Un motor de tracción es un motor eléctrico utilizado para la propulsión de un vehículo, como locomotoras , vehículos eléctricos o de hidrógeno o trenes eléctricos de unidades múltiples .
Los motores de tracción se utilizan en vehículos ferroviarios propulsados eléctricamente ( unidades múltiples eléctricas ) y otros vehículos eléctricos, incluidos camiones lecheros eléctricos , trolebuses , ascensores , montañas rusas y sistemas de transporte , así como vehículos con sistemas de transmisión eléctrica ( locomotoras diésel-eléctricas , vehículos híbridos eléctricos ) y vehículos eléctricos de batería .
Los motores de corriente continua con devanados de campo en serie son el tipo más antiguo de motores de tracción . Estos proporcionan una característica de velocidad-par útil para la propulsión, proporcionando un par alto a velocidades más bajas para la aceleración del vehículo y un par decreciente a medida que aumenta la velocidad. Al disponer el devanado de campo con múltiples tomas, se puede variar la característica de velocidad, lo que permite un control relativamente suave de la aceleración por parte del operador. Se proporciona una medida adicional de control mediante el uso de pares de motores en un vehículo en control serie-paralelo ; para un funcionamiento lento o cargas pesadas, se pueden hacer funcionar dos motores en serie con el suministro de corriente continua. Cuando se desea una mayor velocidad, estos motores se pueden operar en paralelo, lo que hace que haya un voltaje más alto disponible en cada motor y, por lo tanto, permite velocidades más altas. Partes de un sistema ferroviario pueden usar diferentes voltajes, con voltajes más altos en recorridos largos entre estaciones y voltajes más bajos cerca de las estaciones donde solo se necesita un funcionamiento más lento.
Una variante del sistema de CC es el motor de serie de CA, también conocido como motor universal , que es esencialmente el mismo dispositivo pero funciona con corriente alterna . Dado que tanto la corriente de inducido como la de campo se invierten al mismo tiempo, el comportamiento del motor es similar al que se produce cuando se alimenta con corriente continua. Para lograr mejores condiciones de funcionamiento, los ferrocarriles de CA suelen recibir corriente a una frecuencia más baja que la del suministro comercial utilizado para la iluminación y la energía generales; se utilizan centrales eléctricas especiales con corriente de tracción o convertidores rotativos para convertir la energía comercial de 50 o 60 Hz a la de 25 o 16 Hz.+Frecuencia de 2 ⁄ 3 Hz utilizada para motores de tracción de CA. Debido a que permite el uso simple de transformadores , el sistema de CA permite una distribución eficiente de la energía a lo largo de una línea ferroviaria y también permite el control de velocidad con un cuadro de distribución en el vehículo.
Los motores de inducción de CA y los motores síncronos son simples y requieren poco mantenimiento, pero hasta la llegada de los semiconductores de potencia , eran difíciles de aplicar a los motores de tracción debido a su característica de velocidad fija. Un motor de inducción de CA genera cantidades útiles de energía solo en un rango de velocidad estrecho determinado por su construcción y la frecuencia de la fuente de alimentación de CA. La llegada de los semiconductores de potencia ha hecho posible instalar un variador de frecuencia en una locomotora; esto permite una amplia gama de velocidades, transmisión de energía de CA y el uso de motores de inducción resistentes que no tienen piezas de desgaste como escobillas y conmutadores. [1]
Tradicionalmente, los vehículos de carretera (automóviles, autobuses y camiones) han utilizado motores diésel y de gasolina con un sistema de transmisión mecánico o hidráulico. En la última parte del siglo XX, comenzaron a desarrollarse vehículos con sistemas de transmisión eléctrica (alimentados por motores de combustión interna , baterías o celdas de combustible ). Una ventaja de usar máquinas eléctricas es que tipos específicos pueden regenerar energía (es decir, actuar como un freno regenerativo ), lo que proporciona desaceleración y aumenta la eficiencia general al cargar el paquete de baterías.
Tradicionalmente, se trataba de motores de corriente continua con escobillas y bobinados en serie , que normalmente funcionaban con unos 600 voltios. La disponibilidad de semiconductores de alta potencia ( tiristores e IGBT ) ha hecho que ahora sea práctico el uso de motores de inducción de corriente alterna mucho más sencillos y fiables, conocidos como motores de tracción asíncronos. También se utilizan ocasionalmente motores de corriente alterna síncronos , como en el TGV francés .
Antes de mediados del siglo XX, se utilizaba a menudo un único motor de gran tamaño para impulsar varias ruedas motrices a través de bielas que eran muy similares a las que se utilizaban en las locomotoras de vapor . Algunos ejemplos son las locomotoras DD1 , FF1 y L5 de Pennsylvania Railroad y las diversas Swiss Crocodile . Ahora es una práctica habitual proporcionar un motor de tracción que impulse cada eje a través de una transmisión por engranajes.
Por lo general, el motor de tracción está suspendido en tres puntos entre el bastidor del bogie y el eje motriz; esto se conoce como un "motor de tracción suspendido en la punta". El problema con este tipo de disposición es que una parte del peso del motor no está suspendido , lo que aumenta las fuerzas no deseadas en la vía. En el caso del famoso ferrocarril de Pensilvania GG1 , dos motores montados en el bastidor impulsaban cada eje a través de un mecanismo de accionamiento por eje . Las locomotoras eléctricas " Bi-Polar " construidas por General Electric para Milwaukee Road tenían motores de accionamiento directo. El eje giratorio del motor también era el eje de las ruedas. En el caso de los vagones de motor franceses TGV , un motor montado en el bastidor del vagón de motor impulsa cada eje; un mecanismo de "trípode" permite una pequeña cantidad de flexibilidad en el tren de transmisión, lo que permite que los bogies de los camiones pivoten. Al montar el motor de tracción relativamente pesado directamente en el bastidor del vagón de motor, en lugar de en el bogie, se obtiene una mejor dinámica, lo que permite un mejor funcionamiento a alta velocidad. [2]
El motor de corriente continua fue el pilar de los sistemas de tracción eléctrica en locomotoras eléctricas y diésel-eléctricas, tranvías y plataformas de perforación diésel-eléctricas durante muchos años. Consta de dos partes, una armadura giratoria y devanados de campo fijos que rodean la armadura giratoria montada alrededor de un eje. Los devanados de campo fijos consisten en bobinas de alambre enrolladas firmemente dentro de la carcasa del motor. La armadura es otro conjunto de bobinas enrolladas alrededor de un eje central y está conectada a los devanados de campo a través de "escobillas", que son contactos cargados por resorte que presionan contra una extensión de la armadura llamada conmutador . El conmutador recoge todas las terminaciones de las bobinas de la armadura y las distribuye en un patrón circular para permitir la secuencia correcta de flujo de corriente. Cuando la armadura y los devanados de campo están conectados en serie, el motor completo se conoce como "devanado en serie". Un motor de corriente continua devanado en serie tiene un circuito de armadura y campo de baja resistencia. Por este motivo, cuando se le aplica tensión, la corriente es alta debido a la ley de Ohm . La ventaja de una corriente alta es que los campos magnéticos en el interior del motor son fuertes, produciendo un par elevado (fuerza de giro), por lo que es ideal para arrancar un tren. La desventaja es que hay que limitar la corriente que fluye hacia el motor, ya que de lo contrario se podría sobrecargar la alimentación o dañar el motor y su cableado. En el mejor de los casos, el par superaría la adherencia y las ruedas motrices patinarían. Tradicionalmente, se utilizaban resistencias para limitar la corriente inicial.
A medida que el motor de CC comienza a girar, la interacción de los campos magnéticos en su interior hace que genere un voltaje internamente. Esta fuerza contraelectromotriz (CEMF) se opone al voltaje aplicado y la corriente que fluye está gobernada por la diferencia entre los dos. A medida que el motor aumenta la velocidad, el voltaje generado internamente aumenta, la FME resultante disminuye, pasa menos corriente a través del motor y el par disminuye. El motor deja de acelerar naturalmente cuando la resistencia del tren coincide con el par producido por los motores. Para continuar acelerando el tren, se cambian las resistencias en serie paso a paso, y cada paso aumenta el voltaje efectivo y, por lo tanto, la corriente y el par durante un poco más de tiempo hasta que el motor se pone al día. Esto se puede escuchar y sentir en los trenes de CC más antiguos como una serie de ruidos metálicos debajo del piso, cada uno acompañado de un tirón de aceleración a medida que el par aumenta repentinamente en respuesta al nuevo aumento de corriente. Cuando no quedan resistencias en el circuito, se aplica voltaje de línea completo directamente al motor. La velocidad del tren permanece constante en el punto en el que el par del motor, gobernado por el voltaje efectivo, es igual a la resistencia, lo que a veces se denomina velocidad de equilibrio. Si el tren comienza a subir una pendiente, la velocidad disminuye porque la resistencia es mayor que el par y la reducción de la velocidad hace que la CEMF caiga y, por lo tanto, el voltaje efectivo aumente, hasta que la corriente a través del motor produce suficiente par para igualar la nueva resistencia. El uso de resistencia en serie era un desperdicio porque se perdía mucha energía en forma de calor. Para reducir estas pérdidas, las locomotoras y los trenes eléctricos (antes de la llegada de la electrónica de potencia ) normalmente también estaban equipados para el control en serie-paralelo .
Las locomotoras que funcionaban con fuentes de alimentación de corriente alterna (utilizando motores universales como motores de tracción) también podían aprovechar los cambiadores de tomas en sus transformadores para variar el voltaje aplicado a los motores de tracción sin las pérdidas inherentes a las resistencias. La locomotora de la clase GG1 de Pennsylvania Railroad era un ejemplo de este tipo de locomotora.
Si el tren comienza a descender una pendiente, la velocidad aumenta porque la resistencia (reducida) es menor que el par motor. Con el aumento de la velocidad, el voltaje de fuerza contraelectromotriz generado internamente aumenta, lo que reduce el par motor hasta que este vuelve a equilibrar la resistencia. Debido a que la fuerza contraelectromotriz reduce la corriente de campo en un motor devanado en serie, no hay velocidad a la que la fuerza contraelectromotriz supere el voltaje de suministro y, por lo tanto, un motor de tracción de CC devanado en serie por sí solo no puede proporcionar frenado dinámico o regenerativo.
Sin embargo, existen varios esquemas aplicados para proporcionar una fuerza de retardo utilizando los motores de tracción. La energía generada puede devolverse a la fuente de alimentación (frenado regenerativo) o disiparse mediante resistencias incorporadas (frenado dinámico). Un sistema de este tipo puede reducir la velocidad de la carga, requiriendo un frenado con relativamente poca fricción para detenerla por completo.
En un tren eléctrico , el conductor o maquinista originalmente tenía que controlar la desconexión de la resistencia manualmente, pero en 1914 se empezó a utilizar la aceleración automática. Esto se lograba mediante un relé de aceleración (a menudo llamado "relé de entalla") en el circuito del motor que monitoreaba la caída de corriente a medida que se desconectaba cada paso de resistencia. Todo lo que tenía que hacer el conductor era seleccionar velocidad baja, media o máxima (llamadas "serie", "paralelo" y "derivación" por la forma en que estaban conectados los motores en el circuito de resistencia) y el equipo automático hacía el resto.
Las locomotoras eléctricas suelen tener una potencia nominal continua y una potencia nominal de una hora . La potencia nominal de una hora es la potencia máxima que los motores pueden desarrollar de forma continua durante una hora sin sobrecalentarse. Dicha prueba comienza con los motores a +25 °C (y el aire exterior utilizado para la ventilación también a +25 °C). En la URSS, según GOST 2582-72 con aislamiento de clase N, las temperaturas máximas permitidas para los motores de CC eran 160 °C para la armadura, 180 °C para el estator y 105 °C para el colector. [3] La potencia nominal de una hora suele ser aproximadamente un 10 % superior a la potencia nominal continua y está limitada por el aumento de temperatura en el motor.
Como los motores de tracción utilizan una configuración de engranajes reductores para transferir el par desde la armadura del motor al eje motriz, la carga real que se coloca sobre el motor varía con la relación de engranajes. De lo contrario, los motores de tracción "idénticos" pueden tener una capacidad de carga significativamente diferente. Un motor de tracción diseñado para el transporte de mercancías con una relación de engranajes baja producirá de forma segura un mayor par en las ruedas durante un período más prolongado con el mismo nivel de corriente porque los engranajes más bajos le dan al motor una mayor ventaja mecánica.
En las locomotoras diésel-eléctricas y las locomotoras de turbina de gas-eléctricas , la potencia nominal de los motores de tracción suele rondar el 81 % de la del motor principal . Esto supone que el generador eléctrico convierte el 90 % de la potencia del motor en energía eléctrica y los motores de tracción convierten el 90 % de esta energía eléctrica nuevamente en energía mecánica. [ cita requerida ] Cálculo: 0,9 × 0,9 = 0,81
Las potencias nominales de los motores de tracción individuales suelen alcanzar los 1.600 kW (2.100 hp).
Otro factor importante a la hora de diseñar o especificar motores de tracción es la velocidad de funcionamiento. La armadura del motor tiene una velocidad de rotación máxima segura, igual o inferior a la cual los devanados permanecerán en su lugar de forma segura.
Por encima de esta velocidad máxima, la fuerza centrífuga sobre la armadura hará que los devanados salgan despedidos hacia afuera. En casos graves, esto puede provocar un "anidamiento" cuando los devanados entran en contacto con la carcasa del motor y, finalmente, se desprenden por completo de la armadura y se desenrollan.
El efecto nido de pájaro (la expulsión centrífuga de los devanados de la armadura) debido al exceso de velocidad puede ocurrir tanto en los motores de tracción en funcionamiento de locomotoras motorizadas como en los motores de tracción de locomotoras que no funcionan en su estado original y que se transportan en un tren que viaja demasiado rápido. Otra causa es la sustitución de motores de tracción desgastados o dañados por unidades con engranajes incorrectos para la aplicación.
Los daños por sobrecarga y sobrecalentamiento también pueden causar anidamiento por debajo de las velocidades nominales cuando el conjunto de la armadura y los soportes y retenedores del devanado han sido dañados por el abuso previo.
Debido a los altos niveles de potencia involucrados, los motores de tracción casi siempre se enfrían con aire forzado, agua o un líquido dieléctrico especial .
Los sistemas de refrigeración típicos de las locomotoras diésel-eléctricas estadounidenses consisten en un ventilador eléctrico que impulsa aire hacia un conducto integrado en el bastidor de la locomotora. Los conductos de refrigeración de goma conectan el conducto con los motores de tracción individuales y el aire de refrigeración se desplaza hacia abajo y a través de las armaduras antes de ser expulsado a la atmósfera.
