Trenes / Tracción
La banda ancha alimenta trenes y sistemas de tracción
Las locomotoras de tren pueden funcionar con un motor diesel de combustión interna, con vapor o con energía eléctrica. En este artículo hablaremos de las ventajas de la energía eléctrica. Los trenes eléctricos pueden arrastrar vagones de más de un kilómetro de longitud gracias a un motor eléctrico de tracción de alto par.
La energía eléctrica funciona conmutando la frecuencia y la tensión de la corriente eléctrica mediante la manipulación de los campos magnéticos. Los sistemas de tracción eléctrica se clasifican en CC o CA, según el tipo de motores utilizados, y ambos tienen un par de arranque muy elevado.
Tensiones de línea de CC frente a CA para motores
Las tensiones de línea populares en corriente continua (CC) para los sistemas de suministro de cables aéreos han estado en los niveles de 1.500 V y 3.000 V. Los sistemas de tercer carril se sitúan predominantemente en la gama de 600-750V. Algunas ventajas de la corriente continua son las consideraciones de espacio y peso, la rápida aceleración y frenado de los motores eléctricos de corriente continua, el menor coste en comparación con los sistemas de corriente alterna y el menor consumo de energía. Las desventajas de utilizar corriente continua: se necesitan subestaciones caras a intervalos bastante cercanos y la catenaria o tercer carril será grande y pesada. Véase la Figura 1.
Figura 1. Sistema de alimentación de CC para tracción ferroviaria Sistema de alimentación de corriente continua para tracción ferroviaria (Imagen de GaN Systems)
Los sistemas de tercer carril presentan un riesgo de descarga eléctrica, con corrientes de sistema más elevadas que las tensiones de línea de CA (los carriles de CC superan los 1500 v), y no se consideran seguros. Por eso se utilizan corrientes muy elevadas, que provocan una pérdida de potencia considerable en el sistema y requieren puntos de alimentación (subestaciones) relativamente próximos entre sí.
La corriente alterna (CA) puede tener tensiones elevadas en la catenaria (10.000 voltios o más), pero tiene la ventaja de que se necesitan menos subestaciones porque las corrientes son menores y, por tanto, la caída de tensión a lo largo de la red de distribución entre subestaciones es menor. Se pueden utilizar cables aéreos de alimentación de corriente más ligeros, lo que reduce el peso de las estructuras necesarias para soportarlos. Como resultado, la electrificación puede reducir los gastos de capital. Véase la figura 2.
Figura 2: Sistema de alimentación de corriente alterna para tracción ferroviaria. Una unidad múltiple eléctrica o EMU es un tren de unidades múltiples propulsado por electricidad
La tracción de corriente alterna para locomotoras supone una gran mejora con respecto a los antiguos sistemas de corriente continua. Las principales ventajas de la tracción de CA son unos niveles de adherencia hasta un 100% superiores a los de la tracción de CC, con una mayor fiabilidad y menores requisitos de mantenimiento de los motores de tracción de CA. Vea aquí por qué los niveles de adherencia de CA son superiores a los de CC.
En la actualidad se utilizan tanto motores de corriente alterna como de corriente continua, dependiendo del sistema ferroviario. Los sistemas de tracción de CA se han hecho muy populares en los ferrocarriles modernos. La corriente alterna se utiliza con más frecuencia en la mayoría de los sistemas de tracción debido a varias ventajas, como la rápida disponibilidad y generación de corriente alterna que se puede aumentar o reducir fácilmente, el fácil control de los motores de corriente alterna, el menor número de subestaciones necesarias y la presencia de catenarias aéreas ligeras que transfieren corrientes bajas a tensiones altas. La figura 3 muestra datos sobre el número exacto de sistemas de tracción de CA frente a los de CC en las vías.
A finales de 2018, 493 ciudades de 72 países y regiones habían abierto el tránsito ferroviario urbano, con un kilometraje total de más de 26.100 km1. Estas cifras duplican las de 2014 y seguirán aumentando en 2020 y años sucesivos.
Reportlinker.com anunció que se espera que el Mercado Global de Motores de Tracción Ferroviaria crezca en $1.66B durante el periodo 2020-2024 progresando a una CAGR del 3% durante el periodo pronosticado. Market Watch informó que se espera que el tamaño del mercado mundial de motores de tracción eléctrica, la valoración de las acciones para llegar a $ 31.5B en 2026.
Figura 3 Desglose de los sistemas de tracción de CA y CC en el mundo (Imagen de la referencia 5)
Sistemas de tracción para VE basados en FET de SiC y GaN comparados con los basados en Si-IGBT4
La parte rectificadora del sistema de tracción ferroviaria suele convertir la corriente alterna de 480 V y 60 Hz en corriente continua de unos 650 VCC.
Las velocidades de conmutación más rápidas de los componentes de potencia de SiC proporcionan a los diseñadores las herramientas para crear sistemas de potencia para vagones que son hasta un 50% más pequeños y un 30% más ligeros que los sistemas existentes que utilizan otros dispositivos de transistores de potencia, como los IGBT de Si. Esto reduce el peso de todo el sistema de motor hasta en un 15%, debido sobre todo a los imanes más pequeños con frecuencias más altas de SiC. Los valores nominales máximos de tensión y corriente de los dispositivos de SiC son significativamente superiores a la capacidad teórica del Si. El SiC también tiene mayores márgenes de fallos.
Los trenes más ligeros no sólo son más eficientes, sino que también pueden ser más seguros, ya que un menor peso permite que el tren se detenga más rápidamente. Además, si los dispositivos de SiC y/o GaN se incorporan a las fuentes de alimentación auxiliares del sistema para los dispositivos de confort de los pasajeros, como el aire acondicionado, la Wi-Fi y la iluminación interior, estos sistemas consumirán mucha menos energía.
Las mayores velocidades de funcionamiento del SiC y el GaN permiten a los diseñadores crear sistemas de propulsión para vagones hasta un 50% más pequeños y un 30% más ligeros que los actuales, lo que reduce el peso de todo el sistema motor hasta en un 15%. Los trenes más ligeros no sólo son más eficientes, sino que también pueden ser más seguros: menos peso significa que pueden detenerse más rápido.
Los dispositivos de GaN presentan las ventajas de una baja figura de mérito (FOM) (donde la definición de FOM es "resistencia ON x carga de puerta") y cero cargas de recuperación inversa (Qrr). Los transistores de GaN son mucho mejores que los de Si porque su frecuencia de conmutación, diseño magnético y pérdidas de conmutación se reducirán significativamente en el sistema.
Los MOSFET de Si tienen una carga típica de recuperación inversa en el rango de 50 a 60 nC, dependiendo de su tamaño y características. Cuando el MOSFET se apaga, el Qrr en el diodo del cuerpo produce pérdidas que se suman a las pérdidas totales de conmutación del sistema. Estas pérdidas aumentan proporcionalmente con la frecuencia de conmutación y hacen que los MOSFET no sean prácticos para su uso a frecuencias más altas en muchas aplicaciones como los sistemas de convertidores de tracción.
Sistemas de conversión de tracción
Hay muchos tipos diferentes de sistemas de conversión de potencia en tracción de CA y CC. He aquí algunos tipos:
Trenes bala Shinkansen2
En la figura 4 se muestra el sistema de conversión de los trenes Shinkansen, compuesto por un convertidor PWM y un inversor PWM.
El concepto clave de este sistema de tracción de trenes de alta velocidad era la combinación de dispositivos de potencia SiC aplicados al sistema de conversión de tracción. La incorporación de un sistema de refrigeración del tren y de motores de inducción de 6 polos contribuyó a reducir el peso, aumentar la compacidad y aumentar la fiabilidad. Se realizaron pruebas de funcionamiento del prototipo del sistema de tracción desarrollado que confirmaron sus buenas prestaciones. Esta aplicación de tracción SiC es una primicia para los trenes de alta velocidad.
Figura 2: Un cargador convencional a bordo de un VE (Imagen de la referencia 1))
Tabla 1: Mejora del sistema de tracción del Tokaido Shinkansen (imagen de la referencia 2)
Ejemplos de convertidores de tracción3
Los IGBT de silicio se habían utilizado ampliamente en los convertidores de tracción ferroviaria hasta que aparecieron los transistores de potencia de SiC. Los dispositivos de potencia de SiC ofrecen tensiones de bloqueo, velocidades de conmutación y temperaturas de funcionamiento más elevadas que los IGBT de Si.
En la Figura 5, a la derecha, se muestra una arquitectura básica de diseño de convertidor de tracción estándar.
El SiC es más adecuado para aplicaciones de tracción ferroviaria, en su mayor parte, que el GaN debido a las mayores tensiones nominales de los dispositivos, que se ajustan a las tensiones de línea de CC habituales para sistemas de alimentación de cables aéreos de 1.500 V y 3.000 V y sistemas de CC de tercer carril predominantemente en el rango de 600 V-750 V CC; los sistemas ferroviarios de CA pueden tener altas tensiones de cables aéreos (10.000 voltios o más).
Wolfspeed ofrece CAS300M17BM2 un SiC de 1700V y 8,0 mΩ en un embalaje estándar de 62 mm, este módulo puede conectarse en paralelo y en serie para ajustarse a los requisitos adecuados de tensión y corriente del excitador de las aplicaciones de inversores de tracción. Véase la figura 6, a la derecha.
También se están desarrollando módulos de mayor tensión, de 3,3kV, 6,5kV y 10kV, pero de momento no están disponibles en el mercado. Se espera la implementación de estos módulos de mayor tensión cuando estén disponibles.
Los circuitos integrados de potencia GaN también pueden utilizarse en algunos casos de tracción ferroviaria a tensiones más bajas de hasta 800V4 o si se apilan adecuadamente para manejar esas tensiones más altas.
Figura 5: Diseño básico de un convertidor de tracción ferroviaria
(Imagen de la referencia 3)
Figura 6: Módulo CAS300M17BM2 de Wolfspeed
Conclusión
Los motores eléctricos de tracción de CA y CC de alto par son el corazón de los sistemas de tracción de trenes. Para alimentar estos motores, los transistores de potencia de alta velocidad y alta tensión dentro de un exigente diseño de rectificador son clave para el rendimiento óptimo de los potentes trenes que transportan cargas pesadas a sus destinos y mantienen las economías en funcionamiento.
Los semiconductores WBG como el SiC, el GaN y los HVIGBT son los caballos de batalla de los sistemas de tracción. Tanto el SiC como el GaN se utilizan normalmente en estas arquitecturas de potencia, en las que el SiC puede ser la primera opción de los diseñadores debido a las mayores tensiones de los sistemas de líneas aéreas de CC y a las necesidades de CC del tercer carril en un sistema de tracción ferroviaria. El SiC se encarga de los niveles de tensión más altos y el GaN de los niveles más bajos de las necesidades de alta tensión. Los valores máximos de tensión y corriente de los dispositivos de SiC son significativamente superiores a la capacidad teórica del Si. Los circuitos integrados de potencia WBG permiten sistemas más pequeños y ligeros gracias a sus niveles de rendimiento de alta velocidad y alta tensión. Los HVIGBT encajarán allí donde sea más difícil encontrar comercialmente valores nominales superiores a 1700 V para SiC.
Referencias
- UITP, "World metro figures - Statistics brief", Singapur, Rep. 2018
- Desarrollo del sistema de tracción aplicado SiC para el tren de alta velocidad Shinkansen, Kenji Sato1, Hirokazu Kato y Takafumi Fukushima, The 2018 International Power Electronics Conference, IEEE 2018.
- Outlook for SiC devices in Traction Converters, P. Ladoux, M. Mermet, J. Casarin, J. Fabre, ALSTOM Transport - Innovation and Research -Traction Components Engineering, IEEE 2012.
- GaN permite inversores de tracción de 800 V para vehículos eléctricos eficientes y rentables
- Reliability Analysis of DC Traction Power Supply System for Electric Railway, Hitoshi Hayashiya, Masayoshi Masuda, Yukihisa Noda, Koichiro Suzuki, Takashi Suzuki, Tokyo Branch Office, East Japan Railway Company, EPE'17 ECCE Europe, 2017.
