Transformadores de tracción

 

Transformadores de tracción

En los primeros tiempos de los ferrocarriles eléctricos, la CC era la fuente de alimentación más común. Como en la época no era factible reducir la tensión de la CC a bordo del tren, el transporte entre la subestación y el tren tenía que hacerse a baja tensión (entre 750 V y 3.000 V) para poder alimentar directamente los motores de tracción. El inconveniente de la baja tensión eran las elevadas pérdidas por conducción en el tendido aéreo.

Posteriormente se introdujo la electrificación con CA monofásica con tensiones mayores (15 kV/ 16,7 Hz y 25 kV/ 50 Hz), lo que redujo las pérdidas de transporte.

La contrapartida fue la presencia de transformadores grandes y pesados que tenía que llevar el tren.

Por razones históricas, los ferrocarriles actuales utilizan multitud de distintos sistemas de electrificación, a menudo basados en lo que era la última palabra de la técnica cuando se introdujo por primera vez la electrificación en un país o área determinada ➔ 1.

En los trenes clásicos tirados por locomotoras, un transformador pesado no es necesariamente un inconveniente, ya que contribuye a la adherencia: la fuerza máxima que la locomotora puede aplicar para tirar de un tren sin perder la adherencia a los carriles está limitado por su propio peso. Pero en los trenes de pasajeros modernos se observa una tendencia hacia los trenes de varias unidades en los que el material de tracción no se concentra en la locomotora, sino que se distribuye a lo largo del tren en los mismos vehículos en los que viajan los pasajeros. Con el aumento del número de ejes motores, la adherencia ha dejado de ser un factor que limite la aceleración del tren, pero el peso y el tamaño del transformador siguen siendo una limitación importante para los proyectistas.

Por tanto, un tren ideal combinaría el poco peso y el poco espacio ocupado por los trenes de CC con las pequeñas pérdidas de transporte de la electrificación de CA a alta tensión. Esencialmente, la dificultad reside en hacer que el transformador sea más ligero.

Por desgracia, el tamaño y el peso básicos de un transformador están limitados por las leyes de la física. Los factores que determinan el tamaño mínimo de un transformador incluyen la frecuencia y la potencia nominal: las frecuencias bajas requieren transformadores más grandes. Un transformador con una frecuencia mayor permitiría ahorrar peso y espacio. Esta es la razón que se encuentra detrás del transformador de tracción de electrónica de potencia (PETT) de ABB.

Principio del PETT

El camino que recorre la conversión de la energía eléctrica en la mayoría de los trenes modernos de CA se ilustra en ➔ 2.

La corriente de la catenaria de CA (línea aérea) fluye por los devanados del primario de un transformador de baja frecuencia (LFT) hasta el carril (que proporciona el camino de retorno). La tensión reducida disponible en los devanados del secundario del transformador se conduce a un chopper de línea de cuatro cuadrantes que la convierte a la tensión del enlace de CC. Un inversor la transforma en CA de frecuencia variable y tensión variable para los motores de tracción. También los suministros auxiliares pueden alimentarse desde el enlace de CC.

Para utilizar un transformador de frecuencia media (MFT), debe disponerse un convertidor de frecuencia antes del transformador, como se muestra en ➔ 3.

En el secundario del transformador, un rectificador la convierte en la tensión para el enlace de CC.

Una dificultad importante de esta topología es que hay que poner un convertidor en el lado de la alta tensión. Dado que la actual generación de dispositivos semiconductores no puede bloquear las tensiones utilizadas en la electrificación de ferrocarriles de CA, se requiere una conexión en serie. En lugar de una conexión masiva en serie de semiconductores en válvulas únicas, la solución desarrollada por ABB presenta una serie de módulos de convertidor en cascada en el lado de alta tensión, con las salidas conectadas en paralelo en el lado de CC ➔ 4.

Esta topología hace que la solución sea fácilmente ampliable y permite la posibilidad de redundancia (el sistema de “M de cada N”).

La CA de la catenaria pasa a través de un inductor de filtro antes de entrar en el primer módulo del convertidor. Cada módulo del convertidor consta de un bloque de “front end” activo (AFE) y un bloque convertidor CC/CC ➔ 5.

El bloque AFE es esencialmente un puente en H que regula la carga de los condensadores del enlace. Esta topología también permite el control activo del factor de potencia.

Convertidores en cascada

Una ventaja añadida de la topología en cascada reside en la posibilidad de conmutar cada módulo de forma independiente. Esto permite entrelazar los patrones de conmutación de los puentes H.

Si se entrelazan de forma regular (es decir, separados 360 grados/N, donde N es el número de niveles), el lado de la red del convertidor ve una frecuencia aparente de conmutación (equivalente) que es 2 N veces mayor que las frecuencias reales de conmutación de cada puente H. Esta alta frecuencia de conmutación aparente (en combinación con el mayor número de niveles de tensión intermedia) provoca una distorsión armónica menor de la que es posible con los convertidores de tracción convencionales y, en consecuencia, reduce la necesidad de filtrado de la entrada. Un ejemplo de las formas de onda se muestra en ➔ 6.

Transformadores de frecuencia media

Los transformadores de frecuencia media desempeñan tres funciones fundamentales. Para empezar, proporcionan aislamiento galvánico entre la entrada de alta tensión de la red de CA y la baja tensión conectada a la carga. Su segunda función clave es proporcionar una adaptación adecuada de la tensión para la tensión de carga de CC de 1,5 kV teniendo en cuenta el nivel de tensión del enlace de CC intermedia de 3,6 kV. La tercera de esas funciones es ayudar a que los módulos IGBT (transistor bipolar de puerta aislada) de los circuitos resonantes LLC trabajen en el modo “soft” de conmutación (descrito más adelante). A medida que disminuye el tamaño, aumenta la dificultad desde el punto de vista del dieléctrico. Hay que tener cuidado al considerar este aspecto.

En el actual demostrador PETT, los nueve transformadores comparten el mismo depósito de aceite, así como el inductor de línea y el cargador de arranque ➔ 7.

Modo LLC de conmutación

Cada uno de los nueve transformadores de frecuencia media es una parte del convertidor CC/CC asociado ➔ 4.

Mediante el uso de las inductancias de fuga y de magnetización del transformador y los condensadores del circuito externo, se crea un circuito LLC resonante (Lr, Lm y Cr como se indica en ➔ 5). Las ventajas de un circuito LLC son:

·         Amplio margen de regulación de la salida.

·         Reducción de las pérdidas por conmutación en el lado del primario mediante conmutación a tensión cero (ZVS) en todo el margen de cargas.

·         Baja corriente de desconexión controlada por diseño (no es realmente conmutación a corriente cero, ZCS).

·         Esfuerzo mecánico por baja tensión y ZCS en el secundario del rectificador de diodos.

·         Funcionamiento independiente de la carga a frecuencia de resonancia.

Como un circuito de LLC se basa en el principio de resonancia, se puede utilizar la variación de la frecuencia de conmutación para controlar la tensión de salida. Sin embargo, en la presente versión del PETT, no se ha utilizado esta función y el convertidor CC/CC LLC resonante funciona en bucle abierto con una frecuencia fija de conmutación de 1,75 kHz, que está por debajo de la frecuencia de resonancia.

El sistema de control

Los objetivos del control pueden resumirse como:

·         Mantenimiento de una corriente de entrada sinusoidal.

·         Factor de potencia próximo a la unidad.

·         Valor constante de la tensión media del enlace de CC.

·         Rechazo de los armónicos de la red.

El equipo es un controlador AC 800PEC de ABB, una plataforma que permite la integración de funciones de control rápido y lento.

El área real de aplicación del PETT se encuentra en los trenes de varias unidades para el servicio de pasajeros, tales como los trenes de cercanías o de alta velocidad.

El tamaño compacto del PETT permite instalarlo fácilmente bajo el piso del tren o en el techo, lo que maximiza el espacio disponible para los pasajeros al tiempo que reduce el consumo eléctrico del tren.

El PETT ➔ 8 tiene nueve módulos en cascada, de los cuales sólo ocho son esenciales para las operaciones (el noveno es redundante). La unidad tiene una potencia nominal de 1,2 MW y puede suministrar un pico de 1,8 MW durante periodos breves.

La tensión de salida de CC es de 1,5 kV.

El peso total es de 4.500 kg, incluida la refrigeración. Cuando se compara con los transformadores de tracción de la misma potencia nominal, debe tenerse en cuenta que el PETT no sólo sustituye al transformador propiamente dicho, sino también al rectificador de baja tensión (compárense ➔ 2 y ➔ 3).

La optimización del peso constituye otro aspecto importante. La densidad de potencia (expresada en kVA/kg) de las combinaciones actuales de transformador y rectificador es del orden de 0,5 a 0,75.

Otras ventajas incluyen:

·         Mejor eficiencia energética desde la entrada de CA a la salida de CC, que pasa desde un 88 a un 90 por ciento a más del 95 por ciento (la eficiencia media actual de un transformador autónomo de tracción de 15 kV / 16,7 Hz es del 90 al 92 por ciento).

·         EMC y armónicos bajos.

·         Menores emisiones acústicas.

Todos estos factores hacen que el PETT sea ideal para su objetivo declarado de proporcionar una solución de convertidor pequeño y ligero pero potente, para instalarse en los trenes actuales y futuros y que sea adecuado para funcionar muy cerca de los viajeros.

 

 

FUENTE:

Revista ABB 1/12: Transformadores de tracción