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 eléctricos ( unidades eléctricas múltiples ) y otros vehículos eléctricos , incluidos flotadores de leche , trolebuses , ascensores , montañas rusas y sistemas de transporte eléctricos, así como vehículos con sistemas de transmisión eléctrica ( locomotoras diésel-eléctricas , híbridos eléctricos ). vehículos ), 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 al operador un control de aceleración relativamente suave. Otra medida de control se obtiene utilizando pares de motores en un vehículo en control serie-paralelo ; Para funcionamiento lento o cargas pesadas, se pueden hacer funcionar dos motores en serie con suministro de corriente continua. Cuando se desea una velocidad más alta, estos motores pueden funcionar en paralelo, lo que hace que haya un voltaje más alto disponible en cada motor y, por lo tanto, permite velocidades más altas. Algunas partes de un sistema ferroviario pueden utilizar diferentes voltajes, con voltajes más altos en tramos largos entre estaciones y voltajes más bajos cerca de las estaciones donde solo se necesita una operación más lenta.
Una variante del sistema de CC es el motor en serie de CA, también conocido como motor universal , que es esencialmente el mismo dispositivo pero funciona con corriente alterna . Dado que tanto la corriente del inducido como la del campo se invierten al mismo tiempo, el comportamiento del motor es similar al de cuando se energiza con corriente continua. Para lograr mejores condiciones operativas, los ferrocarriles de CA suelen recibir corriente a una frecuencia más baja que el suministro comercial utilizado para iluminación y energía general; Se utilizan centrales eléctricas de corriente de tracción especial , o convertidores rotativos utilizados para convertir energía comercial de 50 o 60 Hz a 25 Hz 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 energía a lo largo de una línea ferroviaria y también permite el control de velocidad con interruptores en el vehículo.
Los motores de inducción de CA y los motores síncronos son simples y de bajo 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 sólo 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 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 (coches, autobuses y camiones) han utilizado motores diésel y gasolina con sistema de transmisión mecánica o hidráulica. En la última parte del siglo XX, comenzaron a desarrollarse vehículos con sistemas de transmisión eléctrica (impulsados por motores de combustión interna , baterías o celdas de combustible ); una ventaja del uso de máquinas eléctricas es que tipos específicos pueden regenerar energía (es decir, actuar como un freno regenerativo ): proporciona desaceleración y aumenta la eficiencia general al cargar la batería.
Tradicionalmente, se trataba de motores de CC con escobillas bobinados en serie , que normalmente funcionaban con aproximadamente 600 voltios. La disponibilidad de semiconductores de alta potencia ( tiristores e IGBT ) ha hecho práctico el uso de motores de inducción de CA mucho más simples y de mayor confiabilidad conocidos como motores de tracción asíncronos. Ocasionalmente también se utilizan motores síncronos de corriente alterna , como en el TGV francés .
Antes de mediados del siglo XX, a menudo se usaba un solo motor grande para impulsar múltiples ruedas motrices a través de bielas que eran muy similares a las utilizadas en las locomotoras de vapor . Algunos ejemplos son los ferrocarriles de Pensilvania DD1 , FF1 y L5 y los distintos cocodrilos suizos . Actualmente es una práctica estándar 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 "motor de tracción suspendido en la nariz". El problema con tal disposición es que una parte del peso del motor no está suspendida , 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 accionamiento de pluma . Las locomotoras eléctricas " Bipolares " construidas por General Electric para Milwaukee Road tenían motores de tracción directa. El eje giratorio del motor era también el eje de las ruedas. En el caso de los coches de motor TGV franceses , un motor montado en el bastidor del coche de motor impulsa cada eje; una transmisión de "trípode" permite una pequeña cantidad de flexibilidad en el tren de transmisión, lo que permite que los bogies del camión giren. Al montar el motor de tracción relativamente pesado directamente en el bastidor del vehículo 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 durante muchos años el pilar de los accionamientos eléctricos de tracción en locomotoras eléctricas y diésel-eléctricas, tranvías y perforadoras diésel-eléctricas. 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 fijo consisten en bobinas de alambre apretadas colocadas 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 del inducido y las distribuye en un patrón circular para permitir la secuencia correcta del flujo de corriente. Cuando la armadura y los devanados de campo están conectados en serie, todo el motor se denomina "bobinado en serie". Un motor de CC bobinado en serie tiene un campo de baja resistencia y un circuito de armadura. Por esta razón, cuando se le aplica voltaje, la corriente es alta debido a la ley de Ohm . La ventaja de la corriente alta es que los campos magnéticos dentro del motor son fuertes y producen un par elevado (fuerza de giro), por lo que es ideal para arrancar un tren. La desventaja es que se debe limitar la corriente que fluye hacia el motor, 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.
Cuando el motor de CC comienza a girar, la interacción de los campos magnéticos del interior hace que genere un voltaje internamente. Esta fuerza contraelectromotriz (CEMF) se opone al voltaje aplicado y la corriente que fluye se rige por la diferencia entre ambos. A medida que el motor acelera, el voltaje generado internamente aumenta, la FEM resultante cae, pasa menos corriente a través del motor y el par cae. Naturalmente, el motor deja de acelerar cuando la resistencia del tren coincide con el par producido por los motores. Para continuar acelerando el tren, las resistencias en serie se desconectan paso a paso, cada paso aumenta el voltaje efectivo y, por lo tanto, la corriente y el par durante un poco más hasta que el motor alcanza el ritmo. Esto se puede escuchar y sentir en los trenes de corriente continua más antiguos como una serie de ruidos metálicos debajo del piso, cada uno de los cuales va acompañado de una sacudida de aceleración a medida que el par aumenta repentinamente en respuesta al nuevo aumento de corriente. Cuando no quedan resistencias en el circuito, el voltaje de línea completo se aplica directamente al motor. La velocidad del tren permanece constante en el punto donde 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 el 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 resistencias en serie fue un desperdicio porque se perdió mucha energía en forma de calor. Para reducir estas pérdidas, las locomotoras y los trenes eléctricos (antes de la aparición de la electrónica de potencia ) normalmente también estaban equipados para control en serie-paralelo .
Las locomotoras que funcionaban con fuentes de alimentación de CA (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 clase GG1 del Ferrocarril de Pensilvania fue 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. Al aumentar la velocidad, el voltaje back-EMF generado internamente aumenta, reduciendo el torque hasta que el torque nuevamente equilibra la resistencia. Debido a que la corriente de campo se reduce mediante la contraEMF en un motor bobinado en serie, no hay velocidad a la que la contraEMF exceda el voltaje de suministro y, por lo tanto, un motor de tracción de CC con bobinado en serie simple por sí solo no puede proporcionar frenado dinámico o regenerativo.
Sin embargo, se aplican varios esquemas para proporcionar una fuerza retardadora utilizando los motores de tracción. La energía generada puede devolverse al suministro (frenado regenerativo) o disiparse mediante resistencias integradas (frenado dinámico). Un sistema de este tipo puede llevar la carga a una velocidad baja, requiriendo relativamente poca fricción de frenado para detener la carga por completo.
En un tren eléctrico , originalmente el maquinista o maquinista tenía que controlar manualmente la reducción de la resistencia, pero en 1914 se empezó a utilizar la aceleración automática. Esto se lograba mediante un relé acelerador (a menudo llamado "relé de muesca") en el circuito del motor que monitoreaba la caída de corriente a medida que se cortaba cada paso de resistencia. Todo lo que el conductor tenía que hacer era seleccionar la velocidad baja, media o máxima (llamadas "serie", "paralelo" y "shunt" 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 habilitación continua y de una hora . La clasificación de una hora es la potencia máxima que los motores pueden desarrollar continuamente durante una hora sin sobrecalentarse. Una prueba de este tipo 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 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 clasificación de una hora suele ser aproximadamente un 10 % más alta que la clasificación continua y está limitada por el aumento de temperatura en el motor.
Como los motores de tracción utilizan una configuración de engranaje reductor para transferir el torque desde la armadura del motor al eje motriz, la carga real colocada sobre el motor varía con la relación de transmisión. De lo contrario, los motores de tracción "idénticos" pueden tener capacidades de carga significativamente diferentes. Un motor de tracción adaptado para uso de carga con una relación de transmisión baja producirá de manera segura un par más alto en las ruedas durante un período más largo al mismo nivel de corriente porque las marchas más bajas le dan al motor una mayor ventaja mecánica.
En las locomotoras diésel-eléctricas y de turbina de gas , la potencia nominal de los motores de tracción suele ser alrededor del 81% de la del motor primario . 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 necesaria ] Cálculo: 0,9 × 0,9 = 0,81
Las potencias de los motores de tracción individuales suelen oscilar hasta los 1.600 kW (2.100 hp).
Otro factor importante cuando se diseñan o especifican motores de tracción es la velocidad operativa. La armadura del motor tiene una velocidad de rotación máxima segura en o por debajo de 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 sean lanzados hacia afuera. En casos severos, esto puede provocar un "nido de pájaros" cuando los devanados entran en contacto con la carcasa del motor y eventualmente se desprenden por completo de la armadura y se desenrollan.
El anidamiento de pájaros (la expulsión centrífuga de los devanados de la armadura) debido al exceso de velocidad puede ocurrir ya sea en motores de tracción en funcionamiento de locomotoras motorizadas o en motores de tracción de locomotoras muertas que se transportan dentro de un tren que viaja demasiado rápido. Otra causa es el reemplazo de motores de tracción desgastados o dañados por unidades incorrectamente adaptadas para la aplicación.
Los daños por sobrecarga y sobrecalentamiento también pueden causar que los pájaros aniden 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 anterior.
Debido a los altos niveles de potencia involucrados, los motores de tracción casi siempre se enfrían usando aire forzado, agua o un líquido dieléctrico especial.
Los sistemas de refrigeración típicos de las locomotoras diésel-eléctricas estadounidenses consisten en un ventilador accionado eléctricamente que sopla aire a un conducto integrado en el bastidor de la locomotora. Los conductos de enfriamiento de caucho conectan el pasaje con los motores de tracción individuales y el aire de enfriamiento viaja hacia abajo y a través de las armaduras antes de ser expulsado a la atmósfera.
