El motor de tracción - Traction motor
Un motor de tracción es un motor eléctrico que se utiliza para la propulsión de un vehículo, como locomotoras , vehículos eléctricos o de hidrógeno , ascensores o unidades eléctricas múltiples .
Los motores de tracción se utilizan en vehículos ferroviarios eléctricos ( unidades eléctricas múltiples ) y otros vehículos eléctricos, incluidos los flotadores de leche eléctricos , ascensores , montañas rusas , transportadores y trolebuses , así como vehículos con sistemas de transmisión eléctrica ( locomotoras diésel-eléctricas , vehículos híbridos eléctricos ) y vehículos eléctricos a batería .
Tipos de motores y control
Los motores de corriente continua con bobinados 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 alto par a velocidades más bajas para la aceleración del vehículo y disminuyendo el par a medida que aumenta la velocidad. Al disponer el devanado de campo con múltiples toques, la característica de velocidad se puede variar, lo que permite al operador un control relativamente suave de la aceleración. 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 velocidad más alta, estos motores se pueden operar en paralelo, lo que hace disponible un voltaje más alto en cada uno 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 voltaje más bajo cerca de estaciones donde solo se necesita un funcionamiento más lento.
Una variante del sistema de CC es el motor de la serie de CA, también conocido como motor universal , que es esencialmente el mismo dispositivo pero funciona con corriente alterna . Dado que tanto el inducido como la corriente de campo se invierten al mismo tiempo, el comportamiento del motor es similar al que tiene cuando se energiza con corriente continua. Para lograr mejores condiciones de operación, los ferrocarriles de CA a menudo se suministran con corriente a una frecuencia más baja que el suministro comercial utilizado para iluminación y energía general; Se utilizan centrales eléctricas de corriente de tracción especiales , o se utilizan convertidores rotativos para convertir la energía comercial de 50 o 60 Hz a la de 25 Hz o 16.+ Frecuencia de 2 ⁄ 3 Hz utilizada para motores de tracción de CA. 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 aparamenta en el vehículo.
Los motores de inducción de CA y los motores síncronos son simples y de bajo mantenimiento, pero su aplicación para motores de tracción es incómoda 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 motores de inducción resistentes sin piezas de desgaste como escobillas y conmutadores.
Aplicaciones de transporte
Vehiculos de carretera
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 (impulsados por motores de combustión interna , baterías o pilas de combustible ); una ventaja del uso de máquinas eléctricas es que tipos específicos pueden regenerar energía (es decir, actuar como regenerador freno ): proporciona desaceleración y aumenta la eficiencia general al cargar el paquete de baterías.
Vias ferreas
Tradicionalmente, estos eran motores de CC con escobillas bobinados en serie , que generalmente funcionaban con aproximadamente 600 voltios. La disponibilidad de semiconductores de alta potencia ( tiristores e IGBT ) ha hecho ahora práctico el uso de motores de inducción de CA mucho más simples y de mayor confiabilidad conocidos como motores de tracción asíncronos. Los motores de CA síncronos también se utilizan ocasionalmente, como en el TGV francés .
Montaje de motores
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 que se usaban en las locomotoras de vapor . Algunos ejemplos son el Pennsylvania Railroad DD1 , FF1 y L5 y los diversos cocodrilos suizos . Ahora 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 un "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 pista. En el caso del famoso ferrocarril de Pensilvania GG1 , dos motores montados en bogie impulsaban cada eje a través de un mecanismo de clavija . Las locomotoras eléctricas " bipolares " construidas por General Electric para Milwaukee Road tenían motores de transmisión directa. El eje giratorio del motor también era el eje de las ruedas. En el caso de los vehículos eléctricos TGV franceses , un motor montado en el bastidor del vehículo motorizado impulsa cada eje; una transmisión 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 coche motorizado, en lugar de en el bogie, se obtiene una mejor dinámica, lo que permite un mejor funcionamiento a alta velocidad.
Bobinados
El motor de CC fue el pilar de los accionamientos de tracción eléctrica en locomotoras eléctricas y diésel-eléctricas, tranvías / tranvías y plataformas de perforación diésel eléctricas durante muchos años. Consta de dos partes, una armadura giratoria y devanados de campo fijo que rodean la armadura giratoria montada alrededor de un eje. Los devanados de campo fijo constan de bobinas de alambre enrolladas apretadamente dentro de la carcasa del motor. La armadura es otro conjunto de bobinas enrolladas alrededor de un eje central y está conectado 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 de flujo de corriente. Cuando el inducido 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 resistencia baja 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 alta corriente es que los campos magnéticos dentro del motor son fuertes, produciendo un alto par (fuerza de giro), por lo que es ideal para arrancar un tren. La desventaja es que la corriente que fluye hacia el motor debe ser limitada, de lo contrario, el suministro podría sobrecargarse o el motor y su cableado podrían resultar dañados. En el mejor de los casos, el par excedería la adherencia y las ruedas motrices patinarían. Tradicionalmente, se usaban resistencias para limitar la corriente inicial.
Control de poder
A medida que el motor de CC comienza a girar, la interacción de los campos magnéticos en el 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 los dos. A medida que el motor acelera, el voltaje generado internamente aumenta, la EMF resultante cae, menos corriente pasa a través del motor y el par cae. El motor deja de acelerar naturalmente cuando la resistencia del tren coincide con el par producido por los motores. Para continuar acelerando el tren, las resistencias en serie se apagan paso a paso, 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 golpes bajo el piso, cada uno acompañado de una sacudida de aceleración a medida que el par aumenta repentinamente en respuesta a la nueva oleada 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 el arrastre es mayor que el par y la reducción en 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 el nuevo arrastre. . El uso de la resistencia en serie fue un desperdicio porque se perdió mucha energía en forma de calor. Para reducir estas pérdidas, las locomotoras y trenes eléctricos (antes del advenimiento de la electrónica de potencia ) también estaban equipados normalmente para el control en serie-paralelo .
Las locomotoras que funcionaban con fuentes de alimentación de CA (utilizando motores universales como motores de tracción) también podrían 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 de Pennsylvania Railroad fue un ejemplo de tal locomotora.
Frenado dinámico
Si el tren comienza a descender una pendiente, la velocidad aumenta porque la resistencia (reducida) es menor que el par. Con una mayor velocidad, el voltaje de EMF inverso generado internamente aumenta, reduciendo el par hasta que el par nuevamente equilibra la resistencia. Debido a que la corriente de campo se reduce por el EMF trasero en un motor bobinado en serie, no hay velocidad a la que el EMF trasero exceda el voltaje de suministro y, por lo tanto, un motor de tracción de CC de bobinado en serie único por sí solo no puede proporcionar frenado dinámico o regenerativo.
Sin embargo, se aplican varios esquemas para proporcionar una fuerza de retardo utilizando los motores de tracción. La energía generada puede ser devuelta al suministro (frenado regenerativo) o disipada por resistencias incorporadas (frenado dinámico). Tal sistema puede llevar la carga a una velocidad baja, requiriendo relativamente poca fricción de frenado para detener la carga por completo.
Aceleración automática
En un tren eléctrico, el conductor del tren originalmente tenía que controlar manualmente el corte de la resistencia, pero en 1914 se estaba utilizando la aceleración automática. Esto se logró mediante un relé de aceleración (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 tenía que hacer el conductor era seleccionar velocidad baja, media o máxima (llamada "serie", "paralelo" y "derivación" por la forma en que los motores estaban conectados en el circuito de resistencia) y el equipo automático haría el resto.
Clasificación
Las locomotoras eléctricas suelen tener una clasificación continua y de una hora . La clasificación de una hora es la potencia máxima que los motores pueden desarrollar continuamente durante un período de 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 el inducido, 180 ° C para el estator y 105 ° C para el colector. La clasificación de una hora es típicamente un diez por ciento 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 engranajes reductores para transferir el par de la armadura del motor al eje impulsado, la carga real colocada en el motor varía con la relación de transmisión. De lo contrario, los motores de tracción "idénticos" pueden tener una capacidad de carga significativamente diferente. Un motor de tracción adaptado para el transporte de mercancías con una relación de transmisión baja producirá de forma segura un par más alto en las ruedas durante un período más largo al mismo nivel de corriente porque las velocidades más bajas le dan al motor una mayor ventaja mecánica.
En las locomotoras diesel-eléctricas y de turbina de gas-eléctricas , la potencia nominal de los motores de tracción suele ser alrededor del 81% de la del motor principal . Esto supone que el generador eléctrico convierte el 90% de la salida del motor en energía eléctrica y los motores de tracción convierten el 90% de esta energía eléctrica de nuevo en energía mecánica. Cálculo: 0,9 × 0,9 = 0,81
Los valores nominales de los motores de tracción individuales suelen oscilar entre los 1.600 kW (2.100 hp).
Otro factor importante cuando se diseñan o especifican motores de tracción es la velocidad operativa. El inducido del motor tiene una velocidad de rotación segura máxima a la que los devanados permanecerán en su lugar de forma segura o por debajo de ella.
Por encima de esta velocidad máxima, la fuerza centrífuga sobre el inducido hará que los devanados salgan disparados hacia afuera. En casos severos, esto puede conducir a un "nido de pájaro" cuando los devanados entran en contacto con la carcasa del motor y finalmente se desprenden del inducido por completo y se desenrollan.
El anidamiento de pájaros (la expulsión centrífuga de los devanados de la armadura) debido al exceso de velocidad puede ocurrir 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 con engranajes incorrectos 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 de bobinado han sido dañados por el abuso anterior.
Enfriamiento
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 diesel-eléctricas de EE. UU. Consisten en un ventilador de accionamiento eléctrico que sopla aire en un pasaje integrado en el bastidor de la locomotora. Los conductos de enfriamiento de goma conectan el paso a 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.
Fabricantes
Ver también
Referencias
Bibliografía
- Ferrocarriles británicos (1962). "Sección 13: Control de tracción". Manual de tracción diesel para maquinistas (1ª ed.). Comisión de Transporte Británica. págs. 172–189.
- Bolton, William F. (1963). Manual Diesel del ferroviario (4ª ed.). págs. 107-111, 184-190.
enlaces externos
- "Deconstrucción de un motor de tracción - Associated Rewinds (Ireland) Limited"
- Imagen de un motor de tracción montado en el morro de un [[R46 (vagón del metro de la ciudad de Nueva York) | R46 Vagón del metro de la ciudad de Nueva York. El motor se puede ver claramente detrás del eje con la caja de cambios con la inscripción en el centro.]
- Otro motor de tracción montado en el morro de un coche destrozado [[R38 (vagón del metro de la ciudad de Nueva York) | R38 ].
- Taller de reparación de camiones de Coney Island; muchas imágenes sobre motores de tracción
- Camión independiente con motores de tracción.