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2019 T e ma r i oe s p e c í f i c op a r al a sp r u e b a sp r e s e n c i a l e s

Oferta de empleo

2019

Grupo Renfe

Índice

1. Formación Técnica de Vehículos – Introducción

3

2. El Mantenimiento en Vehículos de última Generación

34

3. Tracción Diésel (Motores Térmicos)

61

4. FTV Básico Neumática y Freno

125

5. Máquinas Eléctricas Rotativas

182

6. Tracción Eléctrica

226

Operador de Ingreso de Mantenimiento y Fabricación

Renfe Fabricación y Mantenimiento S.A. G. de A. de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento (ETPM).

FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS (Introducción) Edición 0.1

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en

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Formación Técnica de Vehículos

ETP

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Autor: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento. Edita: © Renfe Operadora. Renfe Fabricación y Mantenimiento S.A. G. de A. de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento (ETPM). QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR.

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ÍNDICE VEHÍCULOS FERROVIARIOS ................................................................................................................ 5

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1.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................. 5 1.2 TIPOS DE VEHÍCULOS...................................................................................................................... 6 1.2.1 VEHÍCULO REMOLCADO. ..............................................................................................................6 1.2.2 VEHÍCULO MOTOR. ......................................................................................................................7 1.2.3 MATERIAL AUXILIAR Y MATERIAL HISTÓRICO .................................................................................8 1.3 CONFIGURACIONES DE LOS VEHÍCULOS MOTORES .......................................................................... 9 1.4 SISTEMAS DE TRACCIÓN ................................................................................................................ 11 1.4.1 TRACCIÓN DIESEL. .....................................................................................................................11 1.4.2 TRACCIÓN ELÉCTRICA. ................................................................................................................11 1.4.3 FRENO DINÁMICO......................................................................................................................12 1.4.4 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR ..........................................................................................12 1.5 COMPONENTES: ÓRGANOS Y ELEMENTOS ..................................................................................... 13 1.5.1 SISTEMAS DIFERENCIADOS EN UN VEHÍCULO FERROVIARIO........................................................13 1.5.2 CONDUCCIÓN/CABINA ...............................................................................................................14 1.5.3 CONTROL DEL VEHÍCULO ...........................................................................................................15 1.5.4 COMUNICACIONES.....................................................................................................................15 1.5.5 TRACCIÓN .................................................................................................................................16 1.5.6 ALIMENTACIÓN AUXILIAR ...........................................................................................................17 1.5.7 SISTEMA NEUMÁTICO DE CAJA....................................................................................................18 1.5.8 CAJA ..........................................................................................................................................19 1.5.9 CONFORT ..................................................................................................................................20 1.5.10 CHOQUE/TRACCIÓN ...................................................................................................................21 1.5.11 FRENO DE EJES ..........................................................................................................................22 1.5.12 SUSPENSIÓN DE EJES.................................................................................................................22 1.5.13 BOGIES .....................................................................................................................................23 1.5.14 TRANSMISIONES ........................................................................................................................27 1.5.15 SISTEMAS DE SEGURIDAD ..........................................................................................................28 1.5.16 REGISTRADORES JURÍDICOS .......................................................................................................29

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

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Vehículos ferroviarios

1. VEHÍCULOS FERROVIARIOS

INTRODUCCIÓN

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1.1

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en

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

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1.2

TIPOS DE VEHÍCULOS

en

to)

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

1.2.1 VEHÍCULO REMOLCADO.

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

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Figura 1-1. Vehículos remolcados.

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1.2.2 VEHÍCULO MOTOR.

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

Figura 1-2. Vehículo motor.

Figura 1-3. Vehículo motor.

1.2.2.1

AUTOMOTOR O AUTOPROPULSADO.

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

Figura 1-4. Automotor diésel.

Figura 1-5 Automotor eléctrico. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 7

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1.2.2.2

LOCOMOTORA.

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

Figura 1-6. Locomotora eléctrica.

Figura 1-7. Locomotora diésel.

1.2.3 MATERIAL AUXILIAR Y MATERIAL HISTÓRICO

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

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Figura 1-8. Material auxiliar.

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1.3

CONFIGURACIONES DE LOS VEHÍCULOS MOTORES

Las locomotoras actuales tienen todos los ejes motores. Sin embargo, en los vehículos automotores se disponen tanto de ejes motores como de ejes portadores distribuidos según soluciones técnicas del fabricante.

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en

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

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

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Figura 1-9. Composición articulada.

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

Figura 1-10. Composición múltiple.

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

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1.4

SISTEMAS DE TRACCIÓN

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

to)

1.4.1 TRACCIÓN DIESEL.

1.4.1.1

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en

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

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

TRACCIÓN DIESEL – ELÉCTRICA.

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

TRACCIÓN DIESEL – HIDRÁULICA.

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

1.4.2 TRACCIÓN ELÉCTRICA.

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

ALIMENTACIÓN CC – CONTROL REOSTÁTICO – MOTORES CC.

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

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

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1.4.2.2

ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES CHOPPER – MOTORES CC.

En la que se combina un sistema de control chopper con motores de corriente continua (UT S446; Loc. S251).

1.4.2.3

ALIMENTACIÓN CC – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES CA TRIFÁSICA.

to)

Pantógrafo CC → Disyuntor extrarrápido → Convertidor CC / CC (Chopper) → Motores CC.

en

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

1.4.2.4

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

ALIMENTACIÓN CA MONOFÁSICA – CONTROL SEMICONDUCTORES – MOTORES CA TRIFÁSICA

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

1.4.3 FRENO DINÁMICO

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

1.4.4 ALIMENTACIÓN ELÉCTRICA AUXILIAR

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

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1.5

COMPONENTES: ÓRGANOS Y ELEMENTOS

1.5.1 SISTEMAS DIFERENCIADOS EN UN VEHÍCULO FERROVIARIO

1.5.1.1

to)

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

1.5.1.2

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en

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

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

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1.5.2 CONDUCCIÓN/CABINA Pupitre.

en

to)

Manipuladores: • Tracción/Freno dinámico. • Velocidad prefijada. • Freno directo (accionamiento directo sobre cilindros de freno - solo locomotora).

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• Freno automático (freno indirecto – presión de control sobre el distribuidor). Indicadores: • Velocidad real/Velocidad prefijada. • Esfuerzos de tracción/freno dinámico. • Tensión de línea. • Testigos luminosos. • Revoluciones de motores diésel. Manómetros: • TDP. • TFA.

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

Figura 1-11. Cabina de conducción.

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1.5.3 CONTROL DEL VEHÍCULO

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en

to)

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

Figura 1-12. Sibas.

Figura 1-14. MITRAC.

Figura 1-13. TCMS.

Figura 1-15. COSMOS.

1.5.4 COMUNICACIONES

ETP

M

RS 232 RS 422 RS 485 Ethernet CAN bus MVB WTB

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1.5.5 TRACCIÓN

en

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Depósito de combustible. Cajas de cambio. • Caja de cambios por engranajes. • Caja de cambios hidráulica. Generadores eléctricos. Convertidores eléctricos. Motores eléctricos.

to)

Diésel:

Figura 1-16. Motor diésel.

Figura 1-17. Caja de cambios por engranajes.

ETP

M

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

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

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Figura 1-19. Motor eléctrico de tracción.

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1.5.6 ALIMENTACIÓN AUXILIAR

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en

to)

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

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

Figura 1-23. Panel de magnetotérmicos.

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Figura 1-22. Batería.

Figura 1-21. Generador.

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en

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

to)

1.5.7 SISTEMA NEUMÁTICO DE CAJA

Figura 1-24. Equipo de producción de aire.

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Figura 1-25. Compresor auxiliar.

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en

to)

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Figura 1-26. Torres de secado.

Figura 1-27. Panel neumático.

1.5.8 CAJA

ETP

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

Figura 1-28. Estructura de caja.

Figura 1-29. Cabina.

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1.5.9 CONFORT

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en

to)

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

Figura 1-30. Cafetería.

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

Figura 1-32. Climatización.

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Figura 1-31. Asientos.

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CHOQUE/TRACCIÓN

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en

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

to)

1.5.10

Figura 1-33. Elementos de choque y tracción.

Figura 1-36. Acoplamiento automático (Scharfenberg).

ETP

M

Figura 1-35. Acoplamiento semipermanente.

Figura 1-34. Elementos de choque y tracción.

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1.5.11

FRENO DE EJES

Figura 1-37. Cilindro de freno y timonería.

Figura 1-39. Timonería de eje.

SUSPENSIÓN DE EJES Ballestas. Anillas. Carretes. Bulones. Pasadores.

ETP

M

1.5.12

22

en

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

to)

Neumático.

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Figura 1-38. Regulador y distribuidor neumático.

Figura 1-40. Zapata, portazapatas y suspensión.

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1.5.13

BOGIES

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en

to)

Bastidor.

Figura 1-41. Bastidor de bogie.

Rodaje.

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

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

ETP

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

Figura 1-44. Ejes portadores o remolques.

Figura 1-45. Ejes portadores o remolques.

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en

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Cajas de grasa: Cuerpo. Rodamientos. Tapas: • Simple. • Con dispositivo de retorno de tierra. • Con dispositivos para captadores de sentido y velocidad. • Con dispositivos para captadores de bloqueo de ruedas. • Con dispositivos para captadores de temperatura.

to)

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Figura 1-46. Caja de grasa.

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

ETP

M

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

Figura 1-49. Dispositivo para captadores de velocidad.

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Figura 1-50. Dispositivo para retorno de tierra.

en

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Sensores o transductores en bogie: Velocidad. Sentido de movimiento. Antibloqueo. Revoluciones de motores. Acelerómetros. Temperatura de caja de grasa. Freno: Neumático: • Cilindros sin freno de estacionamiento. • Cilindros con freno de estacionamiento. • Timonería. • Discos/pastillas.

to)

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• Portazapatas/zapatas. Patín electromagnético.

M

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

Figura 1-54. Patín electromagnético.

ETP

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

Figura 1-52. Cilindro de freno de disco.

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en

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Suspensión: Primaria (acción directa sobre el eje). • Muelles helicoidales de tara. • Muelles helicoidales de carga. • Ballestas / anillas / carretes / bulones / pasadores. Secundaria (unión caja-bogie) • Muelles helicoidales. • Balonas neumáticas. Amortiguadores:

to)

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• • •

Horizontales. Verticales. Antilazo.

Figura 1-56. Amortiguación secundaria por muelles.

ETP

M

Figura 1-55. Amortiguación primaria.

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Figura 1-57. Amortiguación secundaria por balonas neumáticas.

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en

to)

Arenado. Engrase de pestaña.

Figura 1-58. Conjunto arenero.

1.5.14

Figura 1-59. Engrasador de pestaña.

TRANSMISIONES

Acoplamientos elásticos con engranajes. Cardan.

Figura 1-61. Semiacoplamiento elástico en reductora.

ETP

M

Figura 1-60. Situación de los acoplamientos elásticos.

Figura 1-62. Transmisión cardan.

Figura 1-63. Unión transmisión cardan-reductora.

Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 27

Formación Técnica de Vehículos

1.5.15

SISTEMAS DE SEGURIDAD

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en

to)

Hombre muerto Asfa LZB ERTMS

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

ETP

M

Figura 1-65. Distribución bajo bastidor de antenas.

28

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

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Vehículos ferroviarios

1.5.16

REGISTRADORES JURÍDICOS

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en

to)

Teloc. Cesis. Deuta. Memotel.

Figura 1-67. Teloc.

Figura 1-68. Cesis.

ETP

M

Figura 1-69. Deuta.

Figura 1-70. Memotel. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 29

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

El mantenimiento en vehículos de última generación Edición 1

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Título del libro

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

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Título del libro

PRÓLOGO El mantenimiento en vehículos de última generación.

M

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en

to)

La Dirección General de Movilidad y Transportes perteneciente a la Comisión Europea, publicó en el año 2001 el “Libro blanco”, donde se recogían las medidas (políticas) Europeas relativas a la movilidad de las personas y las mercancías con miras al 2010. En el libro blanco del 2010 se habla del transporte por ferrocarril como la solución a los problemas del transporte y la movilidad en Europa, indicando como objetivo prioritario la necesidad de revitalizar este sistema de transporte. Para cumplir con este objetivo es necesario: armonizar la interoperabilidad garantizando la seguridad, la apertura de los mercados, completar la red Trans-Europea, mejorar la credibilidad y la confianza en el sistema ferroviario como sistema de transporte en los ámbitos de viajeros y mercancías. La innovación en el mantenimiento, juega un papel importante en la recuperación de esa credibilidad, sin duda. Si sabemos aprovechar los recursos que los vehículos de última generación nos ofrecen, así como aplicar los resultados que se desprenden de los estudios y proyectos de investigación cofinanciados por Europa, es posible contribuir desde el mantenimiento a la recuperación de la credibilidad perdida. Cada vez se entiende mejor la necesidad de una Europa Interoperable (abierta al tráfico ferroviario) así como la importancia de la innovación tecnológica, la estandarización de los sistemas y vehículos e incluso de las herramientas y metodologías de trabajo. Parece que en el ámbito tecnológico estamos más cerca de la interoperabilidad (sirva de ejemplo el ERTMS) que en el ámbito de recursos humanos, donde las diferencias de criterios, normas y convenios que rigen el desempeño de las funciones de los trabajadores del sector, son tan dispares que hacen difícil la conciliación necesaria para facilitar la interoperabilidad. Los contenidos que se van a tratar en esta ponencia tratan de evidenciar que el mantenimiento de los vehículos ferroviarios de última generación en nuestro país tiene que ir de la mano de la innovación tecnológica que incorporan, de los recursos que ofrecen a los mantenedores y de no perder la referencia de Europa, de sus proyectos apoyados por organismos internacionales UIC, IEC, UNIFE y cofinanciados por la Comisión Europea (Dirección de Movilidad y Transporte) y las empresas constructoras entre otros actores. Estas empresas constructoras de vehículos, cada vez más involucradas también en el mantenimiento, nos aventajan sustancialmente ya que ellas participan activamente en el desarrollo de nuevas soluciones y proyectos para un mantenimiento eficiente, proyectos en los que no tenemos o tenemos poca implicación, situación que genera la desconexión entre los mantenedores y las soluciones para el mantenimiento eficaz y seguro. Es paradójico pero cierto que estas empresas eminentemente constructoras, en algunos aspectos, enfoquen el mantenimiento mejor que otras empresas eminentemente mantenedoras. La desconexión (si es que hubo conexión en algún momento) que se origina entre las empresas fabricantes y los mantenedores (incluidas las participadas), una vez acabado el periodo de puesta en marcha y garantía, impide la trasmisión de la innovación en el mantenimiento y la aplicación de técnicas y herramientas desarrolladas en los proyectos ya mencionados, provocando un aislamiento de los mantenedores que nos hace obsoletos. Probablemente hayamos vivido y aun estemos viviendo un episodio traumático a nivel de superación tecnológica, comparable al que supuso el paso de la tracción por vapor a la tracción diesel y eléctrica, sin olvidar que actualmente mantenemos vehículos cuyas tecnologías se separan aproximadamente 60 años, con los problemas que esto representa a todos los niveles. Atendiendo a la casi segura heterogeneidad de los asistentes a esta ponencia, pretendo que la ponencia sea asequible, por lo que no profundizare en aspectos técnicos más de lo necesario para comprender el porqué de las cosas.

ETP

La exposición básicamente se apoya en tres pilares o aspectos, que se estructuran de la siguiente forma:  

4

A modo de introducción tratara como llegaron los vehículos de última generación a España y que han representado de cara al mantenimiento. Como los constructores han llegado a innovar introduciendo en los vehículos las redes de comunicaciones, algo que los diferencia y distingue del resto, marcando un antes y un después en los vehículos ferroviarios y su mantenimiento.

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Enfocar el mantenimiento de estos vehículos y su innovación, entre otros, como uno de los actores más importantes para mejorar la credibilidad y la revitalización del transporte por ferrocarril en Europa, un sistema de transporte considerado por la Comisión Europea como la solución para descongestionar el transporte de viajeros y mercancías dentro e incluso fuera de nuestro continente.

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Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

Un saludo. José Manuel

en

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

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ÍNDICE 1. COMO LLEGARON LOS VEHÍCULOS DE ÚLTIMA GENERACIÓN Y QUE HAN REPRESENTADO DE CARA AL MANTENIMIENTO ....................................................................................................................................... 7

to)

PLAN ESTRATÉGICO 2004-2010 DEL MINISTERIO DE FOMENTO. ....................................................... 7 LA INNOVACIÓN GRACIAS A LA INFORMÁTICA. ................................................................................. 7 EL SALTO TECNOLÓGICO Y EL CAMBIO CULTURAL VAN DE LA MANO. ................................................. 8 ¿PORQUE ERA NECESARIO EL DESARROLLO DE LAS COMUNICACIONES Y SU ESTANDARIZACIÓN? ...... 8

en

1.1 1.2 1.3 1.4

2.1 2.2

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

2. COMO LOS VEHÍCULOS DE ÚLTIMA GENERACIÓN HAN INNOVADO AL DESARROLLAR UNA RED DE COMUNICACIONES ESTÁNDAR .................................................................................................................... 9 ACTORES EN EL PROCESO DE LA INNOVACIÓN Y LA ESTANDARIZACIÓN PARA LA INTEROPERABILIDAD.9 LOS PROYECTOS MAS SIGNIFICATIVOS PARA EL DESARROLLO DE LA RED TCN Y LA ESTANDARIZACIÓN PARA LA INTEROPERABILIDAD. ..................................................................................................... 11 2.2.1 Proyecto ROSIN 1996-1999 .Red abierta para interconexión de equipos del tren. .......................11 2.2.2 Proyecto TRAINCom. 2000-2004. Sistema Integrado de Comunicaciones Inteligentes para Aplicaciones Tren. ..................................................................................................................................15 2.2.3 Proyecto EuRoMain. 2002-2005. Sistema abierto Europeo para el Mantenimiento del tren. ........17 2.2.4 Proyecto MODTRAIN 2004-2008. Fabricación de trenes modulares. ..........................................19 2.2.5 Proyecto Railenergy 2006-2010 . Soluciones innovadoras para la eficiencia energética de material rodante, infraestructura y operaciones del tren. ......................................................................................20 2.2.6 Proyecto InteGRail 2005-2010. Interoperabilidad de los sistemas de información del ferrocarril. 21 2.2.7 Nuevos proyectos de I+D+I se prevén para el futuro (2020) por valor de 970 M€. ......................23

3.

ASPECTOS QUE PUEDEN REVITALIZAR EL FERROCARRIL, RECUPERANDO LA CONFIANZA PERDIDA. ......... 24 3.1 3.2 3.3 3.4

ARMONIZAR LA INTEROPERABILIDAD GARANTIZANDO LA SEGURIDAD. ........................................... 24 LA APERTURA DE LOS MERCADOS. ................................................................................................. 24 COMPLETAR LA RED TRANS-EUROPEA. ........................................................................................... 24 MEJORAR LA CREDIBILIDAD Y LA CONFIANZA EN EL SISTEMA FERROVIARIO COMO SISTEMA DE TRANSPORTE EN LOS ÁMBITOS DE VIAJEROS Y MERCANCÍAS. ......................................................... 25

ETP

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

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Bibliografía

1.1

PLAN ESTRATÉGICO 2004-2010 DEL MINISTERIO DE FOMENTO.

to)

1. COMO LLEGARON LOS VEHÍCULOS DE ÚLTIMA GENERACIÓN Y QUE HAN REPRESENTADO DE CARA AL MANTENIMIENTO

• • • • • • •

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en

Fue el Plan estratégico de infraestructuras y transportes del Ministerio de Fomento 2004-2010 el responsable de la aparición de los vehículos de última generación en nuestro País, gracias a un esfuerzo inversor que se puede definir como histórico. Fueron muchos los vehículos que en un periodo de tiempo relativamente corto entraron a formar parte de las flotas de Renfe: (103)Vehículos de alta velocidad. (102) Vehículos de ancho variable. (122) Vehículos para líneas convencionales. (10) Vehículos para Tren hotel. (223) Vehículos de Cercanías. (100) Locomotoras de mercancías. (438) Nuevos vagones.

Según UNIFE (Association of the European Rail Industry), “la flota de trenes Españoles es la más moderna y joven de Europa, una de las más novedosas del mundo". Transcurridos once años de esta faraónica inversión, el Ministerio de Fomento sigue incorporando vehículos con tecnologías cada vez más sofisticadas e innovadoras. Esta abrumadora entrada de vehículos modernos pone a los mantenedores en una situación difícil ya que durante un periodo de tiempo muy largo hemos mantenido vehículos con tecnologías similares y ahora el nuevo escenario presenta vehículos con tecnologías muy avanzadas y filosofías de funcionamiento muy diferentes. Probablemente hayamos vivido, y aun estemos viviendo, un episodio traumático a nivel de superación tecnológica, comparable al que supuso el paso de la tracción por vapor a la tracción diésel y eléctrica, sin olvidar que actualmente mantenemos vehículos cuyas tecnologías se separan aproximadamente 60 años, con los problemas que esto representa a todos los niveles.

1.2

LA INNOVACIÓN GRACIAS A LA INFORMÁTICA.

ETP

M

El destacado grado de innovación que incorporan estos vehículos se debe en su mayor parte a la agilidad de una red informática exclusiva del vehículo que podemos catalogar de LAN (Local área Network) y a la capacidad de los ordenadores conectados a ella para procesar, almacenar, compartir, transmitir datos por dicha red y por tanto a la capacidad de posibilitar la interoperabilidad entre dispositivos o subsistemas unidos a esa red de comunicaciones.

Estos dispositivos pueden estar en el mismo vehículo o en otros y pueden ser de diferentes fabricantes y países, no representando ningún problema para su entendimiento y coordinación al respetar y cumplir con la estandarización de dicha red y sus protocolos de comunicación. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 7

Formación Técnica de Vehículos

1.3

EL SALTO TECNOLÓGICO Y EL CAMBIO CULTURAL VAN DE LA MANO.

Es obvio:

•

to)

en

• •

Que los vehículos ferroviarios tecnológicamente han evolucionado mejorando ostensiblemente sus prestaciones. Que la tecnología que incorporan estos vehículos supone un salto tecnológico importante. Que las actividades de mantenimiento deben adaptarse a esas nuevas tecnologías y sacar partido a los recursos que ofrecen. (Cambio cultural en el mantenimiento) Que convivimos con dos culturas diferentes a la hora de mantener. Prestaciones como Disponibilidad, Fiabilidad, Seguridad, Velocidad, Confortabilidad exigen de un mantenimiento (como siempre) metódico y ordenado, pero con conductas diferentes a las que tantos años nos han acompañado.

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•

Es indiscutible que los vehículos ferroviarios han avanzado de forma exponencial y aunque incorporamos vehículos (Locomotoras 252 y autopropulsados 447) que ya apuntaban maneras, hay un antes y un después con la llegada de estos vehículos, que impone la necesidad de adaptarse tecnológicamente y conductualmente a la hora de asumir la responsabilidad de su mantenimiento. Este salto tecnológico y cambio cultural necesario para afrontar el mantenimiento, es de difícil aplicación si consideramos que no ha habido un relevo generacional que ayude a consolidar las nuevas tecnologías, no se han incorporado nuevos perfiles profesionales (informática) y quizás tampoco haya habido la reflexión necesaria para afrontar un mantenimiento metódico y ordenado, como siempre pero con conductas diferentes a las que tantos años nos han acompañado.

1.4

¿PORQUE ERA NECESARIO EL DESARROLLO DE LAS COMUNICACIONES Y SU ESTANDARIZACIÓN?

Son muchas las razones de peso que justifican el desarrollo de los sistemas de comunicaciones embarcados, pero los más destacados son: La mayor demanda de servicios y prestaciones de los nuevos vehículos ferroviarios, generan una gran cantidad de información a tratar, (9000 variables aproximadamente en un CIVIA). El tratamiento de esta información, sería imposible, de no ser por la red de comunicaciones, implantadas en los nuevos vehículos. La estandarización de las comunicaciones entre los diferentes dispositivos embarcados. En un vehículo donde cada fabricante incorpora su subsistema sin atender a una estandarización, será difícil y muy costoso conseguir que trabaje coordinado con el resto de subsistemas del vehículo. Para que dos dispositivos o subsistemas se entiendan entre sí (Tracción y Freno por ejemplo) deben compartir la red y el protocolo de comunicaciones diseñado para esa red, de ahí la importancia de una red estándar para todos los fabricantes de vehículos y subsistemas. La estandarización de los propios vehículos. Si los vehículos fabricados comparten el mimo sistema informático embarcado, con independencia de quien los haya fabricado, podrán operar juntos y por cualquier territorio, lo cual es una gran ventaja totalmente alineada con las necesidades actuales y por supuesto futuras, de hacer de Europa un continente abierto al transporte por ferrocarril.

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M

La estandarización para la interoperabilidad de los sistemas de información del tren con tierra. Algo totalmente necesario a la hora de coordinar la actuación (Propietarios de vehículos, Operadores de estos vehículos, Administradores de infraestructura Gestores de tráfico y Mantenedores) ante la incidencias a la hora de minimizar los daños colaterales que se desprenden cuando un tren se para o tiene un funcionamiento degradado. La necesidad de abaratar costes en la fabricación por la gran competencia entre fabricantes que ven en la estandarización un ahorro al poder incluir su producto en cualquier tipo de vehículo sujeto a un estándar. 8

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Bibliografía

La búsqueda de la interoperabilidad segura. El desarrollo de los sistemas informáticos para la comunicación facilita enormemente el desarrollo de subsistemas para el control de trenes que permiten a los mismos circular por toda Europa de forma segura, como es el caso del ETCS.

to)

El desarrollo tecnológico frenético de la electrónica y la informática. La velocidad de innovación tecnológica es muy rápida y los sistemas de comunicación permiten incorporar los nuevos avances y funcionalidades de forma relativamente sencilla y sin grandes costes.

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en

La gran cantidad de equipos y fabricantes. Son tantos los fabricantes de productos o subsistemas que la estandarización de las comunicaciones para el constructor, supone una simplificación en sus procesos de fabricación y una disminución en los costes de fabricación.

Es necesario estandarizar un producto para hacerlo interoperable

2. COMO LOS VEHÍCULOS DE ÚLTIMA GENERACIÓN HAN INNOVADO AL DESARROLLAR UNA RED DE COMUNICACIONES ESTÁNDAR 2.1 ACTORES EN EL PROCESO DE LA INNOVACIÓN Y LA ESTANDARIZACIÓN PARA LA INTEROPERABILIDAD. Para incorporar los avances tecnologicos a los vehiculos ferroviarios, han jugado y juegan un papel importante: Las propias empresas constructoras con sus departamentos de Investigación, desarrollo e innovación (I+D+I), organismos oficiales como la (UIC) Union Internacional de los Ferrocarriles, la (IEC) Comisión Internacional Electrotecnica, Comisión Europea “European Comissión” con su Dirección Transporte y Movilidad “Mobility and Transport”, algunos operadores ferroviarios e incluso universidades muy prestigiosas de Europa.

ETP

M

Cabe destacar que el trabajo en conjunto de todos estos participantes es el que realmente abre camino en el desarrollo e implantación de las nuevas tecnologias en los vehiculos ferroviarios. Este trabajo conjunto se consolidada por la ejecución de numerosos proyectos englobados en acuerdos marco “Framework” financiados por las empresas constructoras y la propia Comisión Europea que tambien aporta dinero para la innovación y la estandarización, con el objetivo de conseguir una interoperabilidad segura que abra los mercados en Europa. En 1990 ya se comenzo con algun pequeño proyecto conjunto entre empresas como AEG, Firema, Siemens y ABB, pero fue en el 1996 cuando el proyecto ROSIN pretende diseñar una red digital abierta para la interconexión de equipos o dispositivos de un mismo vehiculo e incluso de otros vehiculos, algo que se hizo realidad en 1999, cuando la IEC publicó el primer estandar de comunicaciones IEC61375-1 para vehiculos ferroviarios conocido con el nombre de Red TCN (Train Comunication Network).

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en

to)

Estas son algunas de esas empresas (que, gracias a su participación, enfocan en la actualidad de forma muy acertada las labores de mantenimiento) y organismos que parcicipan o que alguna vez han participado en proyectos para la innovación en el ferrocarril.

Y estos son algunos de los proyectos que se han ido consolidadando con el trascurso de los años, con objetivos siempre comunes para el desarrollo de las nuevas tecnologias en el ferrocarril y que ha permitido que estas empresas hoy involucradas en tareas de mantenimiento, hagan un enfoque del mismo muy acertado.

ETP

M

Se iniciaron otros proyectos cofinanciados por Europa para consolidar el estandar que despues comentaremos y aparecieron nuevos actores como es el caso del ERRAC en el 2001 (Consejo Asesor de Investigaciones Ferroviarias) de iniciativa publico-privada de la European Comissión. Su principal objetivo es la elaboración de una agenda de investigación ferroviaria para indicar a la dirección de Mobility and Transport de la Comisión Europea, la orientación de por donde debe ir la investigación del sistema ferroviario. En el 2002 presento la agenda SRRA con las actividades de investigación hasta el 2020 agenda que ha sido revisada en el 2007 y 2012 diseñando hojas de ruta contenidas en el septimo acuerdo marco. Otro actor importante es la Agencia Ferroviaria Europea (ERA) 2005 que es la agencia del Unión Europea (UE), que establece los requisitos obligatorios para los ferrocarriles europeos y fabricantes en forma de especificaciones técnicas de interoperabilidad, que se aplican a la del 10

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Bibliografía

sistema ferroviario transeuropeo, velando por la seguridad y la interoperabilidad. La ERA publica un documento que resume el estado de las (ETI) Especificaciones Tecnicas para la Interoperabilidad.

to)

2.2 LOS PROYECTOS MAS SIGNIFICATIVOS PARA EL DESARROLLO DE LA RED TCN Y LA ESTANDARIZACIÓN PARA LA INTEROPERABILIDAD.

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2.2.1 Proyecto ROSIN 1996-1999 .Red abierta para interconexión de equipos del tren.

en

Han sido y son muchos los proyectos significativos cofinciados por los diferentes actores, pero nos centraremos en los que tienen o han tenido una importancia vital, podemos decir que son:

Rosin es un proyecto integrado cofinanciado por la Comisión Europea dentro del 4º Programa Marco de Investigación y Desarrollo.

Se probó y validó una red digital para la interconexión entre equipos de un mismo vehículo y de otros vehículos o coches.

A principios de los 90 cuando la UIC y la IEC, como organismos más destacados, empezaron a estudiar la estandarización de una red de comunicaciones embarcada. Fue en 1999 cuando el Comité Electrotécnico Internacional (IEC) en colaboración con la Unión Internacional de los Ferrocarriles (UIC), desarrollan y publican la norma estándar IEC-61375-1, también conocida como TCN (Train Communications Network) gracias al desarrollo del proyecto ROSIN. La red TCN unifica las comunicaciones entre los diferentes dispositivos embarcados aun siendo de diferentes fabricantes (interoperabilidad), permitiendo la comunicación de datos relacionados con el control, funcionamiento y diagnosis del vehículo, así como la información al viajero. La Comisión Electrotécnica Internacional (CEI), más conocida por sus siglas en inglés: IEC (International Electrotechnical Commission), es una organización de normalización en los campos eléctrico, electrónico y tecnologías relacionadas. Los vehículos fabricados desde el 1999 con red TCN, incorporan procesadores (gestión control y funcionamiento) conectados a una red estándar de comunicaciones interna y exclusiva (LAN).

2.2.1.1

La Red TCN marca un antes y un después en los vehículos ferroviarios y su mantenimiento.

ETP

M

La red TCN, marca un antes y un después en el desarrollo y el mantenimiento de los vehículos ferroviarios construidos desde 1999. Los vehículos fabricados a partir de esta fecha, incorporan procesadores, conectados a una red estándar de comunicaciones interna. La norma estándar TCN, básicamente se define como una red de comunicaciones interna que se puede catalogar de LAN (Local Área Network), red exclusiva del vehículo. En cuanto a su funcionamiento, con una arquitectura Master-Eslave, se apoya fundamentalmente en dos medios físicos:  

Bus MVB, (Multifuntión Vehícles Bus), bus que interconecta los distintos dispositivos dentro del vehículo. Bus WTB (Wire Train Bus), bus que interconecta vehículos o trenes.

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en

to)

Mediante los protocolos de comunicaciones, en sus distintas capas, los diferentes procesadores del tren operan coordinados por el procesador master. La red TCN unifica las comunicaciones entre los diferentes dispositivos embarcados aun siendo de diferentes fabricantes (interoperabilidad), permitiendo la comunicación de datos relacionados con el control, funcionamiento y diagnosis del vehículo, así como la información al viajero.

La red TCN hace posible: • Unificar las comunicaciones entre dispositivos aun siendo de diferentes fabricantes y países. • El soporte que permite la supervisión y diagnóstico, tanto por conexión directa como remota, de los equipos embarcados. • La comunicación estándar de datos relacionados con el control, funcionamiento y diagnosis del vehículo, así como la información al viajero.

2.2.1.2

Topología de la red TCN.(Arquitectura)

Con una arquitectura Master–Eslave jerarquizada en dos niveles: • Un bus de vehículo o MVB que interconecta “dispositivos” dentro de un mismo vehículo. • Un bus de tren o WTB que interconecta “Nodos” pertenecientes a diferentes vehículos.(Abierto) Los buses MVB y WTB se conectan entre ellos por medio de Gateway o pasarelas y los dispositivos que se conectan a la red son: • • • • • •

Procesador Principal Procesadores Esclavos. Administrador de Bus. GateWay (pasarelas). Módulos I/O (de entrada y salida) Repetidores.

ETP

M

(WTB)

12

(MVB)

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(MVB)

(MVB)

Bibliografía

Topología tipo ESTRELLA

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Topología tipo BUS

en

to)

En los vehioculos ferroviarios se encuentran básicamente dos topologias del bus:



Topologia tipo BUS en la que Todos los nodos esta conectados a un solo canal de comunicaciones.



Topología ESTRELLA en la que todos los nodos están conectados directamente al servidor y todas las comunicaciones han de pasar necesariamente a través de él.

2.2.1.3

Bus Multifuncional del vehículo (MVB).

Puede direccionar hasta 4095 dispositivos (solo 256 tienen capacidad de mensajería esporádica). • • • •

Estructura fija con resistencias de cierre y 1.5 Mbit/s. Cada dispositivo o subsistema dispone de una dirección de red. 20m (par trenzado) 200m (par trenzado y apantallado A.Trafo/Opto, 32dispo.) o 2000 (2dis) Su tráfico es controlado por el administrador de Bus.

Es un Bus fiable. • • • •

2.2.1.4

BUS de Tren (WTB).

Permite la comunicación entre 2 o más composiciones dentro de un mismo tren. Es un bus de datos de comunicación serie 1,0 Mbit/s y reconfigurable (bus estructura variable) El medio físico es un par trenzado apantallado, redundado (860 m, 22 vehículos, 32 nodos) Las tramas atienden a una Codificación Manchester con delimitador. Superpone impulsos de tensión para limpiar los contactos del conector oxidado. Bajo el control del nodo maestro trasmite datos de proceso, mensajería y supervisión. Su tráfico es controlado por la gateway o nodo maestro.

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M

• • • • • • •

Las tramas atienden a una Codificación Manchester con delimitador. Chequeo para control de integridad de las tramas. Redundado, opcionalmente utilizado. La trasmisión es diferencial.

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2.2.1.5

Controladores de bus MVBC.

2.2.1.6

en

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El controlador dispone de: • Encoders y decoders para el acceso al bus. • La lógica para el acceso al denominado “traffic store” (memoria de intercambio con la CPU). El Controlador de Bus también puede leer un DeviceStatus. El controlador accede directamente al “traffic store” para leer o escribir las variables. De esta forma la CPU queda totalmente liberada de las labores de acceso al bus.

to)

Cada dispositivo se conecta al bus a través de un controlador de bus con capacidad para conectarse a las dos líneas redundadas (líneas A y B).

Administrador de Bus.

-El administrador de bus es el único dispositivo que organiza el tráfico en el MVB. -El administrador divide su turno en periodos básicos -El administrador divide el periodo básico en 4 fases: periódica, supervisión, mensajería y guarda.

Este es el aspecto de los diferentes telegramas con sus tramas maestras y sus tramas esclavas.

Protocolos en tiempo real.

M

2.2.1.7

ETP

En la Red TCN, los protocolos de comunicaciones (RTP) ofrecen tres tipos de servicios a la aplicación (independientes del bus) de software para poderse comunicar con otra aplicación: • Variables: base de datos de variables distribuidas a través de telegramas de tipo “process data”. 14

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Bibliografía

•

Mensajes: envío de mensajes esporádicos con acuse de recibo o multicast (basado en los servicios de tipo Message Data).

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en

to)

• Supervisión de la red y de los dispositivos. Otro servicio que se ofrece a la aplicación son los TNMs (Train Network Management). Permiten la realización remota de una serie de operaciones para la configuración, mantenimiento y operación de una red TCN.

2.2.2 Proyecto TRAINCom. 2000-2004. Sistema Integrado de Comunicaciones Inteligentes para Aplicaciones Tren.

Definir un enlace estándar entre la red digital embarcada con radio enlaces de telefonía móvil GSM y Tecnologías de Internet (Sistema Global para Comunicaciones Móviles).

TrainCom es un proyecto del Programa de Tecnologías de la Sociedad de la Información de la Comisión Europea El proyecto TRAINCOM pretende especificar y desarrollar un sistema de comunicación estándar para las aplicaciones telemáticas en el ámbito ferroviario, la integración de la red de a bordo (TCN) con enlaces de radio GSM y con las tecnologías de Internet. Utilizando soluciones de Internet tales como Bases de Datos y los protocolos de Internet estándar (TCP-IP, HTTP y lenguajes XML, JAVA… los mensajes pueden transmitirse con rapidez a y desde bases de datos a aplicaciones situadas en el control terrestre. Se creó una nueva plataforma estándar, sobre la cual pueden construirse numerosas aplicaciones, por ejemplo información a los pasajeros, supervisión remota, mantenimiento y control remoto. Por cuestiones de presupuesto no consiguieron culminar todos sus objetivos, pero avanzaron lo suficiente para comprender el valor que podia aportar al ferrocarril en aspectos muy importantes como el mantenimiento.

M

Debido a razones técnicas y de organización, el proyecto propuesto se divide en 5 áreas de actividad:

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1- Normalización y Conformidad. 2- Comunicación con la Infraestructura tren-tierra-tren. 3- Sistema de a bordo para información al pasajero. 4- Supervisión Remota y Mantenimiento (ROMAIN) 5- Locomotoras Interoperabilidad.

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El punto de partida se basa en tecnologías y estándares ya existentes, como la red TCN, (IEC 61375 a 1), que define una solución completa de buses abordo de los trenes, los enlaces de radio GSM (o su versión de tren, GSM-R), un estándar para la telefonía móvil, Internet, lo que significa un amplio conjunto de tecnologías disponibles para construir redes de comunicaciones de banda ancha. Este proyecto dio como resultado la norma IEC 61375 a 2.

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en

to)

En cuanto al proyecto de Información al Viajero, se encargará de datos de información de viaje y reserva de asientos, de acuerdo a una estructura de base de datos común. La carga automática de la información a los trenes reducirá el tiempo, mano de obra y los errores, mejorando la calidad del servicio y favoreciendo las operaciones intermodales. Sobre la base de la infraestructura de comunicación tren-tierra, el servicio llevará a un nuevo nivel de calidad en la entrega de información a los pasajeros, tanto en relación con los datos de información de viaje y reserva de asiento, la ruta, el retraso en la fecha prevista, la llegada a destino, las conexiones etc.

De cara al mantenimiento destacar la importancia del proyecto de Supervisión Remota y Mantenimiento. Este campo de actividad específica desarrolla una arquitectura y algunos elementos básicos de un sistema de soporte de mantenimiento, para la monitorización remota, en tiempo real de los equipos de a bordo, a través de la infraestructura de comunicación tren-tierra. Se abre el camino para una gestión de mantenimiento de la flota transeuropea, lo que permite apoyar vehículos ferroviarios donde quiera que estén. Los objetivos específicos de este campo de aplicación son: •

Acceso a los datos de a bordo de los centros de mantenimiento remoto.

•

Integrar la información procedente de diferentes fuentes.

•

Lograr la compatibilidad entre los trenes y los centros de mantenimiento.

•

La estandarización de los protocolos y formatos de transmisión.

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M

El proyecto de Interoperabilidad se encargara de la Interoperabilidad de vehículos inteligentes. Locomotoras inteligentes se pueden controlar de forma remota según las especificaciones estándar, logrando distintos niveles de interoperabilidad, que es un requisito básico para el tráfico ferroviario cruce fronterizo. TrainCom se centrará en la compatibilidad de los vehículos a nivel de mando y control, contribuyendo a la armonización de las interfaces.

Se puede decir que donde se culminaron todas sus aspiraciones fue con el proyecto EuRoMain. 16

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Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en

to)

Bibliografía

SOCIOS PARTICIPANTES

2.2.3 Proyecto EuRoMain. 2002-2005. Sistema abierto Europeo para el Mantenimiento del tren.

M

Definir, implementar y validar un completo sistema de soporte para el mantenimiento, el cual permita la monitorización, supervisión y el diagnóstico remoto de equipos embarcados.

ETP

EuRoMain es un Proyecto Integrado cofinanciado por la Comisión Europea dentro del 6º Programa Marco de Investigación y Desarrollo. Pretendían la definición de un sistema de mantenimiento Europeo capaz de manejar los datos de diagnóstico, documentación técnica y la interfaz con otros sistemas u operadores de mantenimiento atraves de la cual los datos de diagnóstico procedentes, tanto de los trenes como de las plantas terrestres, se pueden dirigir a través de una serie de nodos distribuidos, junto con la documentación técnica pertinente y entregado al destino final. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 17

Formación Técnica de Vehículos

Se plantearon los siguientes objetivos:  Apoyar y supervisar las actividades de mantenimiento de forma remota. Mejorar la disponibilidad y la fiabilidad del sistema (reducción de los fallos y retrasos).



Simplificar y armonizar los procedimientos de mantenimiento a nivel europeo.



Mejorar la cooperación y el intercambio de documentos entre los actores involucrados.



Gestionar y controlar flotas de vehículos.



Promover la interoperabilidad de las herramientas de mantenimiento.



Reducir coste del ciclo de vida de los equipos.



Contribuir a la creación de una red ferroviaria trans-europea.



Reducir el tiempo de mantenimiento y los costos relacionados.



Optimizar la planificación de mantenimiento a largo plazo.

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en



to)

Desarrollaron un programa de pruebas muy extenso involucrando a trenes de diferentes paises y parte de la especificación del sistema fue incluido en una propuesta de normalización (CENELEC WG B14). Actividad EuRoMain concluyó en marzo de 2005.

Para conseguir estos objetivos actuaron sobre tres campos:

 Documental.

 Distribución e intercambio de datos.

 Herramientas y aplicaciones especiales de mantenimiento.

Actuación Documental. 

Definieron las normas para la estandarización de la documentación Técnica.



Determinaron el uso del lenguaje XML estándar ya que permite:

ETP

M



18

Recuperar fácilmente la documentación gracias a la

estructura estándar.   

Acceso desde cualquier punto a la documentación. Facilitar la buena construcción de manuales. Accesos a la documentación siempre actualizada.

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Bibliografía

Definir un estándar para el intercambio de datos con los vehículos desde tierra. Los operadores de control remoto pueden conocer el estado de cada dispositivo. El taller puede planificar con antelación los recursos para las operaciones necesarias. Dos formas de comunicarse:  Iniciada por el operador. Pruebas a distancia. (Tierra Vehículo).  La iniciada por el sistema. Declaración de alarmas. (Vehículo Tierra).

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

Actuación sobre Aplicaciones y Herramientas especiales del mantenimiento.

en

• • • •

to)

Actuación sobre distribución e intercambio de datos (Vehículo-Tierra-Vehiculo)

•

Herramientas que puedan gestionar y configurar una Base de Datos por vehículos y dispositivos instalados. Información valiosa para el mantenimiento preventivo y correctivo (Trazabilidad). Unidad mínima sustituible.

•

Herramientas que puedan gestionar el mantenimiento permitiendo planificar, controlar y optimizar las operaciones de mantenimiento hasta el nivel de unidad mínima sustituible.

•

Herramientas que puedan solucionar problemas apoyándose en la estadística. Permitiendo grabar y analizar datos sobre los fallos para cálculos de Fiabilidad, Disponibilidad y mantenibilidad (RAM).

•

Herramientas de análisis de fallos y resolución de problemas con metodologías RCM y CBM.

•

Herramientas interface de Control Supervisión y Adquisición de datos.

2.2.4 Proyecto MODTRAIN 2004-2008. Fabricación de trenes modulares.

Conceptos innovadores de vehículos modulares para un sistema ferroviario europeo integrado. (6PM)

ETP

M

MODTRAIN es un Proyecto Integrado cofinanciado por la Comisión Europea dentro del 6º Programa Marco de Investigación y Desarrollo. Su objetivo era definir las interfaces funcionales eléctricas, mecánicas y los procedimientos de validación necesarios para ofrecer una gama de módulos intercambiables que formarán la base para la próxima generación de trenes univeresales.

Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 19

Formación Técnica de Vehículos

Se dividio en cuatro subproyectos: MODPOWER - Optimización y armonizar a bordo sistemas de suministro de energía. MODBOGIE - Normalización de los componentes de los bogies. MODCONTROL - Tren funciones e interfaces del subsistema. MODLINK- Interfaz de tren-hombre, incluyendo tanto a los conductores y pasajeros.

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   

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en

2.2.5 Proyecto Railenergy 2006-2010 . Soluciones innovadoras para la eficiencia energética de material rodante, infraestructura y operaciones del tren. Otro objetivo era generar estándares de validación para la eficiencia energética de los productos y servicios y contribuir al proceso de armonización europea.(6PM)

Herramientas para la eficiencia energética

Railenergy es un Proyecto Integrado cofinanciado por la Comisión Europea dentro del 6º Programa Marco de Investigación y Desarrollo. El objetivo principal del proyecto Railenergy es abordar la eficiencia energética del sistema ferroviario integrado y para investigar y validar soluciones que van desde la introducción de tecnologias innovadoras de tracción, hasta diseño de componentes para vehiculos y estrategias de cara a la infraestructura y la operación de trenes. Railenergy pretende desarrollar un enfoque totalmente integrado como la única manera de lograr un verdadero ahorro de energía. También tiene como objetivo generar nuevos estándares de validación para la eficiencia energética de los productos y servicios, y para contribuir al proceso de armonización europea.

ETP

M

SOCIOS PARTICIPANTES

20

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Bibliografía

2.2.6 Proyecto InteGRail 2005-2010. Interoperabilidad de los sistemas de información del ferrocarril.

to)

Interoperability of railway information systems.(6PM)

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en

InteGRail es un Proyecto Integrado cofinanciado por la Comisión Europea dentro del 6º Programa Marco de Investigación y Desarrollo. Los corredores ferroviarios para el transporte de mercancías y viajeros en Europa, donde mantenedores, operadores de trenes, administradores de infraestructuras y gestores de tráfico están involucrados para garantizar el servicio y la separación entre operadores e infraestructura para hacer posible la liberación del mercado, junto con la necesidad de hacer del ferrocarril un sistema de transporte competitivo, son los principales motivos que hacen necesario el intercambio de datos entre los diferentes actores y que refuerza la necesidad de un interface especifico y estandar de referencia para la interoperabilidad de los sistemas de información de trenes y la integración de las aplicaciones ferroviarias. Por tanto, con este proyecto, se buscaba la integración de la información del ferrocarril en un unico sistema que permitiera la gestión de los ferrocarriles Europeos. Los sistemas de información ferroviarios (Mantenimiento, Admr de Infraestructura, Operaciones y Gestion de tráfico) producen y consumen datos en formatos propios, lo cual hace que sea muy difícil, si no imposible, compartirlos entre diferentes aplicaciones y sistemas.

Para poder compartir todos los datos que cada actor es capaz de proprcionar y que pueden ser de utilidad para el resto, era necesario crear y desarrollar Interfaces estandar específicas para lograr la integración de los datos, aunque tradicionalmente, los ferrocarriles no han estado dispuestos a abrir sus sistemas de información para las organizaciones externas y son reacios a aceptar la idea de intercambio de información. InteGRail desarrolla ese interface especifico y estandar de referencia para la interoperabilidad de los sistemas de información de trenes y la integración de las aplicaciones ferroviarias. La columna vertebral de InteGRail es la plataforma IGRIS (Sistema Integrado de Información de tren). Esta plataforma comun permite la combinación de cualquier fuente de información de trenes. La Plataforma IGRIS (encuanto al mantenimiento inteligente) desarrollo las siguientes aplicaciones: Análisis de la tendencia del vehículo y de la vía.(mejora en análisis de la tendencia)



Administrador de eventos no planificados.(analiza cualquier evento no previsto e informa)



Servidor para el mantenimiento predictivo. (Apoyo al mantenimiento predictivo)



Optimizador de Mantenimiento: (impulsar y planificar el mantenimiento)



Deposito Inteligente: (Ayuda al Depot Manager)

ETP

M



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Formación Técnica de Vehículos

InteGRail (apoyándose en desarrollos de EuroMain) por tanto, tiene como objetivo crear un sistema de información integral, coherente donde hacer posible la integración de los principales subsistemas ferroviarios, con el fin de alcanzar los niveles más altos de rendimiento del sistema ferroviario (en términos de capacidad, de velocidad media, de puntualidad, de seguridad) y el uso optimizado de los recursos para la toma de decisiones de los Administradores de tráfico y operadores, durante incidencias.

Mayor eficiencia.



Mejor gestión del material rodante.

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

en

to)

Algunas de las mejoras que se desprenden de este interface son:



Disminución de costos.



Mejora de la puntualidad.

ETP

M

SOCIOS PARTICIPANTES

Nota: La CE define algunas Especificaciones Técnicas para la Interoperabilidad (ETI), donde se dispone toda la información necesaria y obligatoria para todos los actores involucrados. 22

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Bibliografía

2.2.7 Nuevos proyectos de I+D+I se prevén para el futuro (2020) por valor de 970 M€. Los nuevos proyectos previstos irán orientados de la siguiente forma:

ERRAC: (Consejo asesor

Interoperabilidad de trenes y dispositivos:  Encontrar soluciones rentables  Reducir los tiempos de aplicación.  Estimular la intermodalidad  Mejorar las mercancías.

en

to)

de investigación ferroviaria Europea)

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

Seguridad y protección  Reducción del peligro e incidentes  Mejorar el sistema de gestión de calidad

Mobility and Transport

Materiales innovadores     

Los materiales con funciones integradas Las soluciones híbridas Materias primas Tecnologías de producción innovadoras Recubrimiento y tratamiento de superficies

7ºPM

Movilidad Inteligente.  Sistemas y bases de datos mejorados  Mejorar la capacidad de la red.  Mejorar la gestión del tráfico.  Soporte al mantenimiento.

El Shift2Rail gestionará todo el presupuesto para la investigación ferroviaria en el horizonte del 2020”. La contribución financiera de la Unión a la S2R ascenderá a un máximo de 450 millones de euros del Programa Marco. Para acceder a esta financiación, la industria ferroviaria tendrá que comprometerse a una contribución de al menos 470 millones de €, por lo que todo el presupuesto estimado de la S2R JU será de al menos 920 millones € para el período 2014-2020. Por otro lado los protagonistas (Unión Internacional de Ferrocarriles (UIC), la Comunidad de los Ferrocarriles Europeos (CFE), la Unión Internacional de Transportes Públicos (UITP) y la Unión de Industrias Ferroviarias Europeas (UNIFE) se comprometen conjuntamente en la definición de una estrategia para impulsar un sistema ferroviario Europeo único con miras al año 2020 para alcanzar los siguientes objetivos: 

un aumento de la cuota de mercado del 6% al 10% del tráfico de viajeros y del 8% al 15% del tráfico de mercancías(40% en EEUU),

una triplicación de la productividad del personal de las empresas ferroviarias,



una mejora del 50% de la eficacia energética,



una reducción del 50% de la emisión de agentes contaminantes,

M



un aumento de la capacidad de la infraestructura correspondiente a los objetivos de tráfico

ETP



establecidos.

Nota: No debemos confundir ERRAC con ERA. ERA Es la Agencia Ferroviaria Europea que se creó por la Dirección General de Mobility And Transport de European Comissión para ayudar reforzar la seguridad y la interoperabilidad. La Agencia también actúa como la autoridad del sistema para el proyecto del Sistema de Gestión del Tráfico Ferroviario Europeo (ERTMS), y publica el resumen del estado de las ETI Especificaciones Técnicas para la Interoperabilidad. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 23

Formación Técnica de Vehículos

3. ASPECTOS QUE PUEDEN REVITALIZAR EL FERROCARRIL, RECUPERANDO LA CONFIANZA PERDIDA.

3.1

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en

to)

El continuo crecimiento de la demanda de transporte, la congestión del tráfico y el cambio climático entre otras cosas, pone en evidencia los problemas existentes del sistema de transporte Europeo. La Dirección General de Movilidad y Transportes perteneciente a la Comisión Europea afirma (Libro Blanco del 2010) que el Ferrocarril es la solución para los problemas de movilidad del sistema de transportes europeo, indicando como objetivo prioritario la necesidad de revitalizar este sistema de transporte, para que en las próximas décadas asuma una mayor parte de la abrumadora demanda que existe, siendo el transporte por carretera el principal competidor.

ARMONIZAR LA INTEROPERABILIDAD GARANTIZANDO LA SEGURIDAD.

Armonizar la interoperabilidad garantizando la seguridad donde el ERTMS, implantado gracias a la red de comunicaciones TCN, ha sido un sistema determinante para acercarnos cada vez más a la interoperabilidad segura desde el punto de vista técnico. Desde el punto de vista de recursos humanos, conciliar y/o armonizar reglamentos y políticas de explotación parece más complejo a día de hoy.

3.2

LA APERTURA DE LOS MERCADOS.

La primera piedra se colocó en 1991, con la Directiva sobre la separación contable entre infraestructura y explotación del servicio ferroviario. Esta Directiva, entre otras cosas, ha abierto la vía a la independencia y la transparencia de gestión, así como a una futura competencia entre compañías ferroviarias. La llegada de nuevas empresas (2003) ferroviarias, con otros horizontes y una sólida experiencia logística y de integración modal, debe reforzar la competitividad de este sector y animar a las compañías nacionales a reestructurarse, teniendo en cuenta los aspectos sociales y las condiciones laborales. Esta apertura, impulsada por el parlamento Europeo, en el 2008 será total en toda la red europea para el transporte de mercancías.

3.3

COMPLETAR LA RED TRANS-EUROPEA.

La Red Transeuropea de Ferrocarril se compone de la Red Transeuropea de Ferrocarril de Alta Velocidad y de la Red Transeuropea de Ferrocarril Convencional. Los Proyectos Prioritarios de la Red Transeuropea de Transportes son aquellos que la Unión Europea considera estratégicos para la creación de una auténtica malla de transportes de alcance continental.

ETP

M

A través de la Decisión Nº 884/2004/CE del Parlamento Europeo y del Consejo, de 29 de abril de 2004[1], "por la que se modifica la Decisión n.º 1692/96/CE sobre las orientaciones comunitarias para el desarrollo de la red trans-europea de transporte", la Unión Europea no sólo retoca la definición de la Red Transeuropea de Transportes, sino que establece además una lista tasada de 30 proyectos prioritarios que deberían iniciarse antes del año 2010 y estar implementados en 2020, con un coste total previsto de 225.000 millones de euros.

24

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Bibliografía

La mayor parte de ellos, 21 de 30, son actuaciones sobre corredores de ferrocarril, y consisten tanto en la construcción de nuevas líneas, algunas de ellas dedicadas específicamente a tráficos de alta velocidad, como en la mejora de las existentes o en el fomento de la interoperabilidad con países vecinos. Tres de los treinta proyectos tienen relación con España como son: Eje multimodal Portugal-España-resto de Europa. Eje ferroviario de transporte de mercancías a través de los Pirineos Sines/Algeciras-Madrid-París Interoperabilidad de la red ferroviaria de alta velocidad en la Península Ibérica.

to)

  

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en

3.4 MEJORAR LA CREDIBILIDAD Y LA CONFIANZA EN EL SISTEMA FERROVIARIO COMO SISTEMA DE TRANSPORTE EN LOS ÁMBITOS DE VIAJEROS Y MERCANCÍAS. No cabe duda que el mantenimiento tiene un impacto importante en la recuperación de la confianza en este sistema de transporte. Para mejorar la credibilidad, necesitamos hacer un mantenimiento acorde a los vehículos y apoyarnos en dos aspectos importantes: La aplicación de las nuevas tecnologías y la innovación aplicada al mantenimiento, contemplando un mantenimiento en sintonía con los mantenimientos en Europa, incluso teniendo en cuenta una acción concertada a nivel continental. No podemos olvidar que los fabricantes de vehículos ferroviarios Bombardier, CAF, Alstom, Siemens etc. ahora también involucrados en el mantenimiento, como hemos comentado ya en este documento, han sido junto con las principales instituciones, los principales impulsores de la innovación no solo de los vehículos sino también de las herramientas necesarias para hacer un mantenimiento acorde a la actual generación de vehículos. El mantenimiento puede ayudar a recuperar la confianza por medio de la innovación considerando los siguientes aspectos. 1.

ETP

M

2. 3. 4. 5.

No perder de vista los proyectos Europeos con carácter integrador, aplicando los criterios y las herramientas desarrolladas. (ESTANDARIZACIÓN Y INTEROPERABILIDAD) Aprovechar más y mejor los propios recursos de los vehículos ferroviarios. Utilizar y sacar partido a las herramientas de software desarrolladas por el fabricante para el vehículo. Alimentar y Utilizar un GMAO adaptado a los recursos que aportan los vehículos. Implementar aspectos de metodología para el análisis de diagnóstico en actividades formativas.

Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 25

nasica

Fabricación y Mantenimiento S.A. Gerencia de Área de Organización y RR HH. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento.

TRACCIÓN DIESEL Motores Térmicos

FTV-Básico

Edición 1 Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 1

TRACCIÓN DIÉSEL

Autor: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento de Renfe Operadora. Edita: © Renfe Operadora. Edición 1. Febrero 2019 Fabricación y Mantenimiento S.A. Gerencia de Área de Organización y Recursos Humanos. 2

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QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR.

Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 3

TRACCIÓN DIÉSEL

ÍNDICE 1

GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL ................................................................................................................................. 7 1.1 1.1.1 1.1.2 1.2 1.3 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.5 1.6

2

TIPOS DE VEHÍCULOS DE TRACCIÓN DIÉSEL FERROVIARIA ........................................................................................................ 19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

3

TRANSMISIÓN DEL ESFUERZO A LOS EJES ...................................................................................................................................... 19 LOCOMOTORA DIÉSEL ................................................................................................................................................................... 19 DISTRIBUCIÓN INTERIOR DE UNA LOCOMOTORA DIÉSEL................................................................................................................... 19 SALA DE MAQUINAS...................................................................................................................................................................... 20 TRANSMISIÓN DIÉSEL-ELÉCTRICA ................................................................................................................................................. 21 ESQUEMA BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA LOCOMOTORA DIÉSEL-ELECTRICA. ............................................................................ 21 MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS ......................................................................................................................................... 23

3.1 3.1.1 3.1.2 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.5 3.5.1 3.5.2 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 4

TIPOS DE MOTORES...................................................................................................................................................................... 23 De combustión interna alternativos .......................................................................................................................................... 23 Según su ciclo de trabajo......................................................................................................................................................... 23 SERIES DE LOCOMOTORAS QUE FUNCIONAN CON MOTOR DIÉSEL DE DOS TIEMPOS .............................................................................. 24 SERIES DE LOCOMOTORAS QUE FUNCIONAN CON MOTOR DIÉSEL DE CUATRO TIEMPOS ........................................................................ 25 ELEMENTOS QUE COMPONEN LOS MOTORES GM DE DOS TIEMPOS ..................................................................................................... 26 Bloque motor .......................................................................................................................................................................... 26 Conjuntos o Grupos de potencia ............................................................................................................................................... 26 La culata ................................................................................................................................................................................. 28 Cigüeñal y árboles de levas ...................................................................................................................................................... 29 Sincronización de la distribución ............................................................................................................................................. 30 SISTEMAS DE SOBREALIMENTACIÓN .............................................................................................................................................. 31 Compresor (ROOTS).................................................................................................................................................................. 31 Turbo compresor..................................................................................................................................................................... 32 CIRCUITO DE LUBRICACIÓN ............................................................................................................................................................ 33 CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN........................................................................................................................................................ 35 ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE .................................................................................................................................................. 37 REGULADOR DE REVOLUCIONES ..................................................................................................................................................... 39 DISPOSITIVOS DE VIGILANCIA ....................................................................................................................................................... 39

AUTOMOTORES DIÉSEL .............................................................................................................................................................. 41 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.3 4.3.1

4

FUNDAMENTOS DEL MOTOR DIÉSEL .................................................................................................................................................7 El Ciclo Otto...............................................................................................................................................................................7 El ciclo diésel ............................................................................................................................................................................8 CONCEPTOS DEFINITORIOS .............................................................................................................................................................8 MOTOR DIÉSEL DE CUATRO TIEMPOS.............................................................................................................................................. 10 MOTOR DIÉSEL DE DOS TIEMPOS. .................................................................................................................................................. 12 Características de un motor diésel de 2 tiempos ....................................................................................................................... 12 Resumen de funcionamiento .................................................................................................................................................... 13 Justificación de la sobrealimentación: ...................................................................................................................................... 14 ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DEL MOTOR ...................................................................................................................................... 15 SISTEMA DE LA DISTRIBUCIÓN EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN ........................................................................................................ 16

CONVERSIÓN DE PAR .................................................................................................................................................................... 43 TRANSMISIÓN DIÉSEL-MECÁNICA .................................................................................................................................................. 44 Elementos de la Transmisión Mecánica..................................................................................................................................... 44 Funcionamiento....................................................................................................................................................................... 44 Convertidor de par mecánico:................................................................................................................................................... 45 Caja de cambios. ...................................................................................................................................................................... 45 TRANSMISIÓN DIÉSEL-HIDAULICA.................................................................................................................................................. 45 FUNDAMENTO. ......................................................................................................................................................................... 46

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INDICE

4.3.2 4.4 4.5 4.6 5

Sistema diésel hidráulico. (Resumen) ....................................................................................................................................... 46 ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN........................................................................................................................................................... 48 INVERSIÓN .................................................................................................................................................................................. 48 FRENO HIDRODINÁMICO. ............................................................................................................................................................... 48

MOTORES DIESEL EN AUTOMOTORES ......................................................................................................................................... 49 5.1 5.1.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.11.1 5.11.2 5.12 5.12.1 5.12.2 5.13

MODELOS DE MOTORIZACIONES ..................................................................................................................................................... 49 Motor diésel MAN d2876lue 605 ............................................................................................................................................... 49 BLOQUE DE CILINDROS .................................................................................................................................................................. 49 CIGÜEÑAL Y ÁRBOL DE LEVAS........................................................................................................................................................ 49 CILINDROS. “CAMISAS” ................................................................................................................................................................ 50 PISTONES Y BIELAS ..................................................................................................................................................................... 51 CULATAS ..................................................................................................................................................................................... 52 EL CÁRTER .................................................................................................................................................................................. 53 SISTEMA DE LUBRICACIÓN ............................................................................................................................................................ 53 CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN........................................................................................................................................................ 54 SISTEMA DE SOBREALIMENTACIÓN................................................................................................................................................ 56 CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN E INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE ............................................................................................................ 57 Bomba inyectora en Linea ........................................................................................................................................................ 59 Variador de avance .................................................................................................................................................................. 59 SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL ............................................................................................................................................ 60 El Regulador............................................................................................................................................................................ 60 Inyectores ............................................................................................................................................................................... 62 SISTEMA DE INYECCIÓN COMMON RAIL........................................................................................................................................... 63

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TRACCIÓN DIÉSEL

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

6

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GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL 1

GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL

en to )

1

Un gran número de vehículos del parque de RENFE están dotados de motores diésel de dos o cuatro tiempos que pueden ser objeto de la siguiente característica general: Un motor diésel es un generador de energía termomecánica que permite la independencia del vehículo motor respecto a las instalaciones energéticas fijas en la línea.

Do (E cu sc me ue la nto Té so cn lo v ica ál Pr ido ofe pa sio ra na for l d ma e M ció an n. ten im i

•

En el Motor de ciclo diésel: •

La admisión únicamente contiene aire.

•

El aire se comprime y al final de la compresión se inyecta el combustible (Gasóleo), autoinflamándose e iniciándose la combustión, por lo que a estos motores se les denomina motores de encendido por compresión (MEC).

•

La regulación de la Carga es cualitativa, es decir, la proporción de combustible y aire varía dependiendo de la demanda de potencia del motor. El Motor admite la mayor cantidad de aire posible y a mayor demanda de potencia mayor cantidad de combustible inyectado.

Cada émbolo de trabajo o pistón del motor diésel comprime aire dentro de un cilindro, de forma que la temperatura resultante de la compresión es muy superior al punto de inflamación del combustible empleado. La introducción gradual de éste después de la compresión tiene como consecuencia la combustión espontánea del mismo, obteniéndose un volumen de gases resultantes, a una presión elevadísima, que tiende a expandirse dentro del cilindro haciendo retrocedes al pistón. •

La carrera motriz o impulso que adquiere el pistón dentro del cilindro se obtiene de la expansión de los gases producidos en la combustión espontánea del combustible.

•

Para conseguir una carrera motriz (fase de combustión) en un motor diésel se precisan tres fases preparatorias: escape, admisión y compresión.

Debido a las condiciones de trabajo de un motor diésel, las piezas que lo componen son de una gran robustez. Es importante destacar la mejor eficiencia energética de los motores diésel comparados con los motores de Gasolina ya que tienen menor consumo de combustible / uso de energía (al funcionar con relaciones de compresión mayores)

1.1

FUNDAMENTOS DEL MOTOR DIÉSEL

El calor es una forma de energía que puede transformarse, denominándose motor térmico a toda máquina de funcionamiento periódico que transforma el calor en trabajo. En la actualidad la aplicación mayoritaria de este tipo de tecnología se realiza con motores de combustión interna, concretamente motores diésel. Existen diferentes tipos de motores de combustión interna, tanto de ciclo de Otto como en ciclo diésel, que a su vez podrían sub-clasificarse en rotativos, como el motor rotatorio (Wankel) o la turbina de combustión, y alternativos o de pistón.

1.1.1

El Ciclo Otto

ET

PM

Es el ciclo termodinámico que se aplica en los motores alternativos de combustión interna. Se caracteriza porque todo el calor se aporta a volumen constante sobre una mezcla de comburente y combustible y la ignición se provoca mediante una chispa eléctrica (encendido). Está basado en el ciclo de Carnot, en este ciclo termodinámico se define una máquina que trabaja absorbiendo una cantidad de calor, que transforma en trabajo entregado al exterior mientras cede calor. El ciclo de Carnot consta de cuatro etapas: dos procesos isotermos (a temperatura constante) y dos adiabáticos (aislados térmicamente). Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 7

TRACCIÓN DIÉSEL

Representando gráficamente la relación entre presión (p) y volumen (v) obtenemos los siguientes tramos:

Do (E cu sc me ue la nto Té so cn lo v ica ál Pr ido ofe pa sio ra na for l d ma e M ció an n. ten im ien

2-3: Ignición con aporte de calor a volumen constante. La presión se eleva rápidamente (Qp) antes de comenzar el tiempo útil

to )

1-2: Compresión adiabática (sin intercambio de calor)

3-4: Expansión adiabática o parte del ciclo que entrega trabajo.

4-1: Escape con cesión del calor residual al medio ambiente a volumen constante (Qo). Hay dos tipos de motores que se rigen por el ciclo de Otto, los motores de dos tiempos y los motores de cuatro tiempos.

Figura. 1-1 Ciclo de Carnot

1.1.2

El ciclo diésel

Se verifica en un motor térmico de combustión interna, basado en el ciclo de Otto. En el diésel la inflamación se logra inyectando combustible atomizado y a gran presión en el aire calentado por la compresión en el interior del cilindro.

El diésel es el motor térmico utilizado mayoritariamente en el ferrocarril, pudiendo ser de dos tiempos o de cuatro tiempos, dependiendo de si el ciclo completo se verifica en una o dos rotaciones completas del cigüeñal.

Figura. 1-2 Motor diésel de dos tiempos. Loc. S/334

1.2

CONCEPTOS DEFINITORIOS

Motor de Encendido Provocado (MEP) o de Ciclo Otto. Comprime una mezcla de aire y combustible, produciéndose la combustión pro una causa externa, es decir, por el salto de una chispa de la bujía.

ET

•

PM

Además de estudiar el motor diésel en cuanto a los componentes y funcionalidades que lo definen, es necesario conocer los términos teóricos más importantes, vamos a repasarlos:

8

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GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL 1

Motor de Encendido por Compresión (MEC) o de Ciclo diésel. Comprime aire hasta que este adquiere una gran presión y temperatura, momento en el cual se inyecta combustible y se produce la combustión por autoinflamación del mismo.

•

Punto muerto superior (PMS). Cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanza la cota más próxima a la cámara de combustión.

•

Punto muerto inferior (PMI). Cuando el pistón en su movimiento alternativo alcanza la cota más alejada de la cámara de combustión.

•

Diámetro o calibre (D). Diámetro interior del cilindro (en mm.)

• •

Carrera (C). Distancia que recorre el pistón dentro del cilindro entre el PMS y el PMI (en mm). La carrera se mide en milímetros de desplazamiento del pistón o en grados de giro de la muñequilla del cigüeñal. La longitud de una carrera coincide con la medida del diámetro de la circunferencia descrita por la correspondiente excéntrica del cigüeñal.

•

Cilindrada (V). Es el volumen que desplaza el pistón del PMI al PMS.

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•

Figura. 1-3 Conceptos definitorios

Cámara de combustión (v). Volumen comprendido entre la cabeza del pistón en PMS y la culata.

•

Relación de compresión. Es un valor teórico que pone en relación los valores volumétricos entre el cilindro y la cámara de combustión, este valor es indicativo de la presión conseguida cuando finaliza la fase de compresión.

•

Sentido normal de giro. Se entiende que en un motor su sentido de giro es a derechas, cuando gira en sentido horario visto desde en el lado opuesto al volante de inercia (salida de potencia)

•

Velocidad del motor. Según la velocidad de régimen de funcionamiento los motores diésel se clasifican en: rápidos de 2000 a 4000 rpm., medios de 1000 a1500 rpm. y lentos de 200 a500 rpm.

•

Orden de encendido. Es la secuencia con que se produce el encendido (inyección/combustión) en los motores policilindricos, tratando de repartir la carga que soporta el cigüeñal, evitando esfuerzos simultáneos en cilindros adyacentes. Carga. La carga de un motor es el nivel de exigencia de prestaciones del mismo en un determinado momento. Puede relacionarse con la posición del acelerador o regulador, si no se accionan no tiene carga, si se posiciona en la mitad de su recorrido el motor está a media carga y si se lleva al final de su recorrido el motor está a plena carga. Las Curvas características de Par, Potencia y Consumo específico se realizan a plena carga.

ET

•

PM

•

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TRACCIÓN DIÉSEL

Otro concepto definitorio de un motor es la disposición de los cilindros, con diferentes soluciones, aunque las más comunes en la aplicación ferroviaria actual son los motores en línea y motores en V. A continuación, analizaremos algunos tipos de disposiciones de cilindros:

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Motores con cilindros en línea. Tiene los cilindros dispuestos en una única fila de forma vertical u horizontal en el bloque. Este motor se puede utilizar desde 2 a 8 cilindros, siendo el más sencillo constructivamente hablando.

Motores con cilindros en V. Tiene los cilindros repartidos en dos bloques unidos por la base o bancada y formando un cierto ángulo (60º, 90º, etc) o en un bloque que disponga de dos bandas. Se utiliza este motor para 6 cilindros en adelante. Esta forma constructiva es ventajosa para un número de cilindros mayor de 6, ya que es más compacta, con lo cual el cigüeñal, al ser más corto, trabaja en mejores condiciones. Motores con cilindros horizontales opuestos. (Motor bóxer). Es un caso particular de los motores de cilindros en V. Los cilindros van dispuestos en dos bloques que forman un ángulo de 180º colocados en posición horizontal y en sentidos opuestos que se unen por su base o bancada. La ventaja de esta disposición es la reducción de la altura del motor, por lo que se suelen utilizar en automotores que disponen de mucho espacio a lo ancho y poco en altura, montándose bajo el bastidor (ej. antigua serie S/597 TER).

Figura. 1-4 Motor con cilindros en V

1.3 MOTOR DIÉSEL DE CUATRO TIEMPOS

Atendiendo a su ciclo de trabajo, en los motores de cuatro tiempos necesitamos cuatro carreras de pistón, dos vueltas de cigüeñal, para completar un ciclo operativo. Dado que en este tipo de motor coincide cada tiempo con la realización de una fase, se estudiará el funcionamiento en cuatro etapas sucesivas:

ET

PM

tres son resistentes o preparatorias.

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En el motor de cuatro tiempos el ciclo termodinámico se verifica en dos vueltas del cigüeñal. De las cuatro carreras resultantes, admisión, compresión, combustión y escape, solamente una carrera es de trabajo (combustión) y las otras

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GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL 1

Figura. 1-5 Ciclos teóricos de funcionamiento de un motor diésel

El pistón que primero bajó en admisión, sube en compresión, y antes de llegar al P.M.S es inyectado el combustible. Comienza la combustión y la expansión de los gases, es cuando el pistón, empujado violentamente, cumple con la fase de trabajo. La siguiente media vuelta expulsará los gases. De esta forma seria un ciclo teórico en un motor de cuatro tiempos. Este tipo de motor de combustión interna alternativo, necesita dos vueltas de cigüeñal, o lo que es lo mismo, cuatro carreras del émbolo, para completar el ciclo de trabajo. Cuando arranca un motor de estas características, debemos comprender la forma en que se produce la primera combustión.

Figura. 1-6 Funcionamiento del motor de cuatro tiempos

ET

PM

El pistón que se encuentre en la fase de compresión, elevará la temperatura del aire atrapado en la cámara de combustión donde llegará, el combustible finamente pulverizado comenzando arder. La consiguiente expansión de los gases hará el resto

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TRACCIÓN DIÉSEL

MOTOR DIÉSEL DE DOS TIEMPOS.

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to )

1.4

Figura. 1-7 Motor diésel de 2 tiempos. Detalle lumbreras de admisión.

1.4.1

Características de un motor diésel de 2 tiempos

La utilización de motores diésel de dos tiempos para tracción ferroviaria tiene su comienzo con el desarrollo de la sobrealimentación, gracias a la cual el rendimiento de estos motores es equiparable, o superior incluso, al de un motor diésel de cuatro tiempos. La constitución de un motor de dos tiempos tiene las siguientes características. •

El bloque de cilindros dispone de alojamientos para el sistema de sobrealimentación.

•

Las camisas tienen mecanizadas un determinado número de lumbreras para la admisión del aire. Estas lumbreras actúan como asiento de las válvulas de admisión, constituyendo las mismas el par pistón-segmento de compresión, el cual descubre o cierra dichas lumbreras en sus carreras descendente o ascendente, respectivamente.

•

El aire comprimido por un sobrealimentador pasa al interior del cilindro a través de las lumbreras, que gracias a su orientación provocan una gran turbulencia en la cámara de combustión, favoreciendo así la mezcla aire-combustible.

•

La culata dispone de dos o cuatro válvulas de escape que facilitan la evacuación de los gases residuales y mejoran el barrido de la cámara de combustión, aumentando así el rendimiento del siguiente ciclo de trabajo. Dicho ciclo se realiza en dos carreras del pistón; por ello será necesario una solo vuelta del cigüeñal para completarlo.

•

El árbol de levas dispone de tres jorobas por cilindro: dos de ellas asisten simultáneamente a las válvulas de escape, por lo que están decaladas en el árbol con el mismo ángulo, y la tercera, situada entre ambas, asiste al inyector bomba. Debido a esta característica de árbol de levas, es necesario introducir un árbol secundario u otro mecanismo de contrapeses que equilibre el sistema.

•

El número de revoluciones del árbol de levas es el mismo que el del cigüeñal; por lo tanto, los piñones conductor y conducido del tren de engranaje de la distribución tiene igual número de dientes.

Las cuatro fases del ciclo de trabajo de un motor diésel de dos tiempos de distribuyen de la siguiente forma:

Admisión y compresión en la carrera ascendente o primer tiempo, al final del cual se verifica la inyección. Combustión y escape en la carrera descendente o segundo tiempo, que finaliza con un barrido de la cámara de combustión. Entre dos fases sucesivas de combustión el cigüeñal efectúa una revolución completa; es decir, cada vuelta de cigüeñal implica una fase de combustión. Este ciclo teórico queda modificado en la práctica por las cotas de reglaje, mediante las cuales, antes de finalizar la carrera de combustión, se efectúa la apertura de las válvulas de escape.

ET

PM

 

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GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL 1

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Iniciado el escape, gracias a la sobrepresión proporcionada por la combustión termina la carrera descendente del pistón, antes de finalizar la cual se descubren las lumbreras de admisión para no volver a cerrar hasta terciar la siguiente carrera ascendente. La presión en el interior del cilindro, en estos momentos, es inferior a la que proporciona el sobrealimentador y dado que las lumbreras de admisión están ahora abiertas, el aire a presión suministrado efectúa un barrido del interior del cilindro, para lo que es necesario retrasar el cierre de las válvulas de escape.

Finalizada la admisión del aire y el barrido, las válvulas de escape cierran cuando la presión en el interior del cilindro es la necesaria para el inicio de la fase de compresión. Antes de que el pistón llegue al punto muerto superior, se inicia la inyección gradual del gas-oil debido a la acción de la correspondiente leva sobre el inyector bomba. De esta forma comienza la fase de combustión antes de alcanzarse dicho punto, con lo que la siguiente carrera descendente aprovecha al máximo los gases producidos.

Figura. 1-8 Sección del motor de dos tiempos

Resumen de funcionamiento

PM

1.4.2

ET

En los motores de dos tiempos GM, la admisión y el escape, se solapan durante las carreras de compresión y potencia. Por medio de un soplador o un turbo-compresor se hace entrar el aire dentro de las cámaras de barrido, generando la suficiente presión, para que en el momento que se descubren las lumbreras de admisión, el aire fresco penetre en el cilindro, empujando hacia el escape los gases producidos en la combustión. Lógicamente las válvulas de escape ya están abiertas y la presión en el interior del cilindro es menor que en la cámara de barrido.

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TRACCIÓN DIÉSEL

Escape: al descender el pistón en la parte final de la carrera de expansión (potencia) se abre la válvula de escape permitiendo la salida de los gases quemados.

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

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Resumiendo, las cuatro fases del ciclo se cumplen de la siguiente manera, requiriendo una sola vuelta del cigüeñal:

Figura. 1-9 Escape

 Admisión y Barrido: una vez abierta la válvula de escape, el pistón en su movimiento descendente descubre las lumbreras de admisión posibilitando el ingreso de aire limpio forzado por un soplador (generalmente de tipo Roots) el que a su vez expulsa los gases quemados remanentes en el cilindro.

Figura. 1-10 Admisión-Barrido



Compresión: al ascender, el pistón tapa las lumbreras de admisión a la vez que se cierra la válvula de escape produciendo la compresión del aire que ingresó al cilindro.

Figura. 1-11 Compresión

 Expansión: cuando el pistón está próximo a llegar al PMS comienza la inyección de combustible, el que se inflama. Combustión y consiguiente expansión (carrera de potencia).

Figura. 1-12 Expansión

1.4.3

Justificación de la sobrealimentación:

ET

PM

En motores de 2 tiempos del tipo “uniflow”, (los que realizan la admisión por lumbreras en el cilindro, y el escape mediante válvulas en la culata) cuando el pistón desciende dejando las lumbreras de admisión al descubierto, A, es necesario asegurar que la presión de admisión es mayor que la presión de los gases de escape contenidos en el interior del cilindro para evitar que éstos se introduzcan en la admisión del motor. Esto sólo se puede asegurar mediante el uso de sobrealimentadores.

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GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL 1

Figura. 1-13 Diagrama Circular Práctico de la distribución Motor diésel 2 Tiempos

1.5

ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS DEL MOTOR

Aunque posteriormente se explicarán con detalle los elementos y componentes que conforman los motores de combustión de los distintos vehículos ferroviarios, para generalizar y facilitar su compresión, vamos a enunciar aquí las características generales de los componentes principales del motor, así como del sistema interno de distribución. BLOQUE Es la estructura básica del motor, en el mismo van alojados los cilindros, cigüeñal, árbol de levas, etc. Todas las demás partes del motor se montan en él. Generalmente son de fundición de hierro o aluminio. Pueden llevar los cilindros en línea o en forma de V. Lleva una serie de aberturas o alojamientos donde se insertan los cilindros, varillas de empuje del mecanismo de válvulas, conductos del refrigerante, los ejes de levas, apoyos de los cojinetes de bancada y en la parte superior lleva unos taladros donde se sujeta el conjunto de culata. CULATA Es el elemento del motor que cierra los cilindros por la parte superior. Pueden ser de fundición de hierro o aluminio. Sirve de soporte para otros elementos del motor como son: Válvulas, balancines, inyectores, etc. Lleva los orificios de los tornillos de apriete entre la culata y el bloque, además de los de entrada de aire por las válvulas de admisión, salida de gases por las válvulas de escape, entrada de combustible por los inyectores, paso de varillas de empujadores del árbol de balancines, pasos de agua entre el bloque y la culata para refrigerar, etc. Entre la culata y el bloque del motor se monta una junta que queda prensada entre las dos a la que llamamos habitualmente junta de culata. CARTER Es la tapa inferior del bloque motor encargada de recoger y almacenar el aceite lubricante del motor.

PM

CIGUEÑAL Es el componente mecánico que cambia el movimiento alternativo en movimiento rotativo. Esta montado en el bloque en los cojinetes principales los cuales están lubricados.

ET

ARBOL DE LEVAS Es el mecanismo formado por un eje en el que se colocan distintas levas, que pueden tener distintas formas y tamaños, y están orientadas de diferente manera para activar las diferentes válvulas del motor. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 15

TRACCIÓN DIÉSEL

to )

CILINDROS / CAMISAS Son los cilindros por cuyo interior circulan los pistones. Suelen ser de hierro fundido y tienen la superficie interior endurecida por inducción y pulida. Normalmente suelen ser intercambiables para poder reconstruir el motor colocando unas nuevas, aunque en algunos casos pueden venir mecanizadas directamente en el bloque.

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BIELAS Las bielas son las que conectan el pistón y el cigüeñal, transmitiendo la fuerza de uno al otro. Tienen dos casquillos para poder girar libremente alrededor del cigüeñal y del bulón que las conecta al pistón. PISTONES Es un embolo cilíndrico que sube y baja deslizándose por el interior de un cilindro del motor. SEGMENTOS Son los Aros metálicos, elásticos, que impiden la fuga de gases hacia el cárter.

1.6

SISTEMA DE LA DISTRIBUCIÓN EN UN MOTOR DE COMBUSTIÓN

Los elementos de la distribución permiten, introducir aire en los cilindros, comprimirlo, inyectar el combustible y evacuar los gases residuales de la combustión en el instante preciso del funcionamiento de dicho motor. El conjunto de la distribución consta de los siguientes elementos:     

Árbol de levas y engranajes de la distribución. Válvulas de admisión y escape. Mecanismo de recuperación de válvulas. Balancines. Empujadores y taqués, o amortiguadores hidráulicos.

El árbol de levas es el elemento de la distribución que transforma el movimiento rotativo aportado por el cigüeñal, en rectilíneo y alternativo de las válvulas de admisión y escape, y en algunos motores actúa además sobre la bomba de inyección. Se compone de un eje, fijado al bloque del motor mediante cojinetes de fricción, en el que están caladas, o mecanizadas, asimétricamente respecto al eje de giro unas prominencias denominadas levas, con un ángulo de decalaje variable en función de las cotas de reglaje impuestas por el constructor, siendo nulo dicho ángulo para aquellas levas que por cada cilindro asisten bien en la admisión o en el escape a dos o más válvulas. Cada sección de árbol correspondiente a un cilindro dispone de tantas levas como válvulas de admisión y escape deban actuar. En caso de que el árbol controle además el momento de la inyección, cada sección tendrá una leva más. Unas canalizaciones en el interior del árbol permiten la circulación de aceite para lubricar los puntos de fricción y piezas móviles de la distribución.

El árbol de levas recibe su movimiento del cigüeñal, bien a través de engranajes, bien a través de correa dentada o bien mediante la cadena de distribución, dependiendo su sentido de giro de la constitución del tren de engranajes de la distribución, esto es: Cuando el acoplamiento entre cigüeñal y árbol de levas es directo, sin piñón intermedio, el árbol de levas gira a izquierdas (sentido inverso al de giro del cigüeñal).

PM

•

ET

Debido a la robustez de los motores diésel empleados en los vehículos ferroviarios, la trasmisión de la distribución se realiza mediante engranajes.

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Figura. 1-14 Acoplamiento directo entre cigüeñal y árbol de levas.

GENERALIDADES DE LOS MOTORES DIÉSEL 1

•

Cuando la distancia entre el Cigüeñal y el árbol de levas es elevada se dispone:

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El conjunto de engranajes que componen la distribución del motor, son los encargados de sincronizar los árboles de levas y la inyección de combustible. En el caso de la imagen anterior en cada bancada de cilindros hay un árbol de levas, alojado en un lateral de la V que forma el bloque. Son los dos árboles de levas quienes mediante los balancines accionen las válvulas de admisión y de escape. El reglaje de los taqués con las válvulas se hace mediante tornillos de ajuste permitiendo en juego necesario para un buen funcionamiento. Hay que tener en cuenta que, en un motor de cuatro tiempos, el árbol de levas gira la mitad de revoluciones que el cigüeñal, porque cada vuelta completa del cigüeñal equivale a dos carreras del pistón, siendo precisas dos revoluciones completas para conseguir un ciclo completo.

Figura. 1-15 Distribución motor 645EMD

Las válvulas de admisión permiten o impiden el paso de aire a los cilindros. Están accionadas por taqués y, al cesar dicha acción, unos muelles las vuelven a cerrar. Generalmente hay una o dos válvulas de admisión para cada cilindro. Recuérdese que los motores de dos tiempos que hemos estudiado carecen de válvulas de admisión (se realiza por lumbreras).

Figura. 1-16 Distribución de engranajes. Motor Diésel de 4 tiempos

ET

PM

Figura. 1-17 Distribución de engranajes Motor de 2 tiempos

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PM

ET

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TIPOS DE VEHÍCULOS DE TRACCIÓN DIÉSEL FERROVIARIA 2

TIPOS DE VEHÍCULOS DE TRACCIÓN DIÉSEL FERROVIARIA

2.1

to )

2

TRANSMISIÓN DEL ESFUERZO A LOS EJES

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Atendiendo a la forma en que es transmitida la potencia suministrada por el motor diésel hasta los ejes de los vehículos ubicados en los bogies, se pueden distinguir tres tipos de vehículos motor: •

De transmisión mecánica (vehículo diésel-mecánico o diésel).

•

De transmisión eléctrica (vehículo diésel-eléctrico).

•

De transmisión hidráulica (vehículo diésel-hidráulico).

En el primer caso se encuentran comprendidos aquellos vehículos en los que el par motor proporcionado por el diésel se transfiere a los ejes motores de forma MECÁNICA, es decir mediante sucesivos acoplamientos de piñones, generalmente ubicados en una CAJA DE CAMBIOS, y ejes rígidos o elásticos de transmisión de giro unidos por juntas fijas o articuladas que solidarizan el cigüeñal del motor, la caja de cambios y los elementos terminales de la transmisión. Esta configuración es ACTUALMENTE MUY ESCASA en el parque de vehículos. En el segundo caso quedan incluidos los vehículos, en los que el par motor está transmitido a los ejes por medio de MOTORES ELÉCTRICOS DE TRACCIÓN. Aquí el motor diésel constituye sólo una central térmica para producción de electricidad. En el parque actual de Renfe la mayoría de LOCOMOTORAS tienen esta configuración. Al tercer apartado pertenecen los vehículos motores en los que la transferencia del par motor a las ruedas se efectúa a través de uno o varios CONVERTIDORES DE PAR HIDRÁULICOS. En el parque actual de Renfe la mayoría de AUTOMOTORES (Autopropulsados diésel) tienen esta configuración. El grupo receptor de movimiento en una locomotora es una corona dentada protegida por un cárter que contiene lubricantes para suavizar su acoplamiento con la transmisión. En automotores este grupo, formado por dos coronas locas susceptibles de fijar al eje mediante un casquillo móvil estriado, constituye asimismo el inversor de la marcha. Todos los ejes de las locomotoras diésel son motrices, pues, aun en el caso de no poseer un agente directo de transmisión del movimiento obteniendo en la planta motriz, sus ruedas se pueden acoplan mediante bielas exteriores y muñones a las motrices, por lo que todos los ejes adquieren forzosamente la misma velocidad de giro. En locomotoras de línea (mayores potencia y velocidad), cada eje es asistido por un motor de tracción eléctrico o bien por los terminales de transmisión de una caja de cambios mecánica o hidráulica.

2.2

LOCOMOTORA DIÉSEL

DISTRIBUCIÓN INTERIOR LOCOMOTORA DIÉSEL.

ET

2.3

PM

Son vehículos utilizados para el remolcado de trenes. En su sala de máquinas o planta motriz, irá ubicado el motor diésel, o los motores, en el caso de ser más de uno.

DE

UNA Figura. 2-1 Locomotora diésel S / 334

El espacio limitado por la carrocería de una locomotora diésel está dividido generalmente en tres compartimentos comunicados entre sí mediante pasillos y puertas de insonorización. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 19

TRACCIÓN DIÉSEL

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Los dos compartimientos extremos constituyen las cabinas de conducción desde los cuales el maquinista gobierna la locomotora mediante los distintos aparatos de mando y control, aunque en algunas locomotoras sólo exista una cabina de conducción con uno o dos pupitres de mando utilizables según el sentido de la marcha. Esta diferenciación funcional no existe en aquellos vehículos que por sus características de trabajo disponen de un único departamento que engloba tanto a la planta motriz como a los servicios auxiliares; tal es el caso de las locomotoras de maniobras.

Figura. 2-2 Dimensiones de la locomotora. S/ 311

En la figura 2-2 vemos la disposición de la locomotora, utilizada en maniobras, S/311. La cabina de mando, en la parte central, equipada con dos pupitres de conducción, uno para cada sentido de marcha. En uno de los lados de la cabina, se ubica la zona diésel, compuesta por el motor MTU 8V396 TC13, generador de CA y compresor. En el lado contrario se monta el equipamiento eléctrico. Figura 1-14

2.4

SALA DE MAQUINAS.

ET

PM

Este compartimiento está destinado a contener la planta motriz del vehículo y su aparellaje eléctrico de mando y control. La planta motriz, diferente para cada tipo de vehículo, comprende siempre al motor diésel que, en caso de ser sobrealimentado, se complementa con un sistema auxiliar formado por un turbocompresor, un postenfriador y filtros de aire cuya misión es aumentar la potencia del motor diésel enriqueciendo la mezcla aire combustible y proporcionando la presión adecuada para que la combustión sea completa. Algunas locomotoras disponen de dos motores diésel en su planta motriz. Algunas locomotoras pueden llevar dos motores diésel, con transmisiones del esfuerzo o par motor a ambos bogies del vehículo. En los vehículos de transmisión eléctrica, además de los equipos ya citados, suelen encontrarse en la sala de máquinas los siguientes componentes:

20

•

Motor diésel Figura. 2-3 Locomotora diésel de Maniobras S/311

•

Generadores eléctricos.

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TIPOS DE VEHÍCULOS DE TRACCIÓN DIÉSEL FERROVIARIA 2

Resistencias y ventilador del freno dinámico. Ventiladores de los motores de tracción y de los generadores.

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to )

• •

Figura. 2-4 Sala de Maquinas Locomotora Diésel.

2.5

TRANSMISIÓN DIÉSEL-ELÉCTRICA

Un gran número de vehículos del parque de material motor diésel, locomotoras fundamentalmente, utiliza motores de tracción eléctricos alimentados por el generador o generadores (generalmente alternadores) que transforman la energía del motor diésel en energía eléctrica. La energía producida por los motores térmicos la transforma un generador en energía eléctrica. El aparellaje eléctrico gestiona esa energía eléctrica y la envía a los motores de tracción. Los bogies contienen el conjunto de ejes y ruedas del vehículo. Es en los ejes donde van acoplados los motores de tracción. Mediante un piñón engranado a una corona trasmiten el movimiento La transmisión eléctrica proporciona el máximo aprovechamiento de la potencia del motor diésel.

La optimación en el aprovechamiento de la producción diésel es debido a la inexistencia de pérdidas de potencia degradadas en el accionamiento del mecanismo intermedios entre la salida de fuerza del cigüeñal y los motores de tracción. El par transmitido a cada eje es función del número de revoluciones desarrollado por el correspondiente inducido de tracción y, por consiguiente, de la producción del generador o, en primera causa, del régimen de giro del cigüeñal.

2.6

ESQUEMA BÁSICO DE FUNCIONAMIENTO DE UNA LOCOMOTORA DIÉSEL-ELECTRICA.

Figura. 2-5 Alternador

•

Exigencia de energía en los motores de tracción.

ET

•

PM

En cuanto al funcionamiento, de las locomotoras diésel-eléctricas, podría resumirse como una máquina transformadora de energía. El motor diésel transforma la energía química del combustible en energía calorífica, esta a su vez se transforma en energía mecánica para mover el generador y obtener energía eléctrica, la cual alimenta los motores de tracción para que estos la conviertan nuevamente en energía mecánica encargada de dar movimiento al vehículo. La producción del generador principal alimenta a los motores de tracción secuenciándose su acoplamiento en el circuito de potencia mediante los relés de transición y la orden recibida desde el circuito de control. Dicha producción es función de dos señales eléctricas de entrada a un control automático: Producción del motor diésel transformada en impulso eléctrico por el gobernador, regulador de carga y panel de control de rapidez, dependiendo en definitiva de la posición adoptada por la palanca aceleradora. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 21

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TRACCIÓN DIÉSEL

Figura. 2-6 Generador principal

El acelerador condiciona la señal recibida desde el circuito de control para alimentar a los distintos solenoides de aceleración dentro del gobernador. El panel de control de rapidez, alimentado por el regulador estático de tensión, modula la señal recibida del acelerador y la envía al regulador de carga cuya resistencia varía con la velocidad de giro del cigüeñal. Una comparación automática entre la señal modulada del mando del acelerador, el impulso eléctrico en que se traduce el giro del cigüeñal y la tensión necesaria en cada momento en los motores de tracción, consigue que el régimen de producción del diésel se acomode en todo momento al de consumo de los motores de tracción.

Motor de tracción

Figura. 2-7 Bogie con motores de tracción acoplados

ET

PM

En la figura 2-11 se pueden ver un bogie de la locomotora S/334 con los motores de tracción acoplados, estos serán los encargados de transformar la energía eléctrica en mecánica, mediante la conexión piñón corona. En el caso de este vehículo dichos motores eléctricos son de corriente continua.

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MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS 3

3.1 3.1.1

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MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS TIPOS DE MOTORES

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3

De combustión interna alternativos

Los motores utilizados en las locomotoras, corresponden según su principio de funcionamiento, a motores de combustión interna alternativos, de dos y cuatro tiempos. El combustible utilizado, es gasoil.

Figura. 3-1 Motor de dos tiempos diésel GM 16-645 E

3.1.2

Según su ciclo de trabajo

Figura. 3-2 Motor de cuatro tiempos MTU 8V 396TC13

ET

PM

Los motores de dos tiempos, la duración del ciclo operativo es de dos carreras del pistón, una vuelta del cigüeñal. En los motores de cuatro tiempos, necesitamos cuatro carreras del pistón, dos vueltas del cigüeñal, para completar el ciclo. En locomotoras tenemos los dos sistemas de funcionamiento.

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TRACCIÓN DIÉSEL

SERIES DE LOCOMOTORAS QUE FUNCIONAN CON MOTOR DIÉSEL DE DOS TIEMPOS

En las locomotoras actuales, uno de los motores más empleados es el motor de combustión interna alternativo de dos tiempos. Comenzando por la S/ 310, 319, 333, 334 y la 335, todas ellas de GM, van equipadas con el mencionado tipo de motor

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3.2

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La S/ 310 es un tipo de locomotora que se utiliza mayoritariamente en los trabajos de maniobras. También son aptas para servicios en línea. Movida por un motor diésel de dos tiempos ocho cilindros en V con soplador. Modelo GM 8-645-E, el cual transforma su energía mecánica, mediante un generador eléctrico modelo GM AR6-D14. Serán los motores eléctricos de tracción, los que consuman la energía producida por el generador, pasándola a mecánica.

Figura. 3-3 Locomotora S/ 310

En origen estas locomotoras se las conoce como las 1900, para luego formar la S/ 319. Varias sub series funcionan en la actualidad. El motor diésel de dos tiempos dieciséis cilindros en V, con sopladores, modelo GM 16-567-C y16-645-E, dependiendo de la sub serie. Su funcionamiento basado en la transformación diésel-eléctrica al igual que la S/ 310 y la S/ 333 .

Figura. 3-4 Locomotora S/319

Basada en la misma tecnología que las anteriores las locomotoras Serie 333 dispone de Motores diésel de dos tiempos con dieciséis cilindros en V y turbo-compresor. Modelo GM 16-645-E3 con una potencia de 3100 CV a 900rpm, medidos en banco de pruebas.

Figura. 3-5 Locomotora S/333

ET

PM

La serie 334, es una de las locomotoras diésel más modernas. Diseñada con una arquitectura modular para facilitar el mantenimiento. El motor diésel modelo GM EMD 12-710-G3B con una potencia de 3050 CV. Turbo compresor y doce cilindros en V. Puede conseguir una velocidad de 200Km/h

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Figura. 3-6 Locomotora S/334

MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS 3

to )

En cuanto a la locomotora serie 335, es actualmente la locomotora diésel más potente que circula por vías de ancho nacional. Con sus 4000 CV de potencia, es destinada al transporte de mercancías.

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Equipada con un motor diésel GM EMD 16-710G3B-T2, turboalimentado y con la inyección gestionada electrónicamente. La geometría del motor corresponde a un dieciséis cilindros en V.

Figura. 3-7 Locomotora S/335 (Euro 4000)

Al igual que las anteriores La gestión de esta locomotora está a cargo de un procesador (EM2000), con los componentes electrónicos asociados. El procesador controla el sistema de potencia, la protección de la locomotora y tiene funciones de diagnosis, suministrando mensajes en pantalla. Al igual que las anteriores la gestión de esta locomotora está a cargo de un procesador (EM2000), con los componentes electrónicos asociados. El procesador controla el sistema de potencia, la protección de la locomotora y tiene funciones de diagnosis, suministrando mensajes en pantalla. Si bien estas modernas locomotoras (Euro 4000) la gestión de la Inyección es electrónica (Sistema EMDEC) mediante Inyectores Bomba. El constructor Norteamericano Electro-Motive desarrolla uno de los sistemas de inyección basado en la utilización del inyector bomba controlados electrónicamente. Un módulo de control electrónico (regulador) detecta los cambios en las condiciones del motor o el ambiente, por tanto, esta serie de Locomotoras no incluye Regulador Woodward.

Figura. 3-8 Sistema de Inyección EMDEC y su módulo de control electrónico diésel

3.3

SERIES DE LOCOMOTORAS QUE FUNCIONAN CON MOTOR DIÉSEL DE CUATRO TIEMPOS

En el actual parque de vehículos ferroviarios, alguna locomotora y sobre todo en los automotores diésel, las motorizaciones son del tipo ciclo diésel de cuatro tiempos. Si bien la mayoría de Locomotoras del parque actual de Renfe utilizan motores de 2 tiempos, existen también ejemplos de motorizaciones en locomotoras con ciclos de cuatro tiempos, como pueden ser los motores Caterpillar de las series 1500 Y 1600 (315 Y 316 con la nueva nomenclatura) de locomotoras de la Red de Ancho Métrico RAM (Antigua FEVE). También son de 4 tiempos los motores diésel de las locomotoras duales y los Motores diésel MTU de los Vehículos Híbridos AVE S/730.

Figura. 3-9 S/311 Bloque motor con camisas y cilindros montados

ET

PM

Nuestro modelo más significativo, en locomotoras corresponde al tractor de maniobras S/ 311. Este vehículo monta un motor marca MTU de ocho cilindros en V, (8 V 396 TC 13), turbo alimentado y con refrigerador del aire de carga.

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to )

TRACCIÓN DIÉSEL

Figura. 3-10 S/311 Motor diésel acoplado con el generador principal

3.4

ELEMENTOS QUE COMPONEN LOS MOTORES GM DE DOS TIEMPOS

Los elementos que forman un motor GM de dos tiempos, no difiere mucho, con los mecanismos de un motor de cuatro tiempos. En los siguientes apartados iremos viendo los componentes y su ensamblaje.

3.4.1

Bloque motor

Constituye la parte principal de la estructura. Conformado, mediante láminas de acero soldado y mecanizado, para alojar los conjuntos de potencia, cigüeñal, árboles de levas y los accesorios necesarios para el funcionamiento. No necesita un mantenimiento especial, una inspección visual nos permitirá localizar posibles fallos, antes de producirse averías graves

Galería de aceite

Cámara de barrido

Alojamientos canalizaciones de refrigerante

Apoyos cigüeñal

3.4.2

PM

Figura. 3-11 Bloque motor y cárter MD GM 16-645 E

Conjuntos o Grupos de potencia

ET

Estos conjuntos los componen, el cilindro (chaqueta-camisa), pistón, bielas y culata, en la cual van alojadas las cuatro válvulas de escape. En el caso de fallo o avería, este conjunto es sustituible individuamente, siguiendo las instrucciones de la Norma Técnica.

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MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS 3

Figura. 3-12 Cilindros, pistones y culatas

En este tipo de motores, el subconjunto pistón biela, presenta algunas variantes importantes. El pistón, construido en hierro fundido aleado, se apoya sobre el porta-pistón, de esta forma puede rotar dentro del cilindro. Si se produce alguna avería que afecte de forma importante a más de un elemento del conjunto, se puede sustituir el equipo completo (Grupo de Potencia), sin tener que bajar el motor de la locomotora.

Figura. 3-13 Conjuntos de equipos de potencia

Al ser un motor en V, las bielas, una de cada lado, apoyan en la misma muñequilla del cigüeñal. Distinguimos la denominada biela canasta y la biela patín.

La primera viene del lado izquierdo y con las canastas abrocha los cojinetes de biela al cigüeñal.

ET

PM

La biela patín se apoya sobre el dorso del cojinete superior y se mantiene en su posición gracias a dos pestañas las cuales encajan en sendos rebajes realizados en la biela canasta.

Figura. 3-14 Despiece del pistón y la biela Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 27

TRACCIÓN DIÉSEL

3.4.3

La culata

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La culata es elemento de cierre del cilindro. Soporta toda la presión, producto de la expansión de los gases que se producen en la combustión.

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Fabricada en hierro fundido aleado, aloja las cuatro válvulas de escape y en su interior tiene las canalizaciones por donde circulará el líquido de refrigeración, fundamental para mantener la temperatura dentro de valores, de funcionamiento del motor. En cuanto a los accesorios que soporta la culata, tenemos como más significativos, las propias válvulas, los balancines y los puentes de válvulas con los ajustadores hidráulicos, y en el centro se monta el inyector-bomba. Todos estos mecanismos, accionados por los árboles de levas.

Los empujadores hidráulicos, son el elemento que mantiene el contacto sin holgura, entre el puente de válvulas y la cola de estas. Es el aceite que lubrica el motor, quien hace funcionar este mecanismo, aprovechando su propiedad de ser prácticamente incomprimible.

El aceite nos llega desde el cojinete del árbol de levas, pasando por el eje de balancines y por una canalización de estos llega al puente de válvulas.

Llegados a este punto, el aceite pasa por la válvula de bola al interior del empujador, llenándolo. Como el aceite no es comprimible, todo el conjunto se hace solidario en el movimiento de empuje hacia la cola de la válvula.

Figura. 3-15 Despiece de la culata

Bola de válvula

Pasos

Figura. 3-16 Puente de Válvulas con aproximadores hidráulicos

ET

PM

Vástago

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MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS 3

Figura. 3-17 Puente de válvulas con aproximadores.

En el centro de la culata tenemos el alojamiento del inyector-bomba. La fijación a la culata se hace por medio de una grapa sujeta a un espárrago con su tuerca. Inyector- bomba alojado en culata

Figura. 3-18 Inyector Bomba y su Posicionamiento en la culata

3.4.4

Cigüeñal y árboles de levas

PM

El cigüeñal, en este tipo de motores, como en cualquier motor alternativo, es encargado de transformar el movimiento lineal del pistón, en movimiento circular.

ET

Fabricado en acero al carbono, por estampación y contratamientos de endurecimiento para los apoyos de bancada y muñequillas de bielas

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TRACCIÓN DIÉSEL

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to )

Para conseguir un funcionamiento dinámico equilibrado, se diseña una serie de contrapesos. Un amortiguador de vibraciones limitará las producidas en las diferentes explosiones. La lubricación se realiza por medio de taladros los cuales permiten llegar el aceite tanto a los apoyos de bancada como a los cojinetes de biela. Los cigüeñales de motores a partir de 16 cilindros son fabricados en dos piezas.

Contrapesos de equilibrado

Figura. 3-19 Cigueñal

3.4.5

Sincronización de la distribución

Figura. 3-20 Engranajes que integran la cadena de distribución en motor de dos tiempos GM 16- 645C

Para el buen funcionamiento del motor, es necesario tener una precisa sincronización de la distribución.

PM

El rendimiento volumétrico y como consecuencia la potencia del motor se verá afectada en caso de fallo en el tren de engranajes que mueven los árboles de levas.

ET

En el montaje se hacen coincidir las marcas de los piñones y posteriormente se procederá a la comprobación, según especificaciones de la (N T M) norma técnica de mantenimiento. Figura 3-20.

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MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS 3

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Árboles de levas

Figura. 3-21 Árboles de levas en bloque motor

Los árboles de levas, en estos motores de dos tiempos, tienen la misión de abrir las válvulas de escape e impulsar las bombas de inyección. Fabricados en tramos, facilitan la sustitución en caso de avería.

3.5 3.5.1

SISTEMAS DE SOBREALIMENTACIÓN Compresor (ROOTS)

Este tipo de motores presenta dos formas o sistemas diferentes, para el llenado de los cilindros. Mediante sopladores tipo Roots, o turbo-compresores.

Figura. 3-22 Funcionamiento del soplador

El soplador tipo Roots, los emplean estos motores para hacer que el aire llegue a las cámaras de barrido y de allí a los cilindros. El movimiento lo toman por medio de engranajes en toma constante.

ET

PM

Tanto la presión como el volumen de aire, va a depender de las revoluciones a las que giren los lóbulos de los sopladores. Al estar unidos al cigüeñal por la cadena de engranajes, que mueven los árboles de levas, su velocidad de giro va a depender de la velocidad de rotación del diésel. El máximo rendimiento, en cuanto a presión, es de 1 bar. En estos motores, a máximas revoluciones, la presión puede llegar a 0,4 bar.

Figura. 3-23 Vista interior del soplador modelo Roots Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 31

TRACCIÓN DIÉSEL

Figura. 3-24 Posición de los sopladores

3.5.2

Tanto la presión como el volumen de aire, va a depender de las revoluciones a las que giren los lóbulos de los sopladores. Al estar unidos al cigüeñal por la cadena de engranajes, que mueven los árboles de levas, su velocidad de giro va a depender de la velocidad de rotación del diésel. El máximo rendimiento, en cuanto a presión, es de 1 bar. En estos motores, a máximas revoluciones, la presión puede llegar a 0,4 bar.

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Sopladores instalados en motor

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En cuanto al mantenimiento, lo fundamental es impedir la entrada de aire con impurezas, dañaría los lóbulos y la carcasa. Serán los filtros de aire los encargados de suministrar aire limpio.

En cuanto al mantenimiento, lo fundamental es impedir la entrada de aire con impurezas, dañaría los lóbulos y la carcasa. Serán los filtros de aire los encargados de suministrar aire limpio.

Turbo compresor

En los motores GM EMD montados en la S/ 333, 334 y 335, los sopladores son sustituidos por el sobre alimentador o turbocompresor.

De mayor rendimiento y aprovechando para su impulsión la presión de los gases de escape en su salida a la atmosfera.

Su funcionamiento es muy sencillo. En los primeros puntos de carga del diésel, la turbina y la compresora son arrastrados mecánicamente por la cadena de engranajes que viene del cigüeñal. Pasado el punto cinco de aceleración y dando la potencia correspondiente a dicho punto de aceleración, la turbina impulsora comienza a ser arrastrada por los gases de Figura. 3-25 Posición del turbo-compresor en el MD escape, en este punto el sistema de rueda libre, el cual ha estado moviendo el eje del tubo hasta este momento, comienza su desconexión, dejando a los gases procedentes de la combustión, la tarea de mover el turbo antes de perderse en la atmosfera.

En cuanto al mantenimiento que debemos tener en el mantenimiento de este importante mecanismo, es procurarle un buen funcionamiento de la lubricación, evitar la entrada de impurezas procedentes del aire aspirado, como las que pudieran venir con los gases de la combustión.

PM

La temperatura que alcanza y las revoluciones, precisan de un perfecto equilibrado.

ET

Figura. 3-26 Lado accionamiento del turbo compresor

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Figura. 3-27 Motor diésel GM 16- 645 E3

Los motores EMD como el mostrado son de 2 tiempos y del tipo “Uniflow”, por lo que, a bajas revoluciones y carga, cuando no hay suficientes gases de escape, el turbo se acciona mediante un tren de engranajes unidos al turbo por medio del sistema rueda libre. De no ser así, no podría efectuarse la admisión ni el barrido de los gases de escape, y por tanto el motor no funcionaría.

3.6

CIRCUITO DE LUBRICACIÓN

Figura. 3-28 Dispositivo de ventilación del cárter

Podemos distinguir tres circuitos en este tipo de motores. El circuito principal de lubricación, el cual mediante la bomba principal hará llegar el aceite a la mayoría de los mecanismos en movimiento del motor diésel. La mencionada bomba, toma el aceite del colador y lo envía a la galería de distribución, la cual recorre a lo largo todo el bloque de cilindros por encima de los apoyos del cigüeñal.

ET

PM

Previamente ha pasado por la válvula de sobrepresión, controladora de la presión máxima del circuito.

Figura. 3-29Esquema del circuito de lubricación parte externa al MD

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TRACCIÓN DIÉSEL

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Un segundo circuito, se destina a enviar aceite para el enfriamiento y lubricación de los pistones. La bomba que se destina a este importante cometido, va montada en tándem con la bomba del circuito principal, por tanto, es movida por el mismo engranaje. Dos tubos montados a lo largo del bloque de cilindros, de los cuales salen otros tantos tubos de eyección, según el número de pistones, harán llegar el chorro de aceite a una canalización que presenta el porta-pistón y desde allí a la cabeza del mismo.

Figura. 3-30 Canalizaciones de lubricación

ET

PM

Figura. 3-31 Localización de las bombas de lubricación

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Figura. 3-32 Bomba de lubricación doble y canalización de la refrigeración de pistones

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MOTORES DIÉSEL EN LOCOMOTORAS 3

El circuito de extracción de aceite, tiene como misión la limpieza y refrigeración del lubricante.

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Los elementos más importantes que integran este circuito son los siguientes. Bomba de extracción, constituida por engranajes helicoidales, toma el aceite del colador y lo envía a los filtros, para luego pasar por el intercambiador volviendo a otro apartado del colador, desde donde lo tomaran la bomba principal y la bomba de enfriamiento de pistones.

Figura. 3-33 Conjunto de elementos que intervienen en la refrigeración y

El mantenimiento del sistema de lubricación, se basará en la comprobación la lubricación periódica del nivel del aceite, que en estos motores se hará con el aceite caliente y el motor en marcha verificando posibles fugas o consumos no aceptables. Los filtros tienen la misión importante de retener las impurezas y evitar que estas puedan causar daños en ejes, cojinetes etc. La toma de muestras programada, para su posterior análisis, nos permite hacer una evaluación del estado en el que se encuentra el motor, constituyen una herramienta importante en el diagnóstico y las acciones preventivas a tomar para no tener que lamentar reparaciones importantes y costosas. Cuando se procede al cambio del aceite, se debe tener el máximo cuidado en el cumplimiento de las normas indicadas para la protección personal y del medio ambiente. Los residuos de aceite son altamente contaminantes.

Figura. 3-34 Canalizaciones de distribución del lubricante en el motor

3.7

CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN

ET

PM

El sistema de refrigeración se compone de bombas centrífugas movidas desde el cigüeñal, las cuales impulsan el líquido refrigerante por sendos tubos, que recorren ambos lados del bloque de cilindros. Conectados a estos tubos tenemos otros con formas acodadas que comunican a las camisas y los enfriadores del aire procedente del turbo, después el líquido pasa a las culatas y de allí al colector que llega a los radiadores para el control de temperatura, terminando en intercambiador y el depósito de expansión y vuelta al motor.

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TRACCIÓN DIÉSEL

Figura. 3-35 Bombas para el movimiento del refrigerante y canalizaciones.

La misión del circuito de refrigeración es mantener la temperatura del motor en valores que permitan el buen funcionamiento. Un sistema de termostatos ajustado a los valores precisos, mantendrá la temperatura.

Al ser un circuito cerrado, el aumento de temperatura del refrigerante, hace que este aumente su volumen, con el consiguiente aumento de presión.

Una válvula en el tapón del depósito de expansión regula la mencionada presión

ET

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Figura. 3-36 Localización de las bombas para el movimiento del refrigerante

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Figura. 3-37 Canalizaciones del circuito de refrigeración

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Una de las características del circuito de refrigeración, en los motores GM 645 C y E montados en las S/ 310, 319 y 333, es la ausencia de válvula termostática, con lo cual no tenemos el llamado circuito corto.

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El líquido refrigerante llega a los radiadores desde el primer momento que el motor se pone en marcha. Esto hace que el motor tarde más tiempo en conseguir la temperatura de funcionamiento.

Figura. 3-38 Elementos del circuito de refrigeración en locomotora

3.8

ALIMENTACIÓN DE COMBUSTIBLE

Los motores de combustión interna diésel, necesitan de este combustible para su funcionamiento. Ha de ser llevado a la cámara de combustión en las condiciones idóneas para que la dicha combustión se produzca de la forma más óptima.

Figura. 3-39 Filtros de impurezas y decantadores de agua

Figura. 3-40 Sistema de generación de la presión de trasferencia

ET

PM

El gasoil es aspirado del tanque por una bomba de impulsión, pasa por los filtros decantadores de agua y a continuación es filtrado nuevamente para evitar que lleve impurezas perjudiciales a los elementos de inyección.

Un nuevo filtrado da paso al circuito de distribución por todas las bombas inyectoras, montada en paralelo, con lo cual tenemos un circuito de retorno del combustible sobrante al tanque. Para mantener una presión de trasferencia que facilite el llenado de las bombas inyectoras, se monta una válvula en el retorno ajustada a unos 0,35 bar. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 37

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TRACCIÓN DIÉSEL

Figura. 3-41 Circuito de combustible en el MD

Las bombas de inyección son movidas por los árboles de levas en la secuencia correspondiente al orden de encendido del motor. La presión generada por la bomba levanta la aguja del inyector y permite al combustible entrar en la cámara de combustión en forma de espray, produciéndose la combustión, al contacto con el aire caliente de forma inmediata.

Figura. 3-42 Inyector bomba par MD GM 645

La dosificación de combustible vendrá determinada por la posición rotativa del émbolo, solidario con la cremallera por medio de la corona.

A su vez las cremalleras de cada bancada se unen en una barra, la cual transmitirá el movimiento que proporciona el reenvío del regulador (Woodward).

Figura. 3-43 Mecanismo de accionamiento

El mantenimiento de este mecanismo, ha de hacerse de forma que se pueda garantizar la limpieza. Los émbolos y sus cilindros forman un conjunto inseparable, así como la aguja y la tobera del inyector.

ET

PM

En los bancos de pruebas se ajusta la presión de disparo del inyector, y se verifica la estanqueidad del conjunto, para posteriormente pasar al banco de ajuste del caudal. Figura. 3-44 Toberas del inyector con sus agujas. Conjuntos inseparables Una vez instalados en el motor, el conjunto inyecto-bomba necesita ser ajustado su principio de suministro y la regulación del recorrido de cremallera, de forma que a todos los pistones les llegue el mismo caudal y en el momento preciso.

Para la sincronización del principio de suministro, utilizamos el útil tipo calibre de pasa y no pasa, que colocado verticalmente en el cuerpo del inyecto y alojado en un agujero destinado para ello. 38

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REGULADOR DE REVOLUCIONES

Como todos los motores diésel, este modelo, necesita del regulador, más conocido como gobernador (Woodward).

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3.9

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Este fundamental mecanismo tiene la misión de mantener las revoluciones del motor en función de la posición del mando de aceleración y la resistencia al movimiento de la locomotora.

Figura. 3-45 Controlador de revoluciones (WoodWard)

Es un regulador electro-hidráulico, cuyo medidor de revoluciones está compuesto por un resorte principal y unos contrapesos, los cuales actúan moviendo una válvula piloto. Esta abrirá o cerrará los pasos de aceite correspondiente. Otra de las misiones importantes encomendadas al gobernador de los motores diésel EMD 645 E y EMD 12- 710 es proceder a la parada del motor cuando se activa alguna de las vigilancias. Esta vigilancia la realiza comprobando de forma continuada que la presión del aceite lubricante no baja de un valor de presión determinado por el fabricante. Si esto ocurre, el regulador para el motor, en previsión de daños. La parada eléctrica del diésel también se realiza desde el regulador WoodWar. En el motor EMD 16-710 G3B-T2, que se instala en las locomotoras S/ 335, el regulador WoodWar es sustituido por un procesador (EMDEC).

La gestión de la inyección se hace de forma electrónica, mediante las bombas-inyector donde unas electroválvulas controlan el momento de la inyección, como el caudal.

3.10

DISPOSITIVOS DE VIGILANCIA

El motor dispone de una serie de detectores para vigilar la presión del líquido refrigerante, sobre presión en el cárter de aceite y temperatura del aceite.

ET

PM

Si estas no se encuentran en los valores previstos para el buen funcionamiento del motor, los detectores enviaran la señal, en forma de bajada de la presión del aceite lubricante, al gobernador y este parará el diésel.

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TRACCIÓN DIÉSEL

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Figura. 3-46Dispositivo de vigilancia de baja presión en circuirto de refrigeración y sobre presión en cárter

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AUTOMOTORES DIÉSEL 4

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AUTOMOTORES DIÉSEL

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Vehículo ferroviario compuesto por uno o varios coches formando una unidad indivisible, estos a su vez pueden ser coches motor o coches remolque. Propulsado por motores diésel, utilizando su interior para el transporte de viajeros.

Figura. 4-1 Autopropulsado diésel S/599

En automotores no es preciso que todos los ejes sean motrices.

Figura. 4-2 Distribución de ejes motrices en vehículo autopropulsado diésel

Las diferentes series de automotores, desde los más antiguos en el tiempo a los más modernos, presentan una configuración muy similar. La composición está compuesta por dos coches motores en los extremos, con su respectiva cabina de conducción y un coche remolque intermedio. Todos los equipos de tracción se instalan bajo chasis, de esta forma se deja espacio en la sala de viajeros.

Figura. 4-3 Distribución de la tracción en un vehículo automotor diésel

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Los motores empleados para la tracción y servicios auxiliares, son motores utilizados para otros medios de transporte, autobuses, camiones etc.

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TRACCIÓN DIÉSEL

Figura. 4-4 Ubicación del motor diésel bajo chasis

En estos vehículos, se montan en horizontal modificando el posicionamiento del cárter de aceite, respecto a lo que suele ser habitual.

Figura. 4-5 Conjunto de Motor diésel y Transmisión hidráulica

ET

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Normalmente uno de los coches intermedios del vehículo del automotor dispone un motor diésel o dos acoplados cada uno a un grupo generador para suministrar la corriente eléctrica necesaria para los equipos auxiliares del tren.

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Figura. 4-6 Grupo Generador para servicios auxiliares

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Los motores dedicados a la tracción, van situados bajo chasis, formando conjunto con la transmisión, y está unida al reductor mediante un árbol tipo cardan. Como hemos comentado para los servicios auxiliares se montan, normalmente, bajo el chasis del coche central, uno o dos motores diésel, los cuales moverán un generador eléctrico.

Figura. 4-7 Automotor diésel S/ 598

4.1

CONVERSIÓN DE PAR

Es el proceso por el cual ajustamos el par motor suministrado por el diésel a las condiciones de carga y velocidad requeridas en cada momento de la marcha. Con este fin, modificamos el par inicial suministrado por el motor, multiplicándolo cuando queremos fuerza y desmultiplicándolo cuando queremos velocidad. Para ello utilizamos los convertidores de par. • •

Convertidor de Par Mecánico. Caja de Cambios Convertidor de Par Hidráulico. Turbo-Transmisión

Figura. 4-8 Elementos de la Transmisión Diésel-Mecánica

Para transmitir la potencia del motor a las ruedas, necesitamos un elemento intermediario, el cual nos haga de convertidor de par. No es posible aplicara el par motor directamente a las ruedas.

Los dos convertidores usados en la actualidad, son: las cajas mecánicas, montadas en la serie 596 y las hidráulicas, con sus diferentes versiones, y que utilizan las series 592-594-598-599.

Figura. 4-9 Turbo transmisión Voith Transmisicón Diésel Hidraúlica

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El desarrollo de las transmisiones hidráulicas, unido a la electrónica, ha conseguido mejorar en la fiabilidad de los vehículos, la disponibilidad y menores costes en el mantenimiento.

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4.2

TRANSMISIÓN DIÉSEL-MECÁNICA

Elementos de la Transmisión Mecánica.

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4.2.1

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Como ya hemos visto, a diferencia de la Trasmisión Diésel - Eléctrica usualmente empleada en la Loco-motoras, los Automotores Diésel disponen de dos tipos de Transmisión del esfuerzo de Par Motor a los ejes, estas serán la Transmisión Diésel – Mecánica y la Transmisión Diésel – Hidráulica.

En la transmisión mecánica, el par motor obtenido de la planta motriz se regulariza en el volante de compensación a la salida de fuerza del cigüeñal y, posteriormente, se transmite a los ejes motores a través de los siguientes elementos:

• Embrague. • Caja de cambios. • Inversor.

Figura. 4-10 Transmisión mecánica. Elementos

4.2.2

Funcionamiento.

El embrague típico de la transmisión mecánica es el de discos. Se trata de una unión por fricción, brusca e inmediata, que hace imposible su utilización en las arrancadas con grandes cargas de arrastre. Por ello en uso ferroviario, lo podemos encontrar junto a otro embrague hidráulico (con aceite permanente) cuando la caja de cambios utilizada requiere desplazamiento de engranajes. El cigüeñal del motor diésel hace girar constantemente a la turbina que impulsa aceite mediante sus álabes hacia los de la turbina receptora, la cual a su vez acopla la caja de cambios del cigüeñal, directamente o a través de una unión articulada y telescópica tipo “Cardan”. El embrague hidráulico carece de palanca de accionamiento, y el embrague se verifica al reducir las revoluciones de la turbina motriz mediante desaceleración del diésel.

PM

El embrague hidráulico posee las siguientes ventajas sobre el de discos: •

Consigue una transmisión suave y progresiva.

•

Anula las vibraciones perjudiciales.

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Veamos previamente en que consiste la Conversión de Par

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4.2.3

Convertidor de par mecánico:

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El convertidor de par mecánico por excelencia es la caja de cambios. Compuesta por una serie de engranajes que convenientemente combinados entre sí sacan el máximo rendimiento al motor. Utilizando marchas cortas en las arrancadas o subidas fuertes y prolongadas y marchas largas cuando el perfil es favorable y permite una buena velocidad. Cada relación está pensada para una determinada velocidad. Para la selección de una determinada relación de engranajes se requiere el desplazamiento de los mismos. Utiliza embrague de disco y está en desuso en los vehículos ferroviarios.

4.2.4

Figura. 4-11 Convertidor de par mecánico. Caja de cambios

Caja de cambios.

Este convertidor de par mecánico transmite la potencia del motor y transforma en velocidad la diferencia entre el par motor y el de arrastre en función de la marcha seleccionada.

La caja de cambios permite, pues alcanzar diferentes velocidades del vehículo con una variación muy pequeña del par motor, es decir, del número de revoluciones del cigüeñal.

Figura. 4-12 Vehículo Autopropulsado S/596. T. Diésel Mecánica

4.3

TRANSMISIÓN DIÉSEL-HIDAULICA

Figura. 4-13 Turbotransmisión

ET

PM

El principal inconveniente que presenta la transmisión mecánica anteriormente descrita, surge en el momento de conectar y desconectar el giro del motor diésel con el de la caja de cambios, (embrague).

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TRACCIÓN DIÉSEL

4.3.1

FUNDAMENTO.

to )

El fundamento de esta transmisión hidráulica o hidrodinámica es el movimiento que una corriente de fluido comunica a un rotor (turbina), sobre el que hace impacto a través de unos álabes. La transmisión del par motor es elástica y se realiza de forma continua.

•

No existen rozamiento que deterioren sus distintos componentes, ya que no se produce contacto físico entre ellos, lo cual es causa asimismo de la inexistencia de vibraciones.

•

La reducción de la velocidad de entrada a la de salida no es constante como ocurre cuando la transmisión se efectúa por piñones, sino que, por el contrario, se ajusta automáticamente y de forma continuamente variable a la carga acoplada a la salida de fuerza de la transmisión.

•

Independiza al motor diésel de las posibles reacciones del material, si bien voluntariamente puede hacerse repercutir la carga acoplada a la salida de la transmisión sobre el primario de la misma con objeto de efectuar el frenado hidrodinámico.

•

La potencia adsorbida por la transmisión varía conforme sean las características del convertidor de par, siendo este factor de absorción el principal punto de definición del mismo y cuya cuantificación viene expresada por el coeficiente de proporcionalidad entre la velocidad de salida y la de entrada.

4.3.2

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•

Sistema diésel hidráulico. (Resumen)

El acoplamiento hidrodinámico, o embrague hidráulico, figura 6-1 está compuesto por una caja común donde se encuentran la bomba impulsora, movida por el cigüeñal del motor y la turbina. Con el movimiento de la bomba, impulsada por el motor, el aceite es proyectado hacia la turbina haciendo que esta comience a moverse. La salida de fuerza es por un eje que atraviesa la bomba. A medida que van aumentando las revoluciones del motor el resbalamiento entre bomba y turbina disminuye, pero nunca llegará a desaparecer, pues se cortaría el flujo de aceite y por lo tanto la transmisión de energía.

Figura. 4-14 Esquema del acoplamiento hidrodinámico

ET

PM

El convertidor de par se hace necesario para poder producir una rápida transmisión del par. Al igual que el acoplamiento hidrodinámico, consta de bomba y turbina, con la diferencia de que entre estos dos elementos va intercalado el estator o reactor. Este componente tiene como misión desviar el caudal que sale de la turbina y redirigirlo a la bomba en condiciones favorables, consiguiendo ese aumento de par más rápidamente que en el caso del acoplamiento.

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AUTOMOTORES DIÉSEL 4

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to )

Es en el momento del arranque del vehículo, cuando mayor es el resbalamiento entre bomba y turbina, produciéndose en ese momento el máximo par. Según va disminuyendo el resbalamiento aumenta la velocidad de la turbina y disminuye el par transmitido, llegando a un punto en funcionamiento donde el convertidor se asemeja al acoplamiento hidrodinámico, pasando de la fase de conversión a la fase de acoplamiento.

Figura. 4-15 Elementos de la turbo-transmisión Voith T-211

La turbotransmisión T 211 re.3 + KB190 + HA es una transmisión hidroneumática para la transmisión de fuerza en automotores con accionamiento de motor diésel. Trabaja en forma completamente automática.

ET

PM

Los componentes esenciales son un convertidor de par hidrodinámico, un acoplamiento de caudal hidrodinámico, un freno hidrodinámico y la transmisión mecánica de inversión de marcha. La transmisión de fuerza tiene lugar por medio de fuerzas de inercia del líquido de servicio (aceite de transmisión de fuerza). La turbotransmisión está controlada electrónicamente y supervisada por el VTC (Voith Turbo Control).

Figura. 4-16 Esquema de la turbotransmisión Voith montada en las series S/ 594, 598, 599.

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TRACCIÓN DIÉSEL

4.4

ÁRBOLES DE TRANSMISIÓN

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to )

Sistema utilizado en los vehículos automotores. El diésel mueve la transmisión, y en esta un convertidor y un acoplamiento hidráulicos hacen la conversión de par. En la salida de la transmisión, un sistema cardan lleva el esfuerzo al reductor, montado en el eje.

Figura. 4-17 Árbol de transmisión con juntas Cardan.

Lado Turbo-transmisión Voith

Lado Reductora

Figura. 4-18 Cardan dispuesto en vehículo

4.5

INVERSIÓN

La inversión del sentido de marcha de los vehículos, también puede tener lugar de forma totalmente hidráulica sin el empleo de elementos mecánicos de cambios, en una turbotransmisión como ésta existen diversos circuitos hidráulicos y un convertidor de par para cada gama de velocidades. El cambio de marcha se produce automáticamente y sin desgaste alguno por medio de un proceso de llenado y vaciado del fluido de servicio, los cuales se solapan de tal forma que no se produce ninguna interrupción del esfuerzo tractor. Al vaciar simultáneamente todos los circuitos hidráulicos se produce un funcionamiento a rueda libre que permite la marcha del vehículo motor con el diésel al ralentí. La maniobrabilidad de un vehículo dotado con turbotransmisión se facilita considerablemente, ya que los mandos de marcha y de inversión se agrupan en uno solo, evitándose además que una falsa maniobra produzca una avería.

4.6

FRENO HIDRODINÁMICO.

Consiste en transforma parte de la energía mecánica producida por los ejes del vehículo en calor, disminuyendo así la velocidad de giro de las ruedas. Este calor, producido por el rozamiento del aceite con los álabes e la carcasa de freno, es absorbido por el aceite del mismo y cedido posteriormente a un enfriador.

PM

El frenado se realiza en la carcasa de freno según una secuencia de trabajo inversa a lo que se efectúa en tracción; comienza al llenar de aceite el cárter de la carcasa de freno y su acción puede ser de frenado o de ayuda para efectuar la transición de una velocidad a otra.

ET

Mientras dura la acción de frenado, el convertidor de par independiza el cigüeñal y el rotor para que, de esta forma, el motor diésel no impida dicho frenado.

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MOTORES DIESEL EN AUTOMOTORES

5.1

to )

5

MODELOS DE MOTORIZACIONES

5.1.1

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A diferencia de los voluminosos motores diésel de las locomotoras ferroviarias, los motores diésel de los Automotores tienen en comparación con ellos unas dimensiones más ajustadas para poder situarlos bajo el bastidor de los Vehículos ferroviarios. Normalmente se trata de motores diésel empleados en otros vehículos de transporte por carretera (Camiones fundamentalmente) y situando varios de ellos en el vehículo para sumar las potencias de tracción. Se trata de motores en línea de cuatro tiempos con potencias entre 250 y 500 CV, disponiendo de variadas y evolucionadas tecnologías de inyección, desde bombas de inyección en línea hasta sistemas Common- rail.

Motor diésel MAN d2876lue 605

Este modelo de motor, instalado en la S/ 598. Motor diésel de combustión interna, cuatro tiempos, turbo alimentado y de inyección directa. Bomba inyectora en línea, controlada mediante EDC (control electrónico) tanto la dosificación del caudal a inyectar, como el comienzo de la inyección. Este motor se utiliza para la tracción, y su localización es bajo chasis y con los cilindros en horizontal

5.2

BLOQUE DE CILINDROS

Figura. 5-1 Motor MAN D 2876LUE 605

Construido en fundición de hierro con aleaciones, constituye la base estructural sobre la que se monta el resto de elementos. Su forma corresponde a un bloque motor de seis cilindros en línea, con las mecanizaciones correspondientes, para alojar las seis camisas o cilindros. Internamente lleva las cámaras y canalizaciones para los circuitos de lubricación y refrigeración. Presenta siete apoyos de bancada, donde se aloja el cigüeñal, con los correspondientes taladros por donde fluye la lubricación.

Figura. 5-2 Bloque de cilindros en línea

5.3

En las reparaciones, siempre se tendrá muy en cuenta la posición de montaje, tanto de cojinetes como de puentes, dando el apriete correspondiente a los tornillos de unión. Con llave dinamométrica, importante ajustarse a los pares de apriete dados por el fabricante y mostrados en la NT (norma técnica)

CIGÜEÑAL Y ÁRBOL DE LEVAS

PM

Fabricado en acero estampado, equilibrado dinámicamente mediante una serie de contrapesos. Los apoyos de bancada, como las muñequillas de biela, levan un tratamiento especial de cementación, para su mayor resistencia al desgaste. Es en cigüeñal donde se produce la transformación del movimiento lineal de los pistones, en movimiento circular.

Figura. 5-3 Cigüeñal moto MAN D 2876 LUE 605

ET

El árbol de levas va montado en un lateral del bloque de cilindros, su accionamiento lo realiza un engrane directamente con el piñón del cigüeñal, siendo la relación de transmisión de 2:1, dos vueltas de cigüeñal por una del árbol de levas, se trata de un motor de dos tiempos. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 49

TRACCIÓN DIÉSEL

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to )

Árbol de levas

Cigüeñal

Figura. 5-4 Árboles de levas y Sincronización cigüeñal y árbol de levas.

El diagrama de la distribución, nos muestra el funcionamiento real de las fases del motor y su duración, a diferencia de lo que sería un ciclo teórico

Figura. 5-5 Diagrama de distribución

5.4

CILINDROS. “CAMISAS”

Los cilindros o camisas, van alojados en el bloque motor.

Dado que son camisas húmedas, para lograr la estanqueidad del circuito de refrigeración, se montan anillos toroidales, en la parte alta y en su cierre hacia el cárter de aceite. En el montaje, para facilitar su inserción en bloque motor, aplicaremos una fina capa de aceite del motor, en la parte superior e inferior.

ET

PM

Es muy importante asegurarse la correcta posición de la camisa, en cuanto a su altura respecto al bloque, evitaremos futuros problemas de cierre con el montaje de la culata. Figura 5-6.

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Figura. 5-6 Montaje de cilindro

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to )

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Figura. 5-7 Rotura de collarín en cilindro por fallo de montaje

Este tipo de camisas se las denomina, camisas húmedas, dado que la superficie exterior está en contacto directo con el líquido refrigerante. Pudiendo sustituirse en caso de desgaste o avería. Si en cualquier caso es importante, en este tipo de motores, es fundamental que el refrigerante contenga los aditivos correspondientes para mantenerse en buenas condiciones y no dañar a los elementos que refrigera.

Si por alguna circunstancia fallara la estanquidad, en las zonas que cierran con la parte del cárter, puede darse la avería de paso del refrigerante al lubricante con el consiguiente fallo del sistema.

5.5

PISTONES Y BIELAS

Figura. 5-8 Camisa húmeda

Pistones fabricados en aleación de aluminio, en su cabeza alojan la cámara de combustión y las canales para los dos segmentos de compresión y el segmento de engrase. La unión con el pie de biela, es mediante un bulón flotante, con anillas elásticas de seguridad que evitan su desplazamiento axial.

ET

PM

Figura. 5-9 Pistones con alojamiento de la cámara

Figura. 5-10 Pistón con segmentos y bielas en verificación

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to )

TRACCIÓN DIÉSEL

Figura 5-15 Pistón con segmentos

Figura 5-16 Bielas en verificación

Figura. 5-11 Esquema de sección de cabeza de pistón.

5.6

CULATAS

Estos motores llevan culatas independientes (Culatines) para cada cilindro. Fabricadas en fundición de hierro, cuatro válvulas, dos de escape y dos de inyección. Canalizaciones de paso para el lubricante y el líquido de refrigeración.

Mediante un puente de válvulas, se accionan las dos válvulas de escape o admisión, necesitando una sola leva de accionamiento.

Figura. 5-12 Culata vista desde el cilindro.

PM

Figura. 5-13 Detalle de culata motor MAN D 2876LUE 605

ET

Centrado en la culata se localiza el alojamiento del inyector. Para impedir la entrada de aceite lubricante, por las guías de válvulas, se instalan en cada guía un retén. Internamente la culata lleva las canalizaciones por donde circula el líquido refrigerante, procedente del bloque motor.

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5.7

EL CÁRTER

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to )

Cierra el bloque por la parte del cigüeñal, y sirve como depósito para el aceite de lubricación. Construido en aleación de aluminio, tabicado interiormente para darle consistencia y evitar el desplazamiento del lubricante.

Figura. 5-14 Detalle del cárter de aceite utilizado en este modelo de motores

Por la obligada posición de montaje que adoptan estos motores, el cárter presenta muy poca altura, y como consecuencia, poco volumen, haciendo necesario en algún caso, otro cárter “nodriza”.

5.8

SISTEMA DE LUBRICACIÓN

La lubricación tiene como misión disminuir el coeficiente de rozamiento, y el control de la temperatura generada por las piezas en movimiento. Todo ello ayuda a mejorar el rendimiento mecánico del motor. Como elemento principal de la lubricación, tenemos la bomba, encargada de aspirar el aceite e impulsarlo, dando el caudal y la presión necesaria para un buen funcionamiento.

La válvula de seguridad, como en todos los sistemas, controlará la presión del circuito para que no sobrepase los valores dados por el fabricante del motor.

ET

PM

Figura. 5-15 Esquema circuito lubricación MAN D 2866 TUE

Figura. 5-16 Despiece de bomba impulsora del lubricante y ubicación de la válvula de seguridad

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TRACCIÓN DIÉSEL

to )

Para mantener la temperatura dentro de los márgenes apropiados, el aceite pasa por un intercambiador de calor. Un radiador rodeado del refrigerante, permite el paso de temperatura del aceite al circuito de refrigeración.

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En todo su recorrido, el aceite lubricante debe cumplir la misión de arrastre y limpieza de las impurezas, partículas o elementos de desgaste que se puedan producir en el funcionamiento. Los diferentes aditivos que lleva el lubricante, son necesarios para mantener la viscosidad independientemente de la temperatura. La función detergente, dispersante de las partículas sólidas procedentes de la combustión, que como sabemos pasa entre los segmentos y el cilindro.

Figura. 5-17 Radiador intercambiador de temperatura

De cara al mantenimiento, es fundamental mantener los límites del nivel del lubricante en los valores que determina el fabricante, para evitar graves problemas al motor.

Figura. 5-18 Sonda y sensores de nivel en motores MAN D 2876 LUE

Los periódicos controles tanto de nivel, como mediante toma de muestras para su análisis, nos pueden ayudar en la determinación del estado del motor. Un alto consumo de aceite debe investigarse y determinar si es algo transitorio o permanente.

5.9

CIRCUITO DE REFRIGERACIÓN

Este sistema tiene la misión de mantener la temperatura del motor dentro de valores, que conjuguen el rendimiento mecánico y que a su vez evite el gripaje de los mecanismos en movimiento. Los motores que estamos viendo, tienen la refrigeración por líquido refrigerante, donde el calor absorbido se transmite al ambiente exterior por medio del radiador. Como se verá en la figura 5-19 existen tres circuitos, el largo y corto del motor y el correspondiente a la refrigeración del aire de carga para el motor.

ET

PM

Una bomba de doble funcionando en tándem mueve el líquido refrigerante de los circuitos mencionados.

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to )

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Figura. 5-19 Esquema de circuito refrigeración S/ 598

El accionamiento de la bomba del refrigerante, se hace mediante correas trapezoidal, desde una polea montada en el dámper a la salida del cigüeñal.

Figura. 5-20 Despiece y vista de bomba de agua

Una válvula termostática, selecciona el circuito corto, en el cual el líquido refrigerante, sale del motor y vuelve a la entrada de la bomba, pasando por el intercambiador de la hidrostática y la turbo transmisión. 2

1

ET

PM

3

Figura. 5-21 Válvula termostática(1), radiadores ventilados(2) y depósito de expansión(3).

Los radiadores, situados en lo alto del techo del vehículo, llevan adosado el depósito de expansión y el ventilador.

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TRACCIÓN DIÉSEL

5.10

SISTEMA DE SOBREALIMENTACIÓN

to )

El proceso de alimentación de aire, se hace mediante el turbocompresor

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Este sencillo mecanismo consigue un mejor llenado del aire de carga en el cilindro, lo cual supone un mayor rendimiento volumétrico y por consiguiente un aumento de la potencia del motor.

La temperatura de salida de los gases de escape, propicia su expansión en el colector de escape, accionando la turbina impulsora, que unida por un eje, hace girar a la turbina compresora generando la presión de alimentación. Dada su alta velocidad de giro, es importantísimo su perfecto equilibrado. Este se realiza en máquinas equilibradoras como la que

Figura. 5-22 Turbo-compresor

vemos en la figura 5-23.

La perfecta lubricación, es de suma importancia en el Turbo ya que disminuye el rozamiento y algo esencial en este mecanismo sometido a elevadas temperaturas producidas por los gases de escape, el caudal de aceite es lo que refrigera el Turbo.

Producto de la compresión del aire, este se calienta aumentando su volumen y bajando la densidad, con lo cual, para reducir este efecto, lo haremos pasar por un intercambiador de calor reduciendo su temperatura y de esta forma aumenta su densidad.

Figura. 5-23 Equilibradora para turbos

Figura. 5-24 Circuito de sobre-alimentación

ET

PM

En la figura 5-24 vemos de forma esquemática el funcionamiento de un turbo-compresor con los diferentes elementos que componen el sistema

56

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5.11

CIRCUITO DE ALIMENTACIÓN E INYECCIÓN DE COMBUSTIBLE

to )

El combustible principal de los motores diésel del material ferroviario es el gasóleo; este se obtiene de la destilación fraccionada del petróleo. El Gasóleo debe tener una elevada tendencia a la auto-inflamación, que se mide por el índice de cetano (NC). Este índice indica cuanto se puede comprimir el gasóleo antes de inflamarse.

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Para que el motor funcione de forma suave, es necesario producir una inflamación rápida y completa del gasóleo inyectado, según va entrando en contacto con el aire a alta presión y temperatura dentro de la cámara de combustión.

El circuito de Alimentación e Inyección tiene la misión de llevar el combustible desde los depósitos, con toda la limpieza posible, hasta la cámara de combustión. Para un buen funcionamiento del motor, los elementos que componen el sistema, harán que el mencionado combustible entre en la cámara de combustión en el momento preciso y de forma atomizada, para una buena combustión.

Figura. 5-25 Esquema de cámara de combustión MD inyección directa

La pulverización del combustible en el momento preciso de la inyección en la cámara de combustión, es de gran importancia para conseguir una buena combustión. Para obtener esta pulverización son necesarias grandes presiones que sólo pueden lograrse mediante la bomba de inyección o con modernos sistemas gestionados por microelectrónica. La entrada de aire en la cámara de combustión debe producirse en forma de torbellino, para que se facilite la oxidación del combustible y con ello una rápida combustión. El combustible ha de entrar de la forma más atomizada posible, pero con la suficiente masa para distribuirse en forma de neblina.

En la inyección directa el combustible se introduce directamente en la cámara de combustión forma-da por la culata y la cabeza del pistón, incidiendo sobre la cabeza del pistón, siempre más caliente que las paredes del cilindro, la forma de la cabeza del pistón crea una turbulencia que acelera y mejora la combustión, necesita relaciones de compresión superiores a 15 a 1 y buenos inyectores de tobera cerrada. El inyector se orienta hacia el foco de calor que se crea al final de la compresión en la cámara de combustión. La situación e intensidad de dicho foco depende de la forma de la culata o de la cabeza térmica del pistón. El principal inconveniente, era su alta sonoridad al ralentí y a bajo régimen, en la actualidad los progresos realizados en insonorización y encapsulamiento del motor han reducido este problema de rumorosidad.

ET

PM

Básicamente los elementos que componen el sistema de Alimentación e Inyección de combustible son los siguientes: depósito de combustible, filtros, bomba de alimentación, bomba inyectora, conductos o tubos de alta presión e inyectores

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to )

TRACCIÓN DIÉSEL

Figura. 5-26 Esquema del sistema de inyección

ET

PM

En los modelos de motores que estamos viendo, distinguiremos dos circuitos diferenciados; el de baja presión, integrado por el depósito, filtros y bomba de alimentación. Con estos elementos se consigue llevar el combustible hasta la bomba inyectora

58

Figura. 5-22 Esquema de circuito combustible motores MAN

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5.11.1

Bomba inyectora en Linea

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to )

Es el componente más importante del circuito de combustible. Movida por los engranajes de la distribución envía el combustible a muy alta presión hacia los inyectores. Dosifica la cantidad a inyectar según las necesidades de funcionamiento del motor y lo hace en el momento preciso, adaptándolo automáticamente, dependiendo de las revoluciones del motor Elemento inyección

Palanca de parada

Cuerpo bomba

de

de

Regulador centrífugo

Palanca de aceleración

Figura. 5-27 Bomba inyectora en línea

Concretando un poco más, en los motores que estamos estudiando. El tipo de bomba, corresponde al modelo de bomba en línea. Todos los elementos de inyección, tantos como cilindros tenga el motor, están contenidos en el denominado cuerpo de bomba. Un árbol de levas, moverá los distintos émbolos, venciendo la resistencia de los muelles, los cuales mantienen los émbolos siguiendo el perfil de la leva. La dosificación se consigue haciendo girar los émbolos por medio de la cremallera, para posicionar su rampa en máxima o mínima entrega. La bomba de inyección está situada en el propio motor diésel, normalmente en un lateral cuando se trata de un motor en línea, o entre las dos bandas cuando se trate de un motor en V. En algunos tipos de automotores está situada en un extremo del motor. Evidentemente en cualquier caso está accionada mediante la distribución.

5.11.2

Variador de avance

ET

PM

Elemento mecánico, se monta normalmente en la entrada del accionamiento de la bomba inyectora. Utilizando la fuerza centrífuga, en función de las revoluciones, el variador adelantará el momento de la inyección. Su buen funcionamiento es importante para el rendimiento del motor

Figura. 5-28 Variador de avance.

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5.12

SISTEMA DE REGULACIÓN Y CONTROL

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La finalidad del regulador consiste en estabilizar las revoluciones del motor dentro de ciertos límites.

to )

Las revoluciones constantes de un motor diésel son el resultado del equilibrio entre la cantidad de combustible inyectado y la resistencia que se opone a la aceleración.

Todo incremento de revoluciones del motor es una señal para que el regulador desacelere, controlando la cantidad de combustible inyectado.

5.12.1

El Regulador

Es un elemento auxiliar del motor diésel que actúa sobre la bomba de inyección, o inyectores bomba, que ajusta y mantiene automáticamente, el régimen de revoluciones demandado, con independencia de la carga.

Regulador centrífugo

Figura. 5-29 Regulador centrífugo de masas.

El motor diésel necesita un regulador que gestione la cantidad de combustible necesaria para mantener el número de revoluciones solicitado por el mando de aceleración. Cuando en una posición determinada del mando de aceleración, la cantidad de combustible inyectada es insuficiente para mantener el esfuerzo exigido al motor, decrece el número de revoluciones, disminuyendo en igual medida la fuerza centrífuga a que está sometido el regulador, actuando éste sobre las cremalleras de inyección para aumentar la cantidad de combustible, estabilizando la velocidad de giro del cigüeñal. Análogamente, si la cantidad de combustible resulta excesiva para el esfuerzo que realiza el motor, aumenta el régimen de giro del cigüeñal y el regulador modifica su posición de trabajo, para accionar nuevamente las cremalleras de inyección y reducir ahora el paso de gas-oil a los inyectores. Hecho que provoca una vez más la estabilidad del número de revoluciones del cigüeñal.

ET

PM

Los reguladores mecánicos de masas centrífugas, giran solidarios con el árbol de levas de la propia bomba. Dependiendo de las revoluciones, las masas vencen la resistencia de unos muelles, desplazándose radialmente. En ese desplazamiento mueven un sistema de palancas, las cuales hacen que la cremallera se desplace en sentido de más o menos suministro.

60

Figura. 5-30 Regulador a plena carga y al ralentí

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En la actualidad, los reguladores son gestionados de forma electrónica. A un procesador le llegan las señales de una serie de sensores, entre esos informadores, llega la señal de posición del mando de tracción, esa información es procesada y enviada a los actuadores.

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to )

En estos casos los actuadores, básicamente constan de un electroimán unido a la cremallera de la bomba. La posición de la cremallera viene dada por el núcleo del electroimán

Figura. 5-31 Bomba en línea con actuador magnético (izquierda) y Actuador para control de cremallera (derecha)

Las figuras 5-31 muestran los sistemas de actuadores correspondientes a los motores MTU 8V396TC13 y MAN D 2876 LUE 605. Constan esencialmente de un electroimán, el cual posiciona su núcleo en función de una señal tipo PWM. El mencionado núcleo va unido mecánicamente con la cremallera de la bomba inyectora, con lo cual sigue el movimiento del electroimán y propicia las variaciones en la dosificación del combustible. Esta gestión se realiza mediante señales de Sensores y Actuadores en la Unidad de Control. La unidad de control EDC procesa la información que recibe a través de:

El transmisor de recorrido de regulación Fijación del nivel de marcha Sensor de presión de sobrealimentación La sonda de temperatura del líquido refrigerante La sonda de temperatura del aire de sobrealimentación La sonda de temperatura del combustible (sólo en EDC de motores principales) Indicador de movimiento de aguja del inyector (sólo en EDC de motores principales) Valor de los transmisores del número de revoluciones

ET

PM

• • • • • • • •

Figura. 5-32 Unidad de control de Señales

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5.12.2

Inyectores

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en to )

Para que el combustible penetre en la cámara de combustión y se produzca una buena combustión de la mezcla, es necesario lograr una fina pulverización. Es el inyector el elemento que cumple con esas condiciones.

Figura. 5-33 Inyectores MAN D2866Lue 601

Las partes más importantes son: porta inyector, elemento de fijación a la culata y soporte para la tobera o inyector propiamente dicho.

Figura. 5-34 Funcionamiento de inyector y detalle de tobera

Su funcionamiento es sencillo. El combustible llega por los tubos de alta presión, una canalización en el porta-inyector hace que llegue el gasoil a la tobera. La presión levanta la aguja, venciendo la resistencia del muelle regulador presión de apertura. Una parte del combustible retorna como sobrante sirviendo como lubricante.

ET

PM

En los modelos de motores vistos en este libro, son todos de inyección directa, el combustible es inyectado directamente en la cámara de combustión, con lo cual el tipo de inyector utilizado es de orificios por donde sale el combustible finamente atomizado.

62

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5.13

SISTEMA DE INYECCIÓN COMMON RAIL

en to )

Este moderno sistema de inyección se basa en la aplicación de la electrónica en la gestión de la inyección. El circuito de baja presión es lo mismo que en los sistemas convencionales.

La alta presión se genera por una bomba de pistones axiales. El combustible se acumula en el rail común pudiendo legar a una presión máxima de 1.600 bar. Desde el acumulador, llega a los inyectores, controlados por electroválvulas, gestionadas por la electrónica.

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Los motores de tracción de los modernos autopropulsados de la Serie 599 utilizan este sistema de inyección, así como los motores diésel de los trenes híbridos AVE Serie 730.

ET

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Figura. 5-35 Bomba de alta presión MAN D2876 LUE 623

Figura. 5-36 Esquema de Inyección Diésel Common-Rail

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TRACCIÓN DIÉSEL

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

FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS BÁSICO (FTV Básico Neumática y Freno) Edición 1

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Formación Técnica de Vehículos

Autor: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento de Renfe Operadora. Edita: © Renfe Operadora. Edición 1 Julio del 2018 Dirección de Formación. Dirección General de Seguridad, Organización y Recursos Humanos. QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR.

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PRÓLOGO FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS La perseverancia y la determinación en las tareas de mantenimiento de vehículos ferroviarios españoles nos ha situado en un escenario donde conviven vehículos con tecnologías antiguas (no por ello poco eficaces) con vehículos muy sofisticados que implementan los últimos avances tecnológicos y que de forma paralela también se pueden advertir en otros sectores del transporte y la automoción. El convivir con ambas tecnologías, la del pasado y la del presente, nos sitúa ante un reto complejo, pero no imposible, si se disponen de una buena organización que ponga a nuestro alcance los medios y los recursos necesarios. Dentro del apartado de los profesionales que nos dedicamos al mantenimiento, es necesario disponer de personal actualizado y muy cualificado, sobre todo en las tareas mantenimiento correctivo. Es en este ámbito donde la formación juega un papel fundamental. Este libro hace referencia a aquellos dispositivos que han necesitado y necesitan de la energía del aire para realizar un trabajo dentro de los vehículos ferroviarios. La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como medio de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire principal protagonista, como gas ideal, es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime. Almacena gran parte de la energía utilizada para comprimirlo y puede devolverla cuando lo expandimos. Este documento hará referencia a la simbología relativa a los elementos más utilizados en los vehículos ferroviarios, algo sumamente importante cuando te enfrentas a la resolución de problemas o averías. Persigue concienciar a los futuros mantenedores de la importancia del tratamiento del aire para su acondicionamiento, ya que un aire contaminado por agua, barros, lacas, carbón etc., en la fase de compresión, es un producto que sin duda acortará la vida de los componentes y disminuirá la fiabilidad de los mismos, al producirse un funcionamiento errático a nivel general de los sistemas neumáticos que componen un vehículo. En este libro, se recoge el conocimiento necesario para entender los diferentes sistemas de freno más básicos que incorporan la gran diversidad de vehículos y debe ser el primer conocimiento que los técnicos debemos adquirir antes de acceder a una formación centrada en un vehículo concreto Implícitamente este libro pretende acercar, enseñar y cultivar el aprecio y el gusto por la tecnología neumática y el freno ferroviario, una técnica que exige conocimiento y compromiso del trabajo bien hecho, que es al mismo tiempo el compromiso con la fiabilidad y con la seguridad en el transporte de miles de personas, que utilizan el tren como un sistema de trasporte seguro.

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Formación Técnica de Vehículos

ÍNDICE DE CONTENIDOS 1.

NEUMÁTICA DEFINICIÓN ....................................................................................................... 9

2.

FISICA APLICADA A LOS GASES..............................................................................................................10

3.

SIMBOLOGÍA ................................................................................................................................... 15

4.

ACTUADORES Y VÁLVULAS DE FRENO....................................................................................................26

5.

DIFERENTES FORMAS DE FRENAR......................................................................................................... 34

6.

ANTIBLOQUEO.....................................................................................................................................48

7.

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 57

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ÍNDICE 1.

NEUMÁTICA DEFINICIÓN. ................................................................................................................... 7

2.

FÍSICA BÁSICA APLICADA A LOS GASES ................................................................................................ 8 2.1 ESTADOS DE LA MATERIA. ............................................................................................................... 8 2.2 FÍSICA DE LOS GASES ...................................................................................................................... 9 2.2.1 Ley de los gases ideales ...............................................................................................................9 2.3 EL AIRE. ......................................................................................................................................... 12

3.

SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA. ................................................................................................................ 13 3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.5 3.6

4.

UNIDAD DE FABRICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE. .............................................................. 24 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6

5.

ELEMENTOS FUNCIONALES. .......................................................................................................... 13 CONEXIONES. .............................................................................................................................. 15 UNIDADES DE TRATAMIENTO DE AIRE. ........................................................................................... 16 VÁLVULAS DIRECCIONALES O DISTRIBUIDORAS. ............................................................................ 17 Válvulas neumáticas según su función. .......................................................................................17 Válvulas neumáticas según su accionamiento. ............................................................................19 Clasificación de los accionamientos de las Válvulas neumáticas. .................................................20 Designación de las conexiones. ..................................................................................................21 VÁLVULAS DE FLUJO Y BLOQUEO. ................................................................................................. 22 CILINDROS. .................................................................................................................................. 22 EL COMPRESOR .........................................................................................................................25 RADIADORES REFRIGERADORES DEL AIRE. .................................................................................27 FILTROS Y DESENGRASADORES. .................................................................................................28 VÁLVULAS DE SEGURIDAD. ........................................................................................................29 DEPÓSITOS. ...............................................................................................................................29 SECADOR...................................................................................................................................30

ACTUADORES Y VÁLVULAS EN VEHÍCULOS FERROVIARIOS. ................................................................. 31 5.1 VÁLVULA DE FRENO DIRECTO........................................................................................................ 31 5.2 VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA. ...................................................................................................... 31 5.3 VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA CON VÍA DE ESCAPE. ........................................................................ 31 5.4 VÁLVULA DE DOBLE EFECTO.......................................................................................................... 32 5.5 LLAVE DE AISLAMIENTO PARA TFA Y TDP. ....................................................................................... 32 5.6 VÁLVULAS DE RETENCIÓN. ............................................................................................................ 32 5.7 VÁLVULA DE FLUJO. ...................................................................................................................... 33 5.8 VÁLVULAS REGULADORAS. ........................................................................................................... 33 5.9 MANÓMETROS.............................................................................................................................. 33 5.10 ELECTROVÁLVULA DIRECTA E INVERSA. ......................................................................................... 34 5.11 ELECTROVÁLVULAS SELECTORAS. .................................................................................................. 34 5.12 PRESOSTATOS. ............................................................................................................................. 35 5.13 TRANSDUCTORES ......................................................................................................................... 35 5.14 DISTRIBUIDOR DE FRENO. ............................................................................................................ 35 5.14.1 Palanca selectora (V/M-P/G). ......................................................................................................36 5.14.2 Llave de aislamiento del distribuidor. .........................................................................................37 5.14.3 Válvula de vaciado. ....................................................................................................................38 5.14.4 Depósito auxiliar de freno. .........................................................................................................38 Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 5

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5.14.5 Depósito de control. ..................................................................................................................38 5.15 RELÉS DE FRENO (AMPLIFICADORES DE CAUDAL). .......................................................................... 39 5.16 RELÉS DE FRENO VARIABLES (AMPLIFICADORES DE CAUDAL).......................................................... 40 5.17 VALVULAS MODERABLES............................................................................................................... 42 5.17.1 CONVERTIDORES ELECTRONEUMÁTICOS FAIVELEY (EPC). ...........................................................42 5.17.2 CONVERTIDORES ELECTRONEUMÁTICOS KNORR. ........................................................................43 5.17.3 CILINDROS DE FRENO. ...............................................................................................................43 6.

DIFERENTES FORMAS DE FRENAR. .................................................................................................... 45 6.1 CONCEPTOS BÁSICOS. .................................................................................................................. 45 6.2 TIPOS DE FRENO........................................................................................................................... 46 6.2.1 FRENO DIRECTO. .......................................................................................................................46 6.2.2 FRENO INDIRECTO AUTOMÁTICO. ...............................................................................................47 6.2.3 FRENO ESTACIONAMIENTO. .......................................................................................................49 6.2.4 FRENO AUXILIO. ........................................................................................................................50 6.2.5 FRENO URGENCIA......................................................................................................................50 6.2.6 ANTIBLOQUEO. ..........................................................................................................................51

7.

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................................. 53

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

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Introducción al freno ferroviario

1. NEUMÁTICA DEFINICIÓN.

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en to )

Los griegos, en su búsqueda de la verdad, consideraban la existencia de cuatro elementos fundamentales: el agua, el aire, el fuego y la tierra. El aire en particular, por su naturaleza volátil y transparente, constituía para ellos el "alma" de la persona. En griego PNEUMA significa "alma" y en consecuencia a la técnica que utiliza al aire comprimido como vehículo para transmitir energía se la llama NEUMATICA.

Aire Agua Tierra Fuego

Figura. 1-1 Sabio Griego

La neumática es la parte de la Tecnología que emplea el aire comprimido para producir un trabajo útil. El aire es un fluido gaseoso y, por lo tanto, se puede comprimir y almacenar. Gran parte de la energía utilizada para comprimirlo podemos recuperarla, para realizar un trabajo, cuando permitimos su expansión. Por tanto, el aire comprimido es una forma de almacenar energía mecánica, que puede ser utilizada posteriormente para producir trabajo. Si ejercemos fuerza sobre el aire contenido en un recipiente cerrado, dicho aire se comprime presionando las paredes del recipiente, esta presión puede aprovecharse para generar trabajo (grandes fuerzas, o desplazamientos de objetos). La implantación generalizada de la neumática en la industria, se inició al automatizar y racionalizar los procesos de trabajo, para bajar los costos de producción. Actualmente no se concibe un proceso productivo sin la utilización del aire comprimido y en consecuencia de los equipos neumáticos. Ejemplos de algunas de las infinitas aplicaciones neumáticas:  

Figura. 1-2 Aplicaciones de la energía neumática.

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PM



Accionamiento de motores para máquinas y herramientas. Cadenas de distribución, transporte y regulado mediante válvulas y cilindros, para impulsar una gran variedad de movimientos mecánicos, ciclos de trabajo, etc. Industria ferroviaria para sistemas de freno y aplicaciones auxiliares.

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ESTADOS DE LA MATERIA.

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2.1

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2. FÍSICA BÁSICA APLICADA A LOS GASES

Los sólidos tienen forma y volumen constantes. Las partículas que los forman están unidas por grandes fuerzas de atracción, ocupando, dichas partículas, posiciones casi fijas. En este estado las partículas solamente pueden moverse vibrando u oscilando alrededor de posiciones fijas, nunca se trasladarán libremente a lo largo del sólido. No fluyen.

La materia es todo lo que existe, tiene masa y ocupa un lugar en el espacio.

Los líquidos, como los sólidos, tienen volumen constante. En los líquidos las partículas están unidas por débiles fuerzas de atracción, pudiéndose trasladar con libertad adaptándose a la forma del recipiente que los contiene. No se comprimen.

ET

PM

Los gases, fluidos como los líquidos, no tienen forma y su volumen tampoco es fijo. Las fuerzas que unen sus partículas son mucho más pequeñas. El número de partículas por unidad de volumen es también muy pequeño, moviéndose éstas libremente, ocupando todo el espacio, chocando entre ellas y con las paredes del recipiente. Si reducimos mucho el volumen, comprimiendo el gas, éste se licúa. Al aumentar la temperatura las partículas se mueven más deprisa y chocan con más energía contra las paredes del recipiente, por lo que aumenta la presión. Sí se comprimen.

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2.2

FÍSICA DE LOS GASES

en to )

Podemos definir el estado de un gas atendiendo a cuatro magnitudes:

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TEMPERATURA: es la magnitud que refleja el nivel térmico de un cuerpo y no depende del número de moléculas que se mueven en su interior, sino de la velocidad de las mismas. T ºK = t ºC. + 273

Figura. 2-1 Termómetros

VOLUMEN: el SI de medidas contempla el m3 (1.000 L) como unidad de medida, aceptando el Litro. El volumen de un gas está definido por el tamaño del recipiente que lo contiene. Varía en función de la temperatura y la presión.

Figura. 2-2 Vasijas de laboratorio

PRESIÓN: la unidad de medida adoptada por el SI es el Pascal. La presión es una fuerza actuando sobre una superficie, F/S. N/m²= (Pa). Un Kilogramo-fuerza, o Kilopondio, es lo que pesa un Kg de masa en la superficie terrestre, debido a la gravedad de 9,8 m/sg². Según Newton Fuerza= masa × aceleración, 1 Kp = 1Kgf = 1Kg × 9,8 m/s² = 9,8 N.

Figura. 2-3 Manómetros

Como el Pa es muy pequeño, utilizaremos el bar, 1 bar = 100.000 Pa 1 bar = 0,981 Kp/cm² (en la práctica 1bar = 1 Kp/cm²) Presión absoluta = Presión manométrica + Presión atmosférica. Presión relativa = Presión absoluta – Presión atmosférica

ET

PM

CANTIDAD DE GAS: su peso en gramos. En los gases ideales, 1 mol contiene 6,02 × 10²³ moléculas, esto es el número de Avogadro.

Figura. 2-4 Mol

2.2.1 Ley de los gases ideales Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 9

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P = Presión absoluta del gas en pascal, Pa. V = Volumen del gas, en m³. n = nº de moles R = constante de los gases, 8,314 Jules/ mol׺K. T = Temperatura absoluta, en ºK.

en to )

El estado de una cantidad de gas se determina por su presión, volumen y temperatura. La ecuación fundamental de los gases perfectos o ideales: P × V = n × R × T, siendo:

Ley de Boile Mariotte: a temperatura constante, el volumen de un gas es inversamente proporcional a la presión que soporta

P×V=k

Figura. 2-5 Experimento de Boile Mariotte

Ley de Charles: a una presión constante, el volumen ocupado por un gas es directamente proporcional a su temperatura.

PM

V1 / T1 = V2 / T2 = k

Figura. 2-6 Experimento de Charles

ET

Ley de Gay Lussac: a volumen constante, la presión de un gas es directamente proporcional a su temperatura.

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P1 / T1 = P2 / T2 = k

Figura. 2-7 Experimento de Gay Lussac

Ley de Avogadro: a presión y temperatura constantes, el volumen de un gas es directamente proporcional a la cantidad del mismo. Volúmenes iguales de distintas sustancias gaseosas, en las mismas condiciones de presión y temperatura contienen el mismo número de moléculas; también, la masa molar o mol de distintas sustancias contiene el mismo número de moléculas, éste es el número de Avogadro, 6,02 × 10²³.

Figura. 2-8 Número de Avogardo

De todo lo anterior,

P 1 × V 1 = n × R × T 1 ; P2 × V 2 = n × R × T 2

deducimos:

P2 × V 2 T2

ET

PM

P1 × V1= T1

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2.3

El aire.

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en to )

El Aire es un fluido gaseoso, incoloro, inodoro e insípido, mezcla básicamente de tres gases con el siguiente porcentaje volumétrico.

Argón Neón Óxido nitroso Helio Metano, etc.

Dióxido de carbono

Figura. 2-9 Composición del aire

Sus propiedades más populares son:

Materia prima ilimitada y gratuita.



Fácil distribución, no requiere recuperación ni retornos.



Fácil de almacenar.



Puede ser utilizado en ambientes explosivos o inflamables.



Los componentes neumáticos son fáciles de instalar y de costo moderado.



Respetuoso con el medio ambiente.

PM



ET

También presenta algún inconveniente como su compresibilidad cuando queremos obtener velocidades constantes con cargas, o resistencias variables.

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3. SIMBOLOGÍA NEUMÁTICA.

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en to )

La simbología que trataremos está sujeta, a nivel internacional, a la ISO 1219 1 y ISO 1219 2 que se ha adoptado en España como la norma UNE-10114986 y que se encarga de representar los símbolos que utilizan en los esquemas neumáticos e hidráulicos. También se toman en cuenta las recomendaciones CETOP. (Comité Europeo de Transmisiones Oleodinámicas y Neumáticas). Por otro lado, indicar que hay algunas válvulas específicas relativas al freno ferroviario que son representadas por los constructores o fabricantes en sus planos y esquemas con símbolos no sujetos a ningún estándar y que con la experiencia en el manejo y el conocimiento funcional de dichos sistemas o elementos son fácilmente identificables. La simbología que vamos a tratar estará enfocada a las instalaciones en vehículos ferroviarios sin olvidar que también se usan en otras instalaciones industriales neumáticas. Dicha simbología la podemos dividir en las siguientes partes:      

3.1

Elementos Funcionales Conexiones. Unidades de tratamiento del aire. Válvulas direccionales o distribuidas. Válvulas según su accionamiento. Válvulas de Flujo.

ELEMENTOS FUNCIONALES.

Triángulo. Dirección del fluido

Flecha inclinada sobre un elemento indica ajustable.

Muelle.

Flechas Indican la dirección del flujo del fluido.

PM

T Camino cerrado o puerto.

ET

Restricción de flujo (tamaño a medida)

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Eje de Giro. Ambos sentidos

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Flechas curvadas Movimiento de rotación

Eje de Giro. Sentido horario

Eje de Giro. Sentido anti-horario

Asiento con ángulo de 90º

Temperatura (termómetro o termostato).

Bobinas solenoides.

Motor eléctrico.

Instrumento de medida.

Unión mecánica.

Rodillo.

PM

Escape directo.

ET

Escape con necesidad de conexión.

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CONEXIONES.

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Unión de Tuberías.

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3.2

Tuberías sin unión.

Acoplamiento rápido ambos a escape libre.

Acoplamiento rápido con antirretorno

Acoplamiento rápido con dos antirretorno

Fuente de presión.

Manga Flexible

Aparato de medida.

Silenciador.

Escape directo.

ET

PM

Escape con necesidad de conexión.

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UNIDADES DE TRATAMIENTO DE AIRE.

Filtro.

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Compresor con motor eléctrico

Calentador.

Separador de agua con drenaje. (Manual o Automático) Depósito acumulador de aire. (Sin y con purga automática) Válvula de cierre. (sin y con escape)

Filtro de agua con drenaje. (Manual o Automático)

Filtro de aire de entrada.

Lubricador.

Secador.

PM

Regulador de presión. (Ajustable y no Ajustable)

ET

Válvula de Seguridad. (Ajustable y no Ajustable)

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en to )

3.3

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en to )

Válvula Antirretorno.

3.4

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Unidad de tratamiento del aire. (Filtro/Regulador/Engrasador)

VÁLVULAS DIRECCIONALES O DISTRIBUIDORAS.

Las válvulas neumáticas de control direccional son las encargadas de distribuir el aire comprimido, según las características del circuito neumático. Actúan abriendo o cerrando conductos internos para comunicar o aislar el aire comprimido, procedente de la generación, con las actuadores mecánicos, cilindros, motores neumáticos, etc. Podemos clasificarlas según su función y según su accionamiento:

3.4.1 Válvulas neumáticas según su función.

Las distintas funciones vienen determinadas por:  

El número de vías, comunicaciones internas, que dispone la válvula para distribuir el fluido; 2, 3, 4 y 5 vías. El número de posiciones, posiciones diferentes que puede adoptar; 2 o 3 posiciones

Nº de posiciones

Atendiendo a su función

ET

PM

Nº de vías

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3.4.1.1

Válvula de dos vías.

Normalmente cerrada. NC. Directa. En reposo no comunica. 1 = alimentación, 2 = utilización.

3.4.1.2

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Normalmente abierta. NA. Inversa En reposo comunica. 1 = alimentación, 2 = utilización.

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La válvula comunica o corta el paso del fluido entre dos vías.

Válvula de tres vías.

Normalmente cerrada. NC. Directa. En reposo no comunica. 1 = alimentación, 2 = utilización, 3 = escape.

Normalmente abierta. NA. Inversa. En reposo comunica. 1 = alimentación, 2 = utilización, 3 = escape.

3.4.1.3

Válvula de tres vías, tres posiciones.

Normalmente cerrada. NC. Directa. En reposo no comunica. Posición neutra. 1 = alimentación, 2 = utilización, 3 = escape.

3.4.1.4

Válvula de cuatro vías.

Normalmente comunica 1 con 2 y 3 con 4. Conectada, comunica 1 con 4 y 2 con 3.

3.4.1.5

Válvula de cuatro vías, tres posiciones.

Normalmente cerrada. NC. Directa Con escape en posición neutra.

ET

PM

Normalmente cerrada. NC. Directa. En reposo no comunica. Posición neutra.

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Válvula de cinco vías.

en to )

3.4.1.6

3.4.1.7

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Normalmente comunica 1 con 2, 4 con 5 y 3 cerrada. Conectada comunica 1 con 4, 2 con 3 y 5 cerrada.

Válvula de cinco vías, tres posiciones.

Normalmente cerrada. NC. Directa Cerrada en posición neutra

3.4.2

Válvulas neumáticas según su accionamiento.

El número de accionamientos, posiciones estables que puede adoptar; monoestable tiene una única posición estable con un mando y retorno al reposo mediante resorte y biestable que tiene dos posiciones estables. 3.4.2.1

Válvulas Monoestables.

Son aquellas que tienen una posición de reposo estable, en la que permanecerá de forma indefinida si no actúa sobre ella el dispositivo de mando. El regreso a la posición de reposo suele realizarse con un muelle; así en el caso de válvula monoestable de dos posiciones, la posición estable será la correspondiente al muelle, que por convenio suele situarse a la derecha. En el caso de tres posiciones la posición estable es la central. Las válvulas monoestables pueden ser a su vez normalmente abiertas o normalmente cerradas. Serán normalmente abiertas NA cuando en su posición estable dejen pasar el fluido a presión hacia los consumidores. Serán normalmente cerradas NC cuando en su posición estable no dejen pasar el fluido o lo dejen pasar desde los consumidores actuadores hacia el escape.

Figura. 3-1 Válvula monoestable

Válvulas Biestables.

PM

3.4.2.2

ET

Son aquellas que no tienen una única posición de reposo estable; es decir, que aunque se anule la señal que provocó la posición en la que se encuentra, la válvula seguirá en esa misma posición hasta que se active la señal correspondiente a una nueva posición. En el caso de que se activen dos señales prevalece la más antigua. El dispositivo de mando y la forma en que se activa cada posición en la válvula se representa simbólicamente añadiendo en la parte lateral del cuadrado el símbolo del accionamiento correspondiente. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 19

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en to )

En ocasiones, también a las válvulas biestables se les dice NA o NC. Será NA cuando lo sea en la posición de la derecha, caso de tener dos posiciones o en la posición central, caso de tener tres posiciones. Análogamente para NC.

Figura. 3-2 Válvula Biestables

Ejemplo de Válvulas Monoestables con diferentes accionamientos

Válvula 2/2 en posición normalmente cerrada (directa)

Válvula 2/2 en posición normalmente abierta (inversa)

Válvula 3/2 en posición normalmente cerrada (directa)

Válvula 3/3 en posición neutra normalmente cerrada (directa)

Válvula 5/3 en posición neutra normalmente cerrada (directa)

Electroválvula con desahogo y válvula pilotada

3.4.3 Clasificación de los accionamientos de las Válvulas neumáticas.

   

Accionamiento manual. Accionamiento mecánico. Accionamiento neumático Accionamiento eléctrico.

ET

PM

Las válvulas según su accionamiento, las podemos clasificar en:

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Accionamiento s

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Válvulas neumáticas de accionamiento manual.

3.4.3.2

Botón. Seta

Muelle

Rodillo

Válvulas neumáticas de accionamiento neumático.

Presión

3.4.3.4

Pedal

Válvulas neumáticas de accionamiento mecánico.

Palpador

3.4.3.3

Palanca

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General

en to )

3.4.3.1

Servo. Electroválvula auxiliar y presión

Válvulas neumáticas de accionamiento eléctrico. Electroválvulas.

Una bobina. Monoestable

Dos bobinas opuestas. Biestable

3.4.4 Designación de las conexiones.

La norma establece la identificación de los orificios o vías de las válvulas, pudiendo presentar las mismas letras o números con los siguientes significados: Por letras A, B, C, D…, y también por números 1, 2, 3, 4…

Alimentación de energía o presión.

Por la letra P y también por el número 1.

PM

Conexiones de trabajo

Por las letras R, S, T, y por los números 3, 5, 7.

Descarga.

Por la letra L.

Conexiones de mando.

Por las letras X, Y, Z y los números 10, 12, 14.

ET

Escapes y retornos.

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3.5

VÁLVULAS DE FLUJO Y BLOQUEO.

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Estas válvulas permiten realizar funciones lógicas, impiden el flujo en un sentido determinado, etc.

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Válvula de escape rápido

Válvula de escape rápido con silenciador

Selectora o doble antirretorno

Regulador flujo bidireccional fijo y variable.

Regulador de flujo unidireccional.

Transductor de presión.

Presostato NC.

3.6

CILINDROS.

ET

PM

Cilindros (Motores neumáticos lineales con movimiento rectilíneo). Transforman la energía neumática en energía mecánica (trabajo) Su fuerza está definida por su superficie y la presión que los mueve.

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Figura. 3-3 Cilindro

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 De avance (máximo esfuerzo por disponer de más superficie al no disponer de émbolo)  Por aire

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 De retroceso (menos esfuerzo al disponer de émbolo)  De simple efecto con carrera de retroceso por: Muelle de retorno incorporado. Fuerzas exteriores (gravedad de la carga o muelle exterior.

en to )

Sus movimientos o carreras son:



De doble efecto con carrera de retroceso por: Aire Con amortiguación (aire, anti-retorno o goma) Sin amortiguación

DE SIMPLE EFECTO

Simple efecto, normalmente dentro con retorno por muelle. Simple efecto, normalmente fuera con retorno por muelle.

Simple efecto, normalmente dentro con retorno por muelle y con detector magnético de posición. Simple efecto, normalmente fuera con retorno por muelle y con detector magnético de posición.

Simple efecto, normalmente dentro con retorno por fuerza exterior.

Simple efecto, normalmente fuera con retorno por fuerza exterior.

Simple efecto, normalmente dentro con retorno por fuerza exterior y con detector magnético de posición.

ET

PM

Simple efecto, normalmente fuera con retorno por fuerza exterior y con detector Magnético de posición

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en to )

DE DOBLE EFECTO

Do (E cu sc me ue la nto Té so cn lo v ica ál Pr ido ofe pa sio ra na for l d ma e M ció an n. ten im i

Doble efecto con amortiguación.

Doble efecto con amortiguación y doble vástago.

Doble efecto, con amortiguación y detector magnético de posición.

Doble efecto, con amortiguación, sin vástago y con detector magnético de posición

4. UNIDAD DE FABRICACIÓN Y ACONDICIONAMIENTO DE AIRE.

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

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

ET

PM

     

24

V. Seguridad Figura 4-1. Unidad de Fabricación y acondicionamiento.

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4.1.1 EL COMPRESOR

en to )

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

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De Pistón.

Una etapa o monofásicos. Dos etapas o bifásicos.

Rotativos.

De Paletas. De Roots. De tornillo.

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

Figura 4-2. Pistón de una sola etapa o monofásico.

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

El ciclo de admisión será:

PM

Apertura de las válvulas de admisión. Carrera descendente del conjunto biela-pistón. Llenado de la cámara del cilindro con aire a presión atmosférica, como se puede ver en el dibujo de la izquierda de la figura 1-2.

ET

  

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en to )

El ciclo de compresión será:

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



Apertura de la válvula de escape y salida del aire a la utilización, como se puede ver en el dibujo de la derecha de la figura 1-2.

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 

En los compresores de pistón de dos etapas o bifásicos el aire se comprime en dos fases. En la primera fase se comprime a una presión entre 2 o 3 bar (baja presión) y en la segunda fase la baja presión se sube a una presión entre 8 y 10 bar. En este tipo de compresores la temperatura del aire de salida se encuentra en torno a los 130ºC. Este tipo de compresor se compone de dos cilindros de compresión, una para comprimir a baja presión de mayor volumen y otro para comprimir a alta presión.

Figura 4-3. Compresor de dos etapas en locomotora 333.

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

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

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

ET

PM

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

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Compresores Rotativos.

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Los compresores rotativos de paletas, (figura 1-6) están constituidos por un rotor monobloc, que gira alrededor de un eje excéntrico. En este tipo de compresores la temperatura de salida del aire es de 60ºC aproximadamente cuando la temperatura ambiente está en torno a los 20ºC.

Figura 4-8. Compresor de roots.

Figura 4-6. Compresor rotativo de paletas.

En los compresores de tornillo, (figura 1-7) dos rotores paralelos, macho y hembra de forma helicoidal, giran en un cárter y comprimen el aire en sus lóbulos de manera continua. En estos compresores la temperatura del aire de salida está en torno a los 70ºC cuando la temperatura ambiente se encuentra en torno a los 20ºC.

Figura 4-7. Compresor de tornillo.

Los compresores de Roots, (figura 1-8) están formados por dos rotores de sección en ocho que giran sincronizados dentro de una cámara. Los álabes aspiran el aire por un lateral de la cámara y lo empujan por el otro lateral de la cámara. El principal problema viene de la dificultad de lograr la estanqueidad de los álabes entre ellos y entre la carcasa. El rendimiento alcanzado por este tipo de compresores no es muy alto.

4.1.2 RADIADORES REFRIGERADORES DEL AIRE.

ET

PM

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

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Figura 4-7. Radiador en locomotora 333.

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

4.1.3 FILTROS Y DESENGRASADORES.

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



El aire pasa a la cámara central a través del filtro coalescente donde se eliminan el 99,9% de las impurezas presentes en el fluido (aire saturado).  El soporte inferior dispone de un tubo de salida (que salva la zona inferior de acumulación de residuos), por donde el aire comprimido sale a las torres de secado en mejores condiciones.  Se evita el deterioro de la alúmina aumentando su vida útil.

Figura 4-8. Filtro centrífugo.

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

ET

PM

Figura 4-9. Filtro centrífugo.

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en to )

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4.1.4 VÁLVULAS DE SEGURIDAD.

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



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



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

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

Figura 4-10. Válvulas de seguridad.

4.1.5 DEPÓSITOS.

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

Estabilización del aire comprimido.

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

Contribuir al enfriamiento del aire almacenado.

 etc.

Decantar en el fondo los condensados, agua aceite,

 Dotados de purgas automáticas para destruir los decantados.  El compresor alimenta los depósitos principales de aire comprimido. Cuando la presión llega al tarado se desconecta el compresor de forma automática.

PM

 Si la presión baja por el consumo de aire, se conecta de nuevo el compresor.

ET

Figura 4-11. Distribución de depósitos en locomotora 333.

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4.1.6 SECADOR.

en to )

En la aspiración y compresión del aire atmosférico aparece el agua por condensación, en forma de gotas, en la red de aire comprimido.

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La cantidad de agua se forma en función de la humedad relativa del aire, dependiendo esta, de la temperatura del aire y de la presión.

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

Figura 4-12. Secador.

En caso de sobrepasar la humedad relativa del aire, aparece el agua en forma de gotas, estas gotas pueden ocasionar daños en las válvulas y no permitir el funcionamiento óptimo y prolongado en el tiempo de las mismas. El objetivo del secador con sus sacos de alúmina (óxido de aluminio) es eliminar la humedad suficiente para bajar el punto de rocío por debajo de la temperatura ambiente más baja prevista, evitando la precipitación del agua en los componentes.

ET

PM

Para su funcionamiento dispone de la unidad temporizadora que se encarga de excitar las electroválvulas de forma alternativa, en periodos de dos minutos, con diez segundos de estabilización. El aire pasa de forma alternativa gracias a la temporización de las electroválvulas, por las torres que contienen la alúmina y cuando una torre está en fase de sacado la otra torre está en fase de regeneración al circular una pequeña cantidad de aire ya regenerado por medio de una tobera. En los periodos de no compresión el secador detiene su proceso al no existir caudal de aire que tratar.

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Figura 4-13-1. Secador.

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5. ACTUADORES Y VÁLVULAS EN VEHÍCULOS FERROVIARIOS. VÁLVULA DE FRENO DIRECTO.

en to )

5.1

  

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

Figura. 5-1 Válvula de freno directo

5.2

VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA.

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

Figura. 5-2 Válvula de cierre con bola.

5.3

VÁLVULA DE CIERRE DE BOLA CON VÍA DE ESCAPE.

Figura. 5-3 Válvula de cierre de Bola con Escape

ET

PM

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

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5.4

VÁLVULA DE DOBLE EFECTO.

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

Figura. 5-4 Válvula bidireccional o selectora

5.5

LLAVE DE AISLAMIENTO PARA TFA Y TDP.

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

Figura. 5-5 Llaves de aislamiento de TFA y TDP

5.6

VÁLVULAS DE RETENCIÓN.

ET

PM

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

32

Figura. 5-6 Válvula unidireccional, de retención o antirretorno

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5.7

VÁLVULA DE FLUJO.

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

Figura. 5-7 Pasos calibrados

5.8

VÁLVULAS REGULADORAS.

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

Figura. 5-8 Válvula reguladora de presión

5.9

MANÓMETROS.

ET

PM

Son aparatos de medida de la presión de los diferentes circuitos neumáticos que trabajan dentro del vehículo. Actualmente su unidad de mediad es el bar, pero todavía no es extraño encontrar vehículos con manómetros en Kg/cm2. Están basados en la deformación de una cámara tubular conocida vulgarmente por el nombre de pulmón, que arrastra en su deformación una timonería que hace deslizar una aguja sobre su eje. En los vehículos se pueden encontrar de diferentes precisiones siendo la más común, mostrando divisiones de 100 y 200 mb. En los pupitres de conducción es común encontrar los manómetros de Depósitos Principales, Depósito de Equilibrio, Tubería de Freno Automático y Cilindro de Freno.

Figura. 5-9 Manómetros, TFA, CF, TDP y Presión A. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 33

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5.10 ELECTROVÁLVULA DIRECTA E INVERSA.

en to )

Las electroválvulas son elementos de mando neumáticos, que responden a órdenes eléctricas. Consisten en un cuerpo formado por varias cámaras unidas entre sí, que pueden ser comunicadas o no mediante unos asientos de válvula solidarios a un vástago, que responde a una posición dependiendo de la energización o no de un electroimán. Gracias a ellas podemos gobernar circuitos neumáticos a distancia, con rapidez y precisión.

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Electroválvula Directa. Esta electroválvula se suele utilizar en circuitos neumáticos que responden a órdenes voluntarias como por ejemplo activar unos areneros o un silbato. Como se puede observar en la figura de la derecha, cuando se energiza su electroimán, arrastra una timonería que abre un asiento de válvula y deja paso de aire. Electroválvula Inversa La EV Inversa en determinados circuitos neumáticos, por su lógica de funcionamiento, se utilizan en circuitos de actuación del freno, provocando la actuación del mismo cuando falta la energía o alimentación eléctrica por algo fortuito que responde a un fallo o avería. Como se puede ver en la figura de la derecha, cuando se energiza corta el paso de aire.

Electroválvula directa

Reposo

Energizada

Electroválvula inversa

Reposo

Energizada

Figura. 5-10 Electroválvulas directas e inversas

Figura. 5-11 Electroválvulas Faiveley y Knorr

5.11 ELECTROVÁLVULAS SELECTORAS.

ET

PM

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

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Figura. 5-12 Electroválvula selectora

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5.12 PRESOSTATOS.

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Son elementos que transfieren órdenes eléctricas en función de la presión de los circuitos neumáticos donde están intercalados con unos determinados rangos de ajuste. En el ajuste se debe tener en cuenta la histéresis (diferentes presiones de conmutación entre la alta y la baja) del propio presostato en algunos casos ajustable dentro de unos límites. Tienen múltiples aplicaciones dentro de los circuitos neumáticos, como ejemplo el “Gobernol” del compresor principal que, al llegar a la presión máxima de Depósitos Principales, ordena la parada del compresor principal. En la figura 5-13 (imagen de la derecha) se puede apreciar la diferente posición del contacto eléctrico en función de la presión que existe en la cámara. Cuando estos elementos trabajan con dos presiones (una de referencia o de control y otra variable o de actuación, hablamos de manocontactos o presostatos diferenciales.

Figura. 5-13 Presostatos

5.13 TRANSDUCTORES

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

Figura. 5-14 Transductores

PM

5.14 DISTRIBUIDOR DE FRENO.

ET

Para entender el funcionamiento de esta válvula es conveniente hacer una pequeña introducción a algo que se explica con detalle en los próximos capítulos de este libro. Es necesario entender que el freno llamado indirecto, automático o de servicio, responde cuando la presión de la tubería general de freno o TFA desciende.

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Figura. 5-15 Freno automático o indirecto

Es decir que cuando el maquinista solicita freno destruye el aire de la TFA y el distribuidor que es la válvula que nos ocupa, aplicará presión al cilindro de freno o a un amplificador de caudal cuando se trata de ordenar a un gran número de cilindros de freno que frenen al mismo tiempo. En la gráfica se puede observar como para una depresión de TFA corresponde una presión en cilindros de freno: La presión máxima es de 3,8 bares (excepcionalmente 3,9) cuando la TFA desciende 1,5 bares y con descensos de TFA por debajo de 3,5 bares no se obtiene mayor esfuerzo de frenado. La presión máxima que se alcanza después de una demanda de freno por urgencia es la misma que se obtiene por un frenado máximo de servicio, pero la demandada por urgencia se establece en menos tiempo, ya que la destrucción de la TFA es más rápida. Para conseguir estos efectos cada vagón lleva una válvula distribuidora (distribuidor de freno), y un depósito auxiliar o de reserva que es donde se acumula la energía en forma de aire comprimido con la que se ejecuta la orden de freno. Exteriormente y dependiendo de los vehículos donde están instalados disponen de:     

Palanca selectora (V/M-P/G). Para seleccionar los tiempos de frenada. Llave de aislamiento del distribuidor. Para aislarlo dejándolo fuera de servicio. Válvula de vaciado. Para aflojar el cilindro de freno al destruir el Depósito de Control (frenos residuales). Depósito auxiliar de freno. Depósito de control.

5.14.1 Palanca selectora (V/M-P/G).

El distribuidor es el dispositivo donde se determinan los tiempos de freno y afloje según la normativa UIC (según tabla), así como en algunos casos, las presiones definitivas de freno, siendo la máxima de 3,8 bares salvo excepciones. Tiempo de apriete del freno

Tiempo de afloje del freno

Viajeros (PV)

De 3 a 5 segundos

De 15 a 20 segundos

Mercancías (GV)

De 18 a 30 segundos

De 45 a 60 segundos

ET

PM

Posición de la maneta PV/GV

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Algunos de ellos ofrecen las posibilidades de fijar dos gamas de tiempos, una para trenes de viajeros y otra para trenes de mercancías, posiciones que se fijan con una palanca selectora (V/M-P/G). Dado que la velocidad de propagación de la TFA está en 100m/s en el mejor de los casos, podemos decir, que es una velocidad de propagación lenta y esto cuando se trata de trenes muy largos presenta el inconveniente de que los primeros coches o vagones pudieran frenar con Figura. 5-16 Palanca selectora su esfuerzo máximo, cuando los coches o vagones de cola no han empezado o empiezan a frenar. Para paliar este desequilibrio lo que se hace es jugar con los tiempos de aplicación del freno alargando los mismos cuando se trata de trenes muy largos de esto la necesidad de la palanca selectora (V/M-P/G).

5.14.2 Llave de aislamiento del distribuidor.

Presentan la posibilidad de ser aislados de la TFA, gracias a la llave de aislamiento del distribuidor, por lo que dejan de ser efectivos. En los vehículos con equipo de freno CH (distribuidor Charmilles/Wabco) cuando la llave de aislamiento está en posición aislada, provoca el frenado del mismo al propio tiempo que se aísla el distribuidor de la TFA.

Figura. 5-17 Lave de aislamiento en vehículo motor (izquierda) y remolcado (derecha)

En los vehículos con equipo de freno KE (distribuidor Knorr) cuando la llave de aislamiento está en posición aislado, provoca la descarga de aire comprimido del cilindro de freno y depósito auxiliar (es decir el aflojamiento de las zapatas).

Unidades eléctricas 450 y 451

Locomotora 252

Figura. 5-18 Distribuidores

ET

PM

Material remolcado

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Todos disponen de la válvula de vaciado o destrucción del depósito de control y por tanto destrucción de cualquier presión en cilindros freno.

en to )

5.14.3 Válvula de vaciado.

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Estas válvulas de vaciado, cuando son activadas de forma manual, producen el vaciado del Depósito de Control o Reserva, provocando el desequilibrio interno del pistón de la válvula, el arrastre de su vástago hueco hacia abajo y la destrucción de la presión en cilindros de freno. En fenómenos de sobrecarga del depósito de control producidos por Figura. 5-19 Válvula de vaciado episodios de afloje rápido, por ejemplo, estos depósitos quedan sobrecargados, produciéndose frenos residuales imposibles de destruir si no es con la actuación sobre estas válvulas de vaciado.

5.14.4 Depósito auxiliar de freno.

Es el depósito de donde sacamos aire para enviar al cilindro de freno en los procesos de frenada. En los vagones se carga de TFA, en locomotoras y coches de viajeros se cargan de la Tubería de Depósitos Principales (TDP). Estos depósitos están protegidos por una válvula unidireccional o antirretorno, que asegura la presión en este depósito cuando por avería se pierde la presión en Depósitos Principales en el caso de vehículos motores y durante descensos de TFA en procesos de frenado en vagones. La propiedad de inagotabilidad del freno está relacionada directamente con la carga de estos Depósitos Auxiliares, los tiempos de afloje de la TFA y la válvula unidireccional o antirretorno.

5.14.5 Depósito de control.

El depósito de control (elemento pasivo) en condiciones normales de trabajo tiene siempre un mismo volumen invariable para cualquier aplicación. Este posibilita el desequilibrio del pistón principal de la válvula cuando la presión en TFA desciende, empujando al vástago hueco para enviar presión al cilindro de freno.

PM

Funcionamiento. En la figura 5-20 se puede observar en color azul, las cámaras que se cargan de aire procedente de la TFA.

Figura. 5-20 Distribuidor. Carga del sistema (izquierda). Freno derecha)

ET

En este proceso se carga por medio de la válvula de corte, el depósito de control, que permanecerá inalterable durante los procesos de destrucción de TFA, así como la cámara inferior del dispositivo principal. La cámara intermedia del dispositivo principal es también cargada al mismo tiempo, así como el depósito auxiliar y la cámara superior del dispositivo principal a través de la válvula de retención, que evitara la perdida 38

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de presión del depósito auxiliar de freno cuando la TFA sea destruida por cualquier demanda de freno. Este proceso dura tres minutos, tiempo de rigor para la carga del dispositivo. En la figura 5-20 (derecha) podemos observar como con el descenso de TFA producimos el desequilibrio de presiones en el diafragma del dispositivo principal y el vástago solidario al diafragma sube hacia arriba abriendo el asiento de la válvula superior e introduciendo aire en la salida a CF. Al mismo tiempo y por paso calibrado se llena la cámara de recubrimiento obteniendo la fuerza de estabilización a la TFA destruida para frenar, alcanzando por tanto la estabilidad. Cada proceso de descenso de TFA desde 5 bares hasta 3,5 bares tendrá una respuesta como la descrita ofreciendo una gama de presiones estabilizadas diferentes entre 0 bar y 3,8 bares de presión máxima, de esto la definición de freno fácilmente moderable. Propiedades de sensibilidad e insensibilidad de los distribuidores según normativa UIC. 

Atendiendo a la propiedad de sensibilidad (marcada por normativa UIC) del distribuidor, la válvula de corte del distribuidor cerrara la comunicación de la TFA respecto al D. Control o reserva, siempre y cuando la TFA desciende 0,6 bares en 6 segundos, produciéndose el frenado.



Y atendiendo a la propiedad de insensibilidad (marcada por normativa UIC) del distribuidor, la válvula de corte del distribuidor abrirá la comunicación de la TFA respecto al Depósito de Control o reserva igualando presiones, cuando la TFA desciende 0,3 bares en 1 minuto, siendo insensible a estas demandas de freno que corresponden más a una fuga que a una demanda real de freno, no produciéndose el frenado.

Figura. 5-21 Distribuidor. Afloje

En los procesos de afloje es decir cuando la TFA sube, el diafragma central del dispositivo principal baja arrastrando el vástago hueco y despegando el asiento de válvula superior del dispositivo principal, el aire de CF escapa a la atmósfera por el vástago hueco del dispositivo principal como se puede apreciar en la figura 5-21.

5.15 RELÉS DE FRENO (AMPLIFICADORES DE CAUDAL).

ET

PM

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

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Figura. 5-22 Relé de freno. Freno (izquierda). Afloje (derecha)

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

Figura. 5-23 Relé de freno en equipos de Knorr (izquierda) y de Faiveley (derecha).

Ejemplo de Relés de freno o amplificadores de caudal de Freno Directo en el centro y Automático en los extremos del constructor Faiveley (Figura 5-23 derecha). En este caso, disponen de una toma de alimentación de Depósitos Principales, que es de donde tomaran el aire para ponerlo a disposición de la toma de utilización o llamada a los diferentes Cilindro de Freno. Otra toma de pilotaje que será la que proporciona el distribuidor para ordenar freno o afloje y una última por donde evacuará el aire al exterior en procesos de afloje. En la medida que aumenta el pilotaje aumentará el tiempo de paso entre las cámaras de alimentación a utilización como muestra la figura de la izquierda 5-22 y en la medida que disminuya la presión en la cámara de pilotaje por el árbol hueco se destruirá la presión de la utilización o Cilindro de Freno, como muestra la imagen de la derecha de la misma figura.

5.16 RELÉS DE FRENO VARIABLES (AMPLIFICADORES DE CAUDAL).

ET

PM

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

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Figura. 5-24 Relé de freno variable. En freno (izquierda y en afloje (derecha)

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Estas válvulas relés son muy similares a las anteriores válvulas, pero su campo de acción está más direccionado a los vehículos autopropulsados o viajeros, ya que contempla una segunda presión de pilotaje derivada del peso del coche o vehículo en el que va a ser utilizada. El resultado que obtendremos en la utilización, en este caso será producto del pilotaje que se ejerza desde el distribuidor y de la consigna de pesaje, ya que esta presión desplazará el punto de basculación interno, variando la presión de utilización en función del peso, afectando tanto en el aspecto del freno como del afloje. Hay vehículos que la consigna de pesaje es calculada por la electrónica de control del freno BCU y en otros es un valor obtenido por la válvula de valor medio de la presión medida en las balonas de la suspensión secundaria. De esta forma garantizamos la eficacia del freno dimensionándolo en función del peso. Un ejemplo de Relés de Freno Variables o autocontinuas son las que incorporan los autopropulsados de la serie 447 y 598, como muestra la siguiente figura 5-25.

Figura. 5-25 Relés de Freno en Autopropulsados de la S/447 y 598

ET

PM

Esta funcionalidad, en otros vehículos como es el caso de las CIVIAS, se consigue con Válvulas de Carga Variable (no son amplificadores de caudal) que pilotan Relés de Freno (amplificadores de caudal) en función del valor que proporciona la Válvula de Presión Media cuando se trata de bogíes extremos o por el valor medio cuando se trata de bogies compartidos.

Figura. 5-26 Válvula de Carga Variable en panel de Freno de autopropulsados CIVIA. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 41

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5.17 VALVULAS MODERABLES.

en to )

5.17.1 CONVERTIDORES ELECTRONEUMÁTICOS FAIVELEY (EPC).

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El Convertidor Electro-neumático EPC, es el elemento cuya finalidad dentro del sistema de freno es la de convertir el valor de la demanda de freno ejercida por el maquinista (nivel mA) en demanda de freno neumático (nivel bar), mediante un pilotaje de presión neumática a las válvulas relé de alimentación a los cilindros de freno. Se trata de una válvula moderable que conectada a un bucle de intensidad suministra una presión neumática inversamente proporcional al valor de la corriente (mA), que circula por su bobina, cuando es inverso, y directamente proporcional cuando es directo.

Convertidor electro-neumático inverso.

Figura. 5-27 neumático

Convertidor electro-

Excitación parcial Respuesta presión de pilotaje subiendo hasta equilibrio, inversamente proporcional a la intensidad de excitación

A

B

Figura. 5-28 Convertidor electro-neumático A: Excitación máxima B: Respuesta de pilotaje, utilización, 0 bar.

Convertidor electro-neumático directo

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C

D

Figura. 5-29 Convertidor electro-neumático C: Excitación parcial. Evacuación D: Excitación máxima. Válvula equilibrada

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Los Convertidores Electro-neumáticos directos, utilizados para controlar la TFA, dan pilotaje de salida directamente proporcional a la intensidad de control.

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5.17.2 CONVERTIDORES ELECTRONEUMÁTICOS KNORR.

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Estos disponen de una electroválvula de carga o llenado, otra de descarga o vaciado y un transductor que informa a la electrónica del valor de presión obtenido. Las electroválvulas son mandadas por la electrónica de freno con tensión y depende del tiempo de aplicación que el llenado o vaciado sea mayor o menor.

Figura. 5-30 Convertidor electroneumático

5.17.3

CILINDROS DE FRENO.

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

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Figura 5-1. Cilindros de freno.

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En el proceso de afloje, cuando desaparece la presión de freno, el muelle antagonista recupera la posición de la zapata aflojando el freno.

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Bloques de freno. En locomotoras y vehículos tractores es más común encontrar los que se denomina bloques de freno donde están integrados el cilindro, la zapata, la timonería, el ajustador del cerraje, el dispositivo anti suma y en algunos el dispositivo de freno por resorte o freno de estacionamiento.

Bloques de freno con muelle acumulador para freno de estacionamiento. Son aquellos que disponen de dos cámaras de accioamiento una por presión neumática, cuando se solicita freno de servicio indirecto o directo, así como cuando se declara un frenado de emergencia o urgencia y otra cámara que en ausencia de aire libera un muelle desplegando su energía que aplica a la timonería del cilindro empujando la zapata contara la llanta o el disco de freno dependiendo del vehículo.

ET

PM

Figura 5-2-1. Cilindros de freno con muelle acumulador para freno de estacionamiento.

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6.1

CONCEPTOS BÁSICOS.

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6. DIFERENTES FORMAS DE FRENAR.

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Según la naturaleza de la orden de freno mandada desde el puesto de conducción se pueden clasificar también en:  Freno de Servicio, Automático o Indirecto que permite variar a voluntad la presión en los cilindros de freno de todo el tren, de manera prácticamente simultánea, con el fin de garantizar su detención en el lugar deseado, o bien una reducción de su velocidad a un valor concreto.

Freno de Retención. Es lo mismo que el anterior pero aplicado de manera tal que logre el propósito de mantener una velocidad determinada durante el descenso de las pendientes.



Freno de Servicio Máximo. También funciona como los anteriores, pero provocando al accionarlo, un descenso de 1,5 bares en la TFA, al que corresponderá un apriete máximo de los frenos (aproximadamente 3,8 bares de presión en cilindros)



Freno Conjugado. El freno conjugado es cuando en cualquiera de las tres situaciones de freno anteriores (F de Servicio, F. de retención y Freno máximo.) se aplica freno neumático en los coches o vagones y freno eléctrico en la locomotora o ejes motores, mientras la velocidad de los mismos les de las prestaciones o capacidades necesarias para frenar eléctricamente.



Freno combinado. Es un término que viene de los vehículos antiguos y se utilizaba cuando el maquinista aplicaba freno eléctrico para retener el tren y en las ocasiones en que los motores no daban todo el par de freno eléctrico suficiente, aplicaba también el Freno de retención o Freno de servicio. Este tipo de freno requería de una destreza y experiencia por parte del maquinista.



Freno de Urgencia manual. Produce el vaciado de la TFA en el menor tiempo posible, por actuación de un dispositivo al que llamamos válvula de urgencia también conocida por “Seta”.



Freno de Urgencia automático. Puede ser provocado bien sea por un corte accidental de la TFA, o bien por un dispositivo automático de vigilancia sobre el Maquinista (el llamado Hombre Muerto) que entra en funcionamiento cuando éste no lleva a cabo la secuencia de actuaciones que indicarían su indisposición, desvanecimiento, etc., en definitiva, su incapacidad para conducir. También el ASFA y el Sistema de detección de descarrilamientos pueden considerarse frenos automáticos de urgencia que provocan el frenado rápido del tren en determinadas circunstancias.



Freno dinámico (Freno electrodinámico o Freno hidrodinámico). Consiste en una retención de la locomotora (y del resto de la composición) haciendo trabajar a los elementos motrices de aquélla de forma inversa a la empleada durante el proceso de tracción. Si los órganos tractores de la locomotora son motores eléctricos, durante la fase de frenado dinámico, se opondrán a la marcha, actuando como generadores. Si la transmisión es hidráulica, en régimen de freno, ésta pasa a transmitir energía en forma inversa a como lo hace en situación de tracción, provocando la retención del vehículo y en consecuencia del tren. Con ninguno de estos dos tipos de freno se produce desgaste de zapatas, ni de llantas. Freno Blending. El término blending hace referencia a la mezcla y coordinación de esfuerzos de frenado, en un mismo eje o bogie motor, del freno eléctrico o hidrodinámico (dependiendo del tipo de vehículo) y el freno neumático. El blending tiene como objetivo proporcionar la deceleración necesaria consecuente a la demanda de freno en todo el rango de velocidades, utilizando preferentemente los sistemas de freno sin fricción y teniendo en cuenta la máxima adherencia disponible entre rueda y carril.

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

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

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

Freno de Auxilio. Es una modalidad de freno puramente mecánico-neumático que se utiliza cuando hay problemas en los circuitos eléctricos, electrónicos o informáticos que afectan a la funcionalidad del control del freno, impidiendo el correcto funcionamiento del freno de servicio indirecto o automático



Freno directo. Es una modalidad de freno normalmente mecánico-neumático que se utiliza con locomotora aislada (solo afecta a los cilindros de freno de la locomotora) durante las maniobras, no debiendo ser aplicado con locomotora acoplada a un tren en velocidad.

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Freno EP. Se utiliza para mejorar los tiempos de frenado, así como para igualar en tiempo la aplicación de freno y afloje por cada uno de los coches que componen un tren. Este sistema dispone electroválvulas de carga y descarga de la TFA en cada coche, en algunos cosos integrados en los propios distribuidores. De esta forma se homogeniza tanto el aprieto como el afloje de los frenos de una composición, comportándose como una sola masa que frena y afloja al mismo tiempo.

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6.2



TIPOS DE FRENO.

6.2.1 FRENO DIRECTO.

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

Figura 6-1. Plano de aplicación del freno directo.

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

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Cuando activamos el mando de freno directo hacia frenar, tomamos aire a 5 bar y pilotamos el relé de freno (amplificadora de volumen) en este caso des-multiplicadora de presión, la cual tomará aire de los D.P y mandará la señal de freno a cilindros de freno, a una presión que oscila entre 3 y 3,8 bar, dependiendo de los vehículos.

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La válvula de doble efecto o selectora discrimina la orden de freno solicitada al cilindro, pudiendo ser por freno directo o por freno indirecto, también conocido por los nombres de freno automático o de servicio.

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Si activamos el mando de freno directo hacia la posición intermedia, lo que haremos es estabilizar lo que anteriormente hayamos solicitado, consiguiendo diferentes escalones de freno, tanto en freno como en afloje.

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

6.2.2 FRENO INDIRECTO AUTOMÁTICO.

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

Figura 6-2. Plano de aplicación del freno indirecto.

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Durante el proceso de carga del equipo, una vez que el maquinista toma los mandos del vehículo, se dan una serie de automatismos, como es la carga automática de la T.F.A. hasta 3,2 bar, gracias a la actuación del presostato “H” tarado a esta medida, que mantendrá automáticamente energizada la E.V. de Afloje para subir la presión en el Depósito de Equilibrio y por tanto en la T.F.A. gracias a la Relé Principal o Relé de Mando. La E.V. de Freno permanecerá energizada durante este proceso evitando que la presión del D. Equilibrio se destruya a la atmósfera. En esta situación de rearme automático controlado hasta 3,2 bar el vehículo permanece frenado y dependerá de la voluntad del maquinista o del operario de mantenimiento para comenzar el proceso de afloje voluntario de los frenos, para ello con el manipulador de freno automático se podrán dar órdenes eléctricas a la E.V. de Freno y a la de Afloje. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 47

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Cuando aflojamos mediante el manipulador, energizamos la E.V. de Afloje y llenamos el D. Equilibrio y por tanto llenamos la T.F.A. de forma fácilmente moderable hasta 4,85 bar, momento en el que se activa otro automatismo controlado por el manocontacto “G” ausente en la figura 1-39, subiendo de forma automática de 4,85 bar hasta 5 bar. Durante la carga de TFA de un tren, la actuación del diferencial PM entre Equilibrio y TFA, se puentea con temporizados electrónicos evitando la destrucción de TFA, aun separándose más de 0,4 bar del D. de Equilibrio. En esta posición y gracias a la Válvula de Realimentación de la figura, mantenemos recubierto el D. Equilibrio compensando posibles fugas en caso necesario, siempre que el mismo se encuentre por encima de 4, 85 bar. Al mantener recubierto el D. Equilibrio, la Relé Principal recubrirá de igual forma las posibles pérdidas de la TFA a lo largo de una composición, hasta un límite. El sistema dispone de la E.V. de Neutro que es energizada cuando se utiliza la locomotora como conducida en mando múltiple o calzada de forma manual cuando queremos remolcar una locomotora sin batería. Esta electroválvula en cualquiera de los casos pilota la Válvula de Corte, la cual, en estas condiciones, aísla de TFA el panel de freno impidiendo recibir y construir TFA como medida de seguridad. Todos los vehículos ferroviarios disponen de un circuito eléctrico conocido con el nombre de circuito lazo, donde están intercaladas todas las vigilancias que tienen que ver con el funcionamiento seguro de dicho vehículo. Estas vigilancias que pueden ser Hombre Muerto, ASFA u otros bloqueos LZB o ETCS, corte de tren detectado por diferencial PM, F. de Emergencia por mando de tracción, F. de Urgencia, etc. cuando se desencadenan, producen la rápida destrucción de la TFA gracias a la actuación de las válvulas de Emergencia pilotadas por electroválvulas de vigilancia que se des-energizan cuando se abren estos circuitos lazo.

Figura 6-3. Distribución de los circuitos de freno en un coche.

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

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

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Figura 6-4. Distribución de los circuitos de freno en un vagón.

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

6.2.3 FRENO ESTACIONAMIENTO.

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

Figura 6-5. Plano de aplicación y afloje del freno de estacionamiento.

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Para el funcionamiento del bloque de freno que contempla la posibilidad de freno de estacionamiento por muelle acumulador, necesitamos una reguladora que ajusta la presión de D. Principales a 6 bar aproximadamente (dependiendo de los vehículos) que alimentará una electroválvula directa y que cuando se energice eléctricamente o se calce manualmente, meterá aire en la cámara rindiendo el muelle acumulador y aflojando el Freno de Estacionamiento. Es por esto fácilmente deducible que en la medida que el vehículo se queda sin aire el freno de estacionamiento se aplica, al distenderse el muelle acumulador.

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En la imagen 1-42 se puede observar una válvula de doble efecto también conocida por el nombre de válvula anti-suma o anticompound que evita la suma de esfuerzos de freno resultantes del freno neumático y el del muelle acumulador, aplicando la fuerza del muelle acumulador en la medida que desaparece el freno neumático. Dispone también de unos presostatos de vigilancia que informan de la aplicación o no del freno estacionamiento a la electrónica de control, pudiendo desencadenar frenados de emergencia ante situaciones de aplicación indebida del F. de Estacionamiento o simplemente no permitir la tracción si el F. de Estacionamiento está aplicado.

6.2.4 FRENO AUXILIO.

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

Figura 6-6. Plano de aplicación y afloje del freno de auxilio.

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

6.2.5 FRENO URGENCIA.

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En la figura, 1-44 podemos ver la representación de una válvula para el F. de Urgencia. Estas válvulas cuando son accionadas a voluntad por el maquinista, destruyen de forma rápida la TFA ordenado freno máximo. Disponen de enclavamientos eléctricos que entre otras funcionalidades pueden abrir el circuito lazo, des-energizar electroválvulas de vigilancia que desencadenan la apertura de la TFA a la atmósfera por válvulas de emergencia, informar a los procesadores de control del vehículo de su actuación, etc.

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Figura 6-7. Válvula de urgencia.

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6.2.6 ANTIBLOQUEO.

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

Figura 6-8. Plano funcional genérico del equipo antibloqueo.

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

Figura 6-46. Plano funcional del equipo antibloqueo locomotora 253. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 51

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Formación complementaria – Distribuidor SW4

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Material Motor Ferroviario - Ed. 2012_ETP – Renfe Operadora Material Remolcado Ferroviario – Ed. 2012 – ETP – Renfe Operadora Frenado_Ferroviario_1 2012_ETP_Renfe. NTM 33.00.00……33.10.00 de la locomotora 333.3 Electrotecnia RENFE - Escuela Técnica Profesional - Edición 2011 Anatomía del tren de rodadura NTM Panel de mando PBL 3 de Faiveley. 33.02.00. NTM.33.03.01 Distribuidor SW4-3 (descripción y manual de mantenimiento)

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7. BIBLIOGRAFÍA.

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Bibliografía

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Fabricación y Mantenimiento S.A. Gerencia de Área de Organización y RR HH. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento.

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

FTV-Básico

Edición 1

Máquinas Eléctricas Rotativas

Autores: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento de Renfe Edita: © Renfe-Fabricación y Mantenimiento S.A Gerencia de Área de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento. Edición 1ª febrero 2019 QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Fabricación y Mantenimiento 1

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Máquinas Eléctricas Rotativas

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

ÍNDICE MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA ................................................................................................ 7

1.2.1 1.2.2

1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4

LA MÁQUINA ELÉCTRICA DE CORRIENTE CONTINUA COMO GENERADOR Y COMO MOTOR ............................................................ 7 PARTES PRINCIPALES DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA .......................................................................................... 9 Rotor ..................................................................................................................................................................................11 Estator ...............................................................................................................................................................................13 CONEXIONES EQUIPOTENCIALES ............................................................................................................................................. 16 CLASE TÉRMICA ..................................................................................................................................................................... 17 TIPOS DE EXCITACIÓN ............................................................................................................................................................. 18 Excitación Serie ..................................................................................................................................................................19 Excitación Shunt.................................................................................................................................................................19 Excitación Compound.........................................................................................................................................................19 Excitación Independiente ...................................................................................................................................................19 GENERADORES....................................................................................................................................................................... 20 MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA PARA TRACCIÓN ............................................................................................................. 20

MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA ................................................................................................. 23 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2.1 2.2.2

INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA ..................................................................................................... 23 Rotor ..................................................................................................................................................................................25 Estator ...............................................................................................................................................................................26 Velocidad de Sincronismo ..................................................................................................................................................27 TIPOS DE MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA ........................................................................................................................ 29 Máquinas Asíncronas .........................................................................................................................................................31 Máquinas Síncronas ...........................................................................................................................................................37

BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................................................... 41

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

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INDICE

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 1

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA

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En un principio nos referimos a los motores y generadores de corriente continua como máquinas eléctricas rotativas cuyo cometido principal es transformar la energía eléctrica en mecánica (en el caso de los motores) y transformar la energía mecánica en eléctrica (en el caso de los generadores).

Una de las principales características de este tipo de máquinas eléctricas rotativas, se fundamenta en el principio de reversibilidad, es decir: tienen la capacidad de funcionar como motores y como generadores. Para entender el funcionamiento de las máquinas eléctricas rotativas es necesario conocer previamente los fenómenos de inducción magnética. La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Faraday en 1830, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).

LA MÁQUINA ELÉCTRICA DE CORRIENTE CONTINUA COMO GENERADOR Y COMO MOTOR

Como hemos visto anteriormente, la producción de una f.e.m. en un conductor, al variar el flujo a que se encuentra sometido, se le denomina inducción. Este fenómeno lo podemos explicar en la siguiente Experiencia: 1º. Si desplazamos un conductor de longitud “l”, conectado a un galvanómetro, en un sentido en el interior de un campo magnético cortando sus líneas de fuerza, observaremos en la aguja del galvanómetro una desviación en un sentido determinado. Esto nos indica la inducción de una f.e.m. 2º. Si desplazamos el conductor en sentido contrario, observaremos que la aguja del galvanómetro se desplazará en el sentido contrario al anterior. 3º. Si aumentamos la velocidad del desplazamiento del conductor, observaremos que la aguja del galvanómetro sufrirá una desviación mayor que en los casos anteriores. 4º. Si sustituimos el imán que produce el campo magnético por otro de mayor potencia, se producirá una mayor desviación de la aguja del galvanómetro. 5º. Si sustituimos el conductor por otro de mayor longitud, cortando así mayor número de líneas de fuerza, también aumentará la desviación de la aguja.

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6º. Si sustituimos el conductor por otro de diferente material, obtendremos un resultado que no variará de los obtenidos anteriormente.

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7º. Si el desplazamiento del conductor es paralelo a la dirección de las líneas de fuerza del campo magnético, la aguja no se moverá. 8º. Si desplazamos el conductor de manera oblicua a las líneas de fuerza, la aguja se desviará, pero en menor grado. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Fabricación y Mantenimiento 7

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

Figura. 1-1 Experiencia sobre inducción magnética

De esta experiencia se llega a las siguientes conclusiones: •

Cuando movemos un conductor en el interior de un campo magnético, cortando sus líneas de fuerza, se genera en este conductor una fuerza electromotriz.

•

Esta f.e.m. es directamente proporcional a:  La inducción magnética (ß)  La velocidad de desplazamiento del conductor (v)  La longitud del conductor (l)

Figura. 1-2 Funcionamiento como generador

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Este es el principio de funcionamiento de las máquinas rotativas de CC como generadores.

En el ejemplo anterior utilizamos un conductor rectilíneo, pero podemos usar un conductor en forma de espira. 8

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 1

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Entendemos por espira cualquier conductor eléctrico con forma circular o rectangular plana.

Figura. 1-3 Espira

Como principio de máquina rotativa de CC funcionando como motor, podemos enunciar que cuando un conductor, por el que circula una corriente, se sitúa en el interior de un campo magnético, se crea una fuerza sobre él que produce su desplazamiento. De igual manera podemos experimentar que si alimentamos una espira que se encuentra bajo la influencia de las líneas de fuerza de un campo magnético, con una corriente eléctrica, en la espira observaremos la aparición de una fuerza de par que tenderá a desplazarla dentro del campo magnético.

Figura. 1-4 Funcionamiento como motor

El movimiento del inducido genera, a su vez, una fuerza electromotriz que es opuesta a la tensión aplicada entre escobillas. A esta fuerza la denominamos fuerza contra-electromotriz.

PARTES PRINCIPALES DE LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE CONTINUA

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Dependiendo de su funcionalidad, podemos clasificar los elementos que componen una máquina rotativa de corriente continua en, Elementos Electromagnéticos y Elementos Mecánicos.

ET

Los Elementos Electromagnéticos son todos aquellos cuya función está directamente asociada a la producción de campos electromagnéticos y pueden ser: •

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

Elementos Magnéticos.

•

Elementos Aislantes.

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•

Los primeros son todos aquellos por donde va a circular la corriente eléctrica y habitualmente son de cobre o aleaciones de cobre y de grafito. Podemos encontrarlos de aluminio, pero en menor medida. Como ejemplo encontraríamos los devanados de las bobinas, los puentes, aros y cable de conexión, el colector del inducido, la placa de bornes, los porta-escobillas y las propias escobillas, etc.

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Los segundos son los encargados de potenciar y direccionar los campos magnéticos producidos en la máquina. Están formados por piezas metálicas de materiales y aleaciones ferromagnéticas, normalmente de chapas de acero al silicio. Las masas polares, el paquete de chapas y las expansiones polares pertenecen a este grupo.

Estas chapas irán apiladas formando un bloque con la forma correspondiente y será imprescindible el aislamiento entre unas y otras para evitar la creación de corrientes indeseables (corrientes parásitas o corrientes de Foucault). Las corrientes de Foucault se crean en el interior de un conductor cuando atraviesa un campo magnético variable (o viceversa). Estas corrientes dependen de la conductividad del material y del campo magnético que las induce y al circular, originan pérdidas de energía que se manifiestan como producción de calor perjudicial y no deseado (efecto Joule). Estas pérdidas se minimizan en gran medida con la utilización de núcleos de materiales magnéticos que tengan baja conductividad y formados por finas láminas apiladas y aisladas entre sí por medio de finas capas de barniz o de óxido.

Figura. 1-5 Paquete de chapas

Los elementos aislantes tienen la misión de imposibilitar el contacto eléctrico entre los elementos eléctricos (portadores de la corriente eléctrica) y el resto de los elementos metálicos del motor. Estos elementos lo pueden constituir diversos tipos de materiales como distintos tipos de plásticos, derivados del caucho, micas, fibras de vidrio, porcelanas, teflón©, nomex©, kaptom©, etc.

ET

PM

Los Elementos Mecánicos son aquellos destinados a procurar sujeción, rigidez y solidez al conjunto de la máquina, a la vez que son los encargados de transmitir los esfuerzos producidos por la misma a mecanismos exteriores, podemos dividirlos en:

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•

Elementos de trabajo.

•

Elementos de sujeción.

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE CONTINUA 1

Los primeros son los encargados de facilitar el movimiento de las partes móviles de la máquina, así como de transmitir los esfuerzos mecánicos necesarios o producidos. Entre ellos podríamos encontrar ejes, rodamientos, coronas, piñones, poleas y ventiladores.

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Polos inductores, polos de conmutación, expansiones polares, paquete de chapas de rotor, etc.

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Los segundos constituyen el armazón de la máquina donde se sustentan todos los elementos que la componen, así como cualquiera de ellos cuyo cometido sea el de sujetar o sustentar a otros. Entre ellos encontraríamos el chasis, los apoyos, tornillos, espárragos, tuercas, bandejas y tapas.

Magnéticos

Elementos Electromagnéticos

Elementos Mecánicos

Eléctricos

Bobinas inductoras, bobinas de conmutación, bobina de inducido, colector, porta-escobillas, placa de bornes, cableados de conexión, etc.

Aislantes

Aislamiento entre espiras de bobinas, aislamiento entre bobina y bobina, aislamiento entre bobinas y partes metálicas, aislamiento entre colector y partes metálicas, aislamiento entre delgas de colector, aislamiento entre bornes, etc.

De trabajo

Ejes, rodamientos, poleas, engranajes, ventiladores, etc.

De sujeción

Tapas, carcasa, soportes de cojinetes, bandejas de sujeción de los devanados, etc.

Figura. 1-6 Elementos de una máquina de CC

En cuanto a su constitución podemos encontrar dos conjuntos primordiales que constituyen ente tipo de máquinas. •

El Rotor.

•

El Estator.

1.2.1 Rotor

Es el conjunto de elementos que se encuentran en la parte móvil o giratoria de la máquina. Está constituido esencialmente por un eje, un núcleo o paquete de chapas, un devanado y un colector.

1

2

1.-

Eje.

2.-

Paquete de chapas.

3

Colector.

Figura. 1-7 Conjunto Rotor o Inducido

ET

PM

3.-

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

en to )

El eje metálico es un elemento generalmente cilíndrico (en ocasiones con alguna de sus partes en forma tronco-cónica) que sirve de sustentación al resto del rotor, lo conecta mecánicamente con el estator mediante unos rodamientos y transmite su movimiento y los esfuerzos asociados a este.

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El paquete de chapas o núcleo está constituido por una serie de láminas o chapas ferromagnéticas, aisladas entre sí y calada sobre el eje. En su superficie se encuentran una serie de hendiduras o ranuras donde se alojan los devanados. Su misión es, además de albergar los devanados, potenciar los campos magnéticos generados.

El devanado se compone de una serie de bobinas de hilo o pletina de cobre que se alojan en el interior de las ranuras y que al ser recorridas por una corriente eléctrica generan un campo magnético. Todas las bobinas que forman el devanado se conectan entre sí consecutivamente efectuando así el cierre del circuito eléctrico que conforma el devanado. Cada bobina que lo conforma se encuentra recubierta de aislamiento suficiente para evitar la derivación de la corriente al paquete de chapas y demás partes metálicas que se encuentran junto al devanado. Del mismo modo, deben de encontrarse aisladas eléctricamente todas las espiras (hilos o pletinas) que la conforman.

Figura. 1-8 Introducción de devanado de inducido

ET

PM

La conexión del devanado suele realizarse en un elemento denominado colector. Este está constituido por una serie de láminas de sección trapezoidal llamadas delgas que apiladas formando una corona y unidas al devanado, se encuentra caladas sobre el eje y con un sistema de sujeción que impedirá su descolocación durante la rotación por efecto de la fuerza centrífuga. Entre las delgas se encuentran otras placas de material aislante (generalmente mica) que asegurará aislamiento eléctrico entre ellas. Del mismo modo existen una serie de conos y cilindros de material aislante que impiden el contacto eléctrico del conjunto del colector tanto con el paquete de chapas como con el eje. Cada una de las secciones de las bobinas del devanado irá conectada a cada una de las delgas del colector. Sobre la parte exterior cilíndrica de este elemento se deslizan una serie de elementos, generalmente de grafito, llamados escobillas que se encargan de realizar la conexión eléctrica entre las delgas del colector, y por lo tanto con las bobinas del devanado que a él se encuentran conectadas, y el exterior del rotor.

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Figura. 1-9 Conjunto colector

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1.2.2 Estator

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Es la parte inmóvil o estática de la máquina y se encarga de servir de soporte al resto de elementos de la misma y de generar el campo magnético inductor que influirá en el rotor.

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Está compuesto por carcasa o armazón, polos y bobinas inductoras o principales, polos y bobinas de conmutación o auxiliares, sistema portaescobillas, cables o pletinas de conexión y tapas.

La carcasa o armazón es una estructura metálica de hierro forjado o de chapas de acero soldadas donde se sustenta todo el conjunto del motor y donde existirán una serie de orificios de distintas formas y tamaños según las exigencias constructivas. En el interior irán alojados los polos, el sistema porta-escobillas y los cableados de conexión. Algunos de los orificios de los que consta, servirán para la salida del cableado exterior, para el alojamiento de la placa de bornes, para la ventilación, alojamiento, roscados para tornillería, etc. Su forma interior suele ser cuadrada, la exterior puede ser cuadrada o cilíndrica dependiendo del fabricante. En esta zona podremos encontrar distintas partes salientes u orificios que servirán para la fijación de la máquina y/o el apoyo de la misma. Las principales misiones de la carcasa son: 1. Fijar y sustentar las chapas del estator. 2. Transmitir al suelo, o a la base donde se encuentra fijada, el par que se ejerce sobre ella. 3. Evacuar el calor producido por las pérdidas. 4. Sustenta al resto de elementos de la máquina, 5. Proteger los elementos internos de la máquina.

Los polos inductores o principales están fabricados de chapas magnéticas apiladas y sujetas entre sí formando un núcleo alrededor del cual irán arrolladas las bobinas. Los polos suelen ir sujetos a la carcasa por medio de tornillería, aunque en motores de baja potencia la propia carcasa puede estar formada de chapas magnéticas de acero troqueladas con una forma determinada que permita arrollar las bobinas en su interior. Los polos aparecerán siempre en número par (2, 4, 6, etc.) e irán colocados de manera que un polo de polaridad Norte irá junto a otro de polaridad Sur. Los polos y sus bobinas no dejan de ser unos electroimanes que, dependiendo del sentido de su alimentación, así será su polaridad. Los polos de conmutación o auxiliares, son polos de menor tamaño que los inductores y será necesario que aparezcan en máquinas de C.C. de gran potencia. Su misión es favorecer una buena conmutación influyendo sobre la línea neutra de la máquina. Su posicionamiento estará intercalado al de los polos inductores.

7

1

ET

PM

6

2

3

5

4 8

1.- Carcasa. 2.- Polo Inductor o Principal. 3.- Bobina inductora. 4.- Polo y Bobina de conmutación. 5.- Alojamiento de porta-escobillas. 6.- Pletina de conexión. 7.- Cable de salida. 8.- Nariz de apoyo.

Figura. 1-10 Conjunto Estator o Inductor Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Fabricación y Mantenimiento 13

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Las bobinas están formadas por pletina o hilo de cobre perfectamente aislado para que cada una de sus espiras (vueltas) nunca esté en contacto eléctrico con las adyacentes ni con el núcleo o polo magnético. Todas las bobinas deben de ser alimentadas por corriente eléctrica para que puedan desempeñar su función, por ello dispondrán al menos de un borne o patilla de entrada y uno de salida.

Figura. 1-11 Bobina Inductora, polo y deflectores

Figura. 1-12 Conjunto porta-escobillas sobre colector

ET

PM

El sistema porta-escobillas suele estar formado por un conjunto, habitualmente de latón o material similar. Consta principalmente de un sistema de sujeción a la carcasa en el que aparecen aisladores cerámicos o de teflón, unos alojamientos para las escobillas y un sistema de resorte para aplicar cierta presión sobre las escobillas de manera que estas se deslizarán, sobre el colector del inducido, de una manera homogénea independientemente de su longitud (longitud que irá disminuyendo con su desgaste). El propio porta-escobillas dispondrá de un sistema de sujeción y conexión de la trencilla de la escobilla y del cable de conexión de salida hacia el exterior.

De manera general y en el interior de la carcasa, aparecerán una serie de cables o pletinas de cobre que se encargarán de interconectar los diferentes elementos eléctricos de la máquina y su conexión con el exterior. 14

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Para la protección y sustentación de los elementos integrados en la máquina, dispondremos de una serie de piezas que cerrarán o taparán los orificios de la carcasa (excepto los destinados a ventilación). Estos elementos se denominan tapas. Las tapas principales irán alojadas en los laterales de la carcasa, generalmente por medio de tornillería, y en su centro encontraremos unos orificios donde se alojarán los rodamientos que proporcionarán la sujeción del rotor y facilitará su movimiento giratorio.

Figura. 1-13 Tapa con rodamiento y obturador

Entendemos por entrehierro al espacio de aire comprendido entre los polos del inductor y el inducido. Este espacio debe de ser el menor posible, pero sin dificultar en ningún momento el movimiento de rotación del inducido sin existir ningún tipo de roce entre ambos.

Figura. 1-14 Entrehierro y otras partes de la máquina

ET

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Entrehierro

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

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Entendemos por línea neutra a la recta imaginaria que se encuentra entre dos polos consecutivos y que define la separación entre sus dos campos magnéticos que son de distinto signo. Es el lugar donde se colocarán las escobillas y sobre el que se realiza la conmutación.

Figura. 1-15 Línea Neutra

Como hemos indicado anteriormente, se van a generar dos campos magnéticos diferentes, uno en las inductoras (líneas de fuerza horizontales) y otro en el rotor (líneas de fuerza verticales). Si la máquina trabaja en vacío (sin carga) la línea neutra coincidirá con la alineación de las escobillas, pero si se trabaja con carga, aparecerá una distorsión por la confluencia de los campos que inclinará la línea neutra en un ángulo determinado. Este fenómeno se conoce como reacción de inducido.

+

=

Campo Inductor

Campo Inducido

Campo Resultante

Figura. 1-16 Reacción de Inducido

Ese desequilibrio de la línea neutra se traduce en una mala conmutación, generándose un aumento en el chisporroteo y elevando la temperatura de trabajo en las escobillas y en el colector, circunstancia que resulta altamente perjudicial para la máquina. La solución a adoptar, es mover la colocación de las escobillas a la ubicación de la línea neutra en carga (solución solo efectiva si el motor trabaja en un solo sentido de giro) o crear un campo magnético compensatorio para devolver la línea neutra a su posición original. Esto lo conseguiremos con la colocación de polos auxiliares o de conmutación siendo esta la solución más idónea en el caso de motores de gran potencia. Estos polos irán conectados en serie con el inducido para que exista una perfecta correlación entre las intensidades que recorren tanto al devanado del rotor como a los polos auxiliares.

CONEXIONES EQUIPOTENCIALES

Podemos distinguir otro tipo de conexiones que solo aparecen en los bobinados imbricados y que denominaremos conexiones equipotenciales.

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Los inducidos con bobinado imbricado, que son los más utilizados en tracción ferroviaria, están sometidos a corrientes circulatorias que circulan por las posibles diferencias entre las fuerzas electromotrices de las distintas secciones o derivaciones que lo componen. Estas diferencias o desigualdades vienen originadas por los desequilibrios de flujo magnético originado por:

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•

Defectos o diferencias en el material de las bobinas.

•

Defectos de montaje.

•

Variación entre el entrehierro de unos puntos a otros.

•

Bobinas con diferente nº de conductores o longitudes.

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Estas corrientes circulatorias se suman a la corriente principal produciendo calentamientos excesivos en las escobillas y chisporroteos entre el colector que pueden causar daños en estos dos elementos. Para evitar que estas corrientes pasen a través del colector y de las escobillas, emplearemos unas conexiones equipotenciales que unirán los puntos del bobinado que deberían estar al mismo potencial.

Figura. 1-17 Conexiones equipotenciales.

Figura. 1-18 Esquema con conexiones equipotenciales

CLASE TÉRMICA

ET

PM

Como hemos comentado con anterioridad, la misión de las máquinas eléctricas rotativas es la conversión de energía eléctrica en mecánica (movimiento de rotación del inducido) cuando actúan como motor y conversión de energía mecánica en eléctrica cuando actúan como generador. En cualquiera de los casos se producen ciertas perdidas de energía que se manifiestan como aumento de temperatura (calor) de los distintos elementos que la constituyen. Los elementos aislantes, que componen la máquina, son susceptibles de deteriorarse cuando se sobrepasan ciertos valores de temperatura, perdiendo sus propiedades aislantes y permitiendo así la aparición de cortocircuitos entre espiras de las bobinas y/o derivaciones de estas a los elementos metálicos que las rodean. Ello supondría un fallo grave y una disfunción de la máquina que podría acarrear su destrucción. Cuanta más potencia desarrollan estas máquinas, mayor será la elevación de la temperatura de sus órganos en estado de funcionamiento. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Fabricación y Mantenimiento 17

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

Y

A

E

B

F

H

Temperatura máxima en ºC

90

105

120

130

155

180

C

>180

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Clase de aislamiento

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Dependiendo de los valores de temperatura máximos que pueden soportar estos aislamientos se deberán de utilizar unos materiales u otros que clasificaremos dependiendo de la máxima temperatura en la que pueden trabajar sin deteriorarse. Estos materiales los diferenciaremos atendiendo a lo que llamamos Clase Térmica.

Los aislamientos de la clase Y comprenden materiales fibrosos a base de celulosa o seda no saturados y no inmersos en líquidos aislantes ni barnices. Su máxima temperatura de trabajo es de 90 ºC. Los aislamientos de la clase A comprenden materiales fibrosos a base de celulosa o seda saturados por inmersión en líquidos aislantes o barnices. Su máxima temperatura de trabajo es de 105 ºC. Los aislamientos dela clase E comprenden algunas fibras orgánicas sintéticas y otros materiales. Su máxima temperatura de trabajo es de 120 ºC. Los aislamientos de clase B comprenden materiales a base de poliéster y poliamidas aglutinadas con materiales orgánicos o saturados con estos. Su máxima temperatura de trabajo es de 130 ºC. Estos tipos de aislamientos no son actualmente de uso común en máquinas eléctricas rotativas. Los utilizados con más asiduidad son: Los aislamientos de clase F comprenden materiales a base de poliéster y poliamidas aglutinados con materiales sintéticos, en general a base de siliconas, poliéster o resinas epoxi. Su máxima temperatura de trabajo es de 155 ºC. Los aislamientos de clase H comprenden materiales a base de mica o fibra de vidrio aglutinados típicamente con siliconas de alta estabilidad térmica. Su máxima temperatura de trabajo es de 180 ºC. Los aislamientos de clase C comprenden materiales a base de mica, fibra de vidrio, cerámica y cuarzo sin aglutinantes y saturados con resinas de silicona, poliéster y epoxi de alta estabilidad térmica. Su máxima temperatura de trabajo es superior 180 ºC. Aunque en ocasiones se sigue utilizando estas clases de aislamiento, en la actualidad los tipos de clase térmica más utilizados en motores de gran potencia, son los superiores a la clase C, aislamientos más exigentes y que los denominaremos como clase 200, clase 220 y clase 240.

TIPOS DE EXCITACIÓN

Podemos decir que excitación magnética es el fenómeno que se advierte cuando una corriente eléctrica origina un campo magnético en un solenoide al atravesarlo. Como en una máquina eléctrica rotativa encontramos dos devanados bien diferenciados, que son el inductor y el inducido, podremos alimentarlos (excitarlos) de diferentes formas.

•

Excitación Serie.

•

Excitación Shunt o Paralelo.

•

Excitación Compound o Compuesta.

•

Excitación Independiente.

ET

PM

Los tipos de excitación de las maquinas eléctricas rotativas de corriente continua son:

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La conexión de alimentación entre el inductor y el inducido se realiza mediante una conexión serie entre ellos que serán alimentados por la misma fuente de alimentación y por lo tanto los recorrerá la misma intensidad.

Do (E cu sc me ue la nto Té so cn lo v ica ál Pr ido ofe pa sio ra na for l d ma e M ció an n. ten im i

Según aumenta la intensidad del motor, mayor será el par motor que produce y menor será la velocidad de rotación que alcanza. Al poder proporcionar pares elevados, su utilización es idónea para la tracción, sobre todo en momentos de arranque.

en to )

1.5.1 Excitación Serie

Figura. 1-19 Excitación Serie

En este tipo de excitación, cuando disminuye la intensidad, y por lo tanto el par, la velocidad aumenta de manera que, con intensidades muy pequeñas la velocidad es muy alta. Cuando el motor funciona en vacío, es decir sin carga, el par es casi inexistente y por lo tanto la intensidad mínima, el control de la velocidad es inestable. La velocidad puede ser tan elevada que puede hacer llegar al motor al punto de destrucción. A este fenómeno lo llamamos embalamiento.

1.5.2 Excitación Shunt

En las máquinas con excitación Shunt (también denominada en derivación o paralelo) el inductor y el inducido se conectarán en derivación (paralelo) a la misma fuente de alimentación, por ello la corriente absorbida por el motor es repartida entre el inductor y el inducido

En el arranque, el par motor es menor que en la excitación serie y si la corriente absorbida disminuye o el motor está en vacío, la velocidad de giro apenas varía. De la misma manera, cuando el par motor aumenta, la velocidad apenas disminuye. Es una excitación mucho más estable que la serie.

Figura. 1-20 Excitación Shunt

1.5.3 Excitación Compound

En este caso podemos decir que este tipo de excitación es una combinación de los dos tipos anteriores, Serie y Shunt. Mientras una bobina inductora se encuentra en serie con el inducido, la otra se encuentra en paralelo. Una parte de la intensidad pasa por una inductora y el inducido y la otra pasa por la inductora restante. Se utiliza para conseguir grandes pares de arranque, con la ventaja de ser estables en vacío.

1.5.4 Excitación Independiente

Figura. 1-21 Excitación Compound

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En este caso el inductor y el inducido están alimentados por dos fuentes de energías distintas e independientes. La gran ventaja de este tipo de excitación es que el campo inductor es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es entonces prácticamente constante. Las variaciones de velocidad, al aumentar la carga, se deberán sólo a la disminución de la fuerza electromotriz por aumentar la caída de tensión en el rotor. La utilización de este sistema de excitación queda supeditada a la posibilidad de contar con una fuente exterior de energía. Figura. 1-22 Excitación Independiente Este inconveniente puede solucionarse con el principio de autoexcitación. La autoexcitación consiste en que la corriente continua que excita las bobinas inductoras procede de la misma máquina generatriz. Para obtener la autoexcitación o cebado de la máquina, es preciso que exista un pequeño flujo en el circuito magnético, flujo que es posible producir y mantener gracias al fenómeno de histéresis magnética. Gracias a este flujo remanente, al hacer girar el inducido se inducirá en él Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Fabricación y Mantenimiento 19

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

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una pequeña f.e.m. que, aplicada al circuito inductor, con la polaridad conveniente, genera una débil corriente que refuerza el magnetismo remanente y la f.e.m. inicial debida al flujo remanente se incrementará. A mayor f.e.m., corresponderá mayor corriente, con el refuerzo consiguiente del flujo, luego se produce un nuevo aumento de la f.e.m. y así sucesivamente hasta alcanzar un equilibrio o estabilidad de la tensión en bornes que se traducirá en una constancia de la corriente de excitación y por tanto del flujo. A esta estabilidad se llega por causa de otra propiedad característica de los materiales magnéticos, la de saturación. La autoexcitación suele aplicase solo en generadores.

GENERADORES

Ya comentamos con anterioridad que, si movemos un rotor en el interior de un campo magnético inductor, se creará en este rotor, una fuerza electro-motriz capaz de generar una corriente. De esta manera dispondremos de un generador de corriente continua o Dinamo. Los generadores funcionarán atendiendo a tres tipos de circunstancias: •

Cuando funcionen en vacío.

•

Cuando funcionen en carga.

•

Cuando funcionen en cortocircuito.

•

Al funcionar en vacío girando el rotor a una velocidad nominal, se generará en este una f.e.m., si bien el circuito exterior (para el que se genera la energía) se encuentra abierto. Si colocamos un voltímetro en bornes de salida de la dinamo, nos indicará una tensión en bornes que coincidirá con la f. e. m. generada. La potencia útil de la máquina será nula puesto que no circula ninguna intensidad.

•

El funcionamiento en carga tiene lugar cuando la dinamo genera una f.e.m. y alimenta unos receptores conectados al circuito exterior. Como el circuito estará cerrado, la corriente “Ii” circulará por los receptores y tendrá un valor determinado por la ley de Ohm. No debemos confundir la f.e.m. inducida en vacío con la tensión que ahora marcará el voltímetro en bornes, por los siguientes motivos: 1. 2.

Cuando se trabaja con carga, surge el fenómeno de la reacción del inducido, que ocasiona una disminución del flujo útil. La corriente que consumen los receptores, también circula por el devanado del rotor y las escobillas, originando una caída de tensión debido a sus resistencias.

Estas causas conllevan una disminución en la f.e.m. de manera que en bornes dispondremos de una tensión inferior. •

Si se diera el caso de la existencia de una avería que produjese un cortocircuito en la salida del generador, aparecería una intensidad Icc que circularía por el ramal en cortocircuito. Al tener este una resistencia muy pequeña, el valor de la intensidad sería muy elevado. Esta intensidad sería muy perjudicial para la máquina y pondría en peligro su integridad. Por esta causa será necesario la colocación de protecciones contra sobrecorrientes.

MOTORES DE CORRIENTE CONTINUA PARA TRACCIÓN

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Los motores de tracción son aquellos que proporcionan un par motor a una máquina, bien para el movimiento de cargas como para proporcionar un movimiento lineal de la propia máquina. Son muy utilizados en vehículos ferroviarios, coches eléctricos, elevadores, y cintas transportadoras. También podemos denominar motor de tracción a los motores de arrastre de algunos electrodomésticos, como por ejemplo el motor principal de una lavadora.

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Tradicionalmente eran motores de CC los utilizados en la tracción ferroviaria, tanto en locomotoras eléctricas, en diésel-eléctricas, como en autopropulsados eléctricos. En ocasiones su disposición se centra en la situación de un solo motor de gran tamaño por bogie que transmite el esfuerzo de tracción a todos sus ejes utilizando una transmisión reductora. Otra composición se basa en la utilización de motores de menor tamaño acoplados a cada uno de los ejes del bogie.

Figura. 1-23 Un motor en cada eje

Figura. 1-24 Un solo motor por bogie

Usualmente los motores de tracción individuales por eje, suelen ir suspendidos por tres puntos entre la estructura del bogie y el propio eje motriz, este tipo de motores se denomina “motor de tracción suspendido por nariz”.

Evidentemente será necesaria la posibilidad de invertir el sentido de giro en los motores de tracción para posibilitar el movimiento de las máquinas en los dos sentidos. Esto lo conseguimos, en los motores de corriente continua, invirtiendo la polaridad de la alimentación de la inductora o del inducido, independientemente del tipo de excitación que lleve el motor.

Figura. 1-25 Motor suspendido por nariz.

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Figura. 1-26 Inversión de giro de motor en paralelo

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA 2

INTRODUCCIÓN A LAS MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA

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Entenderemos el funcionamiento de las máquinas de corriente alterna estudiando lo que denominamos máquina elemental de CA.

Figura. 2-1 Máquina elemental de Corriente Alterna

Esta máquina elemental estará constituida por un hilo de material conductor con forma de espira que podrá girar dentro del campo magnético creado por dos polos de distinto signo. El campo magnético de estos polos será creado por un devanado (bobina) arrollado alrededor de un núcleo de material ferromagnético. La espira lleva en sus extremos unos anillos que permiten su giro y el contacto con dos escobillas conductoras que rozan sobre ellos permitiendo la conexión con un circuito exterior. En este supuesto, y para simplificar este estudio, se admite que las líneas de fuerza de los polos son perpendiculares al rotor formado por la espira y por lo tanto a su generatriz. Esto se ajusta bastante a la realidad puesto que el aire que rodea a la espira presenta una reluctancia mucho mayor que el núcleo ferromagnético.

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La máquina rotativa elemental de CA y por extensión todo tipo de máquinas, más o menos complejas, pueden trabajar como generador y como motor: si la espira se acciona mediante un dispositivo mecánico desde el exterior, aparecerá en ella una fuerza electromotriz que hará circular una corriente por ella si se cierra el circuito. Este sería el principio de funcionamiento como generador.

Figura. 2-2 Recorrido de la espira. Funcionamiento como generador.

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

Do (E cu sc me ue la nto Té so cn lo v ica ál Pr ido ofe pa sio ra na for l d ma e M ció an n. ten im i

en to )

Como podemos observar en la figura anterior, se describen cuatro fases en el recorrido de la espira por el interior del campo magnético. Podemos describirlos como: A. Antes de iniciar la primera fase de movimiento. Los lados activos de la espira se encuentran en el exterior del campo magnético y no cortan ninguna línea de fuerza. La creación de f.e.m. es nula y la corriente que circula por la espira es cero. B. Comienza el giro de la espira en el sentido que indica la flecha y esta, en su desplazamiento comenzará a cortar líneas del exterior, donde existe menos flujo, y paulatinamente se ira acercando el centro del campo magnético, donde se encuentran las líneas de mayor flujo. Proporcionalmente a la intensidad del flujo que la espira intercepte en su movimiento, así será la magnitud de la f.e.m. generada y por consiguiente la intensidad que la recorre. Un lado de la espira (azul) gira y corta las líneas en un sentido, y el otro lado (gris) lo hace en sentido contrario. Esto permite direccionar la corriente mediante un sentido de entrada y otro de salida, por medio de las escobillas. Al final de esta fase la f.e.m. y la intensidad creadas se encuentran en su punto máximo. C. En esta fase, la espira ha completado medio giro (180º) y vuelve a encontrarse en una zona donde no se cortan líneas de fuerza. La f.e.m. y la intensidad vuelven a valor cero. D. En esta cuarta y última fase sucede de igual manera que en la segunda. La única e importante variación es que cada una de las zonas de las espiras que cortan las líneas de fuerza, lo hacen en sentido contrario. Por ello, y ateniéndonos a la regla de la mano izquierda o Regla de Fleming, la f.e.m., y por lo tanto la corriente generada, serán de la misma intensidad, pero tendrán sentido opuesto a la aparecida en el segundo ciclo.

Figura. 2-3 Creación de energía en generador elemental CA

PM

Si se determina el par de la máquina cuando funciona como generador, se observará que esta se opone al movimiento. Se trata de un par resistente que habrá que superar desde el exterior si se pretende mover la espira. De esta manera, la energía mecánica se transforma en energía eléctrica.

ET

Si por el contrario se suministra corriente a la espira, aparecerá una fuerza que la hará girar. En este caso la máquina funcionaría como motor. Sin embargo, la f.e.m. inducida en la espira, será de sentido contrario a la corriente suministrada, y por lo tanto, es necesario dotar de una diferencia de potencial externa para que la corriente se mantenga y el motor pueda girar. En este caso, la energía eléctrica se convierte en mecánica. 24

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA 2

•

ROTOR

•

ESTATOR

Do (E cu sc me ue la nto Té so cn lo v ica ál Pr ido ofe pa sio ra na for l d ma e M ció an n. ten im i

2.1.1 Rotor

en to )

Al igual que las máquinas de corriente continua, las de alterna se componen principalmente de dos elementos principales:

El rotor es la parte interna de la máquina que realiza el movimiento giratorio. Los elementos que lo constituyen son:

EJE: Un eje de acero de alta resistencia, en cuyos extremos se acoplarán unos rodamientos que facilitarán el giro del rotor. En uno de sus extremos irá acoplado el mecanismo de transmisión de esfuerzos, como una polea, una rueda dentada o piñón, un ventilador, etc. PAQUETE DE CHAPAS: Constituido por un bloque de chapas ferromagnéticas, generalmente de acero al silicio, apiladas y aisladas entre sí, que formarán un paquete que irá calado de manera solidaria en el eje. BOBINADO: Este paquete irá dispuesto de unas ranuras exteriores donde se podrán alojar una serie de bobinas o barras, que serán generalmente de cobre.

Figura. 2-4 Partes de un rotor de máquina de corriente alterna

ET

PM

ANILLOS COLECTORES: En algunas ocasiones, y dependiendo del tipo de máquina, encontraremos una serie de anillos solidarios al eje y conectados a los devanados del rotor, encargados de conectar eléctricamente el rotor con el exterior. Esta conexión se realiza por medio de unas escobillas que rozarán en los distintos anillos.

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MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

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en to )

La configuración de los distintos elementos que componen el rotor, dependerá del tipo específico de máquina de corriente alterna a la que nos refiramos.

Figura. 2-5 Ejemplos de rotor. Izquierda: Generador; Derecha: Motor

2.1.2 Estator

El estator es la parte fija y exterior de la máquina y se encargará de soportar, proteger y recubrir al resto de la máquina. Los principales elementos que lo componen son: ARMAZÓN o CARCASA: Parte metálica exterior que recubre, aloja y protege al resto de elementos. En este elemento se instalará el paquete de chapas donde irán bobinados los devanados. También irán ubicados los orificios de ventilación y los taladros roscados para la sujeción de tapas y demás elementos. Así mismo puede disponer de apoyos para el anclaje y soportes para elevación y maniobras.

PM

PAQUETE DE CHAPAS: Al igual que en el rotor estará formado por un bloque de chapas ferromagnéticas, generalmente de acero al silicio, apiladas y aisladas entre sí, que formarán un paquete que irá fijado en el interior de la carcasa por medio de soldadura u otro sistema de fijación. Su forma viene determinada por las ranuras que alojarán los devanados. Tendrá forma cilíndrica para adecuarse a la forma del rotor. En el exterior de estas ranuras encontraremos un rebaje que servirá para el alojamiento de las cuñas de cierre que sujetan los devanados.

Figura. 2-6 Carcasa completa

Figura. 2-7 Paquete de chapas

ET

DEVANADOS: En el interior de las ranuras del paquete de chapas irán insertadas las distintas bobinas que conforman los devanados. Algunas de estas bobinas irán interconexionadas entre sí cerrando los consiguientes circuitos y darán entrada y salida a cada uno de ellos y que se conectarán a la placa de bornes. 26

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA 2

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en to )

En los motores de gran potencia, como son los de tracción ferroviaria, existirán una serie de aros o cables de conexión que unirán los distintos grupos de fases formando una conexión interna generalmente en estrella. A estos aros se conectarán los terminales de salida desde donde se dará la alimentación del motor.

Figura. 2-8 Conjunto Devanado

2.1.3 Velocidad de Sincronismo

En los motores de corriente alterna trifásicos, existe la particularidad de que el campo magnético que se genera en el estator, es un campo giratorio que rotará a una serie de revoluciones dependiendo de la alimentación. Contamos pues, con dos elementos giratorios en este tipo de motores: •

El campo magnético del estator.

•

El propio rotor.

La velocidad a la que gira el campo magnético del estator es a la que denominamos Velocidad de Sincronismo. El fenómeno del campo magnético giratorio lo podemos comprobar, viendo las posiciones que ocupa la resultante del flujo, atendiendo a los sentidos de corriente que van tomando los conductores del bobinado. En la figura de la derecha tenemos representada una máquina de corriente alterna trifásica con cuatro polos por fase, representados por círculos de tal manera que: Los de color verde representan la fase U. Los de azul la fase V. Y los de rojo la fase W.

Figura. 2-9 Representación de una máquina trifásica

ET

PM

Esta es la nomenclatura que actualmente se utiliza para denominar las fases en el devanado de una de estas máquinas.

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en to )

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

Figura. 2-10 Comprobación del campo magnético giratorio

Momento 0.

En este instante la fase U se encuentra con valor cero, la fase V tiene valor negativo y la fase W tiene valor positivo. En la figura 2-9, podremos observar que en este instante la corriente en V, al tener valor negativo, circula de V2 a V1. Y que la corriente en W irá de W1 a W2, por tener sentido positivo. En el conjunto del devanado se crea un campo que, siguiendo “la regla del sacacorchos”, la resultante del flujo se situará entre las ranuras 7 y 8 (punto 0). El signo positivo representa que la corriente entra, y el negativo que la corriente sale. Por lo tanto, se crearán campos en sentido inverso. De ahí la resultante del flujo. El ciclo de la corriente se divide en seis partes iguales y en cada instante avanzara 1/6 de la circunferencia representada. Esta circunferencia equivale tanto a una revolución del campo giratorio, como a un ciclo completo de la corriente.

Momento 1. En este instante, la fase U ha pasado a tener valor positivo, la fase V continua en positivo y la fase W pasa a tener valor 0. De esta manera la corriente en U irá de U2 a U1 y en V irá de V1 a V2. De esta manera la resultante del flujo se situará entre las bobinas 9 y 10 como vemos en el Punto 1 de la figura.

PM

Momento 2. Ahora la fase U continua en positivo, la V pasa a tener valor 0 y W obtendrá un valor negativo. De manera que la corriente en U irá de U1 a U2 y en W irá de W2 a W1. La resultante del flujo se sitúa en este momento entre las ranuras 11 y 12.

ET

Si completamos los restantes momentos, podremos observar que el avance de la resultante del flujo, entre uno y otro, avanza siempre 1/6 de la vuelta, de la misma manera que el tiempo que transcurre en el periodo de la corriente. Ello nos indica que existe un movimiento giratorio del flujo cuya velocidad coincide con el ciclo de la corriente alterna. “Cuanto mayor es la frecuencia de la corriente, mayor es la velocidad angular del campo giratorio”. 28

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𝟔𝟔𝟔𝟔 𝒇𝒇 𝒑𝒑

n

Número de revoluciones por minuto

f

Frecuencia de la red de alimentación

p

Número de pares de polos de la máquina

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𝒏𝒏 =

en to )

Por ello podemos deducir que la velocidad de sincronismo viene definida por la expresión:

TIPOS DE MÁQUINAS DE CORRIENTE ALTERNA

La clasificación de las máquinas de corriente alterna puede efectuarse de varias maneras y dependiendo de varios aspectos que vamos a enumerar. •

Por el trabajo que desarrollan de manera habitual:

 Motor Si su principal misión es convertir la energía eléctrica en mecánica.  Generador Cuando transforman energía mecánica en eléctrica. Los motores pueden ser:

•

Atendiendo a la relación entre la velocidad de giro del rotor y del campo del estator:  

•

Por el tipo de rotor:  

•

Asíncronos. Síncronos.  Motores síncronos trifásicos.  Motores asíncronos sincronizados.  Motores con rotor de imanes permanentes.

De jaula de ardilla. (de inducción o en cortocircuito). De rotor bobinado.  De anillos rozantes.  De colector. (universales)

Por el número de fases de alimentación:

ET

PM



 

Motores monofásicos.  De fase partida.  De arranque con condensador. Motores bifásicos. Motores trifásicos. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Fabricación y Mantenimiento 29

MÁQUINAS ELÉCTRICAS ROTATIVAS

•

Atendiendo a la relación entre la velocidad de giro del rotor y del campo del estator:

•

Por el tipo de rotor:  

•

Asíncronos. Síncronos.

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 

De polos salientes. De rotor cilíndrico.

Por el número de fases de alimentación:

Alternador monofásico. Alternador trifásico.

ET

PM

 

30

en to )

Los alternadores pueden ser:

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en to )

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Figura. 2-11 Motor Asíncrono y Rotor de Jaula de Ardilla

Figura. 2-12 Motor Síncrono y rotor Bobinado de polos lisos

Figura. 2-11 Alternador Síncrono y Rotor de Polos Salientes

PM

2.2.1 Máquinas Asíncronas

ET

Llamamos máquina asíncrona a aquella, de corriente alterna, cuya parte móvil (rotor) gira a una velocidad distinta a la de sincronismo (campo magnético giratorio del estator). Están constituidas por un estator bobinado y un rotor bobinado o en cortocircuito (jaula de ardilla). Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Fabricación y Mantenimiento 31

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en to )

En motores de baja y media potencia, en la placa de bornes encontraremos las entradas y salidas de las distintas fases. Con ello se facilita el tipo de conexión que se quiera realizar. En motores de gran potencia, como pueden ser los de tracción de los vehículos ferroviarios, la conexión de fases se suele realizar internamente, de manera que en la caja de bornes solo encontraremos tres conexiones. Los motores Asíncronos y especialmente los de rotor en cortocircuito (jaula de ardilla) son los que tienen una aplicación más extendida, debido a su facilidad de utilización, a su escaso mantenimiento, a su fiabilidad y a su bajo coste de fabricación. En la tracción ferroviaria han tomado el relevo a los motores de corriente continua, y los podemos encontrar en casi la totalidad de los vehículos eléctricos de última generación, tanto en locomotoras de gran potencia, como en unidades autopropulsadas de cercanías, como en trenes de alta velocidad. A la diferencia entre la velocidad de giro del rotor y la de sincronismo se le denomina “Deslizamiento”.

𝒔𝒔 =

𝒏𝒏𝒔𝒔− 𝒏𝒏𝒓𝒓 𝒏𝒏𝒔𝒔

s = Deslizamiento. ns = Nº de revoluciones del campo magnético. nr = Nº de revoluciones del rotor

El deslizamiento es especialmente importante en este tipo de máquinas Asíncronas de CA. Las características de deslizamiento de estas máquinas funcionando como motor es:

𝒏𝒏𝒓𝒓 < 𝒏𝒏𝒔𝒔

•

La velocidad del rotor será inferior a la de sincronismo.

•

El deslizamiento estará comprendido entre 0 y 1, es decir que siempre será positivo.

Cuando funcionan como generador: • •

La velocidad del rotor es superior que la de sincronismo. 𝒏𝒏𝒓𝒓

> 𝒏𝒏𝒔𝒔

El deslizamiento será menor que 0, por lo tanto, será negativo.

Cuando funciona como motor y actúa como freno:

La velocidad del rotor es inferior a 0, es decir que es negativa.

•

El deslizamiento es mayor que 1.

PM

•

𝒏𝒏𝒓𝒓 < 𝟎𝟎

ET

La manera habitual de expresar el deslizamiento suele ser en tanto por ciento.

32

𝒔𝒔(%) =

𝒏𝒏𝒔𝒔− 𝒏𝒏𝒓𝒓 ∙ 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏 𝒏𝒏𝒔𝒔

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f = 50 Hz

en to )

MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA 2

ns en r.p.m.

nr en r.p.m.

Deslizamiento en %

2

3.000

2.950

1,6

4

1.500

1.450

3,3

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Número de polos

8

750

700

6,6

10

600

550

8

Figura. 2-12 Tabla de Deslizamiento

La velocidad del rotor y el deslizamiento son inversamente proporcionales; a menos velocidad, más deslizamiento.

Figura. 2-13 Deslizamiento

2.2.1.1 Rotor de jaula de ardilla

PM

El rotor de jaula de ardilla es un tipo de rotor que consta de un eje al que recubre una serie de chapas magnéticas apiladas con forma de paquete cilíndrico, en cuya superficie y/o en su interior, se encuentran practicadas un número de ranuras donde se introducirán una serie de barras de cobre o aluminio. Estas pletinas o barras, irán unidas por sus extremos, mediante unos aros o anillos que proporcionarán su cortocircuito.

ET

Para estudiar su principio de funcionamiento, utilizaremos el símil de la escalera: Imaginemos una escalera metálica formada por dos travesaños y una serie de peldaños colocados transversalmente.

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Si desplazamos un imán, lo suficientemente potente, siguiendo el recorrido de los peldaños, observaremos cierto movimiento de la escalera en la misma dirección en la que se desplaza el imán, pero a menor velocidad. Esto se debe a que el imán en su desplazamiento, provoca una variación de flujo sobre los recintos cerrados que forman los peldaños de la escalera. Esta variación de flujo genera una f.e.m. que, a su vez, hace que una corriente circule por estos recintos. Esta corriente crea un campo que es atraído por el imán en su desplazamiento y hace que se mueva en su misma dirección. La escalera nunca podrá moverse a la misma velocidad que el imán puesto que, si fuese así, la variación del flujo sería nula y el efecto anteriormente expuesto, no existiría.

Figura. 2-14 Símil de la escalera

En un motor asíncrono, la escalera corresponde al desarrollo de las barras del rotor en cortocircuito y el imán corresponde el campo magnético giratorio producido por el estator.

Figura. 2-15 Rotor de jaula de ardilla

PM

Este tipo de rotores pueden ser simples o de doble jaula. En el segundo caso se compondrá de una jaula exterior de menor sección y de material de alta resistividad. La segunda se situará en el interior y será de mayor sección y de más baja resistividad. Las dos jaulas estarán separadas, en cada ranura, por una rendija que aumentará el flujo de dispersión en la jaula inferior.

ET

Durante el arranque la corriente fluirá en su mayor parte por la jaula exterior y a velocidad nominal lo hará, en mayor medida, por la jaula interior. Con ello se consigue que durante el arranque la resistencia sea alta, lo que supone que el par aumente y la intensidad se reduzca. A velocidad nominal, como la resistencia es baja, se obtiene un rendimiento aceptable. 34

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MOTORES Y GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA 2

Figura. 2-16 Rotor de doble jaula de ardilla

2.2.1.2 Rotor bobinado

En el rotor devanado, el bobinado es similar al del estator con el que está asociado. El número de fases del rotor no tiene por qué ser el mismo que las del estator, aunque si es imprescindible que el número de polos coincida.

Figura. 2-17 Rotor bobinado

ET

PM

Los distintos devanados del rotor estarán conectados con el exterior por medio de unos anillos colectores que irán montados sobre el mismo eje del rotor. Sobre estos anillos rozarán unas escobillas que servirán de conexión durante el giro del conjunto.

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2.2.1.3 Curvas características de los motores asíncronos

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en to )

De todas las funciones que representan las variables de un motor asíncrono, es la característica mecánica la que más información nos puede aportar sobre el comportamiento del motor. La Característica mecánica consiste en una curva que representa la relación entre Par motor y Velocidad, cuando se alimenta el motor a tensión y frecuencia nominal. Los puntos de más interés en la curva de característica mecánica son: • Par de arranque. Es el que se desarrolla en al arranque con velocidad 0. • Par máximo. Es el mayor que puede desarrollar el motor.

• Par nominal. Es el que desarrolla a velocidad nominal.

En los motores asíncronos, la velocidad nominal siempre será inferior a la velocidad de sincronismo o velocidad del campo magnético del estator, debido al deslizamiento. El par resistente aumenta a medida que aumenta la velocidad del rotor y de la misma manera que el par motor disminuirá.

Figura. 2-18 Curva de motor asíncrono

ET

PM

Al igualarse el par motor y el par resistente, el motor se estabilizará y alcanzará la velocidad nominal. Alrededor de la velocidad nominal existe una zona estable en la cual el motor puede oscilar en función del par motor, variando levemente la velocidad. Si se sale de esa zona, el motor saldrá de sincronismo y se parará. La intensidad existente en el arranque es muy elevada, del orden de 6 u 8 veces superior a la intensidad nominal. De ahí la necesidad de utilizar sistemas de arranque que minimicen el valor tan elevado de la misma. 36

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2.2.1.4 Funcionamiento como alternador

en to )

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Corresponde a velocidades superiores a la de sincronismo, lo que se traduce en un deslizamiento negativo. En este caso, el par desarrollado por la máquina se convierte en par de frenado con respecto al rotor.

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Los alternadores asíncronos son poco utilizados porque presentan una serie de inconvenientes: •

Imposibilidad de generar potencia reactiva.

•

No es una máquina autoexcitable, es decir que necesita de una fuente de alimentación externa que proporcione energía de excitación.

Debido a ello su uso queda muy limitado. No obstante, al no exigir sincronización de red y puesto que son máquinas robustas, económicas y de fácil mantenimiento, es usada en algunos casos, principalmente en aerogeneradores.

2.2.2 Máquinas Síncronas

En este tipo de máquinas contamos con un estator compuesto con un devanado trifásico de igual manera que en las máquinas asíncronas. Se encarga de la creación de un campo magnético giratorio. El rotor está constituido por un devanado de corriente continua que se encarga de crear un campo magnético fijo y que se alimentará del exterior por medio de unos anillos rozantes y escobillas. La diferencia básica con respecto a los asíncronos es que la velocidad del rotor es idéntica a la de sincronismo, es decir, que no existe deslizamiento. El rotor puede ser de dos tipos:

•

De polos lisos.

•

De polos salientes.

ET

PM

Este tipo de máquinas suele utilizarse, en mayor medida, como alternadores y podemos verlos en grandes centrales de producción eléctrica (hidroeléctricas, térmicas y nucleares) y en plantas automotrices de vehículos de gran potencia como barcos y locomotoras. En el caso de las locomotoras se utiliza un motor térmico (diésel) para transmitir el movimiento al alternador cuya energía sirve para alimentar a los motores de tracción.

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to )

Los rotores de polos salientes se utilizan en máquinas síncronas que giren a velocidades lentas y son los de polos lisos los utilizados para máquinas que requieran una velocidad de rotación más elevada.

Figura. 2-21 Ejemplos de rotor de polos salientes y de polos lisos

Este tipo de generadores se presentan como máquinas más eficientes que los asíncronos, todo lo contrario que cuando funcionan como motor, en ese caso la mayor eficiencia es de los motores de inducción. Como hemos comentado anteriormente estos rotores están alimentados con corriente continua y dependiendo del tipo de excitación que reciban podemos clasificarlos en: Sistema Autoexcitado

Excitación Estática (Excitación directa)

Excitación Independiente

Exterior

Excitatriz de CC

En el mismo eje

Excitación Rotativa (Excitación indirecta)

Exterior

Excitatriz CA

ET

PM

En el mismo eje

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ET

PM

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PM

ET

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BIBLIOGRAFÍA 3

ET

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Tecnología 2-1. Máquinas Eléctricas. BRUÑO-EDEBE. Técnicas para el mantenimiento y diagnóstico de máquinas eléctricas rotativas. ABB. Máquinas Asíncronas. Miguel Ángel Rodríguez Pozueta. UNIVERSIDAD DE CANTABRIA. Catálogo de Instrumentos FLUKE, HIOKI, MEGGER, YOKOGAWA, AOIP y BK.

to )

BIBLIOGRAFÍA

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Renfe Fabricación y Mantenimiento S.A. G. de A. de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento (ETPM).

FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS (Tracción eléctrica) Edición 0.2

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Formación Técnica de Vehículos

Autor: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento. Edita: © Renfe Operadora. Renfe Fabricación y Mantenimiento S.A. G. de A. de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento (ETPM). QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR.

2

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ÍNDICE 1.

EVOLUCIÓN DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA ............................................................................................. 5 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 1.2.5 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 1.4.6 1.5 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.5.5 1.5.6 1.5.7 1.6 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.6.4 1.7

HISTORIA ....................................................................................................................................... 5 MOTOR DE CONTINUA .................................................................................................................... 7 ESTATOR ......................................................................................................................................7 ROTOR ........................................................................................................................................8 ESCOBILLAS .................................................................................................................................8 PIÑÓN DE ATAQUE ......................................................................................................................9 CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA .........................................................................9 MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA JAULA ARDILLA ............................................................................ 11 ESTATOR ....................................................................................................................................11 EL ROTOR ..................................................................................................................................12 CONVERTIDORES .......................................................................................................................... 14 CONVERTIDORES DE TRACCIÓN ..................................................................................................14 CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER) .............................................................14 CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES) .......................................................15 RECTIFICADOR ...........................................................................................................................15 SERVICIOS AUXILIARES ..............................................................................................................15 CONVERTIDORES ROTATIVOS .....................................................................................................17 SEMICONDUCTORES ..................................................................................................................... 19 DIODOS.....................................................................................................................................19 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA - POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO................................................20 TIRISTORES ................................................................................................................................22 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA: POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO. ................................................23 TIRISTOR GTO ............................................................................................................................24 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA: POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO. ................................................25 IGBT ..........................................................................................................................................26 FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE TRACCIÓN........................................................................... 27 CONTINUA CHOPPER 251. .........................................................................................................27 ALTERNA GTOS 252 ...................................................................................................................29 PROTECCIONES ..........................................................................................................................32 REFRIGERACIÓN ........................................................................................................................36 HISTORIAL IMPLANTACIÓN DE SEMICONDUCTORES EN RENFE ........................................................ 38

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

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Evolución de la tracción eléctrica

1. EVOLUCIÓN DE LA TRACCIÓN ELÉCTRICA 1.1

HISTORIA

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en

to)

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

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

ETP

M

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

Figura 1-2. Tren de viajeros en estación de Almería (1965)

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Formación Técnica de Vehículos

Do (Es cu cue me la nto Téc só nic lo v a P áli rof do esi pa on ra al for de ma Ma ció nte n nim i

en

to)

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

Figura 1-3. Cabina de locomotora trifásica.

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

ETP

M

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

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1.2

MOTOR DE CONTINUA

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to)

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

Figura 1-4. Motor C.C. simple a escobillas.

El motor se compone de:

1.2.1 ESTATOR

ETP

M

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

Figura 1-5. Vista estator motor tracción S/269.

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1.2.2 ROTOR

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

Figura 1-6. Rotores motor tándem S/269 calados en mismo eje.

1.2.3 ESCOBILLAS

ETP

M

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

8

Figura 1-7. Escobilla motor tracción medio uso.

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1.2.4 PIÑÓN DE ATAQUE

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to)

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

Figura 1-8. Piñón de arrastre motor tracción.

Figura 1-9. Piñón de arrastre motor tracción.

1.2.5 CONTROL DEL MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA

ETP

M

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

Figura 1-10. Circuito 269 simplificado tracción serie.

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

Figura 1-11. Circuito 269 simplificado tracción paralelo.

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

Figura 1-12. Circuito 269 simplificado tracción paralelo + shuntados.

ETP

M

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

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1.3

MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA JAULA ARDILLA

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

Figura 1-13. Motor tracción S/252 asíncrono.

El motor jaula de ardilla consta de:

1.3.1 ESTATOR

ETP

M

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

Figura 1-14. Detalle estator motor S/252.

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to)

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

1.3.2 EL ROTOR

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

Figura 1-15.

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

Figura 1-16.

ETP

M

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

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Figura 1-17.

ETP

M

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

Figura 1-18. Detalle sistema de control motor asíncrono Sibas S/252.

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

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1.4

CONVERTIDORES

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to)

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

1.4.1 CONVERTIDORES DE TRACCIÓN

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

1.4.2 CONVERTIDORES DE CORRIENTE CONTINUA (CHOPPER)

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

ETP

M

Figura 1-19.

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1.4.3 CONVERTIDORES DE CORRIENTE ALTERNA (ONDULADORES)

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

Figura 1-20.

1.4.4 RECTIFICADOR

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

M

Figura 1-21.

1.4.5 SERVICIOS AUXILIARES

ETP

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

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Figura 1-22.

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

M

Figura 1-23.

ETP

Normalmente existen dos equipos gemelos por locomotora o autopropulsado. Están diseñados para que en caso de rotura de uno de ellos el otro se haga cargo de los consumidores que quedaron sin alimentar, equilibrando las cargas mediante contactores y optimizando el rendimiento del que queda operativo. Las averías suelen ser la fusión de tiristores de la generación trifásica, y por tanto, hay que comprobar que los consumidores no hayan sido la causa de la destrucción comprobando derivaciones a tierra principalmente. 16

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to)

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

1.4.6 CONVERTIDORES ROTATIVOS

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

Figura 1-24.

ETP

M

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

Figura 1-25. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 17

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

Figura 1-26.

ETP

M

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

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1.5

SEMICONDUCTORES

1.5.1 DIODOS

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to)

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

Figura 1-27. Diodo.

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

Figura 1-28. Diodo para circuito impreso tipo 10A 1000V.

ETP

M

Figura 1-29. Diodo potencia rosca 30 Amperios.

Figura 1-31. Diodo SMD miniatura 2 Amperios.

Figura 1-30. Diodo Rosca tipo AVR /AFR 25 Amperios.

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to)

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

Figura 1-32. Distintos tipos de encapsulado de potencia.

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

1.5.2 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA - POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO.

ETP

M

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

Figura 1-33.

Figura 1-34.

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en

to)

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

Figura 1-36.

Figura 1-35.

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

M

Figura 1-37. Gaveta Stack Diodo rueda libre S/251.

ETP

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

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to)

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Figura 1-38. Diodos de Selenio.

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

1.5.3 TIRISTORES

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

ETP

M

Figura 1-39. Símbolo de Tiristor.

Figura 1-41. Tiristor de potencia. Figura 1-40. Tiristor rosca tipo AVR/ AFR 20 Amperios.

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to)

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

Figura 1-43. Tiristor de rosca con trencilla aislada.

Figura 1-42. Tiristor principal locomotora 251 (dispone interiormente de diodo antiparalelo).

Una vez que conducen, a pesar de interrumpir la corriente de puerta, la corriente principal no se extingue y solo hay dos maneras de apagarle:  Interrumpiendo la corriente exteriormente mediante un contactor o disyuntor.  Haciendo circular una corriente contraria superior a la circulante entre ánodo y cátodo. Este último sistema usado en los sistemas de tracción chopper es el llamado circuito de conmutación (tiristores auxiliares que apagan tiristores principales).

Figura 1-44. Gaceta Stack Tiristor Ansaldo (Diodos externos) loc s/251.

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

M

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

ETP

Entre puerta (punta roja +) y cátodo (punta negra-) debe presentar 0.005V y 0.030V. Si en ese momento conmutamos el polímetro a ohmios veremos entre 5 y 30 ohm. Entre puerta (punta negra-) y cátodo (punta roja +) debe presentar los mismos valores que la medida anterior (entre 5 y 30 ohmios aproximadamente). Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 23

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

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1.5.5 TIRISTOR GTO

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

Figura 1-45. Tiristor GTO encapsulado Press-pack.

ETP

M

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

Figura 1-46. Gate Unit. Unidad de disparo tiristores S/252.

Su mando desde el armario de electrónica se hace por medio de transformadores de aislamiento o fibra óptica. 24

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1.5.6 PROCEDIMIENTO DE PRUEBA: POLÍMETRO EN POSICIÓN DIODO.

ETP

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

Figura 1-47. Esquema interno y tabla de medidas módulo tiristor GTO S/252.

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1.5.7 IGBT

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Es el semiconductor estrella de la actualidad.

Figura 1-49. Transistor Bipolar IGBT Loc S/253.

Figura 1-48. IGBT esquema interno.

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

Figura 1-50. Transistor bipolar industrial con colector al radiador.

El mando se hace internamente en el semiconductor por electrostática.

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

M

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

ETP

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

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1.6

FUNCIONAMIENTO DE UN EQUIPO DE TRACCIÓN

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

1.6.1 CONTINUA CHOPPER 251.

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en

to)

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

Figura 1-51. Esquema Eléctrico Circuito potencia loc.S/251.

ETP

M

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

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Figura 1-52. Esquema simplificado sistema Chopper DC/DC.

ETP

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

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Evolución de la tracción eléctrica

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1.6.2 ALTERNA GTOS 252

Figura 1-53. Circuito simplificado Convertidor 3Kv loc. S/252.

ETP

M

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

Figura 1-54. Circuito parcial alimentación circuito intermedio B Loc/S/252. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 29

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Para proteger al convertidor, usa unos equipos denominados de precarga que prueban al convertidor antes de que vea la tensión de catenaria. En el momento en que se encuentra y las precargas inyectan 200V donde entrarían los 3000V. Unos detectores de tensión valoran, mediante un programa, la curva de carga y descarga, y si es correcta admite cerrar disyuntor.

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Una vez una vez que cerramos disyuntor realizamos una carga del condensador de filtro mediante resistencia, y arrancamos el chopper de entrada, un dispositivo cuya misión es cargar unos condensadores a una tensión variable dependiendo de la demanda del esfuerzo. Normalmente arrancan a 2400V y puede elevarse hasta 2800V.

Figura 1-55. Chopper bifásico.

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

ETP

M

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

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Figura 1-56. Mando Ondulador para motor tracción en estrella con símil interruptores.

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

Figura 1-57. Esquema simplificado Ondulador a GTO para motor.

ETP

M

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

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

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1.6.3 PROTECCIONES

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

Figura 1-58. Pantalla de información locomotora S/252.

1.6.3.1

SOBRETENSIÓN DE LÍNEA

Protege cuando hay más tensión de la normal en catenaria, evitando averías de derivaciones en aisladores, semiconductores, condensadores y demás elementos sometidos a alta tensión La sobretensión no solo es detectada cortando tracción sino que actúa cortocircuitando mediante una resistencia y reduciendo en lo posible la punta de tensión si su naturaleza es producida por un pico puntual. Los valores establecidos para el disparo son del orden de 3750  50V DC. Su protección se hace por hardware directo tiristor OVTH (269, 251, 446…) o aprovechando los chopper de freno mediante software (252, 253, 447, Civia, 450, 102, 103, etc.) Es frecuente en zonas cercanas a subestaciones de alta potencia bajo escasa demanda (zonas de cercanías en madrugadas), seccionamientos de línea (cangrejos), pérdidas de línea puntuales (viento, hielo catenaria), caída de rayos tormentas. 1.6.3.2

SUBTENSIÓN DE LÍNEA

SOBREINTENSIDAD DE LÍNEA

ETP

1.6.3.3

M

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

Protegida por el propio disyuntor también es vigilada por la electrónica de mando. Este datos es variable dependiendo del tipo de vehículo y potencias desarrolladas 3500A en 251; 4000A en 252; 2800A en 447, etc. Es una protección redundada, que protege cuando el consumo de corriente en la locomotora, por alguna circunstancia, es alto y la protección natural del disyuntor no lo ha hecho actuar. 32

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1.6.3.4

CORRIENTE DIFERENCIAL

LÍMITES DE CORRIENTES INTERNOS Y VIGILANCIA DE FUENTES DE ALIMENTACIÓN

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1.6.3.5

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

Las tarjetas y elementos de medida del convertidor son alimentados por tensiones bajas y estabilizadas a +5V +15V -15V +24V +36V +134V. Existen en el convertidor vigilancias que controlan el perfecto estado de la alimentación de estas tensiones, el correcto funcionamiento de los sensores de corriente, tensión, caudales y temperaturas. También existen umbrales máximos de corriente entre fases, de tensión de motores etc. En caso de no establecerse dentro de márgenes la locomotora cortará tracción, solicitará la exclusión del convertidor, dará un aviso dependiendo de la gravedad del problema. La memoria de incidencias, o la actuación de un relé en concreto, nos indicará el origen del fallo. 1.6.3.6

PROTECCIÓN FRENTE A 50 HZ

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

M

Figura 1-59. Presentación en pantalla información protección 50 Hz.

ETP

La línea de corriente continua 3500Vdc contienen armónicos de 300Hz fruto de una rectificación trifásica en la subestación. Un fallo en la rectificación, una inducción externa de 50 Hz por catenarias de alterna aledañas, líneas de distribución alta tensión que atraviesan el trazado ferroviario y otras causas pueden provocar daños en la locomotora especialmente en su filtro de entrada. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 33

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SOBREINTENSIDAD DE MOTORES.

en

1.6.3.7

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

1.6.3.8

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

En convertidores de corriente continua provocarán el corte de freno eléctrico por excesiva disipación de potencia en resistencias, evitando su destrucción. Una avería de control de campo (chopper de campo) sería la culpable de actuaciones reiteradas. 1.6.3.9

SOBREVELOCIDAD

En contadas ocasiones, cuando por falta de atención en la conducción, o fallo en el control, una locomotora supere su velocidad máxima actuará la protección sobrevelocidad por solicitud del propio convertidor o conjunto de relés de control. La señal de referencia de velocidad suele ser tomada de los propios sensores de revoluciones de los motores o transmisiones que dispone el convertidor. Genera el corte de tracción y señalización en cabina. Adicionalmente, existen muchas protecciones de elementos de seguridad en explotación que impiden llegar a ese umbral, como el LZB, el ERTMS, Asfa Digital, etc. 1.6.3.10

ANTIPATINAJE EN TRACCIÓN

ETP

M

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

Figura 1-60. Pictograma protección patinaje activa en loc.S/252.

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1.6.3.11

ANTIBLOQUEO EN FRENO ELÉCTRICO.

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

Figura 1-61. Pictograma protección control de bloque en freno eléctrico en loc.S/252.

La diferencia de diámetro de ruedas entre ejes supone un factor generante de este fallo 1.6.3.12

VIBRACIONES ANÓMALAS

ETP

M

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

Figura 1-62. Indicación Inestabilidad en bogie y varios en S/104.

También en explotación normal cada aceleración / deceleración rápida, muy perjudicial, repercute en la corriente de motores y es detectada por el sistema Jerk (tirones), reduciendo el par por ello tanto en freno como tracción. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 35

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1.6.3.13

SOBRETEMPERATURAS

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

Figura 1-63. Pictograma Sobretemperatura en aceites, convertidor, etc.

1.6.3.14

FALTA DE VENTILACIÓN O CAUDAL

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

1.6.4 REFRIGERACIÓN

ETP

M

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

Figura 1-64. Sistema refrigeración tiristores por ebullición de freón S/252 y S/447.

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

Figura 1-65. Circuito refrigeración aceite S/252.

ETP

M

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

Figura 1-66. Elementos en circuito refrigeración agua para semiconductores de potencia S/253.

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1.7

HISTORIAL IMPLANTACIÓN DE SEMICONDUCTORES EN RENFE

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

Figura 1-67.

Figura 1-68.

ETP

M

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

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Figura 1-69.

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Figura 1-70.

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

Figura 1-71.

ETP

M

Figura 1-72.

Figura 1-73.

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

Figura 1-74.

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

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Figura 1-75.

Figura 1-76.

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

Figura 1-77.

Figura 1-78.

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En 1983 locomotoras series 251 y 250.

Figura 1-79.

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

Figura 1-80.

Figura 1-81.

1985 Locomotoras servicio mixto maniobras línea serie 311 MABI.

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

Figura 1-82. 42

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

Figura 1-83.

Figura 1-84.

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

Figura 1-85.

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Figura 1-86.

1999 Alaris motores asíncronos con GTO.

Figura 1-87.

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2000 Civia motores asíncronos con IGBT.

Figura 1-88.

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

Figura 1-89.

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

Figura 1-90.

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M

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

Figura 1-91.

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2006 TEMD 449 IGBT ancho nacional 3kV CC.

Figura 1-92.

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

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Figura 1-93.

Figura 1-94.

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Renfe Fabricación y Mantenimiento. G. de A. de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento (ETPM).

FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS (Sistemas de seguridad y registradores jurídicos) Edición 0.2

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Autor: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento. Edita: © Renfe Operadora. Renfe Fabricación y Mantenimiento S.A. G. de A. de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento (ETPM). QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR.

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ÍNDICE 1.

SISTEMAS DE SEGURIDAD Y REGISTRADORES JURÍDICOS....................................................................... 5 1.1 REGISTRADORES JURÍDICOS............................................................................................................ 5 1.1.1 REGISTRADOR JURÍDICO TELOC®2500 .........................................................................................6 1.1.2 REGISTRADORES JURÍDICOS CESIS 3G y 4G ..................................................................................8 1.1.3 REGISTRADOR JURÍDICO DEUTA .................................................................................................13 1.1.4 REGISTRADOR JURÍDICO MEMOTEL .............................................................................................14 1.2 ASFA DIGITAL ............................................................................................................................... 16 1.2.1 DESCRIPCIÓN ............................................................................................................................16 1.2.2 SEÑALES DE ASFA DIGITAL .........................................................................................................18 1.2.3 COMPONENTES..........................................................................................................................19

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

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Sistemas de seguridad y registradores jurídicos

1. SISTEMAS DE SEGURIDAD Y REGISTRADORES JURÍDICOS 1.1

REGISTRADORES JURÍDICOS

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to)

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

Figura 1-1. Señal digital.

ETP

M

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

Figura 1-2. Señal analógica.

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to)

1.1.1 REGISTRADOR JURÍDICO TELOC®2500

Figura 1-3. Subsistema de registrador jurídico Teloc 2500.

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

ETP

M

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

Figura 1-4. Estructura de Central Teloc 2500.

Estructura de una central TELOC®2500

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to)

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

Figura 1-5. SW para configuración y descarga de datos.

ETP

M

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

Figura 1-6. SW para análisis de datos.

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1.1.2 REGISTRADORES JURÍDICOS CESIS 3G y 4G La Central de Registro Cesis 3G es un equipo dedicado a la exploración, la supervisión y el registro de señales del vehículo, así como cálculo de distancia recorrida y velocidad real del tren.

en

to)

Realiza por tanto la adquisición y el tratamiento de señales del tren, que bien están directamente cableadas al equipo (entradas digitales y analógicas directas), bien son recibidas desde otro equipo (entradas digitales y analógicas remotas) del tren a través de una línea de comunicaciones de datos, o son señales generadas internamente en el propio equipo (señales calculadas).

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La central tiene la capacidad de capturar 48 entradas discretas y 4 entradas analógicas directamente cableadas al equipo y recibe datos remotos de otros equipos conectados en el bus MVB. El cálculo de la distancia y la velocidad se realizan en tiempo real. El cálculo de distancia recorrida por el tren está basado en el número de pulsos recibidos de dos tacogeneradores y unos parámetros como diámetro de ruedas y número de pulsos por vuelta. El cálculo de velocidad es directo a partir de la distancia y una base de tiempo (RTC). Los valores de las señales supervisadas se registran por cambios en un archivo denominado Archivo Cronológico de Señales (ACS), que reside en una memoria no volátil denominada Modulo de Registro (MRE), conjuntamente con los datos de referencia temporal, velocidad del tren y distancia recorrida. El propósito del ACS generado por la central de registro es el de permitir el análisis del funcionamiento del tren en una determinada situación, por ejemplo inmediatamente antes de un fallo o accidente, para así poder determinar la génesis de tal situación.

ETP

M

Figura 1-7. Central de registro CESIS 3G.

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en

to)

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

Figura 1-8. Grabación, extracción y análisis de datos.

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

Figura 1-9. Informaciones en el velocímetro.

ETP

M

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

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en

to)

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

Figura 1-10. Central de registro CESIS 4G.

Figura 1-11. Módulo de memoria extraíble.

Figura 1-12. Central de registro CESIS 4G.

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

Figura 1-13. Detalle del codificador mecánico de tarjetas.

ETP

M

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

Figura 1-14. Pendrive securizado.

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Registro de un paquete de información. Se realiza un doble registro en memoria rugerizada de 64 mb y memoria no rugerizada SD de 1Gb. Este archivo contiene la siguiente información:

to)

El número de serie del coche en el que está instalada la central de registro (identificación del coche y/o tren al que pertenecen los datos).

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en

El código identificador de registro (CIR) que relaciona el registro con una configuración determinada de señales registradas y su identificación. Valor de las variables digitales, analógicas y/o de determinados parámetros cuyo valor puede ser cualquiera dentro del rango y resolución asignado. Estos parámetros pueden ser, por ejemplo, los diámetros de rueda, el número de conductor, los pulsos por vuelta, etc. Información del tren a grabar, como por ejemplo las entradas digitales directas, las salidas digitales directas, las entradas digitales recibidas por comunicaciones o los parámetros de conducción. Fecha y hora de la grabación del registro.

Distancia recorrida desde el instante de grabación anterior.

Se produce el registro de un paquete de información cuando:

Una variable digital supervisada y seleccionada cambia de estado.

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

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

ETP

M

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

Figura 1-15. Módulo de memoria rugerizada y Pendrive para la extracción de datos

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en

to)

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

Figura 1-16. Pantalla principal de ANA3ACS.

Figura 1-17. ACS en modo gráfico y modo texto.

ETP

M

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

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1.1.3 REGISTRADOR JURÍDICO DEUTA

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

MA10 DSK10 ADS

en

-

to)

El registrador jurídico DEUTA se compone de:

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

Figura 1-18. Registrador jurídico DEUTA, parte superior.

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

ETP

M

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

Figura 1-19. Conexionado de PC de servicio y pantallas gráfica y textual.

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1.1.4 REGISTRADOR JURÍDICO MEMOTEL

en

to)

El sistema MEMOTEL reúne la tecnología del aparato de indicación con servomando, y la capacidad de almacenamiento de datos de ruta en memorias estáticas alojadas en una caja. Como sucesor de los tacógrafos de franjas RT9, RT12 YRT13, así como de los tacómetros A16, A28 Y A29, puede reemplazar a los mismos, siendo compatibles sus funciones.

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Para el almacenamiento de los datos analógicos de ruta así como de los datos digitales de servicio, el aparato dispone, además de la memoria interna, de un dispositivo para alojamiento de una tarjeta de memoria sin contactos ni pilas, cuyas dimensiones equivalen a las de una tarjeta de crédito. Durante el servicio, MEMOTEL, verifica constantemente su operatividad y la corrección de sus indicaciones con ayuda de circuitos integrados de test y comparación. Actuando sobre el pulsador correspondiente, el visualizador digital combinado puede indicar varias magnitudes como por ejemplo la fecha, la hora, la velocidad, el kilometraje y también avisos de fallos en forma codificada. El sistema MEMOTEL consta del equipo de a bordo, del equipo de servicio y de un equipo de evaluación. Para la toma de datos desde la tarjeta de memoria Memory Card se necesita un aparato de transferencia de datos especial. La ilustración siguiente muestra el conjunto del sistema.

Figura 1-20. Registrador jurídico Memotel.

ETP

M

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

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en

to)

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

Figura 1-21. Memotel. SW de servicio.

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

Figura 1-22. Memotel. SW de análisis.

ETP

M

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

Figura 1-23. Memotel. Pantalla de visualización de datos.

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1.2

ASFA DIGITAL

1.2.1 DESCRIPCIÓN

to)

El Sistema Embarcado ASFA Digital es el sistema de a bordo que proporciona un conjunto básico de funciones de Protección Automática de Trenes (ATP).

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en

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

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

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

ETP

M

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

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FASE 1 Primer estado de implantación del nuevo Sistema ASFA Digital, correspondiente a la operación con las balizas e información de vía del actual sistema ASFA: L1, L2, L3, L7 y L8. Durante esta fase el sistema también será capaz de procesar las nuevas balizas que se vayan incorporando.

en

FRECUENCIA PERMANENTE Señal de comprobación del Subsistema de captación ASFA.

to)

FASE 2 Segundo estado de implantación del nuevo Sistema ASFA Digital, correspondiente a la operación con las balizas e información de vía del nuevo sistema ASFA Digital: L1, L2, L3, L4, L5, L6, L7, L8 y L9.

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

V

Tiempo de reacción curva VC

Curva de velocidad de intervención de frenado (IF)

Curva de segunda velocidad de aviso

Curva de primera velocidad de aviso

Curva de velocidad de control final (VC)

ETP

M

Curva de velocidad de control (VC)

T Figura 1-24. Supervisión y control.

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1.2.2 SEÑALES DE ASFA DIGITAL

to)

L1 Frecuencia correspondiente a: Fase 1. Anuncio de parada, anuncio de parada inmediata, preanuncio de parada, anuncio de precaución, paso a nivel sin protección y a limitación temporal de velocidad. Fase 2. Anuncio de parada y anuncio de parada inmediata.

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L3 Frecuencia correspondiente a: Fase 1. Vía libre y paso a nivel protegido. Fase 2. Vía libre.

en

L2 Frecuencia correspondiente a vía libre condicional y preanuncio de limitación temporal de velocidad.

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

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

ETP

M

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

Figura 1-25. Transición de 5 a 9 frecuencias.

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1.2.3 COMPONENTES

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o

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

en

o

to)

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

o

ETP

M

o o

Figura 1-26. Arquitectura del subsistema.

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1.2.3.1

PANEL REPETIDOR

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en

to)

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

Figura 1-28. Panel repetidor.

ETP

M

Figura 1-27. Funcionalidades del panel repetidor.

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1.2.3.2

DISPLAY

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en

to)

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

ETP

M

Figura 1-29. Display.

Figura 1-30. Display - Áreas de representación.

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1.2.3.3

PULSADORES ADICIONALES

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en

to)

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

Figura 1-31. Pulsadores adicionales.

Para garantizar la eficacia del reconocimiento el pulsador correspondiente debe ser accionado al menos durante 0,5 segundos. 1.2.3.4

UNIDAD DE ODOMETRÍA

ETP

M

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

Figura 1-32. Unidad de odometría.

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1.2.3.5

COMBINADOR GENERAL

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en

to)

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

Figura 1-33. Combinador general.

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

Figura 1-34. Combinador general.

ETP

M

Conexión, puesta en marcha y anulación del equipo. 1º.- Selección del tipo de tren, actuando sobre el selector de 8 posiciones o tipos (según versión). 2º.- Conexión de alimentación del equipo de control y proceso. 3º.- Alimentación del panel repetidor actuando sobre el interruptor de conexión de la cabina que se desee seleccionar. Se activa la indicación de eficacia y se presenta la indicación de tipo de tren en la ubicación de la velocidad real del vehículo. Al mismo tiempo se realiza la prueba de lámparas y sonería. 4º.- Dependiendo SW, muestra en pantalla: ASFA OK: Sistema sin ningún fallo funcional. ASFA Operativo: El sistema tiene un fallo leve de funcionamiento. ASFA No Operativo. El sistema no puede funcionar correctamente. En modo Básico: Estado Operativo: Oscilación indicador eficacia; No Operativo: Ausencia eficacia. 5º.- Accionar el pulsador de rearme de freno. El tipo de tren se pasa a mostrar en la indicación de tipo de tren y se permite el afloje del freno. Se establece el control de arranque. En función SW el equipo muestra el icono de focos con interrogación. 6º.- Selección de modo de conducción, si fuese necesario establecer un modo distinto al que se establece automáticamente por defecto. Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento | Renfe Operadora 23

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en

to)

Control de arranque

Figura 1-35. Control de arranque.

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

ETP

M

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

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ETP

M

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to)

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

Figura 1-36. Registros de señales de ASFA.

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FORMACIÓN TÉCNICA DE VEHÍCULOS (Alta tensión) Edición 0.2

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Formación Técnica de Vehículos

Autor: Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento. Edita: © Renfe Operadora. Renfe Fabricación y Mantenimiento S.A. G. de A. de Organización y Recursos Humanos. Gerencia de la Escuela Técnica Profesional de Mantenimiento (ETPM). QUEDA PROHIBIDA SU REPRODUCIÓN TOTAL O PARCIAL SIN AUTORIZACIÓN EXPRESA DEL AUTOR.

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ÍNDICE 1.

INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE ALTA TENSIÓN .................................................................................... 5 1.1 EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN ............................................................................................................ 5 1.1.1 PANTÓGRAFO ..............................................................................................................................6 1.1.2 DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN .........................................................................8 1.1.3 SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA ...........................................................................................9 1.1.4 DISYUNTOR PRINCIPAL ..............................................................................................................10 1.1.5 TRANSFORMADORES ..................................................................................................................11

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

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Introducción a sistemas de alta tensión

1. INTRODUCCIÓN A SISTEMAS DE ALTA TENSIÓN 1.1

EQUIPOS DE ALTA TENSIÓN

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El equipo de alta tensión, tiene como misión tomar la corriente de catenaria y alimentar mediante los componentes necesarios a los motores de tracción, equipos auxiliares y líneas de alta tensión del tren. Por tanto, estos equipos intervienen directamente en el desarrollo de la potencia del vehículo, tanto en tracción como en freno eléctrico.

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La configuración del equipo variará en función de la tecnología aplicada. Las características generales que intervienen en el equipo de alta tensión se pueden observar en los siguientes esquemas:

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

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

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En el apartado de sistemas de electrificación de corriente continua y motores de corriente alterna, encontramos una gran cantidad de vehículos, debido a la evolución en la electrónica de potencia aplicada a motores de corriente alterna.

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En el caso de vehículos de corriente alterna, la alimentación eléctrica es de 25.000 voltios, 50 Hercios monofásica.

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Figura 1-2. Circuito tipo de alta tensión para vehículos de corriente alterna (c/a 25000 v.)

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

1.1.1 PANTÓGRAFO

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

Figura 1-3. Pantógrafo de los años 70/80.

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Para conseguir la elevación y mantenimiento del pantógrafo, es necesaria la presión suficiente de aire comprimido, proporcionada por la instalación neumática del vehículo. Ésta se aplica sobre un accionamiento neumático, que a veces se complementa con resortes. La pérdida de presión, provocará el descenso del pantógrafo. 6

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Figura 1-4. Pantógrafo de la S/253.

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

Figura 1-5. Ejemplo de elementos de Pantógrafo: (serie 253).

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

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

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1.1.2 DERIVADORES O PARARRAYOS DE ALTA TENSIÓN

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

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

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Figura 1-6. Pararrayos S/465.

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Figura 1-7. Pararrayos de C/A., derivador de alta tensión. S/130.

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1.1.3 SECCIONADORES Y PUESTA A TIERRA

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

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

Figura 1-8. Seccionadores de pantógrafos

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

Figura 1-9. Regleta o Caja de llaves.

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1.1.4 DISYUNTOR PRINCIPAL Es un interruptor, destinado a establecer y proteger el circuito de alta tensión en los vehículos eléctricos. Reacciona de forma muy rápida, interrumpiendo la conexión entre catenaria y vehículo, evitando posibles daños. Se conoce también como disyuntor extrarrápido.

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De forma directa, la tensión captada de catenaria por medio del pantógrafo, se transmite al circuito principal de corriente del disyuntor principal. Esto se consigue mediante cables llamados pasamuros, que pasan al interior del vehículo por unos aislantes integrados en el techo de la caja.

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Generalmente, los disyuntores principales están compuestos de los siguientes elementos:  Bastidor aislante. Estructura que soporta los distintos componentes del disyuntor.  Circuito principal de corriente. Consta de dos contactos, uno fijo y otro móvil llamados labio móvil y labio fijo.  Sistema de aproximación. Mediante accionamientos de tipo neumático, eléctrico, electromagnético, etc.  Sistema de mantenimiento. Proporciona la fijación de los contactos fijo y móvil.  Dispositivo de disparo. Mediante resortes antagonistas, electromagnéticos...  Dispositivo de soplado. La apertura con carga eléctrica en sus contactos, produce arco eléctrico que debe extinguirse, generalmente mediante soplado magnético y antenas de dispersión.

Figura 1-11. Disyuntor de la serie 253.

1 2 3 4 5 6 7 8

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

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Figura 1-10. Disyuntor de Civia.

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

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1.1.5 TRANSFORMADORES

Los transformadores de elevada potencia, están

dotados de un sistema de refrigeración para Figura 1-12. Transformador de 3000v. S/253. mejorar el rendimiento y evitar problemas en los devanados por exceso de temperatura. Para ello, el transformador se integra dentro de un esquema hidráulico que se compone normalmente de los siguientes elementos:  Cuba: Contiene el aceite sintético donde se sumerge la parte activa del transformador, devanados de cobre pertenecientes al primario y secundarios arrollados en un núcleo de material ferromagnético, e inductancias de filtro y auxiliares.  Sistema de refrigeración: Sirve para evacuar el calor producido en los devanados. Se compone de bombas que impulsan el aceite sintético por un circuito hidráulico a la unidad de refrigeración, y un vaso de expansión que permite la dilatación libre del aceite en el sistema.  Controladores: Que permiten vigilar el buen funcionamiento del sistema, formado por presostatos, válvulas de seguridad, sondas de temperatura, indicadores de nivel en el vaso de expansión, relé Buchholz, etc., para evitar problemas de cortocircuitos, derivaciones, sobrepresión y sobretemperatura. La actuación de uno de estos elementos produce, según los casos, desde la limitación de potencia hasta la apertura del disyuntor.  Relé Buchholz: Relé detector de gases procedentes del deterioro de las inductancias del transformador. Activa una alarma y se produce corte de alimentación.

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

Figura 1-13. Relé de Buchholz.

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Figura 1-14. Esquema de transformador suministro 25000 V.

Figura 1-15. Transformador S/104. Suministro de línea de 25000 V C/A.

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También podemos observar el diagrama de un transformador (tanque de inductancias) como subsistema de Alta Tensión de un vehículo con suministro de energía de 3000 V. de C/C. 002 014

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Figura 1-16. Esquema de transformador suministro 3000 V.

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

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