Electrificación ferroviaria de 15 kV CA

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En Alemania , Austria , Suiza , Suecia y Noruega se utiliza la electrificación ferroviaria con corriente alterna (CA) a 15 kilovoltios (kV) y 16,7 hercios (Hz) en los ferrocarriles de transporte . El alto voltaje permite la transmisión de alta potencia con la frecuencia más baja, lo que reduce las pérdidas de los motores de tracción que estaban disponibles a principios del siglo XX. La electrificación ferroviaria a finales del siglo XX tiende a utilizar sistemas de CA de 25 kV, 50 Hz, que se han convertido en el estándar preferido para las nuevas electrificaciones ferroviarias, pero no es del todo improbable que se amplíen las redes existentes de 15 kV . En particular, el túnel de base de San Gotardo (inaugurado el 1 de junio de 2016) todavía utiliza electrificación de 15 kV, 16,7 Hz.

Debido a los altos costos de conversión, es poco probable que los sistemas existentes de 15 kV, 16,7 Hz se conviertan a 25 kV, 50 Hz, a pesar del hecho de que esto reduciría el peso de los transformadores reductores incorporados a un tercio del de los dispositivos actuales.

Los primeros ferrocarriles electrificados utilizaban motores de corriente continua devanados en serie , primero a 600 V y luego a 1.500 V. Las áreas con catenarias de CC de 3 kV (principalmente en Europa del Este ) utilizaban dos motores de CC de 1.500 V en serie. Pero incluso a 3 kV, la corriente necesaria para alimentar un tren pesado (en particular en áreas rurales y montañosas) puede ser excesiva. Aunque aumentar el voltaje de transmisión disminuye la corriente y las pérdidas resistivas asociadas para una potencia dada, los límites de aislamiento hacen que los motores de tracción de mayor voltaje sean poco prácticos. Por lo tanto, se requieren transformadores en cada locomotora para reducir los altos voltajes de transmisión a voltajes prácticos de operación del motor. Antes del desarrollo de formas adecuadas para transformar eficientemente las corrientes de CC a través de la electrónica de potencia, los transformadores eficientes requerían estrictamente corriente alterna (CA); por lo tanto, los ferrocarriles electrificados de alto voltaje adoptaron la CA junto con el sistema de distribución de energía eléctrica (ver Guerra de las corrientes ).

La red de CA de 50 Hz (60 Hz en América del Norte) ya se había establecido a principios del siglo XX. Aunque los motores de bobinado en serie pueden, en principio, funcionar con CA y CC (razón por la que también se los conoce como motores universales ), los grandes motores de tracción de bobinado en serie tenían problemas con frecuencias tan altas. La alta reactancia inductiva de los devanados del motor causaba problemas de descargas eléctricas en el conmutador y las piezas polares magnéticas no laminadas diseñadas originalmente para CC presentaban pérdidas excesivas por corrientes parásitas . El uso de una frecuencia de CA más baja alivió ambos problemas.

En los países de habla alemana, la electrificación de alto voltaje comenzó a los 16 años.+2 ⁄ 3 hertz , exactamente un tercio de la frecuencia de la red eléctrica nacional de 50 Hz. Esto facilitó el funcionamiento delos convertidores rotativoslos generadoresde energía ferroviarios dedicadosfuncionaran a la misma velocidad del eje que un generador estándar de 50 Hz al reducir el número de pares de polos en un factor de tres. Por ejemplo, un generador que gira a1000 rpm estaría bobinado con dos pares de polos en lugar de seis.

En Austria, Suiza y Alemania, excepto en Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt , se suministran energía eléctrica a los ferrocarriles mediante plantas independientes; en esos dos estados alemanes, además de en Suecia y Noruega, se suministra energía eléctrica a los ferrocarriles a través de convertidores alimentados por la red. Noruega también tiene dos centrales hidroeléctricas dedicadas a la energía ferroviaria con 16+Salida de 2 ⁄ 3 hercios .

Los primeros generadores fueron generadores de CA síncronos o transformadores síncronos; sin embargo, con la introducción de los modernos generadores de inducción de doble alimentación , la corriente de control indujo un componente de CC no deseado, lo que provocó problemas de sobrecalentamiento de los polos. Esto se solucionó desplazando la frecuencia ligeramente alejándose exactamente de un tercio de la frecuencia de la red; se eligieron arbitrariamente 16,7 hercios para permanecer dentro de la tolerancia de los motores de tracción existentes. Austria, Suiza y el sur de Alemania cambiaron sus centrales eléctricas a 16,7 Hz el 16 de octubre de 1995 a las 12:00 CET. ^{[1] [2]} Nótese que las secciones electrificadas regionales operadas por generadores síncronos mantienen su frecuencia de 16+2 ⁄ 3 Hz,al igual que Suecia y Noruega todavía operan sus redes ferroviarias a 16+2 ⁄ 3 Hzen todo momento.

Una de las desventajas de las locomotoras de 16,7 Hz en comparación con las de 50 o 60 Hz es el mayor peso del transformador necesario para reducir la tensión de la catenaria a la utilizada por los motores y su equipo de control de velocidad. Los transformadores de baja frecuencia necesitan tener núcleos magnéticos más pesados ​​y bobinados más grandes para el mismo nivel de conversión de potencia (véase el efecto de la frecuencia en el diseño de los transformadores ). Los transformadores más pesados ​​también dan lugar a mayores cargas por eje que los de mayor frecuencia. Teóricamente, a su vez, esto conduce a un mayor desgaste de la vía y aumenta la necesidad de un mantenimiento más frecuente de la misma, mientras que en la práctica las locomotoras eléctricas no deben volverse demasiado ligeras para preservar el esfuerzo de tracción a bajas velocidades. Los ferrocarriles checos se encontraron con el problema de la reducción de la capacidad de manejo de potencia de los transformadores de menor frecuencia cuando reconstruyeron algunas locomotoras de 25 kV CA, 50 Hz (serie 340) para operar en líneas de 15 kV CA, 16,7 Hz . Como resultado de utilizar los mismos núcleos de transformador (originalmente diseñados para 50 Hz ) en la frecuencia más baja, los transformadores tuvieron que reducir su potencia a un tercio de su capacidad de manejo de potencia original, reduciendo así el esfuerzo de tracción disponible en la misma cantidad (a alrededor de 1.000 kW ).

Estos inconvenientes, además de la necesidad de una infraestructura de suministro independiente y la falta de ventajas técnicas con los motores y controladores modernos, han limitado el uso de 16+2 ⁄ 3  Hz y 16,7 Hz más allá de los cinco países originales. La mayoría de los demás países electrificaron sus ferrocarriles a la frecuencia de servicio público de 50/60 Hz. Dinamarca , a pesar de limitarse solo con territorio de 15 kV, decidió electrificar sus ferrocarriles principales a 25 kV 50 Hz por esa y otras razones. ^{[3] [4]} Debido a que es técnicamente muy desafiante y, por lo tanto, no es rentable proporcionar servicios de pasajeros de alta velocidad en líneas de CC de 1,5 o 3 kV, la electrificación europea más nueva, principalmente en Europa del Este, es principalmente de 25 kV CA a 50 Hz . La conversión a este voltaje/frecuencia requiere aisladores de mayor voltaje y mayor espacio libre entre líneas y puentes y otras estructuras. Esto ahora es estándar para nuevas líneas aéreas, así como para modernizar instalaciones antiguas.

La simple unificación europea con una alineación de voltaje/frecuencia en toda Europa no es necesariamente rentable ya que la tracción transfronteriza está más limitada por las diferentes normas nacionales en otras áreas. Equipar una locomotora eléctrica con un transformador para dos o más voltajes de entrada es barato en comparación con el costo de instalar múltiples sistemas de protección de trenes ^{[ cita requerida ]} y hacerlos pasar por el procedimiento de aprobación para obtener acceso a la red ferroviaria en otros países. Sin embargo, ya se pretende construir algunas nuevas líneas de alta velocidad a países vecinos a 25 kV (por ejemplo, en Austria a Europa del Este). Aunque las locomotoras más nuevas siempre se construyen con sistemas de control de motor asíncrono que no tienen problemas con una gama de frecuencias de entrada, incluida la CC, los pantógrafos y el cableado adicionales necesarios no se instalan universalmente para ofrecer modelos de costo reducido como el Siemens Smartron . Asimismo, los trenes de pasajeros regionales más nuevos, como la serie Bombardier Talent 2, no están certificados para sistemas de electrificación adicionales. A pesar de que la empresa operadora de trenes Deutsche Bahn ya no utiliza ningún modelo de la serie estándar de locomotoras eléctricas , muchas compañías ferroviarias privadas más pequeñas sí lo hacen, aunque algunas ya tienen 60 años. Incluso cuando estos modelos obsoletos se desmantelen, puede que no sea más fácil unificarlos. Mientras tanto, DB Schenker tiende a encargar locomotoras de carga que sean capaces de operar con múltiples sistemas de electrificación, ya que estos operan en toda Europa.

En Alemania (excepto Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt ), Austria y Suiza existe una red de distribución eléctrica monofásica independiente para la energía ferroviaria a 16,7 Hz ; la tensión es de 110 kV en Alemania y Austria y de 132 kV en Suiza. Este sistema se denomina suministro de energía ferroviaria centralizado. Una red de distribución eléctrica monofásica independiente hace que la recuperación de energía durante el frenado sea extremadamente fácil en comparación con  el sistema de 25 kV 50 Hz conectado a la red de distribución trifásica.

En Suecia, Noruega, Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt, la energía se obtiene directamente de la red trifásica ( 110 kV a 50 Hz ), se convierte en corriente monofásica de baja frecuencia y se alimenta a la línea aérea. Este sistema se denomina suministro de energía ferroviaria descentralizado (es decir, local).

El sistema centralizado se alimenta mediante centrales eléctricas especiales que generan 110 kV (o 132 kV en el sistema suizo) CA a 16,7 Hz y mediante convertidores rotativos o convertidores CA/CA que se alimentan desde la red eléctrica nacional (p. ej. 110 kV , 50 Hz ), lo convierten a 55-0-55 kV (o 66-0-66 kV) CA a 16,7 Hz . El punto 0 V se conecta a tierra a través de una inductancia de modo que cada conductor de la línea eléctrica monofásica CA tenga una tensión de 55 kV (o 66 kV ) respecto al potencial de tierra. Esto es similar a los sistemas eléctricos de fase partida y da como resultado una transmisión de línea equilibrada . La inductancia a través de la cual se realiza la puesta a tierra está diseñada para limitar las corrientes de tierra en casos de fallos en la línea. En las subestaciones transformadoras, la tensión se transforma de 110 kV (o 132 kV ) CA a 15 kV CA y la energía se alimenta a la línea aérea.

La frecuencia de 16,7 Hz se determina en función de la necesidad de evitar problemas de sincronismo en los componentes de la máquina rotativa. Esta máquina está compuesta principalmente por un motor asíncrono trifásico y un generador síncrono monofásico. El sincronismo se produce cuando la frecuencia alcanza los 16+2⁄3 Hz en el sistema monofásico, según las especificaciones técnicas. Por lo tanto, la frecuencia del sistema centralizado se fijó en 16,7 Hz para garantizar que se evite el sincronismo y el correcto funcionamiento de la maquinaria.

Las centrales eléctricas que suministran 110 kV , 16,7 Hz , están dedicadas a generar esta corriente alterna monofásica específica o tienen generadores especiales para tal fin, como la central nuclear de Neckarwestheim o la central hidroeléctrica de Walchensee .

La energía para el sistema descentralizado se toma directamente de la red eléctrica nacional y se transforma y convierte directamente en 15 kV , 16+2 ⁄ 3 Hzmediante convertidores síncronos-síncronos o convertidores estáticos. Ambos sistemas necesitan transformadores adicionales. Los convertidores constan de un motor síncrono trifásico y ungenerador síncrono monofásico. El sistema descentralizado en el noreste de Alemania fue establecido por la Deutsche Reichsbahn en la década de 1980, porque no había un sistema centralizado disponible en estas áreas.

Alemania, Austria y Suiza cuentan con el mayor sistema interconectado de corriente alterna de 15 kV, con generación central y plantas de conversión centrales y locales. Sin embargo, existen islas con sistemas de electrificación alternativos. Por ejemplo, el ferrocarril de Rübeland es la línea de corriente alterna de 25 kV más grande de Alemania.

En Noruega todos los ferrocarriles eléctricos utilizan 15 kV 16+2 ⁄ 3 Hz CA ^[5] (excepto el ferrocarril del museo Thamshavnbanen , que utiliza 6,6 kV 25 Hz CA). El metro y los tranvías de Oslo utilizan una corriente continua de 750 V.

En Suecia, la mayoría de los ferrocarriles eléctricos utilizan 15 kV 16+2 ⁄ 3 Hz CA. Las excepciones incluyen: Saltsjöbanan y Roslagsbanan (1,5 kV CC), el metro de Estocolmo (650 V y 750 V CC) y los tranvías (750 V CC). El puente de Oresund, que une Suecia y Dinamarca, está electrificado a 25 kV , estándar danés; la división está ubicada en el lado sueco cerca del puente. Solo los trenes de dos sistemas (o trenes diésel; poco frecuentes) pueden pasar por el punto.

• DB Energie soll Durchleitung von Bahnstrom ermöglichen (en alemán)