La electrificación ferroviaria mediante corriente alterna (CA) a 15 kilovoltios (kV) y 16,7 hercios (Hz) se utiliza en los ferrocarriles de transporte en Alemania , Austria , Suiza , Suecia y Noruega . El alto voltaje permite la transmisión de alta potencia con menor frecuencia reduciendo 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 y 50 Hz , que se han convertido en el estándar preferido para nuevas electrificaciones ferroviarias, pero las extensiones de las redes existentes de 15 kV no son completamente improbables. En particular, el túnel de base del San Gotardo (inaugurado el 1 de junio de 2016) todavía utiliza electrificación de 15 kV y 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 de que esto reduciría el peso de los transformadores reductores a bordo a un tercio del de los dispositivos presentes.
Los primeros ferrocarriles electrificados utilizaron motores de corriente continua bobinados 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 1500 V en serie. Pero incluso a 3 kV, la corriente necesaria para alimentar un tren pesado (particularmente en zonas rurales y montañosas) puede ser excesiva. Aunque aumentar el voltaje de transmisión disminuye la corriente y las pérdidas resistivas asociadas para una potencia determinada, los límites de aislamiento hacen que los motores de tracción de mayor voltaje no sean 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 de transformar eficientemente las corrientes CC a través de la electrónica de potencia, los transformadores eficientes requerían estrictamente corriente alterna (CA); así, los ferrocarriles electrificados de alto voltaje adoptaron la corriente alterna junto con el sistema de distribución de energía eléctrica (ver Guerra de las corrientes ).
La red de CA de 50 Hz (60 Hz en Norteamérica) ya se estableció a principios del siglo XX. Aunque los motores bobinados en serie pueden, en principio, funcionar tanto con CA como con CC (razón por la que también se les conoce como motores universales ), los grandes motores de tracción bobinados en serie tenían problemas con frecuencias tan altas. La alta reactancia inductiva de los devanados del motor provocó problemas de descarga disruptiva en el conmutador y las piezas polares magnéticas no laminadas diseñadas originalmente para CC exhibieron 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 hercios , exactamente un tercio de la frecuencia de la red eléctrica nacional de 50 Hz. Esto facilitó el funcionamiento deconvertidores rotativosdesde la frecuencia de la red y permitió quelos generadoresfuncionaran a la misma velocidad de 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 a1.000 rpm tendría dos pares de polos en lugar de seis.
Centrales independientes suministran energía ferroviaria en Austria, Suiza y Alemania, excepto en Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt ; Los convertidores alimentados por la red suministran energía ferroviaria en estos dos estados alemanes, además de Suecia y Noruega. 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 resolvió alejando ligeramente la frecuencia de exactamente ⅓ de la frecuencia de la red; Se eligió 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 horas CET. [1] [2] Tenga en cuenta que los tramos electrificados regionales operados por generadores síncronos mantienen su frecuencia de 16+2 ⁄ 3 Hz, al igual que Suecia y Noruega todavía utilizan sus redes ferroviarias a 16 Hz .+2 ⁄ 3 Hzen todo momento.
Una de las desventajas de las locomotoras de 16,7 Hz en comparación con las de 50 Hz o 60 Hz es el transformador más pesado necesario para reducir la tensión de la línea aérea 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 devanados más grandes para lograr el mismo nivel de conversión de energía. (Ver efecto de la frecuencia en el diseño de los transformadores ). Los transformadores más pesados también generan cargas por eje más altas que los de una frecuencia más alta. En teoría, esto a su vez conduce a un mayor desgaste de las vías y aumenta la necesidad de un mantenimiento más frecuente de las vías, 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 del manejo reducido de potencia de los transformadores de baja 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 usar los mismos núcleos de transformador (originalmente diseñados para 50 Hz ) a la frecuencia más baja, los transformadores tuvieron que reducirse a un tercio de su capacidad de manejo de potencia original, reduciendo así el esfuerzo de tracción disponible en la misma cantidad ( hasta unos 1.000 kW ).
Estos inconvenientes, además de la necesidad de una infraestructura de suministro separada 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 con la frecuencia pública de 50/60 Hz. Dinamarca , a pesar de limitarse sólo a un territorio de 15 kV, decidió electrificar sus principales ferrocarriles 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 de CA a 50 Hz . La conversión a este voltaje/frecuencia requiere aisladores de voltaje más alto y mayor espacio libre entre líneas, puentes y otras estructuras. Esto ya es estándar tanto para líneas aéreas nuevas como para modernizaciones de 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 los diferentes estándares 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 necesaria ] y pasarlos por el procedimiento de aprobación para obtener acceso a la red ferroviaria en otros países. Sin embargo, ya se prevé construir algunas nuevas líneas de alta velocidad a los países vecinos a 25 kV (por ejemplo, de 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 que incluyen 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 regionales de pasajeros más nuevos, como la serie Bombardier Talent 2, no están certificados para sistemas de electrificación adicionales. Aunque el operador ferroviario Deutsche Bahn ya no utiliza modelos más antiguos de la serie de locomotoras eléctricas estándar , muchas empresas ferroviarias privadas más pequeñas sí lo hacen, aunque algunas tienen ya hasta 60 años. Incluso aunque estos modelos obsoletos estén desmantelados, puede que todavía no sea más fácil unificarlos. Mientras tanto, Deutsche Bahn tiende a encargar material rodante que sea capaz de ejecutar múltiples sistemas de electrificación, especialmente locomotoras de carga y trenes de pasajeros de alta velocidad, ya que operan en toda Europa.
En Alemania (excepto Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt ), Austria y Suiza, existe una red de distribución de energía monofásica separada para energía ferroviaria a 16,7 Hz ; el voltaje es de 110 kV en Alemania y Austria y de 132 kV en Suiza. Este sistema se denomina suministro de energía ferroviario centralizado. Una red de distribución de energía monofásica separada hace que la recuperación de energía durante el frenado sea extremadamente fácil en comparación con el sistema de 25 kV 50 Hz conectado a una red de distribución trifásica.
En Suecia, Noruega, Mecklemburgo-Pomerania Occidental y Sajonia-Anhalt, la energía se toma directamente de la red trifásica ( 110 kV a 50 Hz ), se convierte a monofásica de baja frecuencia y se alimenta a la línea aérea. Este sistema se denomina suministro de energía ferroviario 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 de la red eléctrica nacional (por ejemplo, 110 kV , 50 Hz). ), lo convierten a 55-0-55 kV (o 66-0-66 kV) CA a 16,7 Hz . El punto de 0 V está conectado a tierra a través de una inductancia de modo que cada conductor de la línea de alimentación de CA monofásica tenga un voltaje de 55 kV (o 66 kV ) con respecto al potencial de tierra. Esto es similar a los sistemas de energía eléctrica de fase dividida 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 fallas en la línea. En las subestaciones transformadoras, el voltaje se transforma de 110 kV (o 132 kV ) CA a 15 kV CA y la energía se inyecta a la línea aérea.
La frecuencia de 16,7 Hz depende de la necesidad de evitar el sincronismo en partes de la máquina rotativa, que consta principalmente de un motor asíncrono trifásico y un generador síncrono monofásico. Dado que el sincronismo se establece en una frecuencia de 16+2 ⁄ 3 Hz(según los detalles técnicos) en el sistema monofásico, la frecuencia del sistema centralizado se fijó en16,7 Hz.
Las centrales eléctricas que suministran 110 kV , 16,7 Hz , están dedicadas a generar esta CA monofásica específica o tienen generadores especiales para ese propósito, 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 creado por los Deutsche Reichsbahn en los años 1980, porque en estas zonas no existía ningún sistema centralizado.
Alemania, Austria y Suiza operan el mayor sistema interconectado de 15 kV CA con generación central y plantas convertidoras centrales y locales.
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). La T-bane y los tranvías de Oslo utilizan energía de 750 V CC.
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 DC), el metro de Estocolmo (650 V y 750 V DC) y los tranvías (750 V DC). El puente de Oresund que une Suecia y Dinamarca está electrificado a 25 kV , estándar danés; La división se encuentra en el lado sueco, cerca del puente. Sólo los trenes de dos sistemas (o trenes diésel; poco común) pueden pasar el punto.