El frenado dinámico es el uso de un motor de tracción eléctrico como generador para frenar un vehículo, como una locomotora eléctrica o diésel-eléctrica . Se denomina " reostático " si la energía eléctrica generada se disipa en forma de calor en las resistencias de la rejilla de freno , y " regenerativo " si la energía se devuelve a la línea de suministro. El frenado dinámico reduce el desgaste de los componentes de frenado basados en la fricción y la regeneración reduce el consumo neto de energía. El frenado dinámico también se puede utilizar en vagones de ferrocarril con unidades múltiples , vehículos ferroviarios ligeros , tranvías eléctricos , trolebuses y automóviles eléctricos e híbridos eléctricos .
La conversión de energía eléctrica en energía mecánica de un eje giratorio (motor eléctrico) es el proceso inverso de convertir la energía mecánica de un eje giratorio en energía eléctrica (generador eléctrico). Ambos se logran mediante las interacciones de los devanados de la armadura con un campo magnético externo (relativamente) móvil, con la armadura conectada a un circuito eléctrico con una fuente de alimentación (motor) o un receptor de energía (generador). Dado que la función del dispositivo de conversión de energía eléctrica/mecánica está determinada por qué interfaz (mecánica o eléctrica) proporciona o recibe energía, el mismo dispositivo puede cumplir la función de un motor o un generador. En el frenado dinámico, el motor de tracción cambia a la función de generador al cambiar de un circuito de alimentación a un circuito receptor mientras se aplica corriente eléctrica a las bobinas de campo que generan el campo magnético ( excitación ).
La cantidad de resistencia aplicada al eje giratorio (potencia de frenado) es igual a la tasa de generación de potencia eléctrica más cierta pérdida de eficiencia. Esto, a su vez, es proporcional a la fuerza del campo magnético, controlado por la corriente en las bobinas de campo, y la velocidad a la que la armadura y el campo magnético giran uno contra el otro, determinada por la rotación de las ruedas y la relación entre el eje de transmisión y la rotación de las ruedas. La cantidad de potencia de frenado se controla variando la fuerza del campo magnético a través de la cantidad de corriente en las bobinas de campo. Como la tasa de generación de potencia eléctrica, y a la inversa la potencia de frenado, son proporcionales a la velocidad a la que gira el eje de transmisión, se requiere un campo magnético más fuerte para mantener la potencia de frenado a medida que disminuye la velocidad y existe un límite inferior en el que el frenado dinámico puede ser efectivo dependiendo de la corriente disponible para la aplicación a las bobinas de campo.
Los dos métodos principales para gestionar la electricidad generada durante el frenado dinámico son el frenado reostático y el frenado regenerativo, como se describe a continuación.
En el caso de los motores de imán permanente, el frenado dinámico se consigue fácilmente poniendo en cortocircuito los terminales del motor, lo que hace que el motor se detenga de forma rápida y abrupta. Sin embargo, este método disipa toda la energía en forma de calor en el propio motor, por lo que no se puede utilizar en nada que no sean aplicaciones intermitentes de baja potencia debido a limitaciones de refrigeración, como en las herramientas eléctricas inalámbricas. No es adecuado para aplicaciones de tracción.
La energía eléctrica producida por los motores se disipa en forma de calor mediante un banco de resistencias integrado , denominado rejilla de frenado . Se necesitan grandes ventiladores de refrigeración para proteger las resistencias de daños. Los sistemas modernos cuentan con un control térmico, de modo que si la temperatura del banco se vuelve excesiva, se apagará y el frenado volverá a ser únicamente por fricción .
En los sistemas electrificados se emplea el proceso de frenado regenerativo , mediante el cual la corriente producida durante el frenado se devuelve al sistema de suministro de energía para que la utilicen otras unidades de tracción, en lugar de desperdiciarse en forma de calor. Es una práctica normal incorporar tanto el frenado regenerativo como el reostático en los sistemas electrificados. Si el sistema de suministro de energía no es "receptivo" , es decir, no puede absorber la corriente, el sistema pasará por defecto al modo reostático para proporcionar el efecto de frenado.
En la actualidad, se encuentran disponibles locomotoras de patio con sistemas de almacenamiento de energía a bordo que permiten recuperar parte de la energía que, de otro modo, se desperdiciaría en forma de calor. El modelo Green Goat , por ejemplo, lo utilizan Canadian Pacific Railway , BNSF Railway , Kansas City Southern Railway y Union Pacific Railroad .
En las locomotoras de pasajeros modernas equipadas con inversores de CA que tiran de trenes con cargas de potencia en la cabecera (HEP) suficientes, la energía de frenado se puede utilizar para alimentar los sistemas de a bordo del tren mediante frenado regenerativo si el sistema de electrificación no es receptivo o incluso si la vía no está electrificada de antemano. La carga HEP en los trenes de pasajeros modernos es tan grande que algunas locomotoras eléctricas nuevas, como la ALP-46, se diseñaron sin las rejillas de resistencia tradicionales.
El frenado dinámico por sí solo no es suficiente para detener una locomotora, ya que su efecto de frenado disminuye rápidamente por debajo de unas 10 a 12 millas por hora (16 a 19 km/h). Por lo tanto, siempre se utiliza junto con otra forma de frenado, como un freno de aire . El uso de ambos sistemas de frenado al mismo tiempo se denomina frenado combinado . Las baterías de iones de litio también se han utilizado para almacenar energía para su uso en la detención completa de trenes. [1]
Aunque el frenado combinado combina el frenado dinámico y el de aire, la fuerza de frenado resultante está diseñada para ser la misma que la que proporcionan los frenos de aire por sí solos. Esto se logra maximizando la parte del frenado dinámico y regulando automáticamente la parte del freno de aire, porque el objetivo principal del frenado dinámico es reducir la cantidad de frenado de aire necesario. Eso conserva el aire y minimiza los riesgos de sobrecalentamiento de las ruedas. Un fabricante de locomotoras, Electro-Motive Diesel (EMD), estima que el frenado dinámico proporciona entre el 50% y el 70% de la fuerza de frenado durante el frenado combinado.
Un tercer método de frenado eléctrico es el frenado por enchufe o "bloqueo", en el que se aplica un par inverso durante un breve período de tiempo. Es la forma más rápida de frenado eléctrico, pero tiene la desventaja de aplicar tensiones transitorias significativas a los motores y los componentes mecánicos. Normalmente es abrupto y "a tirones", [2] el equivalente de frenado de un "tirón" en movimiento hacia adelante, y el frenado por enchufe nunca se aplica en aplicaciones de tracción eléctrica. No obstante, se ha aplicado ampliamente a aplicaciones como accionamientos de recorrido largo y transversal de grúas puente alimentadas por corriente continua y corriente alterna ; los accionamientos de elevación en dichas grúas suelen utilizar frenado reostático. Los accionamientos de inversión con frenado por enchufe (intencionado) suelen utilizar control reostático para la aceleración y siempre tienen resistencia en el circuito del motor, cuando se aplica la ruptura por enchufe, para limitar el par inverso (de frenado). El bloqueo se consigue normalmente moviendo el controlador, brevemente, al primer paso de la dirección opuesta y luego de nuevo a la posición de apagado. Una vez que se alcanza la velocidad cero, se debe dejar de conectar el motor para evitar que el accionamiento funcione en sentido inverso, y esta función puede proporcionarse automáticamente mediante un "relé de conexión". La conexión no se adapta bien a los accionamientos controlados por inversor; se está volviendo menos común y se desaconseja activamente en la operación de grúas modernas. [3] [4] [5]
Es posible utilizar las rejillas de freno como una especie de dinamómetro o banco de carga para realizar una prueba de carga propia de la potencia de salida de una locomotora. Con la locomotora parada, la salida del generador principal (MG) se conecta a las rejillas en lugar de a los motores de tracción. Las rejillas normalmente son lo suficientemente grandes como para absorber toda la potencia de salida del motor, que se calcula a partir de la tensión y la corriente de salida del MG.
Las locomotoras diésel con transmisión hidráulica pueden estar equipadas con frenado hidrodinámico. En este caso, el convertidor de par o el acoplamiento hidráulico actúa como un retardador de la misma manera que un freno de agua . La energía de frenado calienta el fluido hidráulico y el calor se disipa (a través de un intercambiador de calor) por el radiador de refrigeración del motor. El motor estará en ralentí (y producirá poco calor) durante el frenado, por lo que el radiador no se sobrecarga.
