Todos los motores de tracción funcionan solo en tres fases. ¿Por qué la electricidad se transmite en una sola fase en los ferrocarriles y luego se convierte en trifásica dentro de la locomotora, aunque la trifásica es más eficiente?

Answer 1

Bien, separemos la respuesta por partes: sopesando cuidadosamente los pros y los contras en cada una de las situaciones:

Consideraciones Mecánicas:
La mayoría de las veces, la corriente alterna a altos voltajes y frecuencias ( [correo electrónico protegido] 50/3 Hz o [correo electrónico protegido] Hz) se suministra a la locomotora a través de cables de catenaria aérea. Estos cables se sostienen normalmente con una alta fuerza de tracción de 10-15 kN, hasta 25 kN en el caso del riel de alta velocidad. Esta cantidad de tensión es necesaria para mantener un contacto estable y continuo entre el pantógrafo de la locomotora y los cables (desviación mínima de los cables). Un pequeño espacio entre ellos provocará un arco eléctrico en el orden de varios miles de voltios, lo que no es bueno para el cable o el pantógrafo.

Ahora, cuando presiona una tira de carbón (material conductor del pantógrafo) contra un cable con una fuerza del orden de 10 kN y simultáneamente viaja a una velocidad de 100 km / ha 200 km / h, el desgaste es inevitable. Por esta razón, los cables corren en zig zag para distribuir ese desgaste de manera uniforme en la superficie del pantógrafo.

3 cables = menos espacio para acomodar sobre la cabeza y tres puntos de contacto de desgaste en lugar de uno. la vida del pantógrafo se reduciría drásticamente .

Ese fue un aspecto.

Segundo aspecto: cuanto más pesada sea la masa de una locomotora, mejor . Puede sonar contradictorio primero. Pero considere esto, el vehículo ferroviario acelera y frena en una pista debido a la fricción estática entre las ruedas y el riel que hace que la condición de rodadura sea casi perfecta. Esto rodará perfectamente solo mientras el par suministrado por los motores (aceleración) o la fuerza de frenado de los frenos (desaceleración) no exceda el peso multiplicado por el coeficiente de fricción (aproximadamente 0,45), es decir, el límite de fuerza de fricción estática. Si excede este límite, las ruedas simplemente se deslizarán sobre la pista y causarán daños graves tanto en la pista como en la rueda.

Por lo tanto, no nos importa agregar el equipo adicional para convertir la corriente monofásica a trifásica según lo necesiten los motores de tracción (síncrono / asíncrono)

PD: No significa aumentar la masa de la locomotora indiscriminadamente, también debe tener en cuenta el desgaste de las ruedas y las orugas debido al desgaste.

Consideraciones de poder:
La producción industrial de electricidad es en forma de corriente alterna trifásica. Generalmente se convierte en una fase usando un convertidor rotativo o un convertidor estático.
Ahora esta electricidad se transmite desde las subestaciones hasta el punto en el que actualmente funciona una locomotora. estas distancias pueden variar hasta 50 a 200 kms). Obviamente, habrá una impedancia debido al conductor. en algún lugar del orden de (0.3 + 0.6j) ohmios / km para una línea de suministro de 50 Hz.
Tres líneas = tres resistencias nuevamente.

Interferencia electromagnética : cuando una corriente de CA de hasta 25 kV se transmite en un cable, tiende a formar un campo electromagnético considerable a su alrededor. Esto puede interferir con los dispositivos en la pista utilizados en señalización, balizas. los campos menores = menor interferencia para tratar durante el diseño.

Líneas trifásicas como las construidas en Suiza.
Electrificación ferroviaria de CA trifásica
se construyeron a principios de 1900 cuando los semiconductores no eran capaces de manejar altas corrientes y la fase 3 era una forma de aumentar la potencia que se suministraba a una locomotora . Fue particularmente adecuado para Suiza, ya que su terreno montañoso exigía un mayor requisito de potencia para los trenes que navegaban en la ruta.

Con el advenimiento de los semiconductores modernos que podrían funcionar a voltajes muy altos, tiempos de respuesta muy bajos y mucho más fáciles de controlar, como tiristores y transistores bipolares de puerta aislada, la conversión de CA monofásica a CA trifásica en un volumen pequeño no fue muy difícil ya. (También es una de las principales razones por las que hay menos líneas de CC en los ferrocarriles, ya que la transmisión de energía de CC genera más pérdidas comparativamente)

Por lo tanto, en 3 fases cortas, se desea CA justo antes de que llegue al motor de tracción y se prefiere la fase única justo antes de que llegue al pantógrafo. Al unir ambas cosas y el avance de las industrias de semiconductores en los años 50 y 60, llegamos a lo que tenemos en común hoy.

Answer 2

[La mayor parte de esta respuesta es del año pasado, pero la acabo de editar para comentar una premisa incorrecta en su pregunta: todos los motores de tracción no son trifásicos. De hecho, hasta hace relativamente poco tiempo, casi todos los motores de tracción ferroviaria eran CC, no CA, incluidas locomotoras diesel-eléctricas y ferrocarriles electrificados que utilizaban catenarias de CA y CC. Estos motores de CC eran invariablemente del tipo “universal” (enrollado en serie) que también podían funcionar en CA monofásica de muy baja frecuencia, pero nunca tan bien como en CC verdadera. Las únicas excepciones fueron los raros ferrocarriles eléctricos de CA trifásicos que se analizan a continuación].

En realidad, hay ferrocarriles eléctricos trifásicos:

Electrificación ferroviaria de CA trifásica

Dos cables aéreos separados llevan dos de las fases, y los rieles conectados a tierra llevan la tercera.

Antes de la electrónica moderna, esta era la única forma de realizar un frenado regenerativo en un sistema de CA de alto voltaje.

La CC también permite el frenado regenerativo, pero solo cuando hay otro tren cerca para absorber la potencia generada, ya que los voltajes de CC más bajos impiden una transmisión eficiente a larga distancia. La energía regenerada en un sistema de CA puede volver a la red más grande si no hay otro tren disponible.

Cuando funciona como motor, una máquina de inducción de CA trifásica funciona ligeramente por debajo de la velocidad síncrona. Cuando se conduce un poco más rápido que la velocidad síncrona, se convierte en un generador. El cambio de polos puede proporcionar algunas velocidades predeterminadas, pero esto era considerablemente menos flexible que las velocidades continuamente variables disponibles con tracción de CC. (Una analogía mecánica es un teleférico de San Francisco, donde el cable se mueve a velocidad constante, y los automóviles descendentes ayudan a tirar de los automóviles ascendentes cuesta arriba). Junto con el mayor costo y complejidad de los dos cables aéreos separados, estas velocidades fijas limitaron en gran medida el uso de corriente alterna trifásica. Los únicos ejemplos que sobreviven son los ferrocarriles “en rack” en las regiones montañosas.

Las locomotoras electrónicas modernas utilizan variadores de frecuencia variable y voltaje variable para hacer funcionar sus motores de tracción de CA trifásicos a cualquier velocidad deseada, y pueden realizar frenos regenerativos en una catenaria o riel de CA o CC, siempre que el sistema pueda absorberlo. La transmisión de CA trifásica no proporcionaría ningún beneficio real para justificar su complejidad mecánica mucho mayor.

Answer 3

No todas las líneas eléctricas aéreas para trenes eléctricos son CC. En NSW, Australia, el estándar general es 1500VDC. Nuestros antiguos (y ahora fallecidos) “sonajeros rojos” utilizaron gigantescos bancos de resistencia para controlar el voltaje de los motores. Todos los nuevos trenes de pasajeros ahora usan fuentes de alimentación chopper. No estoy seguro de si todas las locomotoras de largo recorrido dependientes de DC han sido reemplazadas.

Al norte, en Queensland, el estándar es de 3000 VCA. Esto es más eficiente, ya que cuando se implementaron, se usaron transformadores de tomas múltiples en lugar de los bancos de resistencia. Una vez más, la mayoría de los trenes de pasajeros modernos se han convertido en fuentes de alimentación chopper. La CA todavía tiene la ventaja sobre la CC cuando se trata de arcos.

Una vez fui la persona “responsable” de retrasar el transporte de pasajeros en dos horas (a mi propio inconveniente también) porque fui el único que observó que el zapato de recogida se arqueaba fuertemente con la línea. Me apresuré al compartimento de guardia apropiado para aconsejarle que bajara el pantógrafo antes de que el zapato se soldara a la línea, pero ya era demasiado tarde. Ese tren no se movía más sin derribar la línea eléctrica.

A menos que todavía existan locomotoras de larga distancia dependientes de DC en funcionamiento, no entiendo por qué NSW no se ha convertido a AC, ya que la flota de suministro de chopper es capaz de manejar AC o DC y AC evitaría el problema que acabo de describir .

Hay sistemas ferroviarios trifásicos en los países escandinavos. Estos trenes se pueden identificar por los dos pantógrafos paralelos en el techo. La tercera fase se recoge de uno de los rieles. Para los ascensos y descensos de alta pendiente, estos trenes también tienen transmisiones de engranajes que se acoplan con una cremallera entre los rieles para superar la mala tracción y mejorar la seguridad.

Sé que el sistema del Reino Unido usa un tercer riel central para energía, pero no sé si es CA o CC.

Answer 4

Esto es lo que observé en el escenario del metro de Delhi, por lo que podría no ser exactamente la respuesta correcta. Estaban usando una sola línea para transmitir energía que se redujo dentro del tren. Luego, el voltaje de CA reducido se convierte en CC (convertidores). A partir de ahí, el voltaje de CC se convierte en varias formas.
1) voltaje de CA trifásico para hacer funcionar los motores
2) Algunos se envían para ejecutar nuevamente la iluminación, etc., que son monofásicos y funcionan a un voltaje diferente al de los motores.

Si bien puede transmitir energía en 3 fases, necesitaría reducir su potencia con tres transformadores, la conversión a CC necesitará más convertidores, etc. Esto haría que el proyecto sea costoso, por lo que tal vez esta fase 3 no se use desde un punto de vista financiero.

Answer 5

Costo: 4 veces el costo del conductor de transferencia ENORME
Ventaja – reducción en el costo loco MENOR
No vale la pena.