las instalaciones de megaforiía para comunicaciories en las mismas. Todos estos controles se realizan por razones funcionales, ergonómicas y de explotación, desde una única Sala en el centro de coritrol. Además de esta sala de operaciones, el Centro de Control tiene otras salas para los equipos técnicos de señalizacióri y telecomunicaciones, de suministro de energía electrica, de archivo de datos y para las funciones de mantenimiento, donde llegan todas las anomalía de la línea. También existen despachos para la dirección de explotación, el personal de operación y de formación, así conio de otras actividades.

4.15.2. Puestos de operación de los jefes de circulación El sistema de gobierno y control ferroviarios para toda la línea ya hemos dicho que está concebido de forma centralizada y está gobernado desde tres puestos de operación en el Centro de Control.


203

En principio cada trarrio de la línea puede ser gobernado desde cualquier puesto de operación. Sin embargo, para facilitar el control global y separar claramente las tareas de gobierno, cada puesto de operación está asignado a un tramo deteriiiinado de la línea. En momentos de baja circulación el control y vigilancia de toda la línea se realiza por dos jefes de circulación, mientras que en horas punta dicha tarea es asumida por tres jefes de circulación. Cada puesto consta (Ver figura 6.13.) de:

-

4 monitores en color de alta resolución para la representación de bandas de regulación y diagramas de zonas.

- 1 terminal de dialogo compuesto por un teclado y una pantalla en color. -

1 tablero gráfico con marcador, para establecer los itinerarios.

El terminal de dialogo y el tablero gráfico son indistintamente operativos, es decir, todas las indicaciones de entrada pueden ser realizadas tanto por el terminal de dialogo como por el tablero gráfico. Las entradas que se realizan por el tablero se representan en la pantalla en forma de texto. F3

Pueslo de operacion del jefe de circulacion

VISTA SUPERIOR

1. Monitor en color 19" 2. Monitor de mando 3. Tablero gráfico

4. Teclado operativo 5. Teléfono

Figura 6.13.

Sobre los monitores se pueden representar, en la forma que se desee, tanto márgenes de bandas de regulación como diagramas de zonas.

204



Para la comunicación, tanto con el personal de las instalaciones descentralizadas como con lo trenes en circulación, cada puesto de operación dispone de teléfono y equipo de comunicación tren-tierra. A través de las instalaciones de megafonía el jefe de circulación puede asimismo comunicarse con los andenes de todas las estaciones. Frente a los puestos de operación de los jefes de circulación se encuentran situadas 20 pantallas de televisión, dispuestas en dos filas, Sobre cada dos pantallas se proyectan las imágcnes ampliadas de un enclavamiento electrónico, de forma que en todo momento es posible observar desde el Centro de Coritrol la situación de todos los enclavamientos. Para la operación de las 8 centrales de tramo de Conducción Automática de Trenes (LZB), existe un ordenador con un solo puesto de operación dado que el sistema LZB es totalmente automático y las acciones de operación solo serán necesarias en casos excepcionales, como por ejemplo, para introducir puntos provisionales de marcha lerita.

4.15.3. Puesto de mando para el suministro de energia de tracción El suministro de energía de tracción para toda la línea es telemandado y televigilado desde el puesto de mando instalado en el Centro de Control. Este puesto de mando controla las 12 subestaciones de tracción, distribuidas a lo largo de toda la línea, la red de catenaria, las estaciones, los apart a d e r o ~y los puestos de banalización. Respecto a las subestaciones, se gobiernan y monitorizan los parques de alta tensión y las instalaciones de tensión de tracción, con todos sus dispositivos de conexión. En el puesto de mando se reciben los avisos de perturbación y alarma que provengan de estas instalacioiies así como sus mediciones. Los seccionadores telemandados de la red de catenaria están conectados al equipo de telemando a través del cual el operador puede acceder a la red de catenaria, desde el puesto de mando del Centro de Control, estableciendo las conexiones necesarias para su explotación. Además del puesto de marido principal existe un segundo puesto situado en la sala de mantenimiento del sistema, equipado de forma idéntica y listo para funcionar. En este segundo puesto de mando se realiza la actualización del banco de datos del sistema de coritrol, incluyendo las modificaciones y anipliaciones en las subestaciones y en la red de catenaria. En caso necesario, este segundo puesto de mando puede asumir las mismas funciones de gobierno y supervisión que realiza el primer puesto de mando.



205

Ambos puestos de mando est,án conectados, mediante un sistema de conmutación, al ordenador que dirige en ese momento las operaciones, dentro del sistema doble de ordenadores.

4.15.4. Puesto de v i g i l o ~ ~ c i a Otro puesto que está conectado al sistema de ordenadores de control que aquí se describe, es el dedicado a la vigilancia de las estaciones, apart a d e r o ~puestos , de banalización y subestaciones de tracción, así como del resto de equipos a lo largo de la línea. En los monitores de este puesto de vigilancia se presentan los avisos transmitidos desde los puestos de explotación en la línea, por las subestaciones locales de vigilancia de incendios, intrusión, climatización y entradas o salidas de los túneles. Este puesto de vigilancia realiza solo funciones de indicación sobre monitor, no disponiendo de funciones de mando. Las funciones de este puesto pueden ser asumidas por el puesto de marido situado en la sala de mantenimiento del sistema. Adicionalmente, este puesto tiene asignadas la vigilancia de los equipos de funcionamiento del circuito de televisión en las estaciones, de la megaforiía de las niismas y del sistema de comunicación tren-tierra. La comunicación con el sistema de gobierno y control ferroviario se hace desde el puesto de vigilancia mediante un terminal de operación, un tablero gráfico y un monitor en color que puede representar las imágenes de los diagrama espacio-tiempo y de las zonas, de igual manera que en los puestos de los jefes de circulación. Dentro de las funciones de este operador se encuentra también la de descargar a los jefes de circulación de las tareas no relacionadas directamente con la circulación, como por ejemplo, la información de viajeros y la operación de los indicadores de destino de tren.

5. Funciones del sistema de gobierno y control ferroviarios Las múltiples funciones del sistema de gobierno y control ferroviarios están distribuidas en varios ordenadores de la red. La comunicación entre los operadores y las instalaciones iiiformáticas se hace mediante el llamado "Sistema de Diálogo". Los diálogos básicos a eshblecer son los siguientes:


206

-

-

Cambio de turno. Operación de los enclavamientos electrónicos. Selección de imágenes. Trabajo con diagrarrias espacio-tiempo. Establecimiento y anulación de itinerarios. Adjudicación y modificación de los números de trenes. Elaboración de planes de circulación. Introducción de justificaciones y comentarios ante retrasos. Colocación manual de los indicadores de destino.

El seguimiento de los trenes es el módulo básico de la central de control.Este seguimiento envía al sistema la información de donde se encuentra cada tren. A esta información acceden los módulos "software" de dirección de trenes, indicación de esquemas de zona, representación de diagramas espacio-tiempo, elaboración de planes de circulación y gobierno de indicadores de destino. Las imágenes de los esquemas de zona facilitan al jefe de circulación una visión global de toda la línea en forma comprimida. Junto a la distribución de vía.s y de las inforniaciones estáticas se representan las siguientes informaciones dinámicas que proceden de los avisos de los enclavamientos: -

-

-

Ocupación de la vía. Itinerarios establecidos. Indicaciones de bloqueo. Formación autorriática de itinerarios en la central. Números de trenes. Desviaciones respecto al horario previsto. Avisos de incidencias.

Con todo ello, el esquema de zona contiene todas las informaciones que necesita el jefe de circulación para poder vigilar y gobernar la marcha del tren.


207

CAP~TULOVII: GESTIÓNFERROVIARIA II: CIRCULACIÓN,ITINERARIOS. SEGURIDAD, MANTENIMIENTO. ANÁLISISDE FALLOS

1. Configuración del sistema europeo Ya vimos en el Capít,ulo anterior como, hasta mediados de la década de los 90, gran parte de los ferrocarriles europeos haii funcionado de manera independiente. Este panorama ha cambiado sustancialmente con la aprobación de las directivas europeas para la liberalización del mercado ferroviario. El proyecto marco para el nuevo sistema unificado europeo de señalización se designa con las siglas ERTMS (European Rail Traffic Management System). El núcleo de este sistema engloba las funciones de protección y cont,rol para la conducción asistida de trenes y se reconoce como ETCS (European Train Control System). Desde el punto de vista físico, la solución que ha permitido asegurar la interoperabilidad del sistema dejando libertad de configuración a los industriales ha sido la definición de un "núcleo europeo" del sistema ERTMSETCS con sus interfases normalizadas al nivel lógico y físico. Una definición a estos niveles se reconoce como especificación FFFIS (Form Fit Functional Interface Specification ). Este tipo de especificación define con detalle desde los aspect,os físicos (conector, cable, etc.) hasta los aspectos lógicos (velocidad: nierisajes, codificación, etc.) de la interfase, asegurando la conectividad entre dos equipos producidos por fabricantes diferentes.

2. Niveles de aplicación del sistema ERTMS El sistema ERTMS puede configurarse para operar en cinco niveles diferentes, dependiendo del equipamient,~en vía y embarcado.

NIVEL O El nivel de aplicación O se ha definido con objeto de describir la operación de un tren equipado con ERTMSíETCS, en líneas que no están equipadas con la infraestructura ERTMSIETCS. En este nivel, las autorizaciones de movimiento deben facilitarse al conductor por medio de señales ópticas laterales u otro medio externo al sistema ERTMSIETCS. La única supervisión que facilita el sistema ERTMSETCS embarcado, es la supervisión de la velocidad máxima permitida. El nivel O no utiliza transmisiones tren-tierra a excepción de las Eurobalizas anunciando transiciones a otro nivel. Toda otra información proveniente de las balizas es rechazada. Este nivel no admite en consecuencia restricciones temporales de velocidad. El equipamiento requerido para operar en este nivel es, en la vía, tan solo las Eurobalizas que anuncian la transición a otro nivel. A bordo se requiere un sistema ERTMSETCS con lector de Eurobalizas. La figura 7.1. esquematiza el nivel de aplicación 0.

Fin de cantón

l'L

NIVEL STM Este nivel se define como la operación de trenes equipados con ERTMSIETCS sobre líneas equipadas con sistemas de supervisión nacionales.

Las autorizaciones de movimientos son generadas en la parte de la infraestructura y son transmitidas al tren a través de los canales de comunicación propios del sistema nacional subyacente. Una vez a bordo, las informaciones recibidas son transformadas al lenguaje ERTMSIETCS en el correspondiente módulo STM (módulo traductor). La señalización óptica lateral puede ser necesaria o no, dependiendo de la funcionalidad ofrecida por el sistema nacional. El nivel de supervisión es equivalente al brindado por el sistema nacional subyacente. El nivel STM no utiliza ningún canal ERTMSíETCS de transmisión, excepto para anunciar transiciones de nivel. La información mostrada al conductor, en la interfase Hombre-Máquina depende del sistema nacional subyacente. La figura 7.2. esquematiza los requisitos y funciones del nivel ERTMSíETCS de aplicación STM.

Opcional

4

I>rprndicndo del sistema nacional

NIVEL 1 El nivel de aplicación 1 del sistema ERTMSíETCS se basa en una transmisión puntual, basada en una Eurobaliza, o semi-continua basada en Eurolazos, con un sistema de señalización subyacente. Ahora, las autorizaciones de movimiento se generan del lado de la infraestructura y son transmitidas al tren por medio de Eurobalizas.

LA TRACCIÓN E L E C T R I C A EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

210

Este nivel nos da uria supenisió~icontinua de velocidad con protección de sobrepasamiento de la distancia autorizada. Las funciones de localización del tren y de detección de su integridad son llevadas a cabo por equipo externo al sistema ERTMSIETCS e instaladas en la infraestructura. En el nivel 1, la infraestructura no identifica al tren que esta controlando y al que se le envía la información pertinente. En el nivel 1, si una señal se abre (pasa a verde), el tren que se aproxima no puede conocer este cambio hasta el momento en que sobrepasa la Eurobaliza asociada a esta señal. El conductor, en consecuencia, debe observar la señal para saber cuando puede avanzar hasta la baliza y debe proceder a una velocidad inferior a la velocidad de escape o sobrerebasamiento de señal en rojo. Debido a la información discontinua recibida, el nivel 1 puede incluso estar por debajo de las prestaciones de una línea no equipada. Las señales ópticas laterales son obligatorias a menos que que se utilice un dispositivo de transmisión semi-continuo (Eurolazo) para adelantar la información sobre el estado de la señal, d e manera continua desde una distancia previa hasta la misma señal. La figura 7.3. esquematiza el nivel de aplicación 1 sin avance d e la iriformación y la figura 7.4. cuando se ha dispuesto el Eurolazo que nos da dicho avance. En esta misma figura aparece también el lector de Eurolazo (LTM) .

Enclavamiento

rB 8

lll<

d'

+ t

*--

xIl3-J .

r .*S'

Fin de canton

NIVEL 2 Este nivel se apoya ya en un sistema de control basado en una transmisión radio GSM, Euroradio, con un sistema de señalización ~ubyacent~e. Las autorizaciones de movimiento se generan del lado de la infraestructura y son transmitidas al tren por Euroradio. Este nivel proporciona una supervisión continua de la velocidacl con protección de sobrepasamiento de la distancia autorizada. Las funciones de localización del tren y de detección de su integridad se llevan a cabo por un equipo externo al sistema ERTMS/ETCS, instalado en la infraestructura. Este nivel 2 trabaja en base a uria comunicación bidirecciorial t,reri-tierra vía Euroradio y en la utilización de Eurobalizas como medio de transmisión para localización y referencia de posición. El centro de Radio-Bloqueo (RBC) que facilita información a los trenes conoce individualmente a cada uno de ellos a través de su código iridividual de identificación ERTMSIETCS. Las prestaciones de una línea equipada con el nivel 2 quedan limitadas tan solo por el sistema de señalización subyacente. La señalización óptica lateral resulta opcional en este nivel 2. La figura 7.5. esquematiza los requisitos y funciones del nivel de aplica.ción 2 del ERTMSIETCS.

21 2


+..

E ~ r o b a l i z a' s ~ (fijas)

I

f

u Fin d e cantón

f

Las tres primeras características de este nivel coinciden con las enunciadas para el nivel 2. Pero ahora: Las funciones de localización del tren y de detección de su integridad son llevadas a cabo por el Centro de RadioBloqueo, instalado en la infraestructura, en cooperación con el equipo embarcado. Este, envía vía Euroradio, información relativa a la posición y a la integridad del tren. Este nivel 3 se apoya en una comunicación bidireccional tren-tierra vía Euroradio y en la utilización de Eurobalizas como medio de transmisión para la localización y referenciado de la posición. Lo mismo que en el nivel 2, el RBC conoce individualmente a cada uno de los trenes. Las prestaciones de este nivel quedan limitadas tan solo por el espaciamiento impuesto a los trenes que operan en la línea, admite cantonamiento fijo y móvil y ya no se utiliza señalización óptica exterior. La figura 7.6. esquematiza el nivel de aplicación 3.

L A T R A C C I ~ NELECTRICAE N L A ALTA V E L O C ID A D F E R R O V I ARI A (A.v.F.)

213

2.1. Interoperabilidad técnica del sistema ERTMS. Pruebas EMSET Como ya se indicó en la Introducción del Capítulo VI, el Proyecto EMSET ha tenido por objeto la validación del sistema ERTMS, llevada a cabo sobre la línea Madrid-Sevilla. El trabajo se realizó por un consorcio que incluía a todas las industrias de señalización europeas más RENFE y el CEDEX. La presencia de toda la industria de señalización en el proyecto, permitió la especificación y desarrollo de una familia de herramientas de prueba para ensayos de prototipos ERTMS en laboratorio y en vía. Este conjunto de herramientas se ha convertido en una referencia para la validación de los subsistemas ERTMS Eurobaliza, Euroradio y Eurocabina. Estas herramientas, con desarrollos adicionales que completen sus prestaciones, podrán ser utilizadas en la certificación de las primeras aplicaciones. No vamos a entrar en el detalle de las pruebas llevadas a cabo. Su exposición puede seguirse en el magnífico trabajo del Dr. D. Jaime Tamarit, en su Informe para la Academia de Ingeniería de España, publicado en los Anales de la misma (Informe no 5 "Interoperabilidad ferroviaria europea" de la ACADEMIA DE INGENIER~A.2001). Las conclusiones generales del Proyecto EMSET a las que se llega en el Informe citado son las siguientes:


-

El amplio espectro de los ensayos realizados dentro del proyecto EMSET ha permitido demostrar con el adecuado contraste experimental la interoperabilidad técnica entre diferentes desarrollos de diferentes subsistemas ERTMS en los niveles de comunicación y funcionales.

- Todas las combinaciones de los siibsistemas Eurobaliza embarcados (BTM ó lector de Eurobalizas/ Antena) y de infraestructura (Eurobaliza) han sido ensayados con excelentes resultados. Esto permitió asegurar la interoperabilidad de la comunicación vía Eurobaliza entre los cuatro fabricantes europeos (ADtranz, ALSTHOM,ANSALDO y SIEMENS), especialmente de cara a los ensayos EMSET en vía. En algún caso, se pasaron pruebas adicionales a 300 Krnlh centradas excliisivamente en los aspectos de comunicación. -

Todos los desarrollos del protocolo de Euroradio han sido contrastados frente a dos versiones del Stack de Euroradio, aceptadas como referencia. Una de estas versiones de referencia fue utilizada posteriormente en los ensayos de Eurocabina en Laboratorio y otra en los ensayos de Eurocabina en vía. La conexión a las redes publicas españolas de GSM e ISDN fue asimismo chequeada con éxito. Se detectaron y corrigieron pequeñas iriconsistencias en la especificación de la capa de usuario en la transmisióri.

- Las pruebas funcionales de Eurocabina cubrieron un núcleo significativo de las funcionalidades ERTMS. Los primeros prototipos pasaron las pruebas funcionales sin mayores problemas. La inclusión de una interfase específica de pruebas permitió el registro de las variables internas ERTMS. No se encontraron inconsistencias en la definición de las especificaciones, lo que aumenta la confianza en la correcta especificación del sistema. -

Se ha especificado, desarrollado, validado e integrado un conjunto de 37 herramientas. Esto se ha llevado a cabo gracias a una estrecha cooperación entre todas las compañías de señalización europeas. Se ha alcanzado una sinergia máxima gracias al subcontrato con el EPRI para el desarrollo de los sirnuladores requeridos para los ensayos de laboratorio.

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Este conjunto de herramientas se encuentra disponible en las dependencias del CEDEX en Madrid y constituyen una excelente base de referencia para los procesos de certificación por parte de los Organismos Notificados. La puesta al día de estas herramientas para lograr una alta cobertura de las fimciones ERTMS especificadas está siendo considerada por la Comisión Europea y el consorcio indust,rial UNISIG.


-

215

La utilización de la interfase Hombre / Máquina de los prototipos por parte de los conductores de Alta Velocidad de la línea MadridSevilla hace prever una excelente aceptación de esta interfase a nivel ergoriómico. Ensayos más detallados se Ilevari a cabo actualmerite con el simulador desarrollado por RENFE dentro del Proyecto Heroe. Este simulador para la conducción se encuentra en las dependencias de la Compañía para la formación de conciuctores, en la estación de Delicias, en Madrid.

3. Gestión del tráfico ferroviario del túnel bajo El Canal de La Mancha 3.1. Introducción

GEC ALSTHOM fue la empresa encargada de la realización del sistema de gestión del tráfico ferroviario, del túnel bajo el Canal de la Mancha. El sistema, R T M ("Rail Traffic Management") se gestó en el serio del consorcio franco británico TCCG ("Túnel Control Center group") y con la intervención de CEGELEC francesa y de LOGICA COMMUNICATIONS & ELECTRONIC SYSTEMS Ltd. El sistema RTM asegura el control del movimiento de los trenes, sus planes de circulación en caso de incidentes o de trabajos en el interior del tíiiiel y la modificación y replanteo de circulaciones cuando sea necesario. Estas funciones requieren la coordinación coi1 los terminales situados en cada extremidad del túnel y con las redes de los ferrocarriles franceses y británicos.

3.2. Las funciones del sistema de gestión del tráfico ferroviario RTM El sistema RTM asegura a la vez el control del movimiento de los trenes, su nuevo plan de circulación en caso de incidentes u obras y la modificación y el replanteo eventual de la circulacióri. Los condicionantes que iritervinieron en su concepción derivan de la existencia de sistemas ferroviarios diferentes a ambos lados del túnel, del gran número de datos que había que tratar y de la alta seguridad exigida. La arquitectura del sistema comprende 3 niveles de control-riiarido, equipados con ordenadores redundarites con posibilidad de fallo. El conjunto tiene una seguridad mejoratia por medio de redundancias múltiples

en los enlaces de comunicación, en los ordenadores que gestionan dichas comunicaciones, en los calculadores "frontales" (que trabajan en los extremos de las líneas) y en la red Ethernet. La gestión se realiza a partir de un conjunto de funciones elementales que se ponen a disposición de los diferentes operadores. Las principales funciones son las siguientes: -

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-

Mando y vigilancia de la señalización: Esta función asume la interfase hombre-máquina tlt.1 sistema de señalización durante el funcionamiento normal. Comprende una representación en una pantalla de esquemas sinópticos que abarcan el conjunto de las instalaciones de señalización. Asociados a estos "sinópticos, los operadores pasan sus órdenes por medio de diálogos sencillos del tipo alfanumérico y reciben ayuda de menús dinámicos que les guían durante las distintas etapas del diálogo. Gestión de las protecciones: Corresponde esta función a una parte importante del trabajo que ejecutan los operadores del sistema RTM. En efecto, habida cuenta del tráfico permanente en el túnel y de las condiciones de seguridad muy estrictas, las intervenciones para la realización de reparaciones deben ser gestionadas de manera muy rigurosa. Existe en el sistema de señalización ciertos enclavamientos que impiden el acceso de los trenes a las vías sobre las que se esté trabajando. Y a nivel del RTM determinados "diálogos" permiten a los operadores "colocar" y más tarde " levantar" determinadas protecciones, a través de acciones meditadas y coherentes entre si. Función HGV (High Gauge Vehicle 4 km Headway): Esta función sirve para aumentar el espaciamiento detrás de unidades que ocupan un gálibo muy grande, debido al peligro que puede derivarse para el tren que circula detrás al dejar la HGV una nube de humo en caso de incendio. De aquí deriva la necesidad de aumentar la distancia que nos marca la señalización normal y el control de velocidad. En la práctica, esta función tiene una actuación automática, si bien utiliza los medios que le ofrecen la señalización y el control de velocidad y consiste en activar una protección deslizante detrás de la unidad especial, a medida que ésta se desplaza por el túnel. El espaciamiento varía a saltos en función de la velocidad del tren especial, lo cual implica que el RTM tenga en cuenta la velocidad de los trenes que le siguen. Seguimiento de los trenes: El seguimiento de los trenes se realiza gracias a la detección de su presencia que realizan, con toda fiabilidad los "circuitos de vía". La función consiste en hacer avanzar


217

los números de cada tren tanto sobre las pantallas como sobre el cuadro de control, de acuerdo con las secuencias recibidas de ocupación o de Liberación de los circuitos de vía. También puede conseguirse a partir de la información que se recibe de la SNCF o de los ferrocarriles Británicos ("British Railways o BR) indicando que un tren se aproxima a la boca de un túnel. -

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-

Control automático de itinerarios: Se utiliza esta función para disminuir la carga de trabajo de los operadores y permitir la optirnización del tráfico. Se basa en el programa teórico de circulación que nos da, para una jornada de trabajo determinada, la sucesión de trenes de carga, trenes Eurostar o trenes clásicos, etc. El control mando automático de estos itinerarios puede dispararse bien sea en función de la hora, bien por un tren que llega por 1111 itinerario. Creación de los programas de circulación: Esta función permit e activar el control automático de los horarios teóricos. Se pueden distinguir en ella tres niveles de programas: el programa a largo plazo que define las circulaciones con varios meses de anticipación, el programa táctico que concreta las circulaciones con una semana de antelación y el programa ajustado (corregido) que es el que, en realidad, sirve para realizar el control automático de los itinerarios. El primero de ellos se realiza "off line" en un ordenador diferente del Eurotúnel que se carga a distancia en el RTM. Asimismo, el sistema RTM suiiiiriistra las herramientas necesarias para sii elaboración. Precisameiite, gracias a estas herramientas, se pueden introducir los "intervalos por trabajos" que van a permitir la introdiiccióii de protecciones cuando así se requiera. Ajustes del programa teórico: Esta función se utiliza por los operadores en tiempo real, coi1 el fin de adaptar el programa teórico a los acontecimientos que surjan de improviso. Se trata, por ejemplo, de retrasar o adelantar la salida de una unidad, de modificar su recorrido o sus características, etc. Las corlsecuencias de la modificación introducida (o incluso del retraso de un tren) pueden presentarse en pantalla de forma inmediata, en un gráfico espacio/liempo. Si se presenta uri conflicto éste se le muestra al operador que deberá intervenir para subsanarlo. Apoyo a los controladores de los depósitos de unidades: Se trata con esta función de prestar apoyo a los controladores de los dos depósitos de vehículos situados, el más importarite, en el lado francés (en Coquelles) y el otro en Folkstone (Iriglaterra). Este apoyo corisiste en la gestión del parque del material rodante. Para hacerlo, disponen de un terminal que, les permite localizar los elementos de tren, componer trenes, prever las intervenciones de


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mantenimiento y gestionar las vías de transferencia a las vías principales. -

-

Gestión de alarmas y eventos: Además de las alarmas y eventos propios del sistema RTM,esta función tiene por finalidad el informar a los operadores sobre el funcionamiento de los sistemas a los que se encuentra conectado el RTM. Para conseguirlo, dispone de una gestión de alarmas y de eventos, clasificados por familias y accesibles en cualquier momento. Archivo del tráfico real: Con esta función se consigue rest,ablecer "a posteriori" el gráfico espacio 1 tiempo.

3.3. Características que se pretende alcanzar Un condicionante importante, de la capacidad de tratamiento constituye la base para el dimensionamiento de los equipos. En el ejemplo considerado deben ser capaces de gestionar 5000 telecontroles duplicados, es decir, unas 2000 informaciones por segundo que provienen del sistema de señalización, lo que sobrecarga considerablemente el sistema de gestión. Otro condicionante muy fuerte se refiere al envío de órdenes automáticas de itinerario a medida que se produce el avance de los trenes: en este aspecto, el sistema debe actuar en menos de medio segundo. Asimismo, un condicionante sobre el tiempo de respuesta del sistema proviene de la interfase hombre-máquina. Los coritroladores del sistema tienen a su alcance unas cuarenta pantallas y algunas contienen hasta 600 sín~bolosque hay que actualizar en tienipo real. Los cambios de imagen deben realizarse en menos de 3 segundos. Por último, cabe citar la condición para gestionar los protocolos teleinformáticos de cada uno de los once sistemas con los que el RTM debe conectarse. Estos subsistemas son: -

-

-

Los dos sistemas de gestión del tráfico, situados a uno y otro extremo del túnel. Los dos sistemas de gestión de los enlaces radio tierra-tren que permiten la llamada selectiva a los trenes. Los sistemas de seguimiento de los trenes da la SNCF (la RENFE francesa) y de la red británica (BR), para el intercambio del ariuncio de trenes entre las respectivas redes nacionales y la concesión del Eurotúnel.

LA TRACCIÓN ELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F)

-

219

El sistema de mantenimiento y de administración del túnel (MIS) que recibe del RTM el kilometraje efectuado por las "larizaderas" que recorren el túnel en uno y otro sentido, junto con un "hist,órico" del tráfico real así como información sobre el estado real del RTM.

- El sistema de gestión de los equipos fijos (sistema EMS) que transmiten al RTM el estado de alimentacióri de los tramos de catenaria y la posición de los trenes en el interior del túnel. -

-

-

El cuadro sinóptico de control, con una longitud de 22 m en el que se representan los números de cada tren con su posición.

El sistemas de detección de fallo en las cajas de grasa de los ejes (caja caliente) de los trenes que entran en el túnel, con objeto de identificarlos y disparar las alarmas correspondientes. El sistema de distribución de la hora de referencia elaborada a partir de "France Inter."

3.4. Arquitectura del sistema RTM Un esqiienia de la arquitectura del sistema RTM puede verse en la figura 7.7. Para profundizar en la arquitectura del sistema "Control-Marido" hay que conocer la coniposición del sisterria de señalización, el cual se ha resuelto a base de módulos inforrriáticos y chasis de relés de seguridad. Además hay que subrayar que e1 conjunto resulta de seguridad reforzada por medio de múltiples redundancias que se han puesto de manifiesto en la figura 7.7.: -

-

redundancia de las uniones de comunicación. redundancia de los ordenadores situados en "cabeza" redundancia de la red Ethernet,.

De manera análoga a lo indicado para el sistema ERTMS en el RTM de Control-Mando, utilizado en el túnel, cabe también distinguir tres niveles: -

Nivel 0, que corresponde a la iiiterfase con los puestos de seiialización y que, en este caso son de tipo clásico.

-

Nivel 1, que es el de las teletransmisiones y se encarga de gestionar los intercambios de información entre, por una parte, el nivel O y por otra el nivel 2, asi como de mantener al día el panel sinóptico de vía.

-

Nivel 2 que es donde debemos situar al propio sistema RTM, constituido por 20 ordenadores o estaciones de trabajo (representadas


220

IU',"'"'.~"-"-""".-" ...-",..".." .-.--...,.-.-" Reguladores

FOLKESTONE (Gran Bretaña)

f

TUNEL

1

Supewisor

COQUELLES (Francia)

Figura 7.7.

en la parte inferior de la figura con diferentes siglas) que dialogan entre sí a través de la doble red Ethernet y que se reparten las tres funciones principales del mando centralizado: -

-

-

la función de interfase con el nivel 1 y los sistemas exteriores, por medio de dos ordenadores. la aplicación ferroviaria propiamente dicha, soportada por un calculador redundante. la función de interfase hombre-máquina, constituida por 7 puestos de operador (4 en Folkestone y 3 en Coquelles) atendidos por sendos ordenadores.

Cada puesto de operador dispone de un solo teclado y cada Sala de Mando dispone de una impresora que recoge constantemente todos los acontecimientos significativos, junto con otra dedicada a preparar los informes.

La continuidad de la doble red Ethernet a través del Canal de la Mancha queda asegurada gracias a dos líneas de enlace realizadas en fibra óptica con 2MbitsIs.



221

3.5. Conclusión Puede resumirse lo expuesto destacando que el desarrollo del sistema

RTM para el Eurotúnel permitió a GEC ALSTHOM dotarse de nuevas estructuras y de nuevos métodos de desarrollo que, a partir de entonces, han sido utilizadas para el proyecto y realización de mandos ferroviarios centralizados y para cualquier otro desarrollo de gran complejidad. Fue a raíz del proyecto RTM cuando la empresa citada consiguió la certificación ISO 9001.

4. Etapas en el desarrollo de un proyecto A la hora de acometer un Proyecto, entendido este concepto en su acepción más amplia, resulta conveniente distinguir dos fases: -

Fase de planificación. Fase de Proyecto.

En la primera de ellas, a su vez, podemos establecer tres subfases: -

Estudio temático. Estudio de plaliteamierit,~. Estudio previo.

Hay que sobreentender que existe una Planificación Intermodal a largo plazo (en el caso español, el Plan Director de Infraestructuras) y una planificación sectorial a medio plazo (por ejemplo, el Plan de Infraest,ructuras Ferroviarias) que definen y enmarcan las actiiacioiies singulares a desarrollar. Hay que analizar las implicaciones territoriales que la actuación estudiada lleva incorporada. El incremento de capacidad y el acortamiento del tiempo de viaje entre los destinos ateiididos es otra consideración esencial para colaborar en el asentamiento de los useiitamientos urbanos, industriales y turísticos que van teniendo cada vez niayor importancia. Otra consideración a tener en cuenta es la problemática urbana de las principales ciudades atravesadas. El soterramiento de determinadas zonas, las variantes y la eliminación de antiguas playas de mercaiicías pueden constituir ejemplos que una actuación de la envergadura de un tren de alta velocidad (por encima de 250 kmlh, o de velocidad alta (hasta 200 krníh) puede llevar implícita para la integración del ferrocarril en la ciudad.


222

Para terminar con este breve repaso de las consideracio~iesa tener en cuenta en la fase planificadora, no hay que olvidar los efectos socio-económicos, empezando por la creación temporal de empleo directo y la inducción a la creación de empleo indirecto en los sectores de actividad favorecidos por la mejora de la infrae~t~ructura. Todo ello nos acerca al último estadio de esta fase planificadora: el estudio previo que se encuentra estrechamente ligado con el inicio de la fase de proyectos propiariiente dicha.

4.1. La fase de proyecto Del mismo modo que en la fase de Planificación, al elaborar un Proyecto hay que recorrer tres et,apas fundamentales: -

-

Estudio inforniativo o Anteproyecto. Proyecto básico. Proyecto constructivo.

Cuando se trata de modernizar una línea exist,ente, hay que comenzar por analizar las situaciones existentes. Para una explotación racional a velocidades elevadas es imprescindible, salvo que nos encontremos con un número muy reducido de circulaciones, lo que 110 suele ser el caso, que dispongamos de doble vía en todo e1 trazado. La construcción de una doble vía permite efectuar, previamente a su puesta en explotación, un tratamiento adecuado de la vía antigua, de tal forma que las prestaciones finales de los tramos en duplicación sean sensiblemente similares para ambas vías. En los tramos que ya disponen de vía doble, el tratamiento a proponer se complica y previamente resulta necesario efectuar un análisis exhaustivo de la situación existente. En este análisis es preciso conteniplar la situación actual de todas las instalaciones y efectuar un diagnóstico acertado de las mismas: -

Infraestructuras (explanaciones, puentes, túneles)

-

Vía (antigüedad, tipo de carril, traviesas y sujeciones, calidad y estado del balasto).

-

Electrificación (tipología de catenarias, pot,encia disponible y adecuación a la normativa legal de subestacioiies.

-

Instalaciones de Seguridad y Control de Tráfico (tipología y estado



223

de bloqueos, enclavamientos, centros de control de tráfico centralizado, etc.). -

Telecomunicaciones (medios de transmisión, red de telefonía, etc.).

-

Estaciones.

El planteamiento anterior se refiere, en particular, a las líneas de "Velocidad Alta", con velocidades superiores a los 200 krnh (por ejemplo, 220 k m h ) pero sin llegar a superar los 250 h i / h que es donde empieza la "Alta Velocidad". En los proyectos de A.V. se suele partir de la construcción de una línea nueva en su totalidad (caso del AVE Madrid-Sevilla) y los parámetros de diseño se mantienen invariables en toda la traza.

4.2. Confección de horarios

. S

En el pasado, la confección de horarios, realizada manualmente, resultaba una tarea lenta y penosa, mi~iitrasque en la actualidad resulta fácilmente realizable merced a la aplicación de medios informáticos. El proceso se inicia tomando como datos de partida las características técnicas del tren y del recorrido a efectuar. El modelo selecciona entre sus ficheros de datos las curvas esfuerzo-velocidad y la geometría de la vía a recorrer, efectuando seguidamente los desarrollos matemáticos pertinentes. El resultado constituye lo qiie se denomina <>, facilitado por impresora o pantalla, muestra los tiempos de viaje e incluso, si se desea, los consumos energéticos previstos para esa marcha. Tanto la entrada de los datos requeridos para el cálculo como la salida de resultados pueden llevarse a cabo desde los t~rriiiiialesinstalados en la Dirección de Explotación conectados al ordenador del centro de procesamiento. Desde dichos terminales se mantendrán permanentemente actualizados los ficheros, ya que, de lo contrario, las hipótesis de cálculo no se correspondería11 con la realidad. Los tiempos facilitados por la marcha tipo se dimensionan para recuperar el tiempo perdido en incidencias que puedari afectar a la marcha del tren retrasándolo, o de la posible existencia de limitaciones provisionales de velocidad. Por ejemplo, para los trenes AVE (Madrid-Sevilla) se adoptó inicialmente un margen de regularidad de 4,5 minutos por cada 100 kiii recorridos. Posteriormente este margen ha quedado reducido a 3 minutos. Ello obedece a que, durante los primeros meses de funcionamiento cabía esperar que aparecieran las llamadas enfermedades de "prirriera infancia", pro-

pias de todas las instalaciones que empiezan su andadura de explotación comercial. La marcha tipo, modificada con la incorporación de los márgenes de regularidad, establece los tiempos de viaje entre cada dos estaciones consecutivas. Resulta sencillo, a partir de este momento, una vez establecidas las horas de salida de la estación de origen y los tiempos de parada concedidos, determinar el horario a cumplir por el tren, de origen a destino.Lógicamente, con la variación de la hora de salida y10 del tiempo de parada se obtiene horarios para distintos trenes, siempre que sus características teóricas y el trayecto a recorrer correspondan a una misma marcha tipo. La repetición de este proceso crea un fichero de trenes, algunos de ellos incompatibles entre sí, lo cual exige un análisis de compatibilidades de marcha e introducir las modificaciones adecuadas hasta conseguir encajar todos los trenes que se desea circulen para un servicio dado. Este encaje se realiza informáticarnente trabajando desde los monitores terminales. Por último, se especifican al sistema los días de circulación quedando así establecido el horario y calendario de cada tren. La figura 7.8. muestra, a título de ejemplo, la marcha tipo de un tren AVE del recorrido Madrid-Sevilla y el gráfico de trenes para la citada línea, tras la aplicación del modelo operativo descrito a uno de los supuestos estudiados. En el esquema se aprecia: Madr

Ciudad Reai

r Figura 7.8.


-

-

-

225

Para el enlace Madrid-Sevilla y un tren AVE el tiempo de viaje es de 2 horas 50 minutos. Por ej., el tren que sale a las 7 de la mañana, llega a Sevilla a las 9h 50 m. Las horas de salida de Madrid-Atocha son las 7,OO-7,30-12,OO-15,OO15,30-16,OO-18,OOy 19,OO. Las horas de Sevilla-Santa Justa son las 7,OO-8,OO-11,30-12,OO15,OO-16,30-19,30y 20,30.

En trazo azul continuo aparecen los trenes TALGO que efectuarían el mismo recorrido en 3 horas 15 minutos y los AUTOEXPRESO (trazo amarillo continuo) que lo harían en 3 horas 45 minutos. También, en trazo rojo de puntos aparece una relación Madrid-Puertollano, por tren AVE, con un tiempo de viaje de 1 hora 20 minutos y primera salida a las 7,45.

5. Resumen de las tareas del control de operación de una línea de A.V. Si comparamos un sistema de control del tráfico de una línea de A.V. con un organisnio vivo, el control de las operaciones a realizar puede compararse al cerebro y al sistema nervioso animal. Esta comparación nos conduce a establecer que el sistema de control de operaciones, considerado como un factor de producción, tiene un sigriificado central preferente y que las posibilidades técnicas y operativas de un sistema de A.V. solo pueden aprovecharse plenamente con un sistema inteligente de control de las operaciones a realizar que nos permita garantizar una circulación de los trenes automática y fluida. Las propiedades cualitativas de la explotación se centran, en particular, en conseguir la velocidad máxima, un buen confort de viaje, una densidad alta de treries, puntualidad, seguridad y una eficaz comunicación con el pasajero por medio de un buen servicio de información. Las condiciones esenciales para lograr este conjunto de ventajas se derivan de la solución exacta de los problemas que aparecen en la dinámica del movimiento del vehículo, en la ingeniería de seguridad y control y también en la transmisión y procesado de la información obtenida en cada instante. Los medios técnicos para conseguir todo lo anterior dependerán, en cada caso, de las estructuras de que dispongamos, componentes técnicos utilizados, sistemas de tracción y frenado, etc. pero resulta evidente que, como hemos ido viendo, la electrónica actual y los ordenadores en particular nos proporcionan la versatilidad y el control eficaz que precisa un tren de A.V.


226


El término "sistema de control de operaciones" cubre el conjunto de funciones y de instalaciones técnicas que sirven a la seguridad, control y supervisión de las operaciones del vehículo y de sus comunicaciones internas y con el mundo exterior. Las tareas a las que hay que atender podemos clasificarlas bajo los siguientes epígrafes: Protección: -

Seguridad del vehículo (posición y determinación de la velocidad, monitorización de la misma, niantenimiento de la distancia de seguridad, aplicación automática del frenado).

-

Desconexión de la propulsión y monitorización.

-

Protección de ruta (bloqueo de ruta, monitorización, cancelación).

-

Conmutación de seguridad ( cambios, apertura, bloqueo, monitorización) .

-

Seguridad en la transmisión de datos.

Control: -

Establecimiento de ruta (formación de un recorrido, asignación, regulación de prioridades).

-

Asignación de propulsión y acoplamiento.

-

Optimización del valor asignado (objetivo y cálculo de la velocidad resultante).

-

Control del vehículo (aceleración y regulación de velocidad, tiempo de frenado).

Supervisión (procedimiento de operación y dispositivos adoptados): -

Entrada y almacenamiento del horario normal previsto.

-

Entrada de la tabla de tiempos actual.

-

Prognosis (conocimiento anticipado) del estado de operación en un instante dado.

- Documentación de los datos operativos. -

Diagnosis de fallos de todos los "items" (elementos que forman parte de un dato) de operación.

-

Determinación de soluciones alternativas en el caso de averías.


227

Transmisión de datos: -

Entre unidades móviles y fijas.

-

Entre unidades estacionarias de seguimiento a lo largo del recorrido.

-

Entre las unidades de seguimiento y las instalaciones centrales.

Sistemas Periféricos (conexión con sistemas adyacentes): -

Control de Subestaciones y regulación de la propulsión.

-

Control a bordo.

-

Suministro de energía.

- Transmisión de información (voz, imágenes, datos de diagnosis) -

Equipo de estaciones y de parada.

En este Capítulo y en el anterior se han descrito sistemas que atienden a los puntos que acabamos de enumerar.

6. Vigilancia integral de túneles de alta velocidad

6.1. Introducción El túnel constituye uno de los elementos crít,icosen la infraestructura de una línea de alta velocidad. Lo mismo sucede con los construidos para dar paso a las modernas autopistas, autovías y túneles de alta montaña. Además de los problemas acústicos y de efecto de onda de choque a los que ya nos hemos referido, uno de los accidentes que más preocupan en la actualidad son los incendios. Los acaecidos en los túneles de carretera de Mont Blanc y Tauern de 1999, junto con los Gleinalm y San Gotardo de 2001, han producido casi el 60% de las muertes debidas a todos los incendios catalogados en túneles de carretera, pérdidas econóiiiicas elevadísimas y alarma social ante un problema potencial en estas infraestructuras de transporte. El tema se ha convertido, por tanto, en algo de interés relevante para la técnica. Pretei-idemosen este resumen plantear el estado del arte desde el punto de vista del conocimiento, de algunas realizaciones prácticas (ya vimos las soluciones para el túnel bajo el canal de la Mancha) como el sistema PCI implantado en el METRO DE MADRID y el Proyecto GEMINYS de gestión de emergencias e información y seguimiento, montado también en el METRO DE MADRID. Finalmente nos referire-

LA ~ R A C C I Ó NELÉCTRICA

228


mos al sistema de vigilancia integral en los túneles de A.V. y a los planes de Normativa que las Direcciones Generales de Carreteras y Ferrocarriles están desarrollando.

6.2. Equipos más importantes para túneles de A.V. Siguiendo el trabajo elaborado por el Ingeniero de SIEMENS , D. José Ortiz Pavía podemos distinguir, entre los equipos más importantes para túneles de A.V. los siguientes:

Alimentación de energía -

Alimentación de energía en media tensión. Distribución de energía en media tensión. Transformadores en seco. Distribución de energía en baja tensión. Cables especiales y técnicas de tableado.

Seguridad -

-

-

Drenaje. Sistemas de control y vigilancia. Sistemas de alimentación de emergencia. Sistemas de ventilación. Alumbrado convencional y de emergencia. Sistemas de detección de incendios. Sistemas de control de puertas cortafuegos resistentes a la presión. para refugios y vías de escape. Sistemas de detección de intrusos. Videovigilancia. Excepcionalmente, vigilancia de los parámetros geométricos del túnel.

6.3. Alimentación de energía En un túnel de A.V. la distribución de media tensión debe ser alimentada por dos fuentes de energía independientes y el fallo de una red no debe originar ninguna restricción en el servicio. El equipo de alimentación en "stand by" consistirá en dos grupos diesel-generador, uno de los cuales se encuentra en reserva. En caso de fallo


E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA íA.V F.)

229

de las alimentaciones principales, el grupo diese1 debe ser capaz de alimentar los consumidores esenciales antes de 30 segundos y en dicho intervalo la energía se toma de las fuentes de alimentación sin interrupcioiies (UPS). Este sistema alimenta esencialmente al puesto de mando y control centralizado, sistema de detección de incendios, telecomunicaciones, etc. El cuadro principal de distribución debe poseer celdas separadas para los consumidores esenciales y no esenciales. En caso de fallo de las alimentaciones principales, los consumidores no esenciales tienen que desconectarse automáticamente y los esenciales pasar a estar alimentados por la fuente de energía de emergencia.

6.4. Instalación y cables de fuerza Las técnicas de instalación de los cables de fuerza deben satisfacer la normativa específica de los stándares europeos. Además, los cables deberán tener nula emisión de halógenos, baja generación de humos y aislamiento autoextinguible. Otro aspecto muy importarite en el tendido por el túnel es la tecnología y los materiales de soportes y bandejas.

6.5. Alumbrado y Alumbrado de emergencia.

El alumbrado deberá satisfacer las nomas correspondientes a los Ferrocarriles Nacionales, sin olvidar que el sistema sea de fácil mantenimiento y larga vida de funcionamiento. El sistema de alumbrado de emergencia ("Emergency escape lighting systems") debe ser instalado de acuerdo con la normativa EN 50172 o equivalente. La señalización de salidas de emergencia se suministra en módulos normalizados, alimentados por baterías que garantizan este alumbrado durante 3 horas. El alumbrado anti-pánico deberá estar conectado con el sistema de alimentación de emergencia.

6.6. Ventilación y drenaje del túnel El sistema de ventilación forzada se necesita, en primer lugar, para la evacuación de los humos procedentes de cualquier lugar del túnel. Además ha de ser capaz de renovar el aire y extraer el calor del túnel o controlar la máxima temperatura del mismo (caso de pararse un tren en el interior del túnel, trabajos de mantenimiento, etc.).


230

E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.1

Las filtraciones de agua se eliminan mediante un sistema de drenaje que incluye como subsistemas, los correspondientes a: -

-

-

Sistema Sistema Sistema Sistema

de bombeo. de control. de boyas. de conducciones.

6.7. Sistema de detección de incendios El sistema de detección de incendios deberá poseer la más moderna tecnología, así como la máxima fiabilidad y disponibilidad. La protección se realiza por áreas individuales y emite en caso necesario la alarma acústica y óptica al puesto de coritrol. Los detectores deben seleccioriarse para que sean capaces de funcionar con condiciones ambientales prefijadas. Dispondrá de paneles de alarma independientes por área. Todos los detectores de calor, humo, timbres, pulsadores de alarma deben estar conectados a los paneles y moriitorizados permanentemente para el caso de fuego o rotura de algún cable, cortocircuito, etc. Para la vigilancia y control en secciones de túnel resulta recomendable utilizar un sistema lineal de detección de calor. Este sistema consta generalmente de los cables sensor controlador de fibra de vidrio multirnodal que se instala a lo largo del techo del túnel. En el puesto de control se monta el correspondiente panel de vigilancia y mando. Esta unidad dispone de una interfase con el sistema de detección de incendios y sistema de alarma para fines de monitorización.

6.8. Centro de mando y control Desde el puesto de mando y control se efectúa la totalidad de la vigilancia, control y mando de los diversos sistemas. La arquitectura como venimos viendo casi siempre es modular y mediante modernas técnicas gráficas, se visualizan de forma lógica todos los procesos.

7. Metro de Madrid. Gestión de emergencias y protección contra incendios (PCI) 7.1. Gestión de una emergencia A través de la comunicación desde cualquier punto de la red con el

LA T R A C C I Ó NELECTRICAE N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

231

Puesto Central se tiene conocimiento de todas las incidencias relacionadas con la seguridad de las personas. Estos datos se introducen en la aplicación GÉMINYSmediante una iriterfase de usuario de fácil manejo. La aplicación dispone también de un Módulo de Estadística que nos permite conocer en todo momento el núniero y tipología de emergencias acumuladas, así como de una caja negra donde quedan registradas todas las acciones llevadas a cabo por los diferentes operadores que van a trabajar en la emergencia desde el Puesto Central. El programa recomienda decretar un determinado nivel de emergencia en función de los "inputs" aportados y de la lógica de programación que contiene, la cual es configurable por el administrador del sistema. Géminys incluye además toda la información del Plan de Emergencia en formato digit,al,así como diferentes Procedimientos de Actuación susceptibles de ser utilizados en caso de emergencia. A partir del establecimiento del nivel de emergencia, la aplicación genera una serie de tareas a realizar tanto para los recursos internos de METRO como para los externos, principalmente medios asistenciales (SAMUR, Bomberos, Policía, etc). Para realizar la coordinación de medios y el seguimiento de la emergencia, Gémiriis dispone de un Sistema de Información Geográfica (S.I.G.) que nos aporta información alfanurnérica y gráfica de todos los elementos de la red.

7.2. Sistemas de telecontrol de Protección Contra Incendios (PCI)

Descripción. del Proceso de Gestión de u n a emergencia de incendios desde el Puesto Central l . El sistema de detección por aspiración identifica un nivel de humo en el ambiente que dispara la condición de alarma. La elevada ser-isibilidad de los detectores permite identificar incendios en su estado niás incipiente y discernir la zona donde se está produciendo.

2. La monitorización del sistema de detección notifica la alarma a los operadores del Puesto Central que evalúan toda la información del Sistema local. Esta información se recibe eri tiempo real para permitir una respuesta instantánea 1 inmediata. En función de la magnitud del incidente los Operadores del Puesto Central pueden dar de alta una emergencia en el Sistema de Gestión de las Emergencias (Géminys, al que nos hemos referido anteriormente).

232



3. El nivel de emergencia señalado para la estación se notifica automáticarnente al Agent,e de la Taquilla junto con el procedimiento de actuaciones que deberá seguir para atender localmente dicha situación de emergencia. De forma auto~náticase realizan actuaciones de apertura sobre los elementos de corit,rol de paso y de difusión de información a los viajeros a través de los paneles informativos que habitualmente informan sobre la circulación de los trenes. 4. En el caso de que la situación de alarma lo requiera, el Operador del Puesto Central puede activar por control remoto el sistema de extinción correspondiente al riesgo protegido de la Estación donde se ha identificado el incidente. La Monitorización en el Puesto Central del Sistema de Extinción permite conocer (en tiempo real) toda la información de los Sistemas Eléctricos e hidráulicos del Sistema de Extinción, el est,ado de funcionamiento de motores y bombas, presión en las tuberías, etc., con el fin de que el Operador pueda tener información del progreso de la extinción solicitada. Como medida de emergencia est,as funciones de telecontrol y monitorización de los Sistemas de Detección y Extinción pueden operarse también desde la propia Estación del incidente, a través de la pantalla disponible para este fin en el Ordenador de Control de las instalaciones propias de la Estación, que se encuentra accesible en el Puesto de Control Local (PCL)de la Estación.

Resumen de las aplicaciones relacionadas con PCI Se resumen bajo los siguientes epígrafes: Sistema de DETECCIÓN -

Monitorización: Desde la pantalla se visualiza el grado de oscurecimiento del aire provocado por el humo.

-

Configuración: Desde la pantalla es posible revisar y modificar la configuración de los niveles de oscurecimiento que provocan la generación automática de alarmas (Fuego 1 y Fuego 2) eii cada uno de los detectores de la Estación.

Sistema de E X T I N C I ~ N -

Telecontrol: Eri la pantalla se representan las bot,oneras de control de la extinción en cada una de las zonas. Pinchando sobre ellas se activa y desactiva la extinción en una escalera, en un cuarto técnico.....

-

Monitorización: En la pantalla se representa un diagrama eléctrico e hidráulico del Sistema de Extincióri de la Estación. Con colores

LA TRACCION ELECTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

233

se representa el estado de las bombas de impulsión, llenado del depósito, presión en las tuberías, apertura de las electroválvulas, etc. -

Gestión del Mantenimiento: En la pantalla se puede consultar el estado de los parámetros del mantenimiento preventivo y la aplicación notifica aiitomáticamente la necesidad de ejecutar el procedimiento correspondiente a la actuación de mantenimiento cuyo periodo haya expirado.

En mando local, la aplicación va guiando al Operador en cada uno de los procedimientos (señalando sobre los diagramas eléctricos e hidráulicos la ubicación de los elementos sobre los que se requiere actuar) y generando un informe de la actuación que puede ser consultado e impreso con posterioridad. Difusión de ALARMAS -

Conexión con e l Sistema de Gestión de Emergencias: La asignación , en el Puesto Central, de un nivel de emergencia (PreAlarma, Alarma Amarilla y Alarma Roja) a una Estación es capturada de forma automática por el Sistema de Difusión de Información de Emergencia.

-

Difusión del Nivel de Emergencia declarado para l a Estación: La causa de la Emergencia y una descripción breve de la misma se envían automáticamente al Puesto de Control Local de la Estación con el fin de notificárselo al Agente de Taquilla. También se envía el procedin~iento,con las normas de actuación asociadas al nivel de emergencia declarado en la Estación.

-

Actuaciones sobre elementos de Accesos de Viajeros e n la Estación: Algunas condiciones de emergencia llevan asociada la actuación automática sobre los elementos de control de paso de viajeros (torniquetes y cancelas) con el fin de facilitar el flu.jo de viajeros en los casos que requieran evacuación.

-

Difusión de Información a los Viajeros: Lo mismo que en el caso anterior, algunas condiciones de emergencia llevan asociada la difusión automática de información a los viajeros (Teleindicadores de Andén y de Taquilla).


235

CAP~TULOVIII: NUEVAS TECNOLOG~AS: SISTEMA "MAGLEV - TRANSRAPID"

1. Tecnologías innovativas para materializar un ferrocarril inteligente El aumento continuo del tráfico y la mayor contaminación del medio ambiente demandan esquemas nuevos y diferenciados para el transporte de corta y larga distancia. Dentro de una mezcla optimizada de medios de transporte, capaz de satisfacer los más variados requerimientos, el ferrocarril debe asumir un papel central. En efecto, el mercado ferroviario recibe dos importantes impulsos de crecimierito: por un lado es el reemplazo de los vuelos de corta distancia por trenes rápidos. En Europa es donde está ya más avanzada una amplia red ferroviaria de alta velocidad. En pocos años, los centros económicos de Europa se unirán más estrechamente a raíz de una división más lógica de las tareas de los medios de transporte. La Unidad Europea contribuye a acelerar este proceso. El servicio ferroviario ofrecerá enlaces directos fiables, con una rapidez sin competeiicia en las distancias medias y en condiciones político-económicas convenientes. Numerosas líneas ferroviarias ofrecerán tiempos de viaje que podrán competir con los tiempos totales que demandan los vuelos. El segundo factor que fomenta el crecimiento del mercado ferroviario es el transporte de corta distancia. Siguiendo el análisis que el Dr. Buddenberg lleva a cabo en un artículo de su libro "Transporte integrado 2000n, publicado por la editorial Seewald de Stuttgart (Alemania), conviene recordar que el ferrocarril eléctrico ha cumplido ya más de 120 años, desde que el primer ferrocarril eléctrico construido por W. Siemens, recorría la Exposición industrial de Berlin de 1879 (Ier el Cap.1). Al poco tiempo, los tranvías se habían incorporado al paisaje de todas las grandes ciudades. Sin embargo, la intensa motorización iniciada después de la

LA TRACClÓN ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

236

Segunda Guerra Mundial y los reducidos precios del petróleo, hicieron que sus vías desaparecieran. El tranvía se consideraba lento, incómodo y con poca movilidad ya que debía desplazarse dentro del flujo del tránsito urbano. Por lo tanto, los autobuses impulsados, en general, por motores Diesel, absorbieron gran parte del transporte en las grandes ciudades debido a que el ferrocarril subterráneo resulta demasiado costoso y poco rentable para la mayoría de los centros urbanos. En la actualidad se encuentra en ascenso en todos los continent,es un joven pariente del tranvía: el ferrocarril urbano. Por ejemplo, California, para muchos aún el país autornovilista por excelencia, lidera la implantación de este medio de transporte: ciudades como Sari Diego, Los Angeles, Sari Francisco y Sacramento han considerado que el ferrocarril urbano (en España, los llamados trenes de cercanías) es la mejor solución para los problemas de transporte de las personas que a diario viajan a y desde sus ocupaciones. A todo esto debe agregarse la importancia cada vez mayor que adquiere la protección del medio ambiente y de los recursos naturales. En la actualidad resulta impensable poder reducir consecuentemente las ernisiones contaminantes del transporte y aprovechar de manera óptima los combustibles, sin trasladar a la vía férrea importantes capacidades de transporte. La iriteracción Alta Velocidad (A.V.) y Medio Ambiente (M.A) la trataremos con más detalle en el próximo Capítulo IX. Por ahora, nos quedamos en que, ante el crecimiento del orden de un 10% anual, del mercado ferroviario debe de pensarse y así se está haciendo en todos los países en una reforma estructural profunda que permita una gestión privada del mismo y, al mismo tiempo, la industria deberá estar preparada para satisfacer las nuevas expectativas con esquemas modernos. Empezando ya el siglo XXI no puede pensarse en cubrir los nuevos requerimientos aplicando conceptos del siglo XIX. Sin embargo, un sistema de transporte ferroviario no es el arte de lo posible sino, casi siempre, una solución de compromiso para hacer lo necesario. Un ferrocarril moderno no implica autoniáticamente alta velocidad. Se tratará de conformar sistemas ferroviarios: -

Rentables para los usuarios y para las empresas explotadoras.

-

Respetuosos con el medio ambiente y los recursos naturales.

-

Seguros para los pasajeros y para terceros.

Alcanzar estos objetivos con los medios técnicos disponibles en la actualidad no es una utopía. Sin embargo, todavía deben mejorarse o complement,arse niuchos detalles, en especial, los relacionados con la coniodidad y el confort de los usuarios, es decir, el equipamiento de los vehículos,

la infraestructura, la atención al cliente y la. propia operación del servicio: La electrónica y la electrotecnia desempeñan y van a seguir desempeñando un papel decisivo en todos los niveles para que pueda surgir un ferrocarril "inteligerit,e".

1.1. Tecnología de tracción

-

Hemos visto como, para los vehículos ferroviarios actuales, se ha impuesto el accionamiento trifásico. En efecto, los serniconductores de alta potencia modernos posibilitan la construccióii de convertidores de dimensiones apropiadas y pérdidas reducidas. Esto permite, como también se ha dicho, independizar el accionamiento trifásico de la tensión en la catenaria existiendo ya las locomotoras llamadas tetratensión que pueden trabajar tanto con corriente continua como alterna y en las cuatro t,ensiones hoy norrnalizadas en Europa.

Asimismo, los microprocesadores proveen el necesario control y regulación. De esta forma, ya no ofrece dificultades la circulación del misn~o vehículo por todas las redes ferroviarias europeas, pese a los diferentes sistemas de señalización de éstas. La moderna electrónica permite además la recuperación de la energía liberada durante el frenado y su retorno a la red. Con ello puede llegarse a economizar hasta un 30% de la energía.

1.2. Límites del sistema raíi-rueda Los límites del sistema raíl-rueda co~ivencional no se encuentran tanto en las características de rodadura de los bogies, como en la alimentación de energía a través de la catenaria y el pantógrafo. Hay que darse cuenta que, en régimen de alta velocidad deben circular, a través de los pocos centímetros cuadrados del contacto catenaria-pantógrafo, potencias eléctricas que equivalen al consumo de una pequeña ciudad. Esta tecnología resulta segura para velocidades de hasta 300 km/h. Los ensayos realizados han demostrado que se podrá elevar hasta los 500 km/h pero, a velocidades superiores se llega al límite de este sistema mecánico pasivo. En este contexto podrían aplicarse pantógrafos que corrijan de forma activa los efectos de las fuerzas transitorias resultantes, reduciendo as1 notableniente el desgaste y asegurando la calidad de la transferencia de energía.

238

L A T R A C C I ~ NELECTRICA EN LA ALTA V EL OC IDAD FERR O VIA R IA (A.v.F.)

1.3. La electrónica como garantía de seguridad y buen servicio

-

La calidad y seguridad del ferrocarril depende esencialmente de los sistemas de señalización y conducción automática utilizados. Su misión consiste en guiar a los trenes con seguridad, a través de estaciones y líneas, a intervalos de tierripo lo niás breves que sea posible. Debido a la extensión de la red de un ferrocarril avanzado, result,a evidente que es en los sistemas de señalización y conducción sobre los que recae un importante porcentaje de la inversión total a realizar. Hemos visto en los Capítulos precedentes como los sistemas de señalización se materializan, cada vez en mayor medida, en enclavamieritos electrónicos basados en microprocesadores. Por otro lado, la conducción automática continua asume la seguridad de los trenes en los tramos de alta velocidad. Es el sistema de mando y supervisión automática el que permite que los trenes, la vía y el centro de coritrol mantengan un continuo intercambio de información sobre todas las situaciones del servicio. Para pasar de este sistema a la conducción completamente automática sin maquinista solo resta un pequeño paso que no depende tanto de la tecnología necesaria sino más bien de su aceptación por parte de los usuarios. Como hemos esbozado anteriormente los sistemas de control centralizado del tráfico adquieren una importancia especial, al supervisar y gestionar el fliijo óptimo del tráfico. Estos sistemas, basados en ordenadores y n-iedios de comunicación redundant,es integran las diferentes funciones operativas, tales como explotación atención y protección de pasajeros, logística del tráfico de mercancías y optirnización de la alimentación de energía. Un sistema integrado de esta naturaleza puede coristituir la base para materializar con éxito las nuevas filosofías de t,ransporte "multimodal" (combinación de diferentes medios de transporte) que combinan la vía, la carretera y el aire o el mar. Los sistemas de conducción "Park and Ride" (que puede traducirse por "aparca y muévete") o el despacho del equipaje desde la estación suburbana de partida hasta la ciudad transatlántica de llegada constituyen ejemplos de soluciones que aumentan el confort del pasajero e incrementan el atractivo de los transportes públicos.

1.4. Comodidad para el usuario Sabemos también que, con frecuencia, resulta imposible aumentar la velocidad en los tramos existentes debido a los reducidos radios de las cur-

vas del trazado. La aceleración lateral no compensada reduce de forma inaceptable la comodidad de los pasajeros. Esta situación puede mejorarse con un sistema pendular que incline de forma activa o pasiva (TALGO) la caja de los vagones, en función de la curva y de la velocidad. Esta tecnología permite alcanzar velocidades hasta un 30% superiores en las vías existentes. A lo anterior hay que agregar los sofisticados sistemas de aire acondicionado y los sistemas de telecomunicaciones, alimentación de los ordena/dores portátiles o diferentes formas electrónicas de entretenimiento que permiten al viajero encontrarse como en la oficina atendiendo, como lo haría en aquella, su negocio o, simplemente haciendo su desplazamiento más placentero.

A los servicios anteriores durante el viaje hay que agregar los que comienzan con el horario de los trenes. Los gruesos volúmenes de las guías ferroviarias representan un anacronismo en una época en que las coriexiones de los viajes pueden averiguarse y reservarse de forma rápida, segura y económica, por medios electrónicos. A la hora de transferir el transporte de cargas de la carretera a la vía los puntos más importantes a resolver apuntan a minimizar los tiempos de traslado y optimizar las rutas para garantizar rapidez y puntualidad. Los grandes volúmenes que deben transportarse solo pueden manejarse con ayuda electrónica. Como en tantas otras aplicaciones, el ordenador resuelve, en las estaciones de clasificación, una adecuada planificación y supervisión del servicio. El tráfico que se desplaza hacia la estación de clasificación, incluso el que proviene de otros países, se anuncia con suficiente antelación para que cuando el tren arribe ya se hayan tomado todas las medidas para asignar sus vagones de acuerdo con sus estaciones de destino. Por otra parte, la descomposición y cornposicióii de los trenes ya se realiza de forma completamente automática. El rastreo automático de los vagones o contenedores a lo largo de la red ferroviaria o su supervisión desde satélites mejorarán aún más la logística. Otro problema lo constituye la dispersión espacial de los expedidores y los receptores. Para resolverlo, deberán eniplearse técnicas alternativas para los vehículos que aceleren la carga y descarga así como la rápida recogida y distribución de los diferentes envíos a lo largo de un trayecto para que los cambios de vagones en el tren se produzcan solo una vez en el distrito de salida y otra en el de llegada. Las mejores posibilidades para conseguirlo parecen estar en los llamados sistemas "Rail and Road" que, por medio de material rodante bivalente, podrán usarse como camiones en la carretera y conlo vagones de carga en la vía.

LA TRACCIÓNELECTRICA E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

240

1.5. Empresas eléctricas lideran la implantación de nuevos sistemas

2

Por lo que acabamos de enumerar los equipos electrotécnicos y electrónicos están asumiendo un papel preponderante en los nuevos sistemas de transporte. Esta afirmación se aprecia con especial claridad en las modernas locomotoras de alta potencia. Esta puede ser la razón por la que la implantación de sistemas de transporte de A.V. está siendo liderada por grandes empresas eléctricas. Éstas a su vez forman alianzas con empresas mecánicas para manejar en condiciones óptimas las interfases entre, por ejemplo, los mecanismos de rodadura y los accionamientos o la señalización en los trenes y en las vías. De esta forma pueden ofrecerse soluciones globales por parte de un solo proveedor. La ventaja, desde el punto de vista del comprador es que la responsabilidad sea asumida por un solo suministrador lo cual resulta especialmente ventajoso dada la complejidad cada vez mayor de los modernos sistemas de transporte.

1.6. Armonización y normalización Resulta evidente que ha de realizarse un esfuerzo muy importante para armonizar y hacer compatibles los distintos sistemas de señalización, en funcionamiento en cada país. El sistema ERTMS, analizado eii el Capítulo VI, constituye un ejemplo clarísimo de lo que decimos. En cuanto al suministro de la energía eléctrica para la tracción, parece que aún se mantendrán las diferencias entre los dist,intos países durante un cierto tiempo. Sin embargo, esto no implica un impedimento para el tráfico a través de las fronteras, si los vehículos se equipan con sistemas electrónicos capaces de funcionar con las difereiit,es tensiones y frecuencias de cada una de las redes.

1.7. Innovación y futuros avances Los Congresos mundiales sobre investigación y desarrollo ferroviario, en Paris en 1994, en Roma en 1997 y en Madrid en el año 2002, que reúnen a un millar largo de investigadores, ingenieros, gestores, constructores y ejecutivos, provenientes de los cinco continentes (más de 40 países representados) se han venido celebrando tomando, como temas centrales de sus trabajos, el encontrar la mejor respuesta a las siguientes cuestiones: -

¿Cómo responder, de la mejor forma, a las necesidades de los usuarios?


-

-

241

¿Cómo conciliar política económica y transpo tes públicos'? ¿Cómo responder del modo más conveniente al desafío medio ambiental? ¿,Cuáleses el campo estratégico en el que debe centrarse la investigación ferroviaria?

Los trabajos presentados intentan resolver y dar solución a las tres primeras cuestiones y las discusiones a que han dado lugar r permiten concluir sobre la necesidad de poner en marcha nuevos proyectos de investigación que se anticipen a las necesidades del usuario y que permitan mejorar la calidad de la oferta ferroviaria, dentro de la "cadena de transporte". Los nuevos proyectos deberán contribuir también a reforzar el papel del ferrocarril dentro de la construcción de la Unión Europea. Este papel descansa sobre la idea de un desarrollo armónico y voluiitarista de crear una infraestructura del transporte europeo de características muy avanzadas. Se ha evidenciado que se hace preciso ponderar debidamente las ventajas del rail en cuanto a su inserción en el medio ambiente y muy en particular en materia de ahorro energético y de reducción de las molestias sonoras. Los debates han mostrado asimismo, en un periodo que se caracteriza por unos medios financieros limitados, la importancia que adquieren las cooperaciones, tanto a nivel nacional (colaboración investigación-industria) como a escala internacional y, más particularmente a nivel europeo, cooperación que se manifiesta por una voluntad decidida por los órganos de gobierno de la LTE, tratando de borrar las fronteras técriicas, por un desarrollo del concepto de interoperabilidad. Estas orientaciones deben concretarse en llevar a cabo investigaciones profuridas y variadas en todos los sectores de la ciencia y de la tecnología y, en particular, como ya hemos apuntado, en el campo de la electrotecnia y de la electrónica, pero sin olvidar otros dominios como, por ejemplo, el de los nuevos materiales que pueden jugar un papel muy importante para aligerar el peso de las unidades remolcadas. Se concluye, por tanto, que urge proporcionar un servicio ferroviario atractivo, capaz de dar solución a los acuciantes problemas de tráfico que sufre el transporte de pasajeros y carga. Esto solo podrá lograrse con el sistema tradicional <>,para el que ya existe una infraestructura básica en numerosos países y que deberá ampliarse y modernizarse en la forma más apropiada. Pero esto no debe cerrar la vista al futuro. El tren con levitación magnética es una de las posibilidades conocidas, para ofrecer un transporte adecuado en el siglo que acaba de empezar. La industria alemana ya ha creado el "TRANSRAPID", que constituye el exponente de una tecnología clave, para un futuro que ya parece próximo.

El primer hito importante en la historia del transporte fue la invención de la rueda y más tarde, la combinación de esta rueda con su rodadura sobre un raíl, lo cual reducía muchísimo el esfuerzo que había que realizar para el transporte de cargas. Y el impulso enorme se produjo con la aparición de la máquina de vapor. Es sabido que los primeros ferrocarriles tenían por objeto el transporte del carbón que se había convertido en el vector energético de la naciente industria moderna, a principios del siglo XIX. Más tarde empezaron a utilizarse para el transporte de viajeros y, con el descubrimiento del principio dinamoeléctrico por Werner von Siemens, se hizo posible la construcción de dinamos y motores eléctricos. Como señala D. José Ortiz Pavía, técnico de SIEMENS en España, en un interesante y reciente artículo sobre "El transporte: Pasado, Presente y Futuro": "Puede decirse que los avances logrados por Stephenson en la primitiva máquina de vapor inventada por Watt, y por W. von Siemens en la generación y tracción eléctrica, contribuyeron decisivamente a culminar el pensamiento racionalista, a consolidar el nacimiento de la revolución industrial y al "Mundo" tal y como lo conocemos en la actualidad, en donde la productividad hombrelhora se ha multiplicado por el factor 650 en 150 años gracias, en gran parte, al aumento de la movilidad".

Y sigue José Ortiz: "La baja potencia específica de la máquina de vapor ha propiciado su desaparición. Tan solo las turbinas están aún presentes en la propulsión naval". "Así pues, la tracción mecánica quedó confinada en el último tercio del siglo XX, casi exclusivamente, a los motores de combustión int,erna, al

LA TRACCIÓNE L É C T R I C A E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

243

haber evolucionado su potencia específica desde los 0,08 CVIkg de principios del siglo XX hasta los 800 CVIkg que se consiguen en las modernas turbinas aeroiiáuticas de gas a reacción". "Con las máquinas de vapor se ha pasado, en 150 años de los 20 a los 150 km/h. Con los motores eléctricos, de los 20 kndh de la primera locomotora eléctrica construida por Siemens, a los 500 km/h en las pruebas del ICE 1, a mediados de los '30y, entretanto la aviación ha pasado de los 60 krnlh de principios del siglo XX a los 2600 Kmlh de los modernos aviones de caza. En paralelo, los progresos en los cohetes permitieron lograr en la segunda mitad del siglo XX la velocidad de escape y, actualmente, los satélites artificiales tripulados, circunvalan la Tierra a los 40.000

kdh". La cita anterior se refiere a lo que podríamos llamar "movilidad real" pero como señala muy acertadamente José Ortiz, en la actualitlad, se está implantando e1 concepto de "movilidad virtual", entendiendo ésta como la comunicación humana sin necesidad de desplazamiento físico. Este tipo de "movilidad" que se remonta a milenios, sirviéndose de los más diversos procedimientos, también ha expeririientado un avance verdaderamente espectacular con la invención del teléfono, la radio, la televisión, los ordenadores y que culmina con los teléfonos móviles y las comunicaciones vía satélite.(GPS, GALILEO, etc.). Terminando esta pequeña digresión cabe prever que, para el transporte de corta distancia, se aplicarán sistemas similares a los que los norteamericanos denominan algo despectivamente "People Mover" (sistemas para mover gente), es decir trenes de funcionamiento automático, tanto el monorraíl suspendido (Ver figura 8.1.) como los convencionales del "metro" y trenes de cercanías que constituirán la base para resolver el transporte masivo a distancias cortas y tratar de paliar así la congestión en los centros urbanos, los accesos a los aeropuertos o el número de vehículos particulares. El TRANSRAPID, por su parte puede ser el exponente de una tecnología clave que pueda hacerse cargo del transporte de larga distancia. Para estos recorridos y velocidades de unos 600 km/h pueden llegar a establecerse redes, servidas con trenes de levitación magnética y motores lineales como el citado Transrapid, fruto de un consorcio europeo liderado por Siemens y cuya primera línea ha sido ya contratada recientemente por la China continental. En efecto, en enero de 2001 se firmó el contrato para la instalación de un tramo de doble vía, de 31,5 kilómetros (Todavía no se trata de una "larga distancia" i!) que unirá el centro de Shangai con el aeropuerto de la ciudad a una velocidad de 430 km/h. (todavía alejados de los 600 k r n h que hemos dicho i ! ) El iiiievo tren circula a partir de 2003 y representa un ensayo a escala real en el que habrá que poner todo el esfuerzo para ganar

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LA TRA C C I O N ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

la confianza y convencer al público e n general de las ventajas e interés del nuevo sistema. (Ver figura 8.2. con una visión del Transrapid).

Figura 5.2.

Digamos por último que velocidades mayores, del orden de los 1000

k m , , serían pensables mediante trenes impulsados por el vacío en túneles, al igual que los cartuchos en el primitivo correo neumático o mediante el aprovechamiento de la superfluidez en la penetración aerodinámica. "Bajándonos de las nubes", el objetivo de este Capítulo es adentrarnos un poco en los "misterios" de la levitación magnética y de los motores lineales, trabajando con una vía "activa", que constituyen los dos principios fundamentales del funcionamiento de los trenes con levitación.

2. Sustentación y guiado de los trenes de levitación magnética La filosofía del planteamiento de los sistemas de transporte sin contacto, resulta muy similar a la planteada en el desarrollo de los grandes sistemas informáticos, pues se trata de prescindir al máximo de las partes mecánicas móviles, utilizando para la tracción, sustentación y guiado los principios de la interacción electromagnética de manera que resulte un sistema sin piezas móviles. Para la sustentación se ofrecen esencialmente dos alternativas que consisten, respectivamente, en la utilización de las fuerzas de atracción que se ejercen entre los polos de un electroimán y el circuito magnético de retorno de las líneas de flujo, o bien en aprovechar los esfuerzos de repulsión que se ejercen entre un lazo de corriente y la imagen que este induce en una placa conductora que se desliza a alta velocidad.


245

2.1. Sustentación y guiado por atracción electromagnética Con objeto de poder evaluar los esfuerzos de atracción que se pueden desarrollar, imaginemos un circuito magnético como el de la figura 8.3., constituido por un electroimán y una placa magnética situada a una distancia "x" de los polos del electroimán.

Figura 8.3.

Suponiendo un flujo uniforme en el entrehierro y despreciando los caminos de integración en el medio magnético, la aplicación del Teorema de Arnpére a un contorno cerrado como el indicado en la figura, nos permite obtener la intensidad del campo magnético como:

Designando por " A la sección del núcleo magnético, el flujo abrazado por las "N" espiras nos vendrá dado por h=NBA=NpoHA=p0N2Ai/2x

(8.2)

con lo que la energía magnética almacenada en el entrehierro será z ( A ) ~ x x= ~ 2 / p o N 2 ~

(8.31

que depende de la coordenada "x". El esfuerzo de atracción será entonces:

Y como A = N B A, podemos expresar la fuerza por unidad de superficie del núcleo como: F/A=B2/po

(8.5)

La última fórmula nos dice que con una inducción de un tesla en el

246


entrehierro, el esfuerzo de atracción es de 81,2 Toneladas por m2 de sección de núcleo. Para levitar una tonelada, con una inducción de 1 T, bastará entonces un núcleo de 123 cm2 de sección. Si se quiere mantener un ent,rehierrode 15 mm, riormal en los sistemas de sustentación por atracción, con una iiiduccióri de lT, se requerirá una fuerza magnetomotriz N i = 2x . H = 2x . B / po= 2,39 . 104 Av (amperios-vuelta) Con B = l T , x = 1 5 . 10-3m y ko= 4". Esta fuerza magnetomotriz (f.m.m.) de 23.900 Arnperios-vuelta puede lograrse con una bobina de 1600 espiras con una corriente de 15 Arnperios. En efecto, 1600 x 15 = 24.000 Av (> que los 23.900 requeridos para levitar 1T) Las 1600 espiras se pueden disponer en 16 capas de 100 espiras. Si trabajamos con una densidad de corriente de 2 Alrnm2, el hilo de la bobina deberá tener un diámetro de y una longitud de la capa y también del largo de la bobina (cota "b" de la figura 8.4.) de b = 3,l x 100 = 310 mm = 31 cm aproximadamente

Por otra parte, las 16 capas de espiras nos dan una cota "a" de unos 50 mm. Con esto, la sección de la bobina (producto a x b marcado con un aspa en la figura 8.4.) vale Lo que nos da, con un factor de ocupación del cobre de 0.75 , una sección de cobre de 15.500 x 0,75 = 11.625 mm2 que concuerda bastante bien

Figura 8.4.

L A T R A C C I ~ NE L ~ C T R I C AEN L A ALTA V E L O C IDAD FERR O VIA RIA (A.v.F.)

247

con los Av que se precisan (11.625 x 2 Al mm2 = 23.250 Av = 23.900 calculados anteriorme~it~e). La diferencia que se aprecia se debe a los redondeos. Como observación de carácter muy general hay que hacer notar que la bobina puede elegirse de muy diversas formas lo que depende de la tensión de que dispongamos para alimentarla. Aquí, con el ejemplo, solo tratamos de obtener un orden de magnitud de la potencia eléctrica que se requiere para levitar una tonelada, con un ent'rehierro de 15 mrn. Para concluir el cálculo, precisamos evaluar la longitud total del hilo de 7,5 mm2 empleado en las 1600 espiras cuadradas (con redondeo en los cantos). Teniendo en cuenta que el núcleo central tiene, como vimos 123 cm2, una espira tiene una longitud media de unos 47 cm obtenemos una longitud aproximada de cobre de

Con esto la resistencia eléctrica de la bobina, con una resistividad a 70" C de 2,24 . 10-8 il x m, vale:

R = p . 1 / S = 2,24 . 10-8x 750 / 7,5 x 10-6= 2,24 cR (ohmios) La potencia necesaria para levitar un peso de 1 tonelada, con un entrehierro de 15 rnrn y una inducción de 1 tesla será entonces W = R 12 = 2,24 x 152 =500 watios. Como se aprecia las potencias que se requieren no son elevadas, pero el sistema resulta de por si inestable ya que el núcleo tratará de pegarse a la placa. Sin embargo, este sistema puede ser estabilizado mediante un sistema de control que regule la corriente de alimentación de los electroimanes a través de un rectificador controlado o un troceador que se regulan por intermedio de un microprocesador.

2.2. Sustentación y guiado por repulsión electrodinámica

.

La figura 8.5. nos recuerda la expresión de BIOT- SAVART que nos relaciona la fuerza de repulsión que se ejerce por unidad de longitud entre dos conductores paralelos, recorridos por corrientes que circulan en el mismo sentido:

248



Figura 8.5.

La fórmula (8.6) nos dice que si se quiere mantener una separación de 100 mm, típica de los sistemas de sustentación por repulsión, utilizando los esfuerzos de repulsión de dos corrientes iguales y del mismo sentido (Ii = 1, = I), obtendremos un esfuerzo de repulsión de una tonelada por metro con una corriente de aproximadamente 70,000 A. En efecto, F = 1T = 1000 Kg =: 1O.OCiO N , L = 1 m, d = 100 mm = 0,l m y po= 41~10-7 resulta:

Por ejemplo, con el superconductor Niobio-estaño (Nb3 Sn) que tiene una temperatura crítica relativamente alta (18' K i) y que soporta densidades de corriente de 100.000 AIcm2, bastará una sección de 100 mm2 para el superconductor y para mantener esta corriente solo habrá que suministrar la potencia necesaria para refrigerar el superconductor. En la actualidad, los superconductores de "alta teniperatura" han ido mejorando sus características y algunos alcanzan uria temperatura crítica de 80" K, lo cual simplifica el mantenerlos por debajo de esta temperatura para que no pierdan su carácter de superconductor. En un sistema de alta velocidad, el modo más sencillo de obtener una corriente en la infraestructura que repela a la corriente establecida en el vehículo, es colocar debajo de éste una placa conductora, generalmente de aluminio, que deslice paralelamente al plano del lazo de corriente supeiconductora. De esta manera, la velocidad relativa entre la espira y la placa es causa de que se induzcan en esta última corrientes que evitan que el campo magnético creado por la espira superconductora atraviese la placa. (Ver figura 8.6.). Como sabemos por Electrotecnia, el efecto de las corrientes inducidas en la placa resulta equivalente a la aparición de una espira imagen, corrio indica la figura, ya que la espira inductora y la espira imagen reflejada en la placa dan lugar a un fliijo nulo en el plano de la placa.

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA íA.V F.)

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Figura 8.6

Este sistema de sustentación es estable de por sí, pero requiere una velocidad mínima del vehículo que porta la espira para que comiencen a actuar las fuerzas de repulsión. Los vehículos con este sistema de sustentación reposan sobre ruedas y su levitación comienza, generalmente, a partir de los 50 Km / h. Un inconveniente de este sistema es que las corrientes inducidas en la placa de sustentación suponen pérdidas por efecto Joule y esfuerzos de frenado que deberán ser vencidos por los sistemas de tracción de que esté dotado el vehículo. Estos esfuerzos de frenado aumentan con la velocidad hasta los 100 Km / h aproximadamente, para luego disminuir.

Podemos afirmar que para la tracción existen también dos alternativas esencialmente distintas: una es la tracción por motor lineal de inducción que solo requiere una vía pasiva y otra que es la tracción por motor lineal síncrono que requiere una vía activa.

3.1. Tracción por motor lineal de inducción El principio de funcionamiento de la máquina lineal de inducción es idéntico al del motor rotativo de inducción. La diferencia reside en que, en la máquina lineal, el devanado inductor se ha extendido sobre un plano y el campo magnético en lugar de girar, se desplaza longitudinalmente, a una velocidad que depende de la frecuencia de alimentación.

250


En la parte superior de la figura 8.7. puede verse, a la izquierda, un corte de uii motor de inducción rotativo con el rotor en corto, del tipo denominado de jaula de ardilla. A la derecha se ha cortado el arrollamiento inductor y se ha iniciado su desarrollo lineal. El esquema central representa ya el inductor desarrollado linealmente y el rotor de jaula convertido en una simple placa de aluminio colocada en el centro de la vía. Al mismo tiempo se representa la dirección del campo magnético creado por el inductor y la velocidad de su desplazamiento lineal que resulta proporcional a la frecuencia de las corrientes aplicadas al inductor. Por último, el esquema inferior de la figura representa la placa de aluminio, de longitud indefinida y el inductor montado sobre la unidad móvil, con dos núcleos inductores que abrazan a la placa de aluminio. Asimismo, se indican la dirección del campo magnético, perpendicular a la placa, la direcció~ide la fuerza que provoca el desplazamiento del vehículo al est,ar fija la placa y la dirección de la corriente inducida en la placa, formando el triedro clásico: fuerza, campo, corriente, trirrectángulo. OlRO CAMPO MAONETlCO

1

w : K * F r A r

OESPlAZAMENTO CAMPO MAcrm> V:KxF mheg

Figura 8. Z

LA T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V F.)

251

La introducción de estas modificaciones (apertura del estator del motor rotativo clásico) afecta esencialmente a las características de la máquina, fundamentalmente, en los tres aspectos siguientes: a) El núcleo inductor presenta una extremidad de entrada y otra de salida en las que, forzosamente, el campo inductor varía de un modo brusco, produciendo fuertes reacciones de inducido (corrientes en la placa) que pueden llegar a atenuar seriamente el campo inductor en toda la longitud de la máquina si la velocidad es elevada. b) En las aplicaciones más usuales el inducido es, como se ha dicho, una placa de aluminio continua y no un sistema de conductores discreto, como sucedía con la jaula de ardilla del motor rotativo. Por este motivo las corrier-ites inducidas son bidimensionales y modifican la distribución del campo magnético a lo ancho de la máquina, debilitándola en la zona central y reforzándolo en las extremidades. c) La aplicaciones al transporte de alta velocidad requieren entrehierros comprendidos entre los 30 y los 80 mm, lo que motiva que la máquina presente siempre un factor de potencia bajo, con valores de 0,4 a 0,s. La combinación del inducido sólido (placa) con los grandes entrehierros conduce, además, a que aparezca un fuerte efecto pelicular, las corrientes no penetran en la placa, con lo que la resistencia óhmica efectiva de ésta aumenta. De todo lo anterior resulta que, al precio de un factor de potencia bajo y un rendimiento inferior al de una máquina rotativa (70 a 80%), el motor lineal de inducción se utilice en transporte, porque es la configuración que requiere una infraestructura más barata y riecesita un mantenimiento menor.

3.2. Tracción por motor lineal síncrono La tracción por motor lineal síncrono es la que exige una infraestructura más compleja ya que la vía ha de constituir un devanado de avance paso a paso (entre los cuales incluimos los devanados trifásicos alimentados a frecuencia variable). Este devanado es alimentado por tramos desde tierra de una manera secuencia1 (Ver figura 8.8.). En la parte izquierda de la figura se esquematiza el llamado sistema canadiense y en él se aprecia la vía activa con su devanado de motor síncrono, las dos bandas de levitación y, en el vehículo, las espiras de tracción y las de levitación. A la derecha de la figura se representa el sistema de bobinas de avance paso a paso (vía activa) y uno de los electroi-

LA T R A C C I ~ ELÉCTRICA N

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SISTEMA M BOBINAS DE AVANCE PASO A

6

P&O (ViA K T i V A )

/

üevonada del motor rínCronO (vio activa)

Espirar de Trocción Sistema Canadiense

Sistema Japonhs

Figura

manes superconductores a bordo del vehículo, típicos del llamado sistema japonés. La alimentación secuencia1 de las bobinas puede ser: ab, bc, cd, da, ab ....., en el caso de la figura 8.8. (parte derecha), de manera que se consiga un avance del campo magnético inductor. Sobre el vehículo, como ya hemos dicho se coloca, en el sistema japonés, un electroimán superconductor para lograr grandes esfuerzos de tracción, al seguir el electroimán al campo magnético en su desplazamiento. Para plantearse este sistema de tracción debe contarse con una gran densidad de viajeros ya que, además de la vía activa, ésta debe alimentarse por tramos y cada tramo debe llevar incorporado su sistema inversor, debiendo preverse una sincronización para el paso de un vehículo de un tramo al siguiente.

3.3. Elección de una alternativa La elección de una alternativa para el transporte terrestre de alta velocidad tiene una importancia fundamental ya que de esta elección se desprende una infraestructura que será diferente para cada alternativa y condicionará a la red de alta velocidad del futuro. Creemos que la decisión debe ser el resultado de una comparación exhaustiva que comprenda estudios en laboratorio de t,odos los sistemas propuestos, de manera que la elección sea lo más acertada posible. Dentro de los sistemas que acabamos de esbozar, pensamos que pueden resolverse todos los problemas con un sistema de ~ustent~ación y guiado por atracción y con un sistema de tracción por motor lineal de inducción en una de sus dos modalidades. Señalemos que ante la alternativa vía

activa-vía pasiva existen otras elecciones que requieren un estudio detallado, como puede ser el motor lineal de inducción con inducido en jaula de ardilla. En este caso, la vía está constituida por un núcleo ferromagnético laminado por jaula de ardilla y es un término intermedio entre la vía pasiva de la placa de aluminio y la vía activa alimentada por tramos. Esta solución parece que podría aportar importantes mejoras en el rendimiento y factor de potencia de la máquina lineal de inducción. Sin embargo, conviene decir que el motor lineal como medio de tracción, sin estar asociado a un sistema de levitación no ha encontrado aplicaciones en las realizaciones llevadas a efecto hasta ahora, salvo para suplementar la tracción clásica, en tramos de fuerte pendiente ya que la traccióii suplementaria que aporta no depende de la adherencia carrilrueda, al tratarse de una fuerza de carácter electromagnético. Para profundizar un poco más en el apasionante mundo de la levitación que suprime todo rozamiento entre sólidos (nos queda la resistencia al avance del aire i!) vamos a analizar más de cerca las características concretas del proyecto "MAGLEV - TRANSRAPID" que ha superado la fase de experimentación y cuenta ya con una realización para unir, como se ha dicho, el centro de Shangai con su Aeropuerto (35 km). La denominación "MAGLEV", que suele omitirse por brevedad, nos indica ya que el tipo de levitación adoptado es el magnético por atracción (magnetic- levitation).

4. Ti-en "MAGLEV-TRANSRAPID" 4.1. Generalidades Creemos que ha quedado suficientemente establecido que una nación industrializada, decidida a conservar su competitividad económica debe adaptar, continuamente, sus capacidades de transporte y sus sistemas a la demanda creciente que va a producirse sobre las mismas. En esta necesidad puede apoyarse la decisión, tomada en 1969 por el Ministerio Federal de Transporte de Alemania, para encargar un estudio sobre un tren de tecnología avanzada y alta velocidad en el rango de los 400-500 krníh. Una de las primeras conclusiones de este trabajo fue que el desarrollo de un tren de levitación magnética y muy alta velocidad cobraba sentido en un contexto de avance de la economía nacional y de una política adecuada de transporte. En efecto, los desarrollos convencionales, basados en la combinación rueda carril alcanzan su máximo rendimiento econóiriico (relación prest,aciones de transporte - coste total) en un rango de veloci-

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dades comprendidas entre 200-300 km / h. (tal es el caso del AVE). Por debajo de 200 las prestaciones no son coiiipetitivas frente al tráfico aéreo o por carretera: Por encima de 300 los costes se disparan en una proporción geométrica. Para conseguir unos rangos de velocidad mucho mayores (alrededor de los 500 km 1 h de velocidad de crucero), manteniendo los costes en un nivel comparable a los del ferrocarril conveiicional y respetando las crecientes exigencias medioambientales, resulta imprescindible basarse en soluciones técnicas totalmente "novedosas" ya que las existentes han alcanzado su líniite tecnológico-económico, una vez transcurridos casi 200 años de continuas evoluciones desde el desarrollo del primer ferrocarril. Así, como decimos, en los años setenta se empezaron los estudios basados en distintas modalidades de levitación magnética. Tras la correspondiente toma de decisiones la tecnología de la levitación magnética, que posibilita el desplazamiento de uii vehículo sin contacto con la estructura que lo soporta, ha cruzado esa barrera que parecía infranqueable para el ferrocarril convencional, sustlitluyendouno de los mayores invento de la Humanidad, que durante milenios tanto servicio le ha prestado: la rueda. Saltándonos los sucesivos sistemas y ensayos vamos a ir, directamente, al sistema "MAGLEV", avalado por el contrato suscrito con China para una realización a escala real, con objeto de establecer un enlace entre el ceiitro de la ciudad de Shangai y su aeropuerto. Lo primero que conviene señalar es que este tipo de guiado y de tracción abre nuevas posibilidades al transporte ferroviario, no solo en cuanto a una mayor velocidad sino también en seguridad y esto último porque el vehículo abraza a su elemento de guía con lo que el descarrilamiento resulta imposible. Asimismo, además de acortar los tiempos de viaje resulta muy compatible con el medio ambiente y muy confortable. En definitiva, permite pensar seriamente en recuperar mercados perdidos y en constituir un sistema competit,ivo, especialmente con el t,ransporte por carretera. El tren se ha diseñado para velocidades comprendidas entre 400 y 500 km 1 h y su f~incionamieritoconsiste en deslizar, sin contacto mecánico, sobre una plataforma guía (en adelante la designaremos simplemente por "plataforma"), basándose su levitación en las fuerzas de atracción electromagnéticas que aparecen entre unos electroimanes, situados a bordo del vehículo y controlados por separado y los raíles ferromagnéticos fijados sobre la plataforma. El principio es el mismo que el expuesto en el apartado 2.1. Para que la fuerza de atracción produzca un efecto de levitación, los electroimanes abrazan a la plataforma y actúan por debajo del vehículo. Al tratar de cerrar el entrehierro entre el electroimán y el carril sujeto



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a la plat,aforma, lo que hacen es levantar el vehículo y evitar que roce con la superficie de la plataforma, es decir, producen un efecto de "levit,ación" del vehículo (Ver figura 8.9.).

Guiado

En la misma figura se aprecia una línea de electroimanes, también montados sobre el vehículo, que tienen por misión su guiado para centrarlo sobre la plataforma. En efecto, estos electroimanes mantienen al vehículo, por su acción lateral, centrado sobre la plataforma. Un sistema electrónico muy fiable asegura que el vehículo en todo momento suspendido sobre la plataforma, mantenga una distancia, entre los electroimanes soporte y los raíles ferromagnéticos, de 10 mm por encima de la plataforma (En el apartado 2.1 habíamos hecho los cálculos suponiendo un entrehierro de 15 mm). Resulta importante destacar que este efecto de levitación no guarda una relación directa con la distancia que pueda existir entre la parte inferior del vehículo y la superficie de la plataforma (Ya en la figura se aprecia que es bastante mayor que el entrehierro que acabamos de citar). Así, la distancia entre la plataforma y la superficie inferior del vehíciilo se diseña para que, durante la levitación, se mantenga en un valor de unos 15 cm, con lo cual el tren puede seguir circulando con capas de nieve o polvo por debajo de esta cota. Para la tracción se ha elegido un sistema de vía activa, con un motor lineal "de estator largo" que trabaja como motor síncrono. Esta solución corresponde a la descrita en el apartado 3.2 y la ventaja que presenta es que tampoco precisa contacto mecánico entre la platafoi~rirry el vehículo, es decir lo que los anglosajones denominan "contactorless", A diferencia de la tracción clásica, en el caso de un medio de transport e que trabaja sobre carriles, en la que el motor electrice está instalado

sobre el vehículo y recibe la energía que precisa para trasladarlo por patines que rozan una tercera vía o por medio de un sistema catenaria-pantógrafo, en nuest.ro caso los paquetes ferromagnéticos en donde está alojado, en ranuras, el arrollamiento trifásico, todo ello fijo a la plataforma constituyen la unidad primaria de propulsión que, al producirse el desplazamiento de la onda creada por las corrientes trifásicas, provoca que el veliículo se enganche sincrónicamente a ella a través de los electroimanes montados a bordo y que, curiosamente, son los mismos que los encargados de efectuar la levitación. Estos electroimanes se alimentan con corriente continua en todo momento. Vemos por consiguiente que, tanto para la tracción como simultáneamente para el frenado, el TRANSRAPID se sirve de un sistema que se basa en el mismo principio que un motor eléctrico trifásico síncrono convencional cuyo estator circular se hubiera abierto y extendido a lo largo de toda la traza, con lo cual no se produce un campo magnético rotativo sino un campo magnético que se desplaza linealmente. Y en este caso, los electroimanes de suspensión del tren actúan como el rotor del motor, alimentados con corriente continua como sucede también con la rueda polar de un motor síncrono, alimentada con corrient,e a través de su excitatriz. Digamos, finalmente, que en los imanes de suspensión se encuentran unos generadores lineales de energía que alimentan los equipos enibarcados, sin necesidad de captarla a través de pantógrafos o contactos de tercer carril. De este modo el tren circula sin ningún tipo de contacto físico con la vía, ni para ser propulsado ni para alimentar los equipos embarcados. En caso de fallos de tensión existen unas baterías a bordo que suministran la energía necesaria, la cual ha sido acumulada durante el funcionamiento normal. Por consiguiente, en el tren magnético, al contrario del resto de los sistemas de transporte conocidos, el sistema de tracción, constituido por los paquetes estatóricos ferromagnéticos con un campo trifásico desplazado linealmente, se encuentra en la vía y no en el vehículo. Evidentemente lo anterior reduce el peso del vehículo y simplifica su tecnología. Además la transmisión de potencia eléctrica a través de colectores resulta superflua. La potencia de tracción puede regularse de manera continua, desde la parada hasta la velocidad de crucero, variando la intensidad y la frecuencia de las corrientes trifásicas. Para invertir la dirección del empuje bastará con cambiar la secuencia de alimentación de las fases del estator para que el campo magnético invierta su sentido de desplazamiento con lo cual, como ya se ha dicho puede actuar como freno.

Para evitar pérdidas de energía el "estator largo" que se desarrolla sobre la plataforma, éste se subdivide en secciones, de las cuales tan solo aquella sobre la que se encuentra en cada momento el tren está alimentada eléctricamente. Con el fin de evitar los efectos de disrupción sobre el terreno (fenómenos de corte de las corrientes), la plataforma suele elevarse sobre el siielo dejando un vano libre de unos 4,5 m, lo cual también favorece la protección medioambiental. Sin embargo también puede efectuarse el trazado a nivel del terreno. La estructura soporte de la plataforma se ejecuta en acero u hormigón y se apoya sobre columnas bastante esbeltas, espaciadas a intervalos de 25 a 30 m (Ver figura 8.10.).

La plataforma absorbe del 80 al 90% del coste de un tren magnético super rápido. Pero este coste no resulta mucho más alto que el de la construcción de la infraestructura para un tren convencional moderno, de A.V. Cuanto más desfavorable sea la topografía del terreno a atravesar, tanto más ventajosa resulta la comparación de costes. Y esto, porque el TRANSRAPID posee una gran facilidad para superar pendientes de hasta un 10% y, además, solo precisa, en curvas y a una velocidad de 400 k m h , radios mínimos de 4000 m ya que su alineación con la plataforma resulta de una gran flexibilidad. Estas cualidades permiten disminuir el número de túneles y desmontes a realizar. Si se compara el coste de una plaza, en el vehículo del sistema TRANSRAPID, su coste resulta del orden de 113 del que corresponde al de un

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LA T R A C C I Ó N ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V F.)

asiento, en un avión comercial de reacción. Otro factor bastante decisivo es el alto grado de utilización que se consigue. Para apreciar la rentabilidad de un sistema de transporte no basta con considerar su coste de instalación ya que otro criterio no menos decisivo resultan ser los costes de explotación. También en este caso, consigue el tren magnético ser más ventajoso, gracias a sus bajas necesidades de mantenimiento y coste de los servicios. Los tres sistemas básicos de levitación (soporte), guiado y tracción funcionan sin consumo apreciable: donde no hay rozamiento no puede haber consumo. Además la plataforma está sometida a cargas que se reparten uniformemente y no a cargas puiituales (las ruedas en un tren convencional).

Sin embargo, en la actualidad no son los aspectos económicos los que prevalecen ya que se ha producido una concienciación por lograr una mejora medioarnbiental. Curiosamente, lo que hace al TRANSRAPID viable económicamente es también lo que hace que resulte ecológicamente aceptable. El TRANSRAPID, lo mismo que los trenes de A.V. convencionales se acciona por energía eléctrica pero su plataforma está siempre libre de polución debida a humos de exhaustación o de cualquier otro tipo de sustancias. Tampoco genera ruidos de rodadura durante la tracción: hasta 200 k m h se desplaza silenciosamente si bien, a velocidades mayores, se generan ruidos de origen aerodinámico. Pero, incluso a 400 y 500 km / h el nivel de ruido es más bajo que el de un tren convencional cuando circula a velocidades de 200 km/h. Por último, los estudios de transporte efectuados han demostrado que el TRANSRAPID, cuando cubre distancias de alrededor de 800 km puede resultar ventajoso frente a un transporte por carretera o por avión. Con su aplicación se reduciría el tráfico por carretera y el número de vuelos cortos y por último, pero no menos importante, bajaría la polución originada por los camiones y la aviación. Hasta aquí hemos pre~ent~ado, a grandes trazos, las características de este tipo de tren, con tecnología tan avanzada. Tal vez, llevados por el entusiasmo que produce en todo ingeniero, un proyecto brillante, todo han sido alabanzas y ventajas del nuevo sistema. Vamos a ver, a continuación, algunos detalles y las fases por las que ha pasado su desarrollo y el punto en el que nos encontramos, al empezar el siglo XXI, sobre su utilización e implantación en las próximas décadas.

4.2. Desarrollo El tren de levitación magnética que acabamos de describir someramente es de tecnología alemana. Ya el nombre de TRAI'JSRAPID es propio

LA TRACCION ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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de este tipo de tren desarrollado en República Federal de Alemania desde comienzos de 1971. Se puede añadir que, en dos décadas, ha resultado posible desarrollar un sistema de transporte radicalmente nuevo, pasando de los modelos de laboratorio a una disponibilidad plena y fiable, es decir a algo que puede instalarse o venderse, a algo disponible comercialmente. Los trabajos dieron comienzo, durante los primeros años, explorando dos vías posibles de desarrollo: -

utilización de la técnica de levitación electromagnética (atracción).

-

partiendo de una levitación electrodinámica (repulsión).

El fundamento de ambos métodos ha sido expuesto en los apart,ados 2.l.y 2.2 de este mismo Capítulo. En la primera línea trabajaron MBB y Kraus-Maffei y en la segunda el grupo formado por AEG, BBC y Siemens. En 1974 los primeros presentaron ya el TRANSRAPID 04, con una tracción por estator corto que alcanzaba ya la respetable velocidad de 200 km 1 h (Ver figura 8.11.).

260

LA T R A C C I ~ NE L E C T R I C A E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

Para ensayar las características del sistema electrodinámico se efectuaron pruebas con un modelo de 12 m de longitud, en una pista circular de 880 m, en Erlangen (Alemania) (Ver figura 8.12. con el prototipo EET. Este modelo solo alcanzó 160 km/h.

En 1976 el primer prototipo de levitación magnética, con tracción con un estator largo, desarrollado sobre la vía como hemos visto en el punto anterior, fue probado en Kassel, en las instalaciones de la Thyssen Henschel. Tenía 5 m de largo y pesaba 2,5 toneladas y alcanzó una velocidad de tan solo 36 km/h pero disponiendo solo de una vía de 100 m de longitud. En 1979 se presenta ya un modelo de demostración en la Exposición Internacional del Transporte de Hamburgo. Allí tuvo ocasión de convencer a los más conservadores que se oponían y dudaban del nuevo sistema. Las demostraciones diarias en la Feria hicieron ganar confianza a las empresas implicadas y quedó ya adoptado como sistema el tipo Maglev (levitación magnética) con estator alargado (vía activa). En esta época se decidió la construcción de una "test facility" (estación de ensayos) de un tamaño que permitiera entrar en la fase de definición del sistema. Esta planta se instaló entre las comunidades de Lathen y Doerpen, en Emsland. La instalación entró en servicio en 1978 formándose, por otro lado un Consorcio que agrupó a todas las industrias que hemos mencionado antes y que inicialmente habían seguido caminos distintos.

LA TRACCIÓNELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

261

Contamos todo esto porque pensamos que constituye un buen ejemplo de cómo se lleva a feliz término un proyecto de esta envergadura y como, en un momento dado todos los esfuerzos se aúnan en beneficio de lograr el fin propuesto. Para terminar este breve repaso del desarrollo del TRANSRAPID alemán, digamos que en 1979 se construye el Transrapid 05 y en 1985 el 06 y ya, en el año 1989 el 07 en el que ya se aplica una tecnología reforzada en seguridad y con una construcción que resulte económicamente competitiva. Es este modelo el que se ofertó a Shangai y que ha entrado en servicio en el año 3003, en el que escribimos este libro.

4.3. El sistema de propulsión y su alimentación eléctrica La figura 8.13. nos muestra una sección recta en la que se muestra con más detalle el sistema de soporte y levitacióri de este últ,irno modelo. En ella podemos apreciar, marcado con el 11"1 el electroiniári en forma de una "E" en horizontal, que sirve para realizar la levitación y que está unido al vehículo a través del brazo que contornea a la plataforma. Con el no 2 se indica el núcleo ferromagnético, unido a la plataforma, en el que se alojan, en ranuras practicadas en el mismo, los paquetes de bobinas que constituyen el estator ilimitado de la máquina síncrona que realiza la tracción.

Figura 8.13. 6. Patines de soporte 7. Sensor IKREFA (localización del vehículo) 8. Bogies de levit,ación 9. Suspensión de la cabina 10. Resorte neumático

1. Imán de sustentación 2. Paquete del estator con arrollamiento del motor de tracción 3. Ariollaniieritos del generador lineal 4. Imanes de guiado 5. Frenado por corrient,es de Focault

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LA T R A C C I ~ NE L É C T R I C A E N LA ALTA V EL O C ID A D F E RR O V I A RI A (A.v.F.)

El no 3 nos indica la posición del generador lineal que, situado sobre el vehículo, alimenta los equipos de a bordo, sin contacto físico con la plataforma. El no 4 señala la posición de los electroimanes que, situados a cada lado de la plataforma, centran por atracción el vehículo con respecto a la plataforma, manteniendo un entrehierro mínimo que evite todo roza~iiiento. El índice no 5 nos posiciona un freno eléctrico, al que todavía no nos habíamos referido, que trabaja por corrientes de Foucault y el no 6 nos indica la posición de los patines, encargados de mantener una separación de unos 15 cm entre la parte inferior del vehículo y la plataforma, con lo que aquel puede circular incluso con capas de nieve de este espesor. Al producirse la levit,ación estos patines dejan de rozar sobre la plataforma.

En caso de fallo de la tensión de alimentación a la vía, durante la circulación de un vehículo, el tren toma energía de unas baterías embarcadas que se han ido cargando por inducción durante la marcha normal gracias a los generadores lineales, como más tarde veremos. Estas baterías alimentan los sistemas de tracción y guiado, mientras que el tren continúa levitando por efecto de su propio movimiento hasta su detención en la próxima estación. Si la siguiente estación de parada se encontrase a una distancia excesiva para ser alcanzada por inercia, se programa la parada del vehículo en puntos de parada auxiliares que se sitúan a lo largo del trazado. El frenado se efectúa mediante el sistema de freno sin contacto por corrientes de Foucault a que antes nos hemos referido (Referencia no 5 de la figura 8.13.), el cual asimismo se alimenta por las batería embarcadas. Por efecto de este frenado el vehículo pierde velocidad y se mantiene en suspensión hasta los 10 km/h. A partir de esta velocidad se pierde la levitación y se apoya en los patines antes marcados con el no 6 deslizando sobre ellos hasta detenerse por completo unos segundos m6s tarde. Gracias a este concepto de frenado seguro, en el que la levitación se garantiza y la parada se produce en un lugar preparado para ello, se evita que una parada de emergencia se produzca en mitad de la traza. Volviendo a la figura el no 7 nos indica la situación de unos sensores que nos fijan la posición del vehículo con respecto a la vía activa (sistema INKREFA, que se describe en el apartado 4.9. de este mismo Capítulo). Los números 8 marcan los "bogies" de levitación, el no 9 el mecanismo de suspensión de la cabina y el no 10 nos indica la posición de un "muelle neumático", es decir, de los amortiguadores que monta el vehículo. La figura 8.14 nos muestra un vehículo del TR07 durante su montaje con el carenado lateral inferior retirado para apreciar mejor la complejidad del interior.


E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V F.)

263

Como puede verse los soportes que abrazan a la vía activa (que también aparece en la figura jiinto con la plataforma que la sustenta) son múltiples para cada unidad del tren. Más concretamente, cada sección dispone de 15 imanes de suspensión (levitación) y 13 imanes de guiado autónomos. Con el no 3 hemos señalado, en la figura 8.13. la situación de los generadores lineales que alimentan los equipos embarcados sin necesidad de captarla a través de pantógrafos o de tercer carril En la figura 8.15 se muestra un detalle del generador lineal situado en los electroimanes de suspensión. Estos generadores transforman parte de la energía cinética del vehículo en energía eléctrica y, por tanto, producen esta última en tanto que el tren se mueva. Veamos ahora con un poco más de detalle la forma en que tiene lugar la propulsión del vehículo y como se efectúa la alimentación eléctrica del devanado colocado en la vía activa: El principio del accionamierito deriva, como ya hemos dicho, del funcionamiento del motor síncrono lineal que permite efectuar la tracción, tanto de avance como de frenado, sin que exista contacto físico y, por lo tanto, de nianera independiente de los coeficientes de adherencia. Asimismo permite reducir las inversiones al poder aprovechar la capacidad de superar pendientes, que posee el vehículo "Maglev". Un esquema del conjunto puede verse en la figura 8.16. En su parte superior se aprecia el carril-guía, sujeto a la plataforma que aloja, en ranu-

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Generador lineal para servicios auxiliares embarcados

...

Figura 8.15.

ras, el devanado trifásico que produce el campo que se desplaza horizontalmente. Este arrollamiento está dividido en secciones que se alimentan por "feeders" (circuitos de alimentación eléctrica), con objeto de mejorar el rendimiento y una mejor utilización. En la parte inferior se muestran los polos de los electroimanes de suspensión que, además de asegurar la levitación del vehículo, juegan el papel de constituir los polos de excitación del motor síncrono. Alrededor de cada polo aparecen los paquetes de espiras por las que circulan la corriente continua que origina el campo magnético. Obsérvese que, en el primer polo completo que aparece en la figura su bobina de excitación está recorrida por una corriente que sale del papel por el lado izquierdo y entra por el derecho, con lo que nos da un polo norte visto desde la parte superior del esquema. En cambio, en el polo siguiente, la corriente sale por el lado derecho y entra por el derecho. Luego, visto desde arriba tenemos un polo sur como debe ser. La pequeña flecha interna a cada polo nos, marca tamnúcleo laminado del esiatoi arrollamiento del estalor

PLATAFORMA

arroilarnienio de excitacion generador lineal

bién la dirección en que se genera el flujo magnético de cada polo y como los dos flujos se suman a la hora de crear campo magnético. En las cabezas de los polos anteriores se aprecian unas ranuras en las que se aloja un arrollamiento auxiliar que corresponde al generador que ya hemos mencionado en las figuras 8.13. y 8.15. Este generador Lineal es el ericargado de suministrar la energía que se precisa a bordo del vehículo, tarito para alimentar los arrollarnientos de excitación de los polos a que nos hemos referido antes como para el funcionamiento del aire acoiidicioiiado y otros servicios auxiliares del treii. Estos generadores funcionan en base a las variaciones de flujo causadas por las ranuras del estator (fijo a la plataforma) y las tensiones inducidas son función de la velocidad con que se desplaza el vehículo. Los arrollamientos son trifásicos y las tensiones que resultan han de ser rectificadas a bordo antes de su utilización en la forma apuntada. El motor síncrono, de estator largo (todo lo largo que dure el recorrido del tren) present,a las siguientes características que merecen destacarse: -

-

Como consecuencia del efecto combinado de la levitación y del sistema de tracción, el peso del vehículo determina la excitación que precisa el motor. Una característica del sistema es una relación elevada de carga útil ("pay load") de los vekiíciilos. El cont,rol del esfuerzo de tracción mantiene constante el flujo del motor en el entrehierro. Por tanto el empuje solo puede variarse modificando el valor y el ángulo de fase de la corriente del estator (recuérdese que el estator está montado, fjjo, sobre la plataforma).

-

Las secciones individuales en que se fracciona el estator son más largas que el vehículo. Por consiguiente, la reactancia de fugas del arrollamiento estatórico y del "feeder" que alimenta cada sección, son los parámetros principales que fijan las características del motor propulsor.

-

El principio en que se basa el motor de tracción (campo que se desplaza a lo largo de la vía) exige una ahentación trifásica cuya tensión y frecuencia puedan regularse. Esto conduce a una alimentación a partir de convertidores estáticos, instalados a lo largo del recorrido.

4.4. Fuerzas que s e oponen al avance. Criterios de diseño Disponemos de algunos datos del TR06 y aunque ya existe un modelo más avanzado (el TR07) su análisis puede servirnos para establecer los criterios de diseño de los trenes MAGLEV.


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El TR06 consistía en 1111 tren dividido en dos secciones, con una longitud total de 54 m, un peso de 122 toneladas y con capacidad para alojar hasta 200 pasajeros. Su sistema de propulsión se proyectó para mantener una velocidad continuada de 300 km/h y cuando el peso baja a 108 t,oneladas permite alcanzar 400 k m k (las 14 T de diferencia pueden corresponder a los 200 pasajeros que a 70 Kg de media nos dan esas 14 T).

La curva de resistencia a la tracción, lo mismo que sucedía con los trenes de A.V. más clásicos (Ver Capítulo V, Resistencia a la tracción) resulta un punto de partida decisivo a la hora del diseño del vehículo. De ahí la importancia de la figura 8.17. que vamos a analizar con cierto detalle. En ella aparecen: r ***O.

-.-

I

generador lineal imanes de suspensión y guiad, resistencia aerodini total

--

O O

100

200

300

400

500

~~ikmlh]

Figura 8.17.

-

-

Con trazo continuo la resistencia al avance total (en ordenadas la fuerza en kN y en abscisas las velocidades en km/h. Con línea de puntos se representa la fuerza que absorbe el generador lineal para producir la energía eléctrica que se precisa a bordo del vehículo. Esta fuerza multiplicada por la velocidad nos dará en cada instante la energía eléctrica que está produciendo el generador lineal. Como se aprecia en la figura, la fuerza resistente se mantiene en un valor constante, de unos kN hasta una velocidad de 150 km/h. A partir de ahí disminuye lo cual nos indica que el generador tiende a trabajar a potencia constante.


-

267

Con una línea de trazos se indica la resistencia aerodinámica al avance, es decir, la debida exclusivamente a la resistencia del aire. Como en otros casos esta curva es de tipo parabólico y crece con el cuadrado de la velocidad. Se aprecia, por ejemplo, que al pasar de una velocidad de 300 a otra superior de 400 km/h la potencia necesaria de tracción se duplica. En efecto, a 300 km/h la fuerza debida a la resistencia del aire vale, aproximadamente 28 kN y a 400 km/h pasa a valer 48 kN y se tiene:

valores bastante diferentes por la imprecisión de la figura pero que tienden a la relación apuntada. -

Por último, con una línea de punto y raya se ha indicado la resistencia que ofrece el vehículo debida a la suspensión y guiado magnéticos. Esta curva crece al principio, en los valores bajos de velocidad y solo lo hace muy débilmente a partir de las velocidades superiores a los 100 km/h.

La potencia del motor de tracción resulta de la curva total de la figura

8.17. que nos dice la fuerza de tracción que ha de darnos el motor. El devanado que se esquematiza en la figura 8.16. ya se ha indicado que ha de ser trifásico y montado a ambos lados de la plataforma guía. El paso polar, indicado por la designación " ~ p en " la figura 8.16. se escogió, en el TR06, de 0,258 m. es decir, aproximadamente 30 cm lo que nos da, para una velocidad máxima de 400 k m h , una frecuencia máxima de alimentación al estator de 215 Hz. En efecto, la ecuación de onda de un movimiento sinusoidal nos dice que ha de cumplirse

A (longitud de onda) x f (frecuencia) = U (velocidad de propagación de la onda)

U = 400 krdh = 400/3,6 = 11 1,11, mis A = doble del paso polar = 2 x 0,258 = 0,516 m Con estos valores, llevados a la fórmula anterior nos resulta f = 111,111 0,516 = 215 Hz. Con un nivel de aislamiento de 6/10 k v en el cable utilizado en el devanado del motor, desarrollado sobre la vía, se eligió, para el TR 06, una tensión de fase (tensión simple ó tensión fase-tierra) de 4250 voltios como valor máximo de la tensión de alimentación, extensible a 4500 V para ensayos a velocidad alta. La corriente máxima alcanza un valor de 1200 amperios. Con estos valores, para el c a b l ~que forma los arrollamientos del estator (sobre la vía) se eligió: Una sección de 150 mm2 , de cobre en la etapa inicial de la estación de ensayos y de 300 m m q e aluminio para la segunda fase de su construcción.

268


Finalmente, se ensayó una sección de 285 mm2 en cobre en la zona del recorrido que tenía una pendiente de 35 %o (por cada 28,6metros en horizontal, subida de l m en vertical). Por otra parte, ya hemos dicho que el devanado situado sobre la vía está dividido en secciones de forma que solo se alimenten aquellas por las que va pasando el tren. Esta manera de alimentar las sucesivas secciones suele denominarse "salto de rana" o sea, de manera alternada y de forma que se solapen. La figura 8.18. muestra, esquemáticamente, esta alirnentación de energía de forma selectiva, para cada tramo por donde circula el tren. En efecto, el tren que suponemos circula de izquierda a derecha encuentra la sección en la que entra con alimentación por los dos extremos (solape). La sección izquierda que está abandonando acaba de cortar la alimentación de energía (interruptor abierto). Ai continuar el tren su avance y entrar en una nueva sección se abrirá el interruptor posterior, ahora cerrado y se cerrará el que aparece en la figura más a la derecha y que en el dibujo está aún abierto. Las dos ramas que se han dibujado a ambos lados de la plataforma constituyen los "feeders" (alimentadores) que corren paralelos a la vía.

La energía eléctrica que alimenta la traza proviene de la red de transporte (132-220 kV) y, como decimos, la corriente se alimenta por los dos extremos del tramo en tensión desde dos subestaciones independientes entre sí. La distancia entre subestaciones depende de los requisitos del trazado. En la figura 8.19. puede verse un ejemplo del esquema eléctrico del circuito básico de suministro de potencia de tracción al tren que circula. (Se trata del adoptado para el banco de ensayos del TR-06).

LA TRACCIÓN ELÉCTRICAEN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V F.)

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7 Red publica 11O kv

31;

Transformador l l O M ) kV Barras 20 k v

Transformadores a rectificadores Rectificadores lnterruptores de los circuitos de rectificadores Circub de enlace en c.c. Inversores grupos I y II Transformadores de salida Interruptores de salida

Cable del sistema de alimentación de potencia 1

En la parte superior se aprecia la conexión a la red de transporte que, en la figura, se supone de 110 kv. Mediante un transformador esta tensión se reduce a 20 kv. Desde estas barras de 20 kv, ya en el interior de las subestaciones, se procede a rectificar la corriente alterna de 20 kv, adaptando esta tensión a la que recibe la unidad rectificadora que nos da un circuito de continua que trabaja a 2,6 kv. En la figura se aprecian, en oscuro las reactancia de "alisado" de la continua y los interruptores de apertura rápida que protegen a las unidades rectificadoras. También apreciamos en el esquema que para pasar de 20 k v alterna a 2,6 kv continua trabajan dos rectificadores en paralelo. El sistema funciona de forma que las barras de continua que, como decimos trabajan a 2,6 kv, mantengan esta tensión constante y por medio de dos circuitos inversores del tipo de modulación del ancho de pulso generan un sistema de tensiones trifásicas regulables entre O y 2027 voltios, con una frecuencia también regulable entre O y 215 Hz. Cuando la frecuencia tiene valores de O a55 Hz el sistema trifásico se conecta directamente al estator largo del motor. Para frecuencias más elevadas los transformadores de salida de los inversores sirven para aumentar la tensión hasta un máximo de 7800 voltios, con una corriente de 1200 A que es la

que circula por los arrollamientos del motor como vimos anteriormente. La tensión de 7800 voltios es tensión compuesta; luego la tensión de fase vale 7800 1 4 3 = 4500 voltios como dijimos antes. Puede verse también en la figura 8.20. que existen dos conjuntos inversores marcados 1 y 11 en la figura que alimentan cada uno de los "feeders" laterales que hemos visto antes que discurren a lo largo de la vía (marcados cable de suministro 1 y cable de suministro de energía 11. Los dos iriversores trabajan con una regulación común que atiende a los inversores, a la salida de éstos y a la información, de la que hablaremos más adelante, sobre la posición del tren en la vía.

Entrada imolores sistema I

Entrada á motores sistema II

Por último, cuando el tren se frena eléctricamente, la energía que se acumula en la subest,ación se devuelve a las barras de continua de 2,6 kv pasando de dichas barras a alimentar, por un lado, parcialrnente, a las resistencias de frenado, a través de un interruptor (en las que se disipa en forma de calor) y por otro, a troceadores ("choppers"), que t,anibién se cierran sobre resistencias de disipación. (Ver figura 8.19).

4.5. Aceleración y distancia entre estaciones El tren MAGLEV permite, manteniendo el mismo horario comercial que

LA T R A C C I ~ NELECTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F.)

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un tren convencional de A.V., dar servicio a más estaciones intermedias a lo largo del recorrido. También permite, manteniendo los mismos puntos de parada intermedios disminuir el tiempo comercial de recorrido. La razón hay que buscarla en el motor lineal instalado en la vía que permite adaptarse a los requerimientos comerciales, reforzando aquellas zonas en las que el tren precisa una aceleración o frenado superiores. Sin influir negativamente en el confort de marcha, el tren magnético reduce significativamente los recorridos necesarios para acelerar y frenar y se adapta mucho mejor a las necesidades de explot,aciónen el caso de requerirse un mayor número de paradas. Así, según datos tomados de un trabajo de J. C. Lorenzo Villanueva de SIEMENS, el TRANSRAPID precisa tan solo recorrer una distancia de 5 km para acelerar de O a 300 km/h (una aceleración media casi sostenida de 1,44 rnIs2) mientras que un tren de alta velocidad basado en el sistema rueda-carril como el AVE precisa unos 30 kilómetros para alcanzar la misma velocidad (con una aceleración media que va decreciendo con la velocidad de 0,24 mís2). Teniendo en cuenta estas prestaciones, la distancia óptima entre estaciones con parada va a depender de la utilización que se vaya a dar al tren magnético y su explotación. Siguiendo con el trabajo de Juan Carlos Lorenzo, se tiene: -

-

-

En una conexión corta, por e.jemplo a un aeropuerto, el tren magnético puede equiparase a un tren urbano (metro) en el centro de la ciudad con paradas cada 2-5 km y velocidades de hasta 140 km/h. Si se emplea para enlazar dos ciudades importantes situadas a una distancia media, por ejemplo 300 km, las estaciones podrári encontrarse a unos 30-50 kiu de distancia con velocidades de hasta 350 km/h. Si se utiliza en una distancia larga, sea nacional o internacional, de unos 600 km la competitividad del tren magnético ha de establecerse con el avión y para ello es conveniente llegar a velocidades de de 500 km/h . Para aprovechar esta ventaja, las estaciones iritermedias no deben estar situadas a menos de 100 km de distancia entre sí.

La figura 8.21. resume las consideraciones anteriores. En la parte superior de la misma aparecen las curvas de aceleración de un tren de A.V. tipo AVE y del TRANSRAPID y en la parte inferior se han esquematizado las distancias entre estaciones de parada, en función del tipo de servicio.

8 min

7 min

6 min 5 min 4 rnin

3 min 2 min 1 min

Distancia corta (conexión a aeropuerto) Distancia 2-5 km, final a 20-30 km Velocidad 140 kmlh. final 250 kmlh

Distancia media (conexión entre dos ciudades cercanas) Distancia 30-50 km. flnal a 5-10 km Velocidad 350 kmlh, final 250 kmlh

Larga distancia (conexión entre dos ciudades lejanas o internacional

Distancia 100 km, final a 5-10 km Velocidad 500 krnlh, final a 250 kmlh

4.6. El trazado Gracias al guiado magnético y a la potencia del motor lineal, en el MAGLEV se dan unas condiciones muy favorables para poder simplificar los parámetros restrictivos debidos a la orografía. Recordando que un tren tipo AVE necesitaba un radio mínimo de curvatura de 4800 m, a una velocidad de 250 k d h , en el tren de levitación magnética a 300 k d h el radio mínimo de curva es tan solo de 1600 m, a 400 kmíh de 2800 m, a 450 kmlh de 3500 y tan solo a 500 k m h se llega a valores mínimos del mismo orden que precisaba un tren convencional a una velocidad mitad. es decir a 250 km/h.

L A T R A C C I ~ NELÉCTRICAE N L A ALTA VE L OC ID AD FERR O V IA R IA (A.v.F.)

273

En lo que respecta a la capacidad para superar pendientes el TRANSRAPID también resulta más ventajoso ya que es capaz de circular por rampas de 100%o(por 100 m en horizontal , subir 10 m en vertical, equivalentes a 5,7 grados de rampa) mientras que el ferrocarril de A.V., por depender de la adherencia rueda-carril, requiere rampas no máximas de 12-15 %o y desde luego nunca por encima de 4 0 % ~ ~

4.7. La construcción de túneles Ya en el apartado 2.5.del Capítulo 11 nos hemos referido brevemente a los problemas aerodinámicos que se plantean en la circulación de un tren de A.V. por un túnel y como las diferencias de presión venían influidas por la sección recta de éste y por el coeficiente de obstrucción (sección del vehículo / sección del túnel), habiéndose realizado estudios y simulaciones muy detalladas. Ya vimos que, por encima de los 160 kmíh se producen durante breves momentos diferencias tan altas de presión atmosférica que todos los vehículos con viajeros deben ser presurizados. Sabernos que cuando se expande en el aire un sonido de alta intensidad como ocurre, por ejemplo, con una explosión, la forma de las ondas sufre una modificación profunda, transformándose en las denominadas "ondas de choque" que desplazan con movimientos bruscos y violentos a las partículas de aire comprimiéndole fuertemente. Esta onda de choque es percibida en forma de detonación penetrante e incluso como una sacudida. La producción de ondas de choque en los túneles ha de ser evitada a todo trance por las molestias e incluso daños que pueden producir en los viajeros. La protección acústica puede lograrse por varios procedimientos: El primero y más sencillo es limitar la velocidad de circulación por el túnel y disponer un automatismo que evite que dos trenes circulen en sentidos opuestos, al mismo tiempo, por el túnel. Más sofisticada resulta la construcción de fondos de saco en las paredes del túnel. El fundamento de esta técnica, estudiada en la Universidad de Osaka, es que la aparición de ondas de choque puede evitarse por cort'os fondos de saco, distribuidos a distancias regulares dentro del túnel, modificando convenientemente sus características acústicas y consiguiendo que no se formen las temidas ondas de choque. La coi-iclusión es que, adoptando medidas constructivas adecuadas debería ser posible impedir su formación en los túneles. En el caso del TRANSRAPID dada su gran flexibilidad para el diseño del trazado, adaptándose a las pendientes y a las curvas con mucha facilidad en zonas montañosas es reducir a un mínimo la construcción de túneles y viaductos.

Las secciones de los túneles necesarias para el tren magnético resultan similares a las elegidas para un tren de A.V. Así, para una velocidad de 300 M,con doble vía el TRANSRAPID precisa la misma sección de 78 m2 que dábamos en 2.5., utilizada por los ferrocarriles alemanes. En cambio, para el ICE alemán con esas mismas condiciones usan una sección de túnel de 82 m2. Pero si el TRANSRAPID circula a 400 k r n h parece aconsejable utilizar un túnel independiente para cada vía con una sección de unos 70 mz.

4.8. Circulación en invierno Una de las ventajas más grandes del tráfico guiado la const,ituye su inmunidad a gran número de influencias meteorológicas adversas que sí afectan a otros medios de transporte. En el caso del tren de levitación magnét,ica, su tecnología de tracción sin contacto con la vía lo mantiene totalment,e operativo, incluso en condiciones extremas y a las más bajas temperaturas. Por ejemplo, la aparición de un mangiiito de hielo en la catenaria que, en un ferrocarril convencional, puede llevar a la suspensión del servicio con composiciones eléctricas queda totalmente descartado en el TRANSRAPID. Por otra aprte, los elementos de tracción de la vía están protegidos bajo la plataforma. A pesar de todo, si se acumula algo de nieve en la plataforma, el tren magnético sabemos que sobrevuela la misma a una distancia de unos 15 cm, por lo cual el servicio no se ve afectado mientras la nieve acumulada no supere esta cota. Sus apoyos estructurales no generan un efecto barrera ante grandes inundaciones, como es el caso de las autovías o del ferrocarril convencional, evitando así el corrimiento de tierras. Un aspecto a considerar en los trenes de A.V. es su comportamiento con viento lateral y racheado. De ahí que sea muy importante la forma geométrica que presente el tren al viento lateral, Su forma más o menos elipsoidal deberá tener curvaturas adecuadas para que, al alcanzar el valor crítico del coeficiente de Reynolds, que marca el paso de la capa límite de laminar a turbulenta, no se produzcan esfuerzos de succión transversales y, al mismo tiempo, se reduzca al mínimo la presión dinámica de remanso. Sin poder entrar en esta tema con más profundidad porque se aleja del objetivo de este libro, si podemos añadir que en el estudio, en el túnel aerodinámico, del comportamiento de todo nuevo modelo de tren ha de atenderse a la influencia que puede tener un viento lateral. En el TRANSRA-


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PID habrá que comprobar que el viento lateral no rompe el guiado sobre la plataforma.

4.9. Control del tráfico El control del tráfico que se realiza para un tren con levitación magnética es similar al standard de seguridad y señalización empleado para los trenes de A.V. que hemos tenido ocasión de analizar con cierto detalle en los Capítulos VI y VII. Este control gobierna y asegura la circulación de los vehículos, el posicionamiento de los cambios de agu-ia y todo el resto de subsistemas y componentes importantes. El posicionamiento del vehículo se determina mediante un nuevo sistema de localización que capta una serie de marcas digitales de situación colocadas en la vía. Para la comunicación entre el vehículo y el Puesto de Mando se emplea una transmisión de datos por radio. Las dos antenas situadas en el vehículo se encuentran siempre en contacto visual con dos mástiles fijos de transmisión-recepción situados en la traza cada cierto número de kilhrnetros. Asimismo, a través del Control de Tráfico se optimiza y regula la explotación, documentando todos los movimientos y aportando un diagnóstico eficaz ante fallos del sistema. Ya en la figura 8.13. tuvimos ocasión de ver la situación del seiisor INKREFA, utilizado para la localización del vehículo sobre la vía. El acrónimo proviene de la definición del sistema como "Sistema de localización del vehículo por ri-iedidas incrementales". La función del sistema de determinación INKREFA se basa en la exploración "scani-iing", por parte del sensor colocado en la vía, de un código implantado en una placa que atraviesa el sensor ( como muestra esquemáticamente la figura 8.13. en el punto marcado con el número 7) al desplazarse el vehículo. Este código recibe el nonibre de "location reference lug" (LRL), es decir, "oreja ' o marca para darnos la referencia de localización del vehículo. 7

La localización del vehículo está garantizada contra influencias ambientales, como hielo, nieve, lluvia, contaminación ambiental y dotada de compatibilidad electro-magnética (EMC). El sistema trabaja de manera autárquica de forma que la localización viene dada siempre con precisión. La figura 8.22. nos da, esq~emáticament~e el principio de la comunicación y del sist,emade control de la operacióri del TRANSRAPID 07 .El sistema INKREFA ha sido ensayado en condiciones prácticas desde el prototipo 05, llegando con éxito hasta velocidades de 400 km/h.


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1. centro de control 2. conmutador de control

3. plataforma 4. vehículo

1


L

I

5. transmisión radio Y

Figura 8.22.

4.9.1. Centro de Control de Operaciones Cuando se instala un tren "maglev" en un servicio de larga distancia el Centro de Control de Operaciones asume la responsabilidad de todas las tareas operativas de la línea de A.V., incluidos sus sistemas periféricos. También resulta posible realizar el control de operaciones desde un subsistema descentralizado que se responsabiliza de la elección del punto de consigna de funcionamiento así como de la comunicación con otras unidades y con el Centro de Control principal. Este control descentralizado tiene la tarea de controlar y proteger un determinado tren dentro de la sección de línea alimentada por una subestación. Para conseguir un control seguro, cada unidad descentralizada puede intercambiar datos con las unidades vecinas que se situarán a unos 30 km y con la unidad central como ya se ha dicho. También los pasajeros disponen de un sistema de comunicaciones en ruta, para recibir y enviar toda clase de información.

4.10. Enlace con otros medios de transporte Un criterio a tener muy en cuenta en un proyecto de tren de levitación es que el sistema debe ofrecer un enlace eficaz para que las estaciones

resulten fácilmente asequibles desde otras formas de transporte. Ya existen diseños para, salvando unos pocos metros de andén, poder trasladarse desde el tren de A.V. a un tren de cercanías que penetra en el interior del casco urbano de una gran urbe. Lo mismo cabe decir para el manejo de equipajes, fact,uracióii, traslado de un medio a otro, por ejemplo, trenavión, etc. Señalemos, por último que, como hemos visto al hablar de A.V. conviene separar la gest,ióride la plataforma o infraestructura del tren de la operación, reserva de plazas e información al pasaje que deberá realizarse directamente por los que gestionan las unidades que circulan por el enlace establecido.

5. Wen de levitación magnética japonés a 420 km/h En Nagoya (Japón), durante la Tercera Conferencia Mundial sobre la A.V., celebrada los días 29 y 30 de noviembre de 2000, los asistentes tuvieron ocasión de visitar las instalaciones del tren japonés de levitación magnética en Yamanashi, al oeste de Tokio, dentro de lo que será la línea Chuo Shinkansen y circular con el tren MLXO1, de tres coches, a la velocidad de 452 km/h. Reproducimos a contiriuación algunos datos de esta prueba, tomados de la Revista "VIA LIBRE" (Enero 2001) que edita la FUNDACIÓN DE LOS FERROCARRILES ESPAÑOLES: << La prueba en el tren de levitación magnética tuvo tres fases, la primera consistió en el desplazamiento, con velocidad máxi~iiade 300 kiidh, desde el Centro de Mando y Control hasta el túnel Asahi. Este túnel está situado muy cerca de las cocheras de los trenes Maglev, en la parte este de la línea de pruebas o zona más próxima a Tokio. La segunda fase consistió en el recorrido entre el túnel Asahi y el túnel Sasago, donde se alcanzó la velocidad de 452 krn/h . Este último túnel está situado en el extremo oeste de la línea en la zona más próxima a la ciudad de Kofu. La tercera fase consistió en el desplazamiento desde el túnel de Sasago hasta el Centro de Mando y Control, alcanzando una velocidad máxima de 400 km/h.

El tren MLXOl de tres coches tiene una longitud total de 80,3 metros, midiendo los coches extremos 28 m y el central 24,3 m. La anchura máxima de cada caja es de 3,22 m en la parte donde se sitúan los electroimanes superconductores (Ver punto 2.2.de este mismo capítulo) y de 2,9 m en el resto. La altura de los trenes es de 3,32 m sobre la superificie de rodadura cuando se desplazan sobre las ruedas neumáticas y de 3,28 m cuando circula levitando. El tren completo pesa 84 toneladas.

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Durante el desplazamiento normal, al no tener ningún contacto físico con la vía hay que concebir fórmulas para proporcionar la energía necesaria para atender los equipos auxiliares instalados a bordo (lo mismo que sucedía con el TRANSRAPID), como los destinados a la iluminación o a la climatización. Cuando el tren sale de las cocheras los superconductores de los electroimanes principales están excitados antes de poner el tren en movimiento. En este caso se utiliza un electroimán especial que induce la corriente en la parte superior de las bobinas de levitación y guiado, sit,uadas en las paredes laterales del tren. A partir de este moriiento, el flujo de la corriente que circula por la parte inferior de las bobinas induce electricidad en unas bobinas montadas debajo del electroimán de levitación y guiado que está instalado en la pared del vel-iículo. Las bobinas especiales están conectadas, a su vez, al sistema de alimentación de los equipos auxiliares del tren y de esta forma los electroimanes situados en las paredes de la vía inducen la energía necesaria tanto para la propulsión y guiado como para los servicios eléctricos del interior del vehículo. Una vez que el tren está en marcha, la primera energía de propulsión inducida desde el electroimán especial que genera el arranque del vehículo desde el depósito de trenes o desde la estación de parada, es reemplazado por la energía proporcionada desde los electroimanes situados en las paredes de la superestructura de vía. Estos electroimanes superconductores se alimentan desde las subestaciones de transformación. Para mantener en funcionamiento los equipos eléctricos auxiliares existentes a bordo cuando el vehículo está parado, se han instalado baterías de apoyo y un generador de gasóleo. Este generador, en el caso del tren MLXOl está situado en uno de los coches extremos>>. Como se aprecia la descripción anterior, de la forma de funcionamiento del tren japonés coincide bastante bien con lo dicho en el apartado 2.2. de este Capítulo respecto a la sustentación y guiado basados en la repulsión electrodinárnica.

6. Consumo energético de los trenes Toniados también de la Revista VIA LIBRE reproducimos a coritinuación los datos en lo que respecta al consumo energético de los trenes, datos que fueron expuestos en la ya aludida Tercera Conferencia Mundial sobre la Alta Velocidad celebrada en el año 2000 en Nagoya. Cuando no acaban de obtenerse resultados claros sobre el ahorro eriergético de los países avanzados, las compañías ferroviarias mostraron en

LA TRACCION ELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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dicho foro los esfuerzos que están realizando para reducir el consumo energético de los trenes, mejorando la aerodinámica de los vehículos para reducir la influencia de la resistencia del aire, reduciendo el peso de las unidades, aumentando el número de viajeros por tren en cada desplazamiento y utilizando energías renovables. Los datos de consumos aportados fueron los siguientes: -

Deutsche Van (DB) presentó las cifras alemanas donde respecto a 100 viajeros y kiii recorrido, el automóvil con 1,7 personas por vehículo, consume 6 litros de gasolina equivalente, el tren ICE, con 313 personas por vehículo, consume 2,5 1 de gasolina equivalente y el avión con 86 personas por vehículo consume 7 litros de gasolina equivalente.

-

JR central y JR oeste (Japón) dieron a conocer que los trenes de la nueva serie 700, utilizados en las líneas Tokaido y Sanyo, han reducido en un 66% el consumo energético respecto a los "trenes bala" serie, puestos en servicio en 1964, (constituyendo el inicio de la era de la A.V.) para una misma cantidad de transporte. Según estas empresas de transporte ferroviario, en Japón se realizan en tren el 21 %I de los viajes y en estos desplazamientos el tren consume e1 3% de la energía dedicada al transporte de personas.

Según la UIC, el canon a pagar por el uso de las infraestructuras públicas es el instrumento más apropiado para que cada modo de transporte asuma los costes de los efectos negativos generados con la contaminación atiiiosférica, coritaminación acústica, pérdida en la calidad del aire, reducción de la calidad de vida en el ámbito urbano, accidentes y congestión del tráfico.

7. Distancias idóneas en alta velocidad Los trenes de A.V. de Japón han estado conipitiendo con el avión en distancias del entorno de los 800 km, pero en la actualidad y debido a la liberalización del transporte aéreo y la consiguiente guerra de precios de los primeros momentos, los trenes solo están seguros de captar casi el 100% de los viajeros en las distancias que no superen los 500 km. Las Compañías japonesas del transporte ferroviario estiman poco coherente la política del Gobierno japonés cuando permite precios en la aviación que no corresponden a los costes reales de este modo de transporte. Esperan que la reorganización ministerial incorporará el transporte aéreo a la responsabilidad de la política territorial, favoreciendo un reparto

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moda1 más adecuado donde el ferrocarril recupere e incremente su cuota proporcional en el transporte de viajeros. En la línea Tokaido Shinkansen entre Tokio y Nagoya, por ejemplo, con una distancia de 360 km, el 72 % de los viajes se realiza en tren, el 0% en avión y el 28% en automóvil. Francia mide las distancias más idóneas del tren en tiempo y estima que a partir de las 3 horas de viaje comienza a reducirse el atractivo del transporte ferroviario y empieza a crecer la demanda del avión. Para la SNCF, las dos horas y media constituye el tiempo crítico donde el tren supera a todos los demás modos de transporte. En la distancia menor a los 100 km, en Francia, el automóvil gana al tren.

JR Central, para incrementar el atractivo del tren en la línea Tokaido Shinkansen, preparaba un aumento de las frecuencias subiendo de los 11 trenes cada hora y sentido, a la cantidad de 15 trenes, es decir, un tren cada 4 minutos por hora y sentido. Hay que comentar que esta cadencia aumenta la fatiga de los encargados del control de las operaciones y exige la utilizacióii de los medios electrónicos de segurida y control más avanzados. Al proyecto anterior se suma el de crear una nueva estación en la aglomeración de Tokio. La nueva estación, denominada Shiiiagawa estará situada entre Tokio y Yokohama, a 7 km de la estación central de Tokio y a 29 km de Shin-Yokohama y puesta en servicio en el año 2003. Con la frecuencia actual de 11 trenes por hora y sentido se están ponieiido en servicio 285 trenes cada día. La demanda actual de viajeros / km por kni y día es de 70.411 en la línea Tokaido de JR Central y e 47.078 en la línea Sanyo (con una distancia total de 730 km lo cual reduce la utilización del tren, el 80% de los viajes se realizan en tren y el 20% en avión). Si subimos a una distancia de 1170 km ya tan solo el 10% de los viajes se realiza en tren y el 90% en avión.


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CAP~TULOIX: ALTA VELOCIDAD Y MEDIO AMBIENTE

1. Introducción La crisis ambiental plant,ea a la sociedad un reto difícil: evolucionar desde unos modelos de producción y consumo que se adivinan insostenibles, poniendo en marcha alternativas que hagan compatible calidad de vida y conservación ambiental y que permitan incrementar de forma sustancial la eficiencia con la que empleamos nuestros limitados recursos ambientales.

El proceso hacia un desarrollo sostenible, al que debe aspirar la sociedad en el siglo XXI, exige transformaciones estructurales para garantizar que todo crecimiento económico conlleve u11 incremento del bienestar de las personas sin efectos irreversibles para los ecosistemas naturales. En un entorno con una amplia oferta de energía y un crecimiento sostenido de la demanda, las políticas energéticas de los países desarrollados deben buscar el necesario equilibrio entre los objetivos de aumento de competitividad, integración de los objetivos medioarnbientales y seguridad en el abastecimiento. Por ello, resulta incuestionable que toda política energética debe incluir necesariamente condicionantes medioambientales.

1.1. Marco de referencia europeo Dentro de la Unión Europea, esto es así, principalmente, desde la promulgación del V Programa Comunitario de Política y Actuación en materia de Medio Ambiente, que marcó un cambio radical en la manera de entender la relación entre los sectores considerados estratégicos, entre ellos el de la energía y el medio ambiente.

282



De hecho, en 1995, con la Publicación del "Libro Blanco de una Política Energética" para la Unión Europea, el Medio Ambiente (M.A.) fue uno de los factores que definió esta política, ya que los tres objetivos establecidos en fueron precisamente: Asegurar el abastecimiento. Incrementar la productividad. - Actuar de forma respetuosa con el M.A.

-

-

Todos coriocemos la dependencia que existe entre la economía mundial y el M.A. Por una parte, el M.A. constituye una fuente de energía y materiales que se transforman en bienes y servicios para satisfacer las i-iecesidades humanas. Por otra, es un sumidero de residuos y emisiones generadas por productores y consumidores. Pero el M.A. aporta también las condiciones básicas para la vida humana y el desarrollo económico, como por ejemplo, un clima estable, un ambiente apacible libre de ruidos ensordecedores, un aire respirable, un agua potable siri contenidos nocivos y un largo etcétera que todos tenemos en mente.

2. Aceptabilidad medio ambiental El aspecto de aceptabilidad medioambiental ante cualquier innovación o nuevo sisteriia está siendo cada vez nias y más importante para la iniplementación de nuevos proyectos y, en particular para riosotros, en los proyectos de transporte por ferrocarril. La construcción de una nueva línea ferroviaria de A.V. supone atravesar numerosos espacios naturales. Por ello, ha de analizarse el impacto global y realizar el seguimiento de la afección ambiental en las zonas más sensibles. Este seguimiento detallado se realiza durante los estudios previos, redacción del proyecto y ejecución de las obras e incluso se continúa durante la explotación, tras la entrada en servicio. Resulta evidente que la mejor intervención en los espacios naturales es no intervenir. Pero también sabemos que esta situación óptima no siempre es alcanzable y que se debe asumir el reto de reducir al mínirrio la afección de la actividad humana en la naturaleza. Para conseguirlo, hay que tratar de integrar las obras con el mismo interés que suscita la construcción de un viaducto o la perforación de un túnel. En la redacción de un proyecto existe un epígrafe de "integración ambiental" vertebrado sobre el cumpliniiento de la Declaración de Impacto



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Ambiental emitida por el Ministerio de Medio Ambiente, tras el correspondiente análisis de las alegaciones presentadas durante el proceso de inforrnación pública acerca de la idea de llevar a cabo la nueva infraestructura. Además, se contempla el análisis ambiental y la clasificación del territorio, las medidas protectoras y correctoras, el programa de vigilancia ambiental durante las obras y en la explotación posterior y los estudios e informes compleriientarios que se precise. No debe olvidarse que tanto o más nocivas que las obras en si, pueden serlo los parques de maquinaria, camiiios de acceso, instalaciones, canteras y zonas de prést,amo (zonas de doiide se toma material para utilizarlo en la obra) o vertido.

Al lado del criterio económico que subyace en la elección de los emplazamientos de estos elementos auxiliares para la ejecución de las obras, debe situarse el criterio ambiental que designe zonas excluidas, restringidas o admisibles. Las zonas excluidas podrán ser espacios naturales protegidos o yacimientos arqueológicos, donde la fragilidad del entorno prohibe su uso, excepto en algunos aspectos inexcusables para la realización de la obra, que asiimirh en todo caso la restauración integra del espacio a las condiciones iniciales tan pronto como finalice la utilización. Se ha demostrado que jalonar la traza y los elementos auxiliares de forma previa al desbroce permite reducir la superficie de terreno y de vegetación que se verá alterada. También se deben jalonar los caminos de acceso que siempre deberán utilizar al máxinio los trazados preexistentes. Asimismo deberán jalonarse las zonas con especial valor ambiental, clasificadas como excluidas y que sean colindantes a la traza o a los espacios auxiliares de trabajo. Cabría agregar, como conclusióri que la presión de las preocupaciones medioambientales sobre el sistema productivo va a seguir ailriientando, como no podía ser de otra forma, por la doble vía de la ext,ensión de la legislación y de su aplicación y de la sensibilización de la sociedad.

3. Prospectiva en el horizonte del 2015 La Fundación Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial (OPTI) pone a disposición de todos aquellos que deben tomar decisiones sobre estrategias en las que la tecnología es un aspecto clave el "Segundo Informe de Prospectiva Tecnológica Industrial". En el mismo se recogen 10 estudios realizados por OPTI.

Estos estudios tienen un horizonte temporal de 15 años a partir de 2000 y para su ejecución se han constituido 10 paneles de expertos compuestos por prestigiosos profesionales de los temas objeto de estudio. Para la realización de los mismos se ha adoptado la metodología Delphi, lo que ha supuesto la elaboración de complejos cuestionarios en los que un cierto número de hipótesis de futuro se han sometido a la opinión de un elenco de 2061 expertos en los sectores analizados. De los temas abordados, son de nuestro interés el del "Ferrocarril" y el que nos ocupa en este Capítulo del "Medio Ambiente" que nosotros trataremos de concretar en relación con la A.V.F. e incluso con el tema más amplio del "Transporte". Ya tuvimos ocasión de apuntar, al hablar de los trenes de levitación magnética, la importancia de reducir el consumo energético de los trenes, (Apartado 7 del Cap. VIII). En conio niedio de protección medi~ambient~al efecto, una de las causas mayores de la aceleración sufrida en el deterioro del M.A.ha sido, sin duda, el progresivo aumento del consumo de energía y otra el crecimiento acelerado de la población mundial. La movilidad es un factor importante en el desarrollo de la sociedad actual y este crecimiento de la población guarda relación con la mejora de los medios de transporte que permiten disponer de los materiales y de la energía allí donde se precisa. La electricidad constituye un buen ejemplo de "vector eriergét,iconal permitir disponer de energía a cientos de kilómetros del lugar en que se ha generado. El constante flijjo de bu.ques petroleros por todos los mares transporta "energía" desde los pozos de extracción hasta los puntos de ut,ilización, situados a miles de kilómetros. La movilidad significa libertad, velocidad y flexibilidad y constituye el carácter diferencial por excelencia del reino animal y sobre todo del hombre moderno. Nadie, en una nación industrializada actual, puede prescindir de las características que nos da esta movilidad. De acuerdo con lo anterior, el volumen del tráfico de vehículos automóviles era en 1998 de 700 millones de coches y según los pronósticos más conservadores crecerá hasta 2300 millones de vehículos en 2030, es decir, más del triple. En España, 1/3 del consumo total energético anual lo absorbe el transporte de personas y mercancías. El número de camiones, autobuses, trenes, barcos y aeronaves crece también de manera continuada. De un informe de SIEMENS sobre M.A. del año 2000 tomamos el dato de que 30% del consumo de combustibles fósiles lo absorbe el Transporte y su combustión descarga a la atmósfera sobre 3000 millones de toneladas de dióxido de carbono cada año, lo cual representa el 14% de las emisiones anuales totales de este gas en el mundo.

Los trabajos de I+D en este campo se cent,ran en conseguir un Transporte más seguro y más "verde" y el comproniiso con el M.A. se centra en -

Las innovaciones en el sector (automóvil, ferroviario y naval)

- El desarrollo de sistemas de control del tráfico. -

El desarrollo y avances de la movilidad "virtual", conseguida por la mejora de las comunicaciones y el uso de ordenadores y de Internet.

Volviendo a las conclusiones del estudio prospectivo realizado por la OPTI , en el tema del Transporte, son las siguientes: -

A medio-largo plazo el panorama del transporte sufrirá unas transformaciones que sin duda van a influir fuertemente en el funcionamiento del sistema productivo.

-

La expansión de la A.V.F. provocará que el tráfico aéreo de personas en la Unión Europea se reduzca un 50%.

-

La homologación del ancho de vía ferroviario español con el europeo mediante la utilización de material rodante apto para ambos reducirá el efecto de una de las principales limitaciones que encuentra, en España, el tráfico industrial internacional, reduciendo la desproporcionada dependencia de la carretera.

-

La intermodalidad entre ferrocarril y carretera se traducirá en una distribución más rápida, barata y "capilar" de las mercaricías. En cuaiito al transporte marítimo, los avances en infraestructura y procedimientos pueden reducir notablemente (del orden de un 30%) el coste de la interfase tierra-mar.

-

La construcción de equipos de transporte resulta especialmente sensible al empleo de nuevos materiales compuestos. Muy crítico en el caso del ferrocarril.

En cuanto a las conclusiones del estudio, sobre la posible influencia, de la preocupación por salvaguardar el M.A., con la posible evolución del sistema productivo, se citan las siguientes:

- El tema que aparece más frecuentemente en los estudios es el de los "residuos". Se llega a plantear el concepto "planta con residuo cero" en el horizonte 2005-2010 (Sector de Química Básica Orgánica). También se contempla el desarrollo en España de una red pública de centros para la gestión y tratamiento de residuos de origen industrial. Los grandes grupos de tecnologías a desarrollar son:

Tecnologías para el pretratamiento de materias primas. Tecnologías de separación y clasificación. Tecnologías de obtención de subproductos a partir de residuos, de obterición de combustibles derivados de residuos (pirólisis, gasificación, etc.). La gestión de residuos es considerada como una parte del proceso productivo desde la misma fase inicial de diseño. En algunos sectores, por ejemplo plásticos, las tecnologías de reciclado adquieren una importancia prioritaria, no solo por razones medioarnbientales, sino por el coste de las primeras materias de origen fósil. -

Emisiones atmosféricas. La reducción del nivel de éstas, en aplicación de una normativa severa que se espera que entre en vigor entre el 2003 y el 2009 descansa en tecnologías relacionadas con la energía. Algunas de las que aparecen más citadas son: Sistemas de contbust,ión de baja emisión de NOx. Tecnologías de uso limpio del carbón. Desulfuración de combustibles fósiles. Control de emisiones en procesos de combustión en lecho fluidificado.

4. Incremento de la eficiencia energética Nuestro planeta tiene, actualmente, alrededor de 6000 millones de habitantes y se calcula que para el año 2020 esta cifre se habrá incrementado hasta 8000 millones. Por tanto la demanda de energía seguirá creciendo rápidamente, en parte motivada por el deseo lógico de los países en vías de desarrollo de industrializarse y de alcanzar los niveles de prosperidad, típicos de los países occidentales. En la actualidad, los combustibles fósiles cubren el 90% de las necesidades energéticas del mundo, pero sus reservas son limitadas y se agotarán en urias pocas generaciones. Además, cuando se queman liberan dióxiclo de carbono y las emisiones de este gas son la causa principal del "efecto invernadero". La tracción eléctrica es limpia en este sentido pero no hay que olvidar que la electricidad que consume un tren se habrá generado en alguna central que seguramente trabaja quemando combustibles fósiles.


287

Teniendo en cuenta el incremento del consumo y los problemas climáticos que conlleva, los objetivos se centran en conservar los recursos, disminuyendo el impacto ambiental. Los esfuerzos se centran: -

-

La modernización de las centrales. Generar electricidad a partir de las energías renovables. Ahorro energético en los procesos de fabricación de productos. Mejora del rendimiento energético en los servicios.

De acuerdo con las previsiones actuales los combiistibles fósiles, carbón, petróleo y el gas no seguirán siendo únicamente las fuentes primarias de energía utilizadas en la producción de electricidad pero, al aumentar la demanda, su cuota de participación aumentará del 65% al 69%, como se aprecia en la figura 9.1. sacada de un informe de KW (empresa del grupo SIEMENS). En valor absoluto, este aumento en porcentaje representa pasar del 65% de 15350 riiillones de MWh = 9978 millones de MWh al 69% de 27300 millones de MWh = 18837 millones de MWh, es decir, representa duplicar la producción de energía eléctrica a partir de estas fuentes.

Figura 9.1

De acuerdo con esto resulta esencial maximizar la utilización económica de las plantas que funcionan a partir de combustibles fósiles, con objeto de limitar su impacto sobre el M.A. y sobre el cambio cliinático. De la figura 9.1. se dediice también el colapso de las fuentes a partir de centrales nucleares, hidráulicas y de nuevas fuentes de energías renovables, a causa de su bajo rendimiento. Vemos por ejemplo que la energía eléctrica de origen nuclear pasa en porcentaje del 18 % en 1995, al 13% en 2020.

Se aprecia el criterio de que una forma eficaz de contribuir a la protección del M.A., consiste en aumentar la eficiencia energética de las centrales que consumen combustibles fósiles y en limitar las emisiones de dióxido de carbono por medio de filtros y catalizadores. Optimizar la combustión conduce a mejorar el rendimiento. Por ejemplo, las centrales de ciclo combinado que queman gas natural alcanzan rendimientos del 57%, cifra excepcional para una central térmica. Para aprovechar las ventajas de la tecnología del ciclo combinado utilizando carbón como combustible se han desarrollado plantas que incorporan una gasificación previa del carbón. Otra forma de lograr altos rendimientos (del orden del 90%) es la de combinar la producción de electricidad con el aprovechamiento del calor que normalniente se pierde, en una torre de refrigeración, con propósitos de calefacción de núcleos urbanos próximos a la central. No podemos extendernos en este tema que nos aparta del objetivo de este libro pero, a título de ejemplo curioso, que avala la utilización de la inventiva y la creatividad para abordar un problema, citemos breveniente un proyecto revolucionario para generar electricidad y no lanzar a la atmósfera el temido dióxido de carbono: se trataría de utilizar pilas de combustible ("fue1 cells") de a.lta temperatura (1000 OC) que trabajan con óxidos sólidos (SOFCs), generando electricidad a partir del oxígeno del aire junto con combustibles como el gas natural, el metano1 o el gasóleo y almacenar el subproducto dióxido de carbono ( el otro es el agua que no es problema) en depósit,os subterráneos, constituidos por los pozos de petróleo o de gas natural, ya vacíos, que habían guardado estos codiciados productos durante millones de años. Esta técnica ha sido ya ensayada y probada a escala piloto. Por último, en esta lucha por reducir las emisiones de dióxido de carbono, hay que decir que las centrales nucleares, aunque presentan otros riesgos, especialmente con los residuos radiactivos que generan están exentas, en cambio, del problema de las emisiones de este gas. En la actualidad, las Centrales nucleares (unas 450 eri todo el mundo), generan alrededor del 17% (Ver figura 9.1.) de toda la producción mundial de energía eléctrica, evitando larizar a la atmósfera 2000 millones de toneladas al año, de dióxido de carbono. Nos queda referirnos al aprovechamiento de las energías renovables: solar, eólica, biomasa, etc. Por ejemplo, en regiones muy soleadas como el Sahara o en zonas rurales de la India que no tienen conexión con la red de distribución de electricidad, la energía solar puede ser la única solución viable como fuente de energía. Los módulos CIS (compuestos de cobre, indio y diselenio) resultan bastante eficientes, aconómicos de fabricar y ofrecen buenas características de estabilidad. También conviene citar que

la energía solar no solo es una opción en climas muy soleados. En Europa se puede conseguir energía a partir del sol aunque sean frecuentes los días nublados. Resumiendo este apartado que podría ocupar, él solo, un libro creemos que se pueden resaltar las siguientes ideas: -

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El ahorro energético, sir1 merma de la calidad de vida, ha de ser acometido en profundidad, tanto en los procesos de fabricación de productos como en los consumos: accionamientos eléctricos de trenes y electrodomésticos, iluminación, calefacción y aire acondicionado, etc. La introducción de un software moderno en los procesos de control, en ingeniería, está permitiendo a muchos sectores aumentar su productividad, al tiempo que disminuye su consumo de energía. Los sistemas de lógica difusa y las redes neuronales, capaces de aprender mientras trabajan, pueden reconocer aspectos de determinados procesos y utilizar esta información para optimizar estrategias de control. Los sistemas de generación de energía eléctrica distribuida, es decir, al pié de donde se consume pueden ayudar a evitar el tendido de líneas de gran longitud que resultan muy costosa si los consumos son pequeños. Es el caso de zonas rurales que no están cubiertas por la red eléctrica del país. Otro buen ejemplo puede ser el de la tracción ferroviaria diesel-eléctrica cuando el tendido de una catenaría y el equipo de subestaciones que conlleva resulta prohibitivo (caso de los trenes costa a costa en USA).

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Hay que combatir decididamente las emisiones de dióxido de carbono que provoca la combustión de combustibles fósiles. En la figura 9.2. pueden verse las desviaciones con respecto a la temperatura

media de la atmósfera, a nivel del suelo, desde los años 1880 a 2000. En la figura se aprecia un aumento de más de 0.7 O C en 120 años (Datos publicados por el Centro Nacional de ~ a t o kClirnáticos NESDISINOAA). -

Las energías renovables como el agua, el viento o la energía solar aportan una contribución interesante para proteger nuestro clima actual. La biomasa entra en una categoría similar ya que no incrementa el contenido de dióxido de carbono en al atmósfera. La figura 9.3. ofrece una imagen muy bella de la central hidroeléctrica de ITAIPU, construida por Brasil y Paraguay y que con sus 12600 megavatios de potencia instalada es una de las centrales hidráulicas mayores del mundo.

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Una mejora importante, para conseguir el deseado ahorro energético en la red ferroviaria puede ser, además del ahorro conseguido en los sistemas de tracción, climatización de los vehículos, etc., el desarrollo de sistemas de frenado de los trenes que recuperen la energía que se consume en esta operación, para devolverla a la red de alimentación eléctrica. Ya existen los llamados "sistemas de frenado con recuperación", pero hay que potenciarlos al máximo aprovechando las posibilidades que ofrece la electrónica de potencia.


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5. El ruido como agente polucionante Ya nos hemos referido al impacto ambiental que provoca todo nuevo trazado de A.V.F. (Ver Apartado 2 de este Cap. IX) pero no debemos olvidarnos del ruido por su impacto negativo en el M.A. Los animales marinos, por ejemplo, padecen cada vez más de la polución del mar provocada por el ruido acuático que deteriora su fino sentido de la orientación. Parece demostrado que ciertas frecuencias sónicas atraen a los peces, como lo hiciera con los ratones el flautista Hamelin, mientras otras los alejan. Este fenónieno está siendo estudiado en la Universidad pero podría decirse que con el fin "perverso" de aumentar las capturas de los buques de pesca. En tierra, el ruido impacta negativamente en la salud humana y en la de los animales. Por ejemplo, una de las comprobaciones que se hace en los televisores es que sus emisiones de ultrasonidos (Frecuencias sonoras superiores a la banda que percibe el hombre) no rebasen un determinado nivel ya que si bien aquellos no molestan al hombre porque no los percibe si lo hacen a los perros y otros animales domésticos a los que altera su sistema nervioso. Por todo lo anterior hay que prestar especial atención en el diseño de vehículos, tanto a la intensidad del ruido que emiten a su paso, como al ruido que durante la marcha llega a los pasajeros afectando a su confort y dismiiiuyendo su capacidad para realizar otras actividades: mantener una conversación, trabajar con su ordenador portátil, hablar por su teléfono móvil, etc. En los buques, suele atribuirse el mareo junto al balance, causa principal, a factores como el monótono ruido de los motores diese1 de propulsión que se transmiten con facilidad a toda la nave por la estructura metálica de ésta y también a ese olor típico de lo barcos, mezcla de olor a mar, pintura, gasóleo y humos de la combustión de los motores diese1 (tipo de propulsión la más empleada, en la actualidad, en la marina mercante). Los trenes articulados de piso bajo, los chasis aniortiguados por aire, la suspensión, las ruedas con banda de caucho y otras muchas medidas para amortiguar el ruido consiguen limitar el ruido interior de los vehículos hasta los 65 decibelios (dB) a velocidades del orden de 50 km/h. Para trayectos largos el InterCity Express (ICE) en su versión más reciente (ICE 3) puede servir de ejemplo de transporte acogedor y respetuoso con el M.A. Su línea elegante, sin casi separación entre pasajeros y puesto de conducción, con una velocidad máxima que llega a los 330 krnh y con un ahorro de energía ciel 25% por km, respecto a los primitivos modelos. (Ver figura 9.4.)

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Figura 9.4.

Una de las razones de estas mejoras reside en un nuevo concepto para conseguir la tracción de este tren de A.V.: en lugar de llevar en cabeza una unidad tractora (locomotora), en este caso los componentes de tracción se reparten a lo largo del tren, lo cual representa una distribución uniforme del peso y una reducción importante de la carga por eje. Otra de las mejoras destacables en relación con el M.A. es su ahorro energético en el frenado con un sistema de recuperación. También equipa un sistema de climatización apoyado en el aire exterior y utiliza al máximo en su construcción materiales reciclables. Para el año 2005 el Deutsche Bahn AG (equivalente a nuestra RENFE) tiene en proyecto reemplazar el Euro y InterCity con versiones todavía más rápidas, económicas y "respetuosas" con el M.A. Para ello se adoptarán sistemas de frenado "antibloqueo", análogos a los que ya hoy en día resultan corrientes en la industria automóvil (ABS). También se está desarrollando un software para apoyo de los conductores de trenes locales y regionales que les ayude a optimizar los horarios, a través de un terminal compacto de datos disponible en la cabina del conductor. Una versión de Siemens, bautizada como "Metromiser", que podríamos traducir como "Sistema ahorrador" analiza una serie de parámetros como pueden ser los tiempos de parada, los perfiles de velocidad, las restricciones de marcha y la ocupación de asientos para elaborar recomendaciones para un recorrido con consumo de energía óptimo que se presenta ante el conductor utilizando señales luminosas. Este sistema ayuda como

LA T R A C C I ~ N EL~CTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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decimos a economizar energía y puede llegar a conseguir un ahorro por encima del 25 % con respecto a una conducción sin su ayuda. Cabe citar por último qiie el ruido puede constituir un problema en el entorno de las grandes estaciones y de las viviendas construidas a proximidad de los canales de acceso y salida de trenes que habrán de reducir su velocidad hasta valores que reduzcan el nivel de ruido a valores por debajo de la actual legislación. En las Estaciones, para solixcionar este inconveniente, los técnicos recomiendan actuar sobre las fuentes de ruido, bien directamente mediante el uso de equipos ferroviarios menos ruidosos o bien instalando una barrera acústica en forma de medio túnel que cubra la totalidad de las vías por encima de la catenaria. Esta última solución puede reducir casi un tercio del ruido que llega a las fachadas de las viviendas próximas. Pero el desarrollo de un proyecto de esa envergadura, en el caso de una estación importante, puede provocar una serie de impactos a los que no serán indiferentes los futuros vecinos de la zona. Entre ellos destaca el aumento del consumo de agua potable, el mayor grado de contaminación atmosférica, acústica y electromagnética y la incidencia en la calidad del aire y del suelo.

6. Comunicaciones e información como medio para reducir el tráfico (Transporte Virtual) En la actualidad, las tecnologías de la información y de las comunicaciones nos ofrecen nuevas posibilidades para reducir el tráfico de personas y mercancías. Las video-conferencias a través de Internet pueden hacer superfluos los viajes de negocios que siempre resultan costosos y que nos absorben mucho tiempo. Las estaciones de trabajo de un ordenador ("workstations") nos pueden ahorrar muclias jornadas de trabajo. Siempre se dijo que la electricidad cumplía dos papeles fundamentales: servía para transmitir energía de un punto a otro (vector energético), para transferir "power" como dicen los anglosajones y, por otro, para transmitir información. Pero esto último con un consumo de energía infinitamente menor. Como ha quedado establecido antes el consumo "desaforado" de energía es la causa principal de la agresión que el hombre causa al M.A. Luego ahorrar desplazaniientos que pueden ser resueltos de otra forma evidentemente conduce a preservar el medio y a conseguir ese objetivo de "crecimiento sostenible". La Unión Europea estima que los llamados equipos móviles en telefonía alcanzaron ya, en el año 2000, en su área, los 10 millones de unidades y en

USA se calcula que su número oscila entre 6,4 y 10,9 millones de equipos. En cifras absolutas Alemania y Gran Bretaña lideran en Europa la utilización de la telefonía móvil y entre los dos países suman la mitad del total de equipos en servicio Al crecer estas cifras pueden suponer un ahorro importante en los consumos de combustible a nivel general.

7. Impacto ambiental del tren de Levitación Magnética En el trabajo ya citado del Ingeniero J.C. Lorenzo Villanueva, de SIENIENS, se analizan las influencias que el TRANSRAPID tiene sobre el medio ambiente y se aducen, en una rápida coniparación con otros medios de transporte, una serie de características que tienen su influencia en un entorno ambiental y que reproducimos y comentamos a continuación: -

Ausencia de ruidos o sonidos de rodadura y tracción a cualquier velocidad gracias a la tecnología de levitación empleada (Ver Capítulo anterior), en contraposición a la contaminación acústica que generan el automóvil, el tren convencional o el avión. Cabe citar, corroborando este punto, la situación prácticamente insostenible que padecen en un valle suizo, a la entrada de un nuevo túnel de carretera por el ruido que genera el tráfico casi constante de camiones pesados que utilizan el paso del túnel.

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Independencia respecto a la forma de energía primaria (en contraposición al automóvil y al avión que precisan del combustible fósil). A este respecto son conocidos los esfuerzos que se están llevando a cabo para conseguir un coche eléctrico de características aceptables, especialmente para disminuir la contaminación en circuitos urbanos.

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Ausencia de emisiones gaseosas u otros residuos, a diferencia del automóvil o el avión. Ya se ha comentado que la tracción eléctrica es limpia, por ejemplo, frente a la diese1 eléctrica, pero no debe olvidarse que las emisiones se trasladan de lugar al concentrarse en las ceiitrales generadoras de la electricidad. Ausencia de generación de películas de goma o caucho, polvo, partículas metálicas o cualquier otro residuo sólido (en contraposición al automóvil y al tren convencional).

Este punto le recuerda al Autor de este libro una anécdota vivida con ocasión de visitar con un grupo de alumnos la fábrica de URALITA: el ingeniero que nos acompañaba, después de explicarnos con todo detalle las


EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F.)

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precauciones y controles que se llevaban a cabo para evitar que los operarios se contaminaran con el temido "asbestos" que entra en la fabricación de la uralita (hoy en día ya se anuncian productos similares que dicen no contener asbestos), añadió, no sin cierta ironía: les advierto que los niveles de asbestos en la atmósfera de Madrid son más altos que los tolerados gracias a las partículas que se desprenden de los ferodos de los frenos de 10s coches i!. -

Baja necesidad de superficie para la colocación de la plataforma, tanto si ésta está suspendida o sobre el suelo, a diferencia de las carreteras y a las vías del tren convencional.

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Reutilización del suelo bajo la plataforma cuando ésta está suspendida.

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Ausencia de efecto barrera, ni para los fenómenos meteorológicos ni para la fauna.

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Imposibilidad de arrollamientos de la fauna terrestre.

A estas últimas ventajas habría que contraponer el coste de la plataforma elevada frente a un trazado convencional. -

Mejor adaptación a las características topográficas mediante distintos diseños de la plataforma.

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Reducción de las secuelas que se registran en la fase constructiva.

A lo anterior cabe añadir que el tren magnético tiene para el pasajero los atractivos de gran velocidad, tiempos de viaje cortos de punto a punto, confort, seguridad, independencia de las condiciones meteorológicas, etc. todo lo cual ayuda a descongestionar las autopistas y los aeropuertos, focos ambos de emisión de materias contaminantes y grandes consumidores de energía.

7.1. Emisión de ruido

El trabajo citado aporta algunos datos interesantes acerca de la emisión de ruido, factor medioambiental que considera de gran importancia a la hora de valorar la calidad de vida. Asi, nos recuerda que vivir en las cercanías de un aeropuerto o al lado de una autopista es una experiencia que no todo el mundo desea pasar. Para relativizar la emisión de ruido hay que tener en cuenta la relación entre la magnitud física que mide dicha emisión a una distancia determi-

L A T R A C C I ~ NELÉCTRICAEN L A ALTA VE L OC I DAD F E RR O VI ARIA (A.v.F.)

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nada, el decibelio (dB, que se miden con un aparato denominado sonómetro), y los sonidos que nos rodean todos los días, en cualquier momento. Así por ejemplo: Un ruido de 0-20 dB solo se consigue en laboratorios y cámaras anecoicas (cámaras cuyas paredes absorben totalmente el ruido que les llega sin devolver (reflejar) el más mínimo nivel. -

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De 20 a 30 dB corresponde al sonido natural si no sopla mucho viento. De 40 a 60 dB es el nivel de una conversación mantenida en tono normal. De 60 a 65 dB es el de una televisión que funciona en una habitación. De 70 a 90 dB corresponde al tráfico urbano en la zona central de una gran ciudad.

100 dB y más son los niveles de ruido que existen, desgraciadamente, en una discoteca o que produce, por ejemplo un martillo neumático en su proximidad.

A la tablilla anterior cabe añadir que, según la reglamentación laboral, todo operario que trabaje sometido a un ruido de 85 o más decibelios, debe utilizar elementos protectores en sus oídos, ya que estos niveles producen a la larga lesiones irreversibles en nuestra capacidad auditiva. Uniendo esto a lo anterior vamos a tener, entre nuestra juventud, muchos sordos prematuros i!!. Volviendo al tren de levitación magnética resulta evidente que el único ruido que genera es el aerodinámico, dependiente de la velocidad. La figura 9.5. nos da los resultados comparativos de las medidas realizadas en este tipo de tren y en otros medios de transporte convencionales. El avión queda ~xcluidoporque emite un ruido muy superior a los registrados en los medios de transporte ferroviarios. Solamente se hace medioambientalmente agresivo en las cercanías de los aeropuertos al realizar las maniobras de despegue y aterrizaje. (El Autor recuerda, a este respecto, la eficacia de las pantallas protectoras, instaladas en el Aeropuerto de Frankfurt, que permitían escuchar una audición de música moderna sin la más mínima interferencia, provocada por el continuo despegue y aterrizaje de los aviones que desfilaban frente al restaurante en el que nos encontrábamos, situado a unos 100 metros de una de las pistas de más tráfico del aeropuerto).

En la figura 9.5. se aprecia el crecimiento lineal del nivel de ruido del TRANSRAPID que tan solo a 425 krníh alcanza los 95 dB. El ICE alemán llega a ese mismo valor a tan solo 300 km/h. Los trenes del suburbano llegan a 90 dB a 100 kmíh. Los trenes de mercancías se solapan con el metro y los 90 dB, también alrededor de los 100 km/h. Hay que añadir que los niveles medidos lo han sido a 25 m de distancia del tren. Otra consecuei~ciaque puede extraerse de la figura es que, a velocidades de 250 k m h , el tren magnético puede circular por los núcleos urbanos emitiendo un ruido que se sitúa en los reglamentados 85 dB y qiie resulta comparable con el que se registra con un tráfico urbano norrrial. Además cabe añadir que el sonido transmitido por el TRANSRAPID se produce e11 una banda de frecuencias que no resulta en absoluto desagradable para el oído humano. No hay puntas de intensidad ni tampoco silbidos. En este sentido es mucho más perturbador el sonido de los motores de combustión interna (MCI), en el tráfico urbano. Otro parámetro que suele tenerse en cuenta es la duración del sonido perturbador a lo largo de un determinado periodo de tiempo. Así se obtiene un nivel de perturbación que, en los distintos niedios de transporte es el siguiente:

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L A T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN L A ALTA VE L OC ID AD FE RR O VIARIA (A.v.F.)

Nivel de perturbación TRANSRAPID 10 Trenes por hora 500 plazas a 400 km/h ICE alemán 10 Trenes por hora 500 plazas a 250 krnh Trenes de cercanías 10 Trenes por hora 500 plazas a 100 km/h Autopista 2000 vehículos por hora

Medido a 50 m

Medido a 100 m

61 dB

56 dB

64 dB

59 dB

67 dB

62 dB

70 dB

65 dB

Dado que las intensidades no se suman sino que se solapan, el aprovechamiento de trazados para el TRANSRAPID, paralelos a las aut,opistas u otras infraestruct,uras viarias ya existentes contribuyen a anular el ya de por sí bajísimo impacto acústico del tren magnético. En cuanto al consumo de energía, sabemos que al ferrocarril se le reconoce tradicionalmente como un iiiedio de transporte que emplea una energía limpia, con un gran ahorro respecto a otros sistemas. Ya dijimos (Ver Capítulo VIII) que, a velocidades iguales, el TRANSRAPID consume un 30% menos de energía que un tren de A.V. Se han realizado cálculos, para un tramo hipotético de 300 km de distancia, con dos paradas intermedias, del consumo energético, referido a una plaza de pasaje y para una velocidad de circulación de 400 km/h, resultarido 71 Whlkm eq. A 2,4 litros de gasolina 1100 km. A 300 kmíh el ICE alemán consume esos mismos 2,4 litros1100 km y el tren magnético 1,6 litros 1100 km Hay que tener en cuenta que los datos del TRANSRAPID incluyen todos los consumos energéticos de a bordo (levitación, climatización iluminación, otros aparatos eléctricos, etc.) mientras que los del ICE cubren tan solo los debidos exclusivamente a la tracción. Es evidente que con los números, aunque parezca paradójico, se pueden hacer toda clase de especulaciones para llevarlos a reforzar nuestras afirmaciones pero, prescindiendo de sutilezas lo que si puede decirse con bastante aproximación es que: El tren magnético consume 3 veces menos que un automóvil y 5 veces menos que un avión y si los consumos se hacen equivalentes a la emisión de dióxido de carbono en lii0 km el nuto~nóvillanza a la atmósfera 5 kg, a 120 km/h, el "Airbus" desprende 10 kg a 900 krnlh y el tren magnético 2,7 kg a 400 km/h.


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7.2. Los campos magnéticos Las veinticuatro horas de cada día vivimos dependiendo, en mayor o menor grado, de la electricidad. Sin embargo, esa electricidad que permanece a nuestro lado y a nuestro alcance, suele pasarnos inadvertida. Tan solo algún error en su manipulación, una avería, un chispazo o un calambre doméstico, nos recuerdan que por esos cables tan familiares circula un "fluido", una "corriente" que, de otro modo, los seres vivos seríamos incapaces de detectar. Tampoco solemos prestar atención a las múltiples formas de expresión eléctrica que tiene la Naturaleza cuyo ejemplo más notable y conocido son los rayos de las tormentas que cada año se cobran centenares de víctimas en el mundo y que constituyen la manifestación, difícilmente gobernable y a gran escala, de esa misma electricidad que, de manera controlada, utilizamos en nuestros hogares, ciudades y empresas tan silenciosa y eficazmente. Sabemos que todos los aparatos e instalaciones que funcionan con corriente eléctrica generan campos electromagnéticos (CEM). Consecuentemente, nuestro mundo contemporáneo está literalmente bañado en múltiples tipos de campos electromagnéticos. Conviene recordar que la intensidad de un campo electromagnético disminuye de forma aproximada con el cuadrado de la distancia. Esto significa, por ejemplo, que si el campo creado por una línea eléctrica tiene un valor VEINTICINCO a diez metros de distancia, a cincuenta metros no tendrá CINCO sino UNO y a cien metros no tendrá DOS COMA CINCO sino CERO COMA VEINTICINCO y así sucesivamente. Se han realizado investigaciones importantes para analizar las posibles relaciones de los CEM con algunas dolencias específicas como el estrés, las fatigas musculares y el cáncer. Las investigaciones han sido tanto biológicas (estudios "in vivo" e "in vitro", como epidemiológicas, de ámbito laboral y doméstico). El problema estriba en determinar si estas exposiciones son dañinas y, en caso de una duda razonable acerca de que este daño pudiera existir, establecer a partir de que intensidad o en que tipo de exposición aparece un determinado riesgo. De los estudios "in vitro" se ha llegado a la conclusión de que "No hay ninguna acción directa sobre el material genético y, por tanto, no existen posibilidades de que se produzcan malformaciones o cáncer en base a este mecanismo". Se puede afirmar rotundamente que los CEM no ionizantes, no alteran el material genético.

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LA T R A C C I ~ NELECTRICA E N LA ALTA V E L OC IDAD FE RR O VIAR I A ~A.v.F.)

Los estudios "in vivo" abarcan desde el análisis del comportamiento hasta la fertilidad, la producción de hormorias, la reproducción y el posible efecto cancerígeno por causas no genéticas..La comunidad científica acepta, en resumen, que "No se ha establecido que los CEM tengan algún tipo de efecto biológico ni se ha podido determinar a partir de qué dosis, aún siendo elevadas, podría aparecer un determinado riesgo por pequeño que éste sea". En consecuencia, las conclusiones de todos estos estudios han hecho expresar a la Comisión Internacional de Salud Laboral que los datos que se t,ienen sobre los efectos de los CEM en la salud no justifican ningún cambio de las prácticas recomendadas en la operación industrial.

7.3. Los CEM y el Medio Ambiente En toda Europa los CEM más habituales tienen una frecuencia de 50 Hercios. Pero hay otros CEM con frecuencias muy superiores y, por tanto, de muy distintas características energéticas. Debemos recordar que "a mayor frecuencia, mayor energía", por ejemplo, los rayos X, cuya frecuencia es del orden de un trillón de hercios (1018 Hz) tiene la propiedad de hacer casi transparente la materia. Su descubrimiento fue decisivo para la realización de exploraciories médicas, pero las exposiciones a ellos puede ser peligrosa si se abusa de su utilización sin las debidas precauciones ( muchos radiólogos murieron antaño por esta causa) porque los rayos X dañan a las células vivas por su capacidad ionizante. Por lo que respecta al campo magnético terrest.re, detectado por las brújulas, hay que destacar que también t,ieiie una considerable intensidad, varias decenas de rnicroteslas (= 40 pT) pero de una incidencia muy escasa porque se trata de un campo prácticamente estático, cuya polaridad no varía. Podría precisarse que, de hecho, si experimenta modificaciones, aunque lo hace en periodos de tiempo muy largos, de miles de años, por lo que su frecuencia es del orden de milloriésiinas de hercio. Acorde con la preocupación medioanibiental que se ha hecho sentir progresivamente los últimos años, se han realizado investigaciones sobre el funcionamiento de determinados ecosistemas, corno bosques o lagunas situados bajo est,e tipo de campos (por el paso por ejemplo de líneas eléctricas de alta tensión a proximidad) sin que se haya podido detectar la más leve alteración. A la vista de la información acumulada hasta la fecha, parece demostrado que los CEM originados por las líneas eléctricas de alta tensión no



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representan ningún peligro real (evidentemente estamos omitiendo otros problemas como los riesgos de electrocución de aves, o de provocar incendios por caída de cables en servicio). Con todo y como medida adicional de precaución se han ido dictando normas en distintos países con el fin de limitar la exposición a estos campos de los trabajadores eléctricos e incluso de la población en general. Por lo que respecta a los trabajadores, el límite de exposición al campo eléctrico varía según los países entre 5 y 30 kilovoltios por metro (campo eléctrico creado entre dos electrodos separados l m y sometidos a una diferencia de potencial de 30.000 voltios) y para el campo magnético entre 500 y 5000 micro-teslas. Para el público en general, los valores más estrictos recomendados por el IRPA (International Radiation Protection Association) y la OMS (Organización Mundial de la Salud) son de 5 kilovoltios por metro para el campo eléctrico y de 100 micro-teslas para campo magnético. Como información interesante incluimos un cuadro, en la figura 9.6. que recoge los valores de campo eléctrico y magnético generados por una línea aérea normalizada a 400 k v (máxima tensión utilizada en España para el transporte de energía eléctrica) y una intensidad de 400 A (550 MVA de potencia), en las condiciones que se detallan en la figura.

Valor del cainpo rnaxirno

Valor a 20 metros del eje Valor a 30 metros del eje Valor a 50 metros del eje

Figura 9.6.

Volviendo al TRANSRAPID, al que hemos olvidado en esta larga introducción al tema de los CEM y el M.A. el trabajo del ingeniero J.C. Lorenzo se limita a establecer que el campo magnético generado por este tipo de tren, principalmente por el motor lineal de tracción instalado en la vía y los

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sistemas de levitación y guiado, resulta comparable al valor del campo magnético terrestre, situándose por debajo de las intensidades registradas en los aparatos domésticos como un secador de pelo o el horno de microondas. Según este autor, la intensidad que se registra en los compartimentos de viajeros resulta muy inferior a la de los ejemplos citados, basando su afirmación en las medidas efectuadas por la Sociedad de investigacióii para la Energía y la Tecnología Medioambiental bajo contrato del Comité Federal Alemán de Medicina en el Trabajo. Las conclusiones del estudio indican que la intensidad de los campos magnéticos registrados en toda la gama de frecuencias se encuentran entre 20 y 1000 veces por debajo de los rixáximos permitidos según la normativa DIN-VDE. De lo anterior concluye que quedan descartadas cualquier tipo de influencias sobre ma.rcapasos o tarjetas magnéticas. Como dato anecdótico cita que no ocurre lo mismo con los prototipos que se han desarrollado en Japón (la competencia es la competencia i! ): las personas con marcapasos no pueden ser viajeros de estos trenes ya que la intensidad del campo magnético en el habitáculo de pasajeros es 1000 veces superior a la del TRANSRAPID (la explicación en que como se apuntó el sistema de levitación es por repulsión en vez del sistema de atracción utilizado por los alemanes).

8. Resumen del Capítulo Es un hecho cierto que el aspecto de aceptabilidad medioanibiental está adquiriendo una importai~ciacreciente en la iniplementación de los proyectos de transporte. Así, después de una breve introducción al terna y de establecer el marco de referencia europeo, hemos abordado de forma sucinta el tema de la aceptabilidad y de cómo todo proyecto, preceptivamente, ha de incluir un estudio del "impacto ambiental" que conlleva. En el apartado 3, hemos recogido un estudio de pr~spect~iva en el marco de 15 años (hasta 2015) de la evolución del problema del M.A. y de cómo el principal factor que influye en el mismo es el despilfarro del "capital de energía" que la Tierra posee, acumulado en forma de combustibles fósiles. Además, la combustión de los mismos y la disminución de la masa verde del planeta (tala de árboles), acarrea un aumento de la cantidad de dióxido de carbono presente en la atmósfera lo que conduce a un aumento lento de su temperatura media que podría conducirnos a lo que, tal vez un poco pomposamente, se ha llamado "la muerte térmica" del planta que habitamos.

LA TRACCIÓN ELECTRICA E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A.V.F.)

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En el apartado 4, hemos analizado la forma de aumentar la eficiencia energética para frenar el derroche apuntado y también la utilización de fuentes de energía que no impliquen las emisiones de dióxido de carbono. En particular, para el transporte se han apuntado soluciones como aligerar el material rodante, el utilizar una tracción repartida a todas las unidades del convoy, el aprovechar la energía que se pierde en el frenado, etc. En el punto 5, nos hemos referido al ruido como agente contaminante, tema menos tratado en los estudios de M.A. pero que adquiere niucha relevancia en la Alta Velocidad Ferroviaria. En el punto 6, hemos apu~it,adouna posible reducción de la movilidad de las personas gracias al "transporte virtual" que permiten los potentes medios informáticos y de comunicaciones, haciendo posible trabajar desde casa, en vez de acudir a la oficina o llevar a efecto reuniones de trabajo a través de una video-conferencia, etc. Al creer en el tren de levitación magnética, como un paso más para disminuir la resistencia al avance de un tren, por eliniiriación de la resistencia de rodadura, nos ha parecido interesante tratar de analizar la respuesta cie este tipo de tren, con respecto al M.A. Se han dado una serie de propiedades típicas, comparadas con el avión y la carretera (autopista) y, dejando a un lado un estudio más detallado de los aspectos de infraestructura, por salirse del ámbito de este libro (más eléctrico), hemos tocado dos aspectos de preocupación más reciente en el campo medioambiental : son estos el del ruido que se ha tratado de nuevo, estableciendo una escala práctica de niveles y de éstos en las medidas efectuadas con el TRANSRAPID y otro el de los campos electro-magnéticos y su posible influencia en los seres vivos, aspecto éste de gran actualidad por la presencia urbana de antenas, para los enlaces móviles y por las construcciones que se encuentran a proximidad de líneas de transporte de energía eléctrica a alta tensión.

Para cerrar estas pinceladas sobre la importancia de cuidar el M.A. con el llamado "desarrollo sostenible" en beneficio, sobre todo, de nuestro hijos y generaciones venideras quisiéramos añadir que si se ha hablado del peligro del dióxido de carbono hay otro no menos grave que puede llegar a producirse, con el aumento de población en la Tierra y que es la escasez de agua limpia ("clea~iwater"), de agua potable. Téngase en cuenta que un ser humano necesita 20 litros de agua diarios para subsistir. Desgraciadamente, una quinta parte de la población mundial no dispone siquiera de esta cantidad. La mitad de la población africana está afectada por enfermedades causadas por falta de agua o por consumir aguas contaminadas. Lo anterior parece paradójico en un planeta cuyas 314 partes de su superficie están bañadas por los mares i!! Digamos, finalmente, que el principal compromiso de la generación actual es educar a nuestros hijos para que comprendan el alcance y la gra-

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vedad de la situación actual, sobre t,odo la de hacer "oídos sordos", de los países más desarrollados. Conviene recordar la frase de Berthold Auerbach: "El modo de valorar el grado de educación de un pueblo y de un hombre es la forma de cómo tratan a los animales", frase que yo extendería a todo el Medio Ambiente que les rodean, personas, animales, plantas, aguas de los ríos y mares y atmósfera en que viven.

CAPITULO X: PROSPECTIVA DE

LA TRACCIÓN ELECTRICAPARA LA A.V.F. Y CONCLUSIONES

l. Categorías de los sistemas de transporte ferroviario y sus ámbitos de utilización A nuestro juicio, resulta evidente que urge plantear un sistema global de transportes públicos. Cada medio de transporte tiene conietidos distiritos y por lo tanto ticncn áreas distintas de aplicación, no obstante estar fuertemente interrelacionacios entre sí para ofrecer al usuario la mejor correspondencia. La población mundial se concentra cada vez más en las grandes ciudades y se habla ya de "geografía urbana". Cuando la misión Apolo 11 colocó dos hombres en la Luna, en 1969, Richard Nixon, Presidente de USA en aquel entonces, comentó sobriamente "Hemos conseguido desplazar a 3 hombres a una distancia de 300.000 km, pero en Manhattan somos incapaces de desplazar 300.000 personas a 3 km". A pesar del cinismo del comentario, propio de la persona que lo hizo flota, sin embargo, un elemental sentido común. Enzarzados en uria lucha de prestigio político con la URSS, los Estados Unidos aceptaron el reto, lanzado por John Kennrdy, de pisar la Luna antes del firial de los anos setenta. Extraño y singular desafío entre dos superpotencias que tenían cosas más irnportantes eii que ocuparse más que en la conqiiista del cspacio.

El Profesor JACQUES NEIRYNCK, de la EPFL suiza (Ecole Polytechnique Fctierale de Lausarine), del que hablaremos más tarde opina, en su libro "El avión sin alas", que la rarrera por aumentar el armamento nuclear, por cortar el crecimiento del islani en Asia, poi- reducir la contaminación de las ciudades y de los campos, por erradicar la degradación de las condiciones de vida en el extrarradio de las ciudades hubieran sido temas mucho más importantes de abordar, con soluciones ecluilibradas.

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Con este panorama hemos llegado a que, treinta años después, el problema técnico del transporte masivo de personas y bienes sigue sin resolver, al tiempo que se ha renunciado a establecerse sobre la Luna, satélite radicalmente desprovisto de interés. Los programas de investigación, lanzados dentro de la carrera espacial, han permitido tan solo avanzar en campos totalmente esotéricos, como la informática o la biología molecular, pero el ciudadano medio sigue desplazándose con dificultades y utilizando unos medios técnicos que no cambian. Para los recorridos a distancias cortas y medias, el automóvil sigue siendo la solución imperante, en términos de coste y rapidez. En los países desarrollados, más de las tres cuartas de las familias poseen iiri coche por lo menos. Entre las diez empresas más importantes en el miindo se sitúan dos del sector automovilístico (GM y Ford) y dos del campo del petróleo (Shell y Exxon). Pero los coches no se adaptan debidamente a la tarea que se les encomienda: se ahogan en verano por el exceso de ozono, hasta el punto de limitar su concentración en el aire o, inclusive, a prohibir la circulación; las salidas por vacaciones se saldan con ernbotellamientos gigantescos, el coche absorbe fácilmente el 20 % o 30 % del presupuesto cle una familia aunque es cierto que le proporciona una mejora de su confort real. Del automóvil se puede decir, en resumen, que se ha convertido niás en una obligación que en una alternativa: rio se puede prescindir de él porque resulta ser el único medio práctico para ir al trabajo, llevar a los niños al colegio, hacer las compras o desplazarse buscando los ratos de ocio pero ya no quedan muchas personas que conduzcan un coche por el mero placer de conducirlo. En cuanto el desplazamiento se sitúa por encima de los 500 km, el medio más apropiado suele ser el avión, para aquellos que pueden costearlo: los trabajadores irimigrantes son casi los únicos que realizan recorridos agotadores en automóvil, desde Ginebra a Lisboa, desde CeritroEuropa hasta Marruecos o desde Zurich hasta Estambul. Los precios del transporte aéreo tienden a bajar, los reparos que pone el pasaje también, pero sobre todo, el cielo se "satura" por exceso de vuelos: un avión de línea regular pocas veces despega y aterriza de üciierdo con el horario anunciado. Las esperas se multiplican cori condiciones poco confortables. Se ha llegado ya a que se produzca11 choques eri pleno vuelo, lo cual hasta hace poco parecía muy poco probable. El avión y el coche comparten el privilegio de quemar combustibles fósiles, cuyos gases residuales contaminan tanto como agentes de corrosión (óxidos de nitrógeno) como por el dióxido de carbono que modifica una de las características esenciales del planeta: su temperatiira. En su afán por desplazarse los hombres degradan la Tierra de forma cada vez más notoria debido al crecimiento de la población.

Pero, de una manera muy especial cabe destacar que sus desplazamientos los hace mal, más despacio que lo que le permiten los medios técnicos, malgastando la energía, corriendo riesgos de accidentes, contaminando y ocupando un espacio cada día más atestado, más obstruido. Esto último es especialmente cierto para el automóvil casi siempre mal aprovechado (un solo ocupante ocupando 6 metros cuadrados de calzada, sin contar las distancias de seguridad de frenado). En resumen, tenemos campo para tratar de buscar soluciones imaginativas con una investigacibn de punta sobre los transportes. El conocido Director de empresas automovilísticas tan importantes como de la FORD alemana o la VOLSWAGEN, Daniel Goeudevert dice una frase que ericierra este contenido: "La realidad comienza con un sueño". Puede parecer que, en esta visión un poco globalizada del problema, hemos olvidado al ferrocarril. Pero, como hemos establecido a lo largo del s alta velocidad que absorben una parte del trálibro, ahí están los t r e n ~ de fico a distancias medias. Ya, en el Capítulo primero, desarrollamos una comparación entre el trayecto Madrid-Sevilla hecho en coche o en el AVE. Utilizando sistemas inteligentes de basculación integral (por ejemplo, con el sistema puesto a punto por CAF) se pueden aumentar las velocidades en recorridos tortiiosos, es decir mejorando la vía y el material rodarite, racioiializarido los horarios, consiguiendo ahorros sobre los costes de personal, parece razonable situar un hueco de aplicacióii del ferrocarril que se sitúa en los 500 km, distancia muy favorable en Europa, hueco en e1 que los trenes pueden result,ar muy competitivos, e incluso con una posición de fuerza frente al automóvil y al avión. Todavía queda aún por mejorar en su conjunto las estaciones, muchas de ellas inhóspitas. Después de este recorrido muy general llegamos, finalmente, al problema a resolver de la manera más acuciante: el t,ransport,eurbano donde los coches no caben y al pretender hacerles sitio, las ciudades se convierten en inhabitables para el viandante: Recuerdo, en Houst,ori (Texas, USA) haber salido a pasear un poco alrededor del Hotel, situado en una especie de islote terrestre y al ir bordeando la carretera se detuvo u11 coche patrulla de la Policía local y me pidió la documentación. Comprobado que no era un "marciario" o algo por el estilo me aconsejaron que no era prudente andar "suelto" por la "calle" que eri realidad no existía.. En otra ocasión pedí, en una agencia de viajes en USA, un Hotel que est,iiviera cerca de un det,erminado centro: me aseguraron que estaba "pegado" y al llegar, comprobé con extrañeza que distaba unos 6 km del lugar deseado. Mi primer pensamiento fue i! Vaya, la Señorita de la Agencia me ha engañado i!. Pero, reflexionando un poco más, me di cuerit,a que, para un nort,eamericano 6 km no son distaricia .....porque siempre piensa que los recorrerá en aut,omóvil.

308


La solución, para resolver el transporte ciudadano, desde los barrios "dormitorio" al lugar de trabajo parece estar en potenciar el transporte colectivo o público, configurando un conjunto de medios de transporte sintonizados y complementarios entre sí: ferrocarriles regionales, de cercanías, metro e incluso ferrocarril urbano, tranvías y a ~ t ~ o b u s eEn s . algunos casos se dispondrá tambieii de sistemas de transporte especiales, tales como los suspendidos, trolebuses, cremalleras, funiculares, etc. Vamos a ver esto con un poco más de detalle.

1.1. Sistema global de transportes públicos Cada medio de transporte tiene cometidos distintos y por lo tanto tienen áreas distintas de aplicación, no obstante estar fuertemente interrelacionados entre sí para ofrecer al usuario la mejor correspondencia. Siguiendo la metodología del transporte público de Alemania la Tabla 10.1. nos puede ofrecer una referencia aproximada para diferenciar los sistemas ferrovia.rios. Como se aprecia en la misma, el Cercanías clásico se subdivide en urbano y regional, según la longitud de la línea (menor de 20 km o hasta 50 km), con velocidades máximas de 80 y 100 krnlh y medias de 30 y 40 km/h. Los tiempos medios de viaje resultan de aproximadamente 0,5 y 1 hora, respectivaniente.

(1) Según la definición legal en Alemania

A su vez. La larga distancia clásica se subdivide en regional rápido, con recorridos de hasta 150 km y de larga distancia para longitudes de línea mayores. Los trenes "regional rápido operan a velocidades de 120-140


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kmíh y los larga distancia tienen velocidades punta superiores a 160 km/h. Los tiempos medios de viaje son de 2 horas y superiores a 2 horas, respectivamente. Una red de autobuses complementa a los vehículos que circulan por raíles, siendo su misión cubrir los trayectos de tráfico débil, aportar pasajeros a las redes ferroviarias o cerrar circularmente las líneas en el tráfico urbano y regional. También son considerados de gran importancia los enlaces de los sistemas de transporte público con los aeropuertos y las estaciones de largo recorrido, con el fin de ofrecer a los viajeros una atractiva cadena de transporte. Las expectativas de los viajeros en cuanto a distancia a recorrer a pié para llegar a la parada o sobre el tiempo de viaje son distintas según el sistema de transporte que vaya a utilizar. Las Tablas 10.2. y 10.3. tomadas de un trabajo de D. José Ortiz Pavía, de la División de Transporte Ferroviario de SIEMENS, que nos ha autorizado a utilizarlas, nos ofrecen valores de referencia, resultantes de la experiencia obtenida en distintos campos de utilización.

Tabla 10.2. Zona urbana

Tranvía/Autobús

Centro Otras zonas Periferia

Hasta 300 m Hasta 350 m Hasta 400 m

MetroIFerrocarril urbano y cercanías (S-Bahn) 350-500 m 400-700 m 500-800 m

Tabla 10.3. Sistema de transporte

Autot)ús

Tranvía MetroIS-Bahn

Tiempo de viaje considerado aceptable (incluido acceso y salida) 20-30 mili 30-35 min 35-45 min

Espacio recorrido aceptable en este tiempo 4 kiii

6km 12 km

Como es lógico, los recorridos a pié aumentan a medida que nos alejamos del centro de la ciudad y son mayores para el metro que para el autobús, al no poder ser tan densa la red del metro. En cuanto a los tiempos de viaje aumentan con la distancia a recorrer. La consecuencia de las expectativas esperadas por los viajeros reales y potenciales es que se genera un incremento paulatino de las exigencias que se solicitan de las instalaciones, así como respecto al servicio (por ejemplo, intervalos de circulación). Hay que observar que algunas de las exigencias o deseos de los usuarios se contradicen entre sí, ya que si la distancia entre estaciones y los tiempos de acceso se reducen, no resulta posible incrementar la velocidad de marcha.

1.2. El nietro

El Metro es el sistema de transporte público de mayor capacidad de transporte de viajeros y enlaza las zonas más pobladas de las grandes ciudades entre sí y los grandes centros comerciales, laborales y núcleos periféricos. Se caracteriza por ofrecer una gran capacidad de transporte, velocidad y frecuencia. Los valores característicos son los siguientes: Velocidad máxima ............................................................. Velocidad comercial ................................................. Dist,ancia entre estaciones ................................. Int,ervalo entre unidades ..........................................

70 a 90 krn/h 30 a 35 km/h 500 a 120O m 1,5 miriiit,os en horas punta

El Metro circula por plataforma reservada y con sistemas de señalización ferroviaria desde la más simple hasta la conducción automática sin conductor. Nunca a la vista. El Metro circula generalmente en las ciudades a través de túnel o pasos elevados mientras que, en zonas abiertas puede circular en superficies. Como las unidades circulan por vías sin cruces, la alimentación puede hacerse mediante catenaria o por tercer carril. Esto reduce las inversiones al permitir construir lo túneles con menos alt,ura. El Metro constituye uno de los sistemas de transporte urbano más antiguo, habiendo sido implantado por primera vez en 1902 en Alemania (Berlín). Su enorme capacidad de transporte se consigue mediante un buen sistema de correspondencias con los restantes sistemas de transporte y disponiendo aparcainientos en las estaciones más estratégicas de la red ("park and ride, bike and ride" que podríamos traducir por aparca y "cabalga sin coche", "pedalea" y avanza).


311

1.3. El tranvía A finales del siglo XIX se inició en Alemania la transformación de los tranvías de "sangre" a eléctrica. En la actualidad están en servicio los tranvías en 42 ciudades alemanas, con una red que alcanza los 1450 km en total. En España, el tranvía se fue abandonando casi en su totalidad, después de nuestra guerra civil, ante el acoso del autobús y la poca aceptación del trolebús. En la actualidad, el tranvía se encuentra en vías de rehabilitación gracias a los nuevos plaiiteamientos del transporte urbano y a los avances que presentan las nuevas unidades. Los tranvías clásicos circulan preferentemente por las calles, en superficie, compartiendo el espacio con el resto del tráfico rodado o mediante plataformas reservadas para lograr mayor velocidad. La mayor parte de las y ocupan pequeñas islas, marquesinas paradas están situadas en su~~erficie y andenes. El acceso a los tranvías de piso alto antiguos resultaba difícil para las personas de movilidad reducida. Este inconveniente ha desaparecido prácticariierite, con los tranvías con el 100% de piso bajo (a unos 300 mm del suelo). El construir los vehículos con piso alto (hasta 1985) era consecuencia del estado de la técnica. En efecto la utilizacióri de motores de cont,inua, con su gran tamaño, condicionaba el diámetro de las ruedas, del reductor y del bogie en su conjunto. Por otra parte la electrónica de potencia de primera generación solo podía incorporarse en cajas bajo el bast,idor. En consecuencia la altura del piso estaba entre los 900 y los 1000 mm. Con el estado actual de la técnica, con motores asíncronos trifásicos, control mediante microprocesadores, reducción del cableado mediante transmisión vía "bus" a los autómatas progianiables situados en los centros de gravedad de subsisternas y con la moderiia tecnología de los IGBT de última generación, se llega fácilmente a la construcción de piso bajo tanto para las exigencias de los vehículos con prestaciories tranviarias como con prestaciones de metro ligero o ferrocarril urbano, al que vamos a referirnos a continuación.

1.4. Metro ligero ó ferrocarril urbano El concepto de "ferrocarril urbano" surgió por primer a vez en Berlín, en la segunda mitad del siglo XIX para enlazar los núcleos urbanos con las poblaciones periféricas. En efecto, numerosas ciudades deseaban moder-

31 2


E N LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA 1A.V.F.)

nizar sus tranvías para satisfacer las crecientes necesidades del transporte público. Como la solución del metro era mucho más costosa y la capacidad de transporte no era lo suficientemente elevada para justificar tal inversión, se estudiaron nuevas soluciones orientadas a revalorar el concepto tranviario. Por lo tanto, el ferrocarril urbano se concibió como un sistema de transporte público del tráfico de cercanías, que representa una evolución que se sitúa entre el tranvía y el Metro. En numerosas ciudades se hacen esfuerzos por sustituir el concepto de tranvía por el de Ferrocarril Urbano (Metro ligero en español, Metro léger en francés y Light rail en inglés), con la finalidad de que sea más valorado y al mismo tiernpo incremente el prestigio e imagen de la ciudad y su política de transporte público. Una característica f~ndament~al de los metros ligeros (o trenes de cercanías) es su misión de unir óptimamente los núcleos urbanos densamente poblados, así como enlazar los núcleos periféricos con reducido tiempo de viaje. Ello implica una distancia entre estaciones de 500 a 2000 metros y a líneas de mayor longitud. Por lo tanto, los vehículos deberán poseer una gran capacidad de aceleración y frenado por circular también por núcleos urbanos. Además deberán tener flexibilidad para la formación de composiciones a fin de satisfacer la variable demanda a lo largo del día. Como ya se ha dicho existe una zona de indefinición entre el concepto de tranvía y el de ferrocarril urbano o metro ligero. Los conceptos de diferenciación no resultan claros ya que, como nos muestra la Tabla 10.4. se utilizan distintas denon-iinaciones en cada país.

Tabla 10.4. Alemán Inglés

Strassenbahn

Stadbahn

U-Bahn

Tramway

Light Rail

Metro

Tramway

Metro léger

Metro

Tranvía

Metro ligero

Met.ro

Francés

Español

S-Bahn Commuter Rail Réseau Express Regional Cercanías

Si utilizamos como criterios de definición el ancho y el peso de los vehículos se pueden establecer tres clases distintas: -

-

Ancho entre 2,65 y 3,00 met,ros ......................................... Metro "pesado" Ancho entre 2,30 y 2,40 metros .......................................... Metro "ligero" Ancho entre 2,20 y 2,30 metros ........................................ Tranvía

También pueden clasificarse los vehículos por la altura del piso: Altura hasta 350 mm ............................................. Vehículos de piso bajo Altura entre 400 y 600 mm ................................. Vehículos de piso medio - Altura entre 650 y 1000 mm ................................... Vehículos de piso alto

-

-

En los 15 años transcurridos desde 1985 se ha originado una fuerte evolución en todos los aspectos:

- El renacimiento del tranvía a escala mundial. -

La continua evolución del tranvía hacia el metro ligero, iniciada unos años antes.

- La aproximación de las tecnologías del tranvía, metro ligero y metro. -

La aproximación en el diseño exterior e interior de los tres sistemas.

-

La consideración de todos los costes a lo largo de la vida de los vehículos ("Life-Cycle-Costs") .

1.5. Evolución futura Para el futuro se vislumbra la siguiente evolución: -

La delimitación entre tranvía y metro ligero se difuminará cada vez más, debido al incremento paulatino de las prestaciones de las líneas traiiviarias act,uales.

- Los vehículos del metro ligero actual pasarán a ser de piso ba-joigual que los tranvías modernos. - Se producirá un cambio de nombre pasando el metro ligero a denorniriarse "Líneas trariviarias de altas prestaciones". -

Una perspectiva especialmente interesante en desarrollos futuros será la circulación riiixta por trazado urbano y ferroviario en el tráfico regional. De este niodo los tranvías o los vehículos del metro ligero pasan a la red del ferrocarril y viceversa a través de tramos de transición. Cori ello se logra acceder al centro de las ciudades sin realizar transbordo.

2. Red de alta velocidad abarcando todo el territorio Hemos ido viendo como la A.V.F. cubre las distancias del orden de los 500 km de forrna competitiva con el avióri y el ailtomóvil.

También creemos que ha quedado bien sent,ado que, de acuerdo con la nueva normativa comunitaria y la política nacional de transportes, los principios básicos que deben sustentar el modelo ferroviario español y su marco institucional deben ser: la separación institucional, más que contable o funcional, de la gestión de la infraestructura y la explotación del transporte corno forma de introducir la competencia en la prestación de los servicios ferroviarios, garantizar el éxito de apertura del mercado y revitalizar el papel del ferrocarril. Los avances tecnológicos han hecho posible alcanzar niveles de rapidez, seguridad y confort que no podían soñarse hace unos cuantos años. Del mismo modo que la maquinaria moderna de movimiento de tierras contribuyó de manera decisiva a la construcción de autopistas, los procedimientos de preparación del terreno, construcción de viaductos, tendido de vías y de catenarias, permiten coriseguir trazados por los que circular1 los trenes de A.V. con seguridad y pocas vibraciones. Si a esto se añade los progresos en los motores de tracción, el control de velocidad para conseguir aceleraciones y deceleraciones libres de cambios bruscos y, en general, el apoyo fundamental que presta la electrónica, a través de sensores, ordenadores, transmisión de informaciones, etc., se llega a la realidad de un tren AVE que circula desde hace diez aiios, uniendo Madrid con Sevilla y constituyendo una puerta excepcional de acceso a Andalucía. Siguiendo a Europa, nuestro reto actual es crear, en el horizonte de 2007 una red de A.V. de unos 7200 km, realizar el programa de cercanías y mantener el patrimonio ferroviario. Para contar con esta red de A.V. que abarca todo el territorio, la inversión prevista en este periodo, es de 48000 d o n e s de euros, es decir, unos 8 billones de pesetas, dicho en nuestra antigua unidad monetaria, para que captemos mejor la cuantía del esf~ierzoa realizar. El organismo encargado de la construcción de las líneas de A.V. es el GIF (Ente Gestor de Infraest,ructuras Ferroviarias), dependiente del ministerio de Fomento. Los criterios que se han seguido en la planificación del programa de inversiones tienen como principal objetivo la reducción de los tiempos de viaje entre las grandes ciudades. Se pretende que, al finalizar el programa, todas las capitales queden conectadas con Madrid en un tiempo de viaje por debajo de las cuatro horas. Igualniente, Barcelona no se encontrará a más de 6 horas y media de ninguna provincia. La figura 10.1, nos muestra las actuaciones previstas en la red ferroviaria de A.V. Como puede verse se conteiiipla la coristruccióii de cinco grandes corredores de alta velocidad: -

Corredor de Andalucía que conectará, a través de la actual línea Madrid-Córdoba- Sevilla, con Toledo, Málaga, Granada, Cádiz, Algeciras, Huelva y Jaén.


-

315

Corredor del Noreste, del que se está construyendo ya la línea Madrid-Barcelona- frontera, que permitirá unir Navarra, La Rioja, Soria, Teruel y Huesca.

- Corredor de Levante que conectará Madrid, a través de Castilla- La Mancha, con Valencia, Alicante, Castellón y Murcia (Esta línea se integrará con el Corredor del Mediterráneo que se extenderá desde Tarragona hasta Almería). - Corredor hacia el norte del que se construye ya el eje MadridSegovia-Valladolid / Medina del Campo que está previsto se extienda a toda la cornisa cantábrica y noroeste de España, como se aprecia en la figura. -

Corredor de Extremadura, en el que está prevista la conexión Madrid- Lisboa y que unirá Cáceres, Badajoz y Mérida con la capital de España.

VKlA)C'iD,\CJ AIATA

ANCHO KIIROPIX)

- RED CONVt3CIONAL Figura 1O.1.

316

L A T R A C C I ~ NELÉCTRICA

E N L A ALTA V EL O C ID A D F ER R O V I A RI A (A.v.F.)

Con estas actuaciones se pretende aumentar la participación del ferrocarril en la demanda global del trarisporte, hasta captar uri 30% del tráfico que se origina entre los puntos de origen y destino. Las previsiones hablan de alcanzar los 68 millones de pasajeroslaño. Se conformará un complejo de estaciones en el entorno de Atocha, estableciendo un túnel de A.V. entre las estaciones de Atocha y Chamartin. El complejo de la estación de Atocha será el punt,o de partida y llegada de cuatro de los corredores antes citados. El complejo de estaciones de A.V. de Atocha deberá atender a las dos líneas de mayor importancia que van a existir en la Península Ibérica: Barcelona-Madrid y Lisboa-Madrid y a otras dos líneas de gran atractivo que conectan el centro de la Península con las costas del Mar Mediterráneo. No podemos extendernos en este tema. Los lectores interesados pueden consultar, a nivel diwilgativo, la Revista "VIA LIBRE" antes citada.

2.1. Medio ambiente y A.V. Hemos visto, en el Capítulo 1 X que el medio ambiente está en peligro. Un estudio realizado por la OCDE demuestra que solo combinando transferencias modales (modos de desplazarse) y convenciendo a consumidores y automovilistas se podrá conseguir un sisterria de transporte sostenible. Rapidez, frecuencias y confort definen el producto de la A.V. En términos de M.A., cualquier comparación realizada entre el binomio avión-automóvil y el tren resulta siempre mucho más favorable para este último. La figura 10.2. tomada de "VIA LIBRE" de septiembre de 2001 presenta los resultados del trayecto Hamburgo-Munich, en Alemania. A lo ya dicho en el Capítiilo anterior, referente al TRANSRAPID, cabe añadir el dato de que una línea ferroviaria de A.V. ocupa entre 3 y 7 hectáreas por kilómetro, frente a las 10 que necesita una autopista, cuya capacidad de transporte de viajeros por hora es, además, netaamente inferior. Un estudio de IWW-Infras señala que los costes externos del deterioro medioambiental imputables al transporte, en el seno de la Unión Europea se elevan al 7,8 % del PIB (Producto Interior Bruto). De este total un 92 % corresponde a la carretera (el 69% procede del transporte de personas), un 6% al avión y tan solo un 1,9% al ferrocarril.


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Consumo de energía y contaminación de los diferentes modos de transporte

50 -

Consumo de energta por persona Latmr equtvalentes de gasoltna

Ernision de gases contarntnantes por penona HamburgO

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2.2. Interoperabilidad La interoperabilidad a la que nos hemos referido en los Capítulo VI y MI, con la presentación del sistema ERTMS, empieza para España por su implantación en la Línea Madrid-Barcelona-frontera. francesa. La red europea de A.V., prevista para el año 2010 puede verse en la figura 10.3. Y para 2020 esta red podría contar con 18000 km de líneas de A.V. Aunque nacida en Japón, como vimos en el Capítulo 1, la A.V.F. está ya instalada por derecho propio en Europa. En 2005, la red europea de A.V. que cuenta hoy con unos 2700 km las autopistas suman 50.000- se aproximará a los 6000 km y dependiendo de la marcha de los proyectos eii Eiiropa Central, la red podría contar en 2010 con 10.000 km de vías de A.V. y en 2020 con los referidos 18000 km. -

En 15años los tráficos de A.V. se han multiplicacio por cinco en Europa. Al cliente de los trenes clásicos se han unido los del avión y el automóvil y hasta los que nunca han viajado en tren pero se han dejado seducir por la nueva oferta. Ahora bien, como ya señalamos en los aludidos Capítulos VI y VII, la integración y el éxito f~iturode esta red pasa por que los t,reries puedan pasar de una a otra zona con la misma unidad tractora y con un sistema

318


-

Nuevas 11-r

de alta velocidad

Meiora d i limas pbra alta vekidad

Figura 1 O.3.

que reduzca a un lenguaje común los distintos sistemas de señalización, comunicaciones y enclavarnientos.: Nos referimos al Sistema ERTMS, cuya definición y requisitos que debe cumplir se están elaborando actualmente en Bruselas, en el seno de los Organismos pertinentes de la Comunidad.

2.3. AVE Madrid-Barcelona.- El nuevo puente

La visión que se convirtió en realidad hace 10 años, con el AVE MadridSevilla, cuenta en su haber con más de 40 millones de viajeros que lo han


319

utilizado en ese periodo. Se amplia ahora con un nuevo tren de A.V., capaz de desarrollar una velocidad de 350 kmh, un tren sin cabezas tractoras, sin locomotoras, donde todo el espacio de punta a purita es aprovechado para que los pasajeros viajen con la máxima comodidad, incluso viviendo la experiencia inédita det,rás mismo de la cabina de conducción. Este tren será capaz de cubrir la distancia entre Madrid y Barcelona en menos de 2 horas y 30 minutos, garantizando la puntualidad en cualquier circunstancia. Este aspecto de la puntualidad tal vez no lo hemos destacado antes con la importancia que tiene. Me viene a la memoria que, durante una estancia en Suiza, habit,aba en un pequeño pueblo y para desplazarme al lugar en donde se celebraba el Congreso al que asistía debía tomar primero u11 autobús que me acercaba a la estación y allí tomar un tren hast,a la ciudad. Disponía de los horarios de los autobuses y de los trenes que pasaban y paraban en la pequeña estacióri. Y siempre me produjo verdadera sorpresa y admiración la perfección y puntualidad con que funcionaba el sistema. Pongamos un ejemplo: el autobús pasaba delante de mi parada a las 16 h 04 minutos y llegaba a la estación a las 16 h 15 minutos. El treri llegaba a la estación a las 16 h 17 minutos y paraba tan solo un minut,~. Personalmente, dudaba de que aquel pequeño margen de 2 minutos resultara suficiente. Pero puedo asegurar que, en iina ocasión en que llegué a la estación por otros medios a las 4 en punto, me sorprendió que no había nadie. Dos minutos antes de la llegada del tren, empezaron a aparecer los que pensaban tomar el tren de las 16,17, bien bajando del autobús o bien conduciendo sus propios coches y así, casi simultáneamente, aparecieron unas veinte personas que subieron al tren conmigo. Además del conocimiento de los horarios y de la puntualidad de los servicios, lo más sorprendente, a mi juicio, es la confianza que los usuarios tienen en esa precisión que les sirve para ajustar su tiempo al máximo. Hay que añadir, no obst,ante,que los suizos son los mejores fabricantes de relojes del mundo .......ylos utiliza11 y llevan siempre en hora i!! Volviendo al AVE Madrid-Barcelona, cabe decir que su diseño obedece para hacer frente a los nuevos retos de la A.V. en el comienzo del nuevo milenio y para ser el vehículo sobre raíles más rápido del mundo en servicio comercial de viajeros. Como característica puntera el nuevo AVE no lleva cabezas tractoras Todo el equipo eléctrico del tren va distribuido a lo largo del mismo, debajo de los coches de viajeros, coi1 un 50% de los ejes motorizados. Eritre las ventaajasde la tracción cabe citar: -

100% del espacio del tren para los viajeros me.jor adherencia. m6s aceleración.


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- capacidad de superar pendientes más pronunciadas. - menos peso por eje. - más fiabilidad (un fallo mantiene el 75 % de prestaciones). - menor agresividad a la vía. - menos costes de mantenimiento. - cumple las condiciones de iriteroperabilidad de la norma europea (TSI) . El nuevo tren incorporará todos los avances tecnológicos en materia de seguridad, mantenimiento y explotación: Sistemas de información al viajero, videopantallas, puestos de trabajo con PC, portátil, telefonía, GSM, etc. - Transmisión de datos vía biis en todo el tren. - Simplificación de las tareas de mantenimiento. - Recuperación de la energía de frenado. - Máxima ergonomía del maquinista, con t,odos los mandos y datos del tren a su alcance. - Control integrado de todas las funciones del tren. - Canales de video y audio individuales para cada coche, en formato DVD y MP3. -

Vemos que el tren estará equipado con los últimos avances para conseguir un viaje agradable y confortable. Las figura 10.4. nos da una imagen de lo que será la zona de pasajeros, detrás de la cabina de conducción. La figura 10.5. nos ofrece una composición del aspecto del nuevo AVE y la figura 10.6. una fotografía de la maqueta del coche cafetería. Resumimos a continuación las características técnicas del nuevo AVE: Longitud total ........................................................................ 200 metros Peso sin carga ................................................................... 425 toneladas 8.800 kW Potencia total en llant 25 kv- 50 Hz Tensión de alimentació Ancho de ví 1,435 mm No de t,ransformadores............................................ 2 4 (2 por transformador) ...................... N" de convertidores de tracción o 16 N de motores de tracción ........................................ (4 por convert,idor) Potencia de cada motor de tracción............ 550 kW Recuperativo, reostático y Tipo de freno neumático 16 N" de frenos recuperativos (motores) No de bloques de resistencias de freno 4 No de discos de freno neilniático .................... 80

32 (50% ejes motores) 16 (8 bogies motores) 8 (1 Club, 2 Preferente, 1 Cafetería, 4 Turista) Motorización de los coches ................................... M-R-M-R-R-M-R-M Velocidad máxima en servicio comercial . 350 kmlh Aceleración de 0 a 100 km/h................................. 50 segundos 380 segundos Aceleración de O a 320 k m ,............................. Distancia de frenado desde 320 km/h a O... 3.900 metros Duración recorrido Madrid-Barcelona ...... 2 horas 30 minutos No de plazas ............................. . . . ....................................... 404 Plazas para pasajeros en siiia de ruedas . . . 2 (con acceso a todos los Servicios, incluida cafetería) No de trene 16 Fecha de entrega 2004

322

LA T R A C C I ~ NE L ~ C T R I C A EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVlARlA (A.V.F.)

Digamos, finalrneiite, sin entrar en el detalle que se ha pensado en una nueva catenaria para 350 kilómetros por hora. La catenaria elegida es un desarrollo español, iniciado por SEMI hace 10 años y en el que se irnplicaron posteriormente, COBRA y ELECNOR y que ha supuesto una inversión en I+D superior a los 400 millones de pesetas en la que ha participado el CDTI con más de 180 millones y el Ministerio de Industria y Energía con otros 50 millones más de subvención a fondo perdido.


323

2.4. Conclusiones sobre la Alta Velocidad

1. Creemos poder afirmar que la A.V. constituye un fenómeno imparable en toda Europa. El aumento de la movilidad y de la demanda, la saturación de las carreteras e incluso del espacio aéreo justifican la importante inversión a realizar para su entrada en servicio. Pero el tren y el avión, lo mismo que ya lo son el coche y su transporte en tren, deben ser aliados de viaje. En la actualidad, 178 aeropuertos están ya conectados por ferrocarril con el centro de las ciudades y, en Madrid, se ha inaugurado, en el verano de 2002, la línea de metro que enlaza en 18 minutos el aeropuerto de Barajas con el centro de Madrid, ubicado en la actualidad, más al norte de la Puerta del Sol, en los Nuevos Ministerios. Existe una gran variedad de enlaces, desde los exclusivos para aeropuertos, como el Heathrow Express de Londres o el ferrocarril del aeropuert,~de Hong Kong, pasando por estaciones situadas en líneas intercity (Gatwick en Londres), hasta conexiones más modestas de tranvía o cercanías. Se imponen los billet,es combinados y la facturación en estaciones. El tren de A.V. es, a la vez competencia y complemento del transporte aéreo. Por el contrario, el mercado natural del avión, son las distancias superiores a los 1000 km, donde conserva la mayor parte de los tráficos aunque los trenes de A.V. nocturnos pudieran hacerle la corripetencia.

2. En cuanto al TRANSRAPID, como cualquier otro sistema de vía activa exige una gran densidad de tráfico para que se justifique ecoiiómicamente. Presenta el aliciente de suprimir el contacto rueda-raíl pero sinceramente creemos que, por ejemplo, no entrará en el plan español de A.V. hasta la segunda década del milenio que acaba de empezar salvo, tal vez, algún enlace muy corto entre el centro de una gran ciudad y su aeropuerto de tráfico internacional. Resulta curioso observar como en Oriente se están adoptando las soluciones más avanzadas eii rriuchos casos. Nos referimos al Transrapid que se monta entre el cerit,roy el aeropuerto de Shangai. Cuando un país se encuentra retrasado en su desarrollo puede dar con más facilidad un salto hacia delante. Valga el ejemplo de España cuando, el haber tardado en pasar a la telefonía automática, le permitió entrar directamente en el sistema "rotary" para este tipo de comunicación. Dedicándole un Capítulo completo al tren de levitación magnética creemos haber demostrado nuestra fe en este revolucionario siste-

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ma de ferrocarril de A.V.: sigue siendo eléctrico y electrónico que, hoy en día, constituyen dos tecnologías completamente fusionadas, pero suma a lo anterior el aprovechamiento de la levitación magnética que satisface el deseo del hombre de liberarse de la fuerza gravitatoria y del rozamiento que lleva implícito.

3. El peso muerto por viajero, de una tonelada por viajero, que nos ofrece el AVE Madrid Barcelona, divide por dos el que tenían los vagones "pullman" clásicos de pasajeros. El tren TALGO ("tren aligerado ligero Goicoechea Oriol") constituyó uno de los primeros pasos, en el mundo, en este sentido. Puede decirse que cuatro campos tecnológicos van a contribuir, en el futuro, a la transformación del paisaje ferroviario: la informática de gestión, y sobre todo la de procesos, es decir, de hecho la ingeniería automática, las telecomunicaciones, los sensores y los nuevos materiales. Estos últimos condicionarán el que las envolventes de los nuevos vagones se construyan a partir de los materiales "composites", lo cual contribuirá de manera muy sensible a la disminución de los pesos muertos a que aludíamos.

4. Los expertos opinan que los problemas de transporte pueden resolverse, simplemente, expansionando y aprovechando debidamente los sistemas actuales. Para cumplir con la reducción de las emisiones de dióxido de carbono se hace preciso desviar parte del tráfico por autopista hacia el ferrocarril. Para ello, se hace preciso utilizar los ordenadores para dirigir hacia su destino, clasificando cada vagón en la agrupación pertinente, La figura 10.7. nos muestra una moderna estación de clasificación de mercancías operada por un sistema informático que controla la situación de las cargas y sus destinos lo que le permite llevar cada vagón a la composición que le corresponde, todo ello de manera automatizada. Este sistema de transporte ferroviario habrá que integrarlo con el de camiones y con el transporte por vía marítima, muy importante, para conseguir lo que ya se ha llamado el transporte "puerta a puerta". 5. El año 1997 fue significativo en muchos aspectos: no solo hacía 100 años que G. MARCONI había generado la primera comunicación inalámbrica y transcurridos 50 años desde la aparición del primer transistor. Además, en dicho año se había producido que el mundo producía tantos PCs como en número de habitantes se incrementaba la población mundial: unos ochenta milloi~esmás de habitantes en la %erra y 80 millones de PCs fabricados en ese año.

LA T R A C C I ~ NELE C TR I C A EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (A V.F.)

325

En el ciclo Ciencia básica - tecnología - nuevos productos se les plantea a los ingenieros que trabajan en el desarrollo de productos: trenes, automóviles, infraestructura de trenes, lavadoras, televisores, etc., se les plantea, decimos, la cuestión clave:

"El hacer productos y crear las Empresas que los fabrican jevoluciona y aumenta por azar o bien resulta posible desarrollar una planificación estructurada de los procesos de generación de riuevos productos, de cara al futuro?" La respuesta que da a esta pregunta D.J. HUGHES, Director de Planificación Tecnológica de GEC-Marconi es que, aunque no resulta posible prever cualquier consecuencia por adelantado, si parece posible comprender la dirección de un cambio que pueda afectar a los productos que elabora una empresa, lo cual se logra por una aproximación a la planificación tecriológica, o sea utilizando los conocimientos ya adquiridos para enfocar cuál será el desarrollo de

los productos de la siguiente generación. La clave para moverse en esta dirección es ver a la tecnología como un "Know-how" (saber como se hace una cosa) que se sitúa entre la ciencia básica, que va en pos del conocimiento, y el producto final.

Esta digresión un tanto filosófica, nos lleva a que deberá existir una convergencia de tecnologías (automóvil, tren y avión) en los sistemas futuros de transporte. 6. Creemos haber demostrado la superioridad del accionamiento eléctrico (motor eléctrico + electrónica de potencia asociada) para la tracción y frenado de los trenes de A.V. La energía eléctrica que se precisa para alimentarlos podrá proceder de una catenaria o de una central diese1 o de otro tipo, montada a bordo. La A.V.F. se apoyará siempre con ventaja en una tracción eléctrica.

3. Nuevas tecnologías Se abre en este apartado un tema que podría llevarnos a un segundo libro. Lo que ha pretendido servir de apoyo a un "Master light" en Sistemas Ferroviarios, centrado en la Alta Velocidad Ferroviaria se convertiría en otro volumen que analizara las tecnicas energéticas y el consiguiente ahorro energético, tan necesario para conseguir un desarrollo "sostenible" que preserve el Medio Ambiente, del crecimiento continuado de la población que habita en nuestro planeta Tierra. Es, en efecto, el t,ema energético y de contaminación atmosférica el que más preocupa para poder armonizarlo con el desarrollo imparable de la población y de energía que consumimos por habitante. Se trabaja intensamente en múltiples direcciones: -

Generación eólica y solar.

-

Utilizacióri del hidrógeno como vector energético y su ulterior utilización para Generar electricidad y calor (Pilas de Combustible).

-

Desarrollo de instalaciones acumuladoras intermedias de energía en los sistemas de alimentación ferroviaria de corriente cont,inua, con las que puede lograrse la recuperación de una parte importante de la energía eléctrica de frenado. (En la bibliografía se da la referencia de un trabajo de D. JOSE ORTIZ P A ~ A ,de la División de Transporte de SIEMENS-Madrid, en el que se describen los avances en este tema, utilizando condensadores de doble capa, para la alimentación de Tranvías, Metropolitanos y Trenes de Cercanías.


-

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Por último, en esta cita que no pretende ni mucho menos ser exhaustiva, nos referiremos al libro de J. NEIRYNCK, R. NIETH Y M. JUFER, Profesores la Escuela Politécnica Federal de Lausanne, titulado SWISSMETRO, I'avion sans ailes (el avión sin alas).

A Jacques Neirynck nos referimos al principio de este Capítulo al citar su visión de lo que está pasando con el apoyo que los países avanzados dan a los que están en vías de desarrollo (más bien poco i!) Este ilustre profesor, ingeniero y filósofo, propone en su libro la construcción de un enorme metro subterráneo que abarcara toda Suiza (cuya extensión es análoga a la de Cataluña), salvando obstáculos montañosos y ahorrando terreno en superficie, es decir, un enorme túnel por el que circularían unidades a muy alta velocidad, de manera totalmente automatizada. Remito al lector que haya tenido la paciencia y el interés de llegar hasta aquí, para que lo lea y vea lo que la imaginación humana es capaz de concebir, Gracias a Dios i!!



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5. CÁLCULO DE CAUDALES EN LAS REDES DE SANEAMIENTO. Ferilando Catalá MoreI1".

6. ABASTECIMIENTO Y DISTRIBUCI~NDE AGITA. Aurelio Hernández Muñoz . 7. SANEAMIENTO Y ALCANTARILLADO. VERTIDOS RESIDUALES, Aurelio Hernández Munoz. 8. MÉTODOS DE DI S E N O ÓPTIMO DE ESTRUCTURAS. Santiago Hernández Ibánez.

9. D E P U R A C I ~ N Y DESINFECCIÓN DE AGUAS RESIDUALES. Aurelio Hernández Muiioz. lo' CÁLC1'LO DE CIL~NI)RICAS.Juan Cerdó Pons.

11. TRATADO BÁSICO DE PRESAS. Eugenio Vallarino. 12. DEPURACIÓN DE AGUAS RE S ID UALE S EN PEQUENAS COMUNIDADES. Ramón Collado Lara. 13. LAS RECLAMACIONES EN LAS OBRAS

PARA LAS ADMINISTRACIONES PÚBLICAS. LJrbano Fernández Rubio.

14. G E S T I ~ NDEL AGUA URBANA. Daniel V. Fernáridez Pérez. 15. MODELOS DE F I S U R A C I ~ NEN PRESAS DE HORMIGÓN.Carlos Marco García. 16. LA (;EoMETRíA EN EL PROYECTO DE APARCAMIENTOS. Manuel Sobreviela Viñuales.

17. MANUAL DE GESTIÓN INMOBILIARIA . Antonio Caparrós Navarro, Ricardo Alvare110s Berrne.jo, .Juan Fernández Caparrós. DE H O R M I ~ ~ N ''OBLEMAS : TÉRMICOS EVOLUTIVOS. Eduardo Salete, Juan C. Lancha. 19. APROVECHAMIENTOS HIDROELÉCTRICOS. Luis Cuesta, Eugenio Vailarino.

PARA EL DE LA TEORÍA DE ONDAS EN INGENIERIA M ~ R í T I ~ ~ . í C o n t i ediskette). ne , Minuel A. Coriiiero Lera. Luis A. Giménez-Curto

21. HIDRODINÁMICA DEL PERFIL DE PLAYA (Contiene diskette) José María Medina V i a verde 22. CONTAMINACI~N POR ESCORRENTIA URBANA. B. Roberto Jiménez (;allardo. 23. DESALACIÓ~DE AGUA, Juan Carlos Ibrahirn Perera.

24, Fl,NDAMENTOS DEL MANEJO DE LOS RESIDLIOS URBANOS. Erriesto Hontoria García. Montserrat Zarnorano Toro. 25. CANALES HIDRÁULICOS. PROYECTO, CONSTRUCCI~N.GESTIÓN Y MODERNIZ A C I ~ NJosé . Lina Montañés

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26. DIS ENO DE DIQUES VERTICALES. Vicente Negro, Ovidio Varela, Jairiie H. García, José Santos López. 27. PROCESOS ESTOCÁSTICOS EN INGENIERÍA CIVIL. Rafael Blázquez Mart,inez, Emilio d e la Rosa Oliver.

28. DISENO DE DIQITES ROMPEOLAS. Vicente Negro, Ovidio Varela. 29. FERROCARRILES METROPOLITANOS. TRANVÍAS, METROS LIGEROS Y METROS CONVENCIONALES. Manuel Melis Mapvnar, Fco. Javier González Fernández.

30. 111 JORNADAS INTERNACIONALES DE PUENTES MIXTOS

31. IMPACTO AMBIENTAL DE LAS LINEAS DE ALTA VELOCIDAD. MEDIDAS PREVENTIVAS, CORRECTORAS Y COMPENSATORIAS. Rubén Segura. 32. PLANIFICACI~N TECNICA. Carlos Tutor Larrosa. 33. LA T R A C C I ~ NELÉCTRICA EN LA ALTA VELOCIDAD FERROVIARIA (AVE'). Roberto Faure Benito.

La Traccion Electrica en La Alta Velocidad Ferroviaria (a.v.F.) - Roberto Faure Benito

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