Los sistemas ferroviarios dependen de un suministro constante de CC para alimentar sus motores y los circuitos de control/energía. Estos sistemas de tracción de CC son más eficientes desde el punto de vista energético que sus contrapartes a base de carbón, gas o diésel y, al mismo tiempo, reducen las emisiones de CO2. Los convertidores CC/CC desempeñan un papel crucial en la mejora de la eficiencia energética y la calidad de la energía para los ferrocarriles. Los componentes electrónicos utilizados en estas aplicaciones estarán sujetos a temperaturas extremas, humedad, vibraciones y golpes mecánicos. Como tales, requieren un alto grado de integridad eléctrica y estructural para poder soportar estas condiciones y operar de manera óptima.

En este artículo hablaremos de los requisitos de los convertidores CC/CC en los sistemas ferroviarios, además de una descripción general de los ferrocarriles de corriente constante, cómo se utilizan los convertidores CC/CC en estos sistemas y los estándares que permiten que estos dispositivos funcionen independientemente de las condiciones.

Una mirada a los sistemas ferroviarios eléctricos de CC

Los primeros sistemas de electrificación ferroviaria se basaban en CC de bajo voltaje donde el suministro lo proporcionaban rectificadores de diodos en subestaciones de tracción (TS) a lo largo de la vía, con energía distribuida a los motores del tren utilizando una fuente de alimentación para las líneas aéreas y los rieles. Las tensiones más comunes para los sistemas de tracción son 600V para los sistemas subterráneos y tranvías más antiguos, los sistemas de 750V en los nuevos metros y los 1500V utilizados por las líneas más suburbanas. Los grandes sistemas de 3000V también se utilizan en redes suburbanas.

Tendencias para los sistemas ferroviarios eléctricos de CC

Existe una tendencia general a que los sistemas ferroviarios aumenten constantemente en tensión y eficiencia. El aumento de voltaje permite una disminución de la corriente cuando son suficientes cables de mayor calibre (más delgados). Los sistemas de voltaje más bajo requerirán un nivel de corriente alto, lo que conduce a cableado más grueso y distancias cortas entre subestaciones. El aumento de la eficiencia energética reduce tanto las emisiones de CO2 como la reducción del consumo energético de la instalación. La reutilización de energía también se puede emplear a través del frenado regenerativo donde la energía cinética del rotor se convierte en electricidad y se envía de regreso a la fuente de alimentación.

Cómo se utilizan los convertidores CC/CC en los sistemas ferroviarios

El frenado regenerativo se basa en el uso de un gran convertidor bidireccional CC/CC para devolver energía al banco de baterías o al sistema de almacenamiento de energía (ESS) desde la línea de alimentación. En los ferrocarriles modernos es necesaria una conversión de CC más pequeña para distribuir un suministro continuo de energía a todos los dispositivos y subsistemas electrónicos dentro del vagón. Estos sistemas auxiliares incluyen sistemas críticos de tensiones más altas, como los controles del motor, controles de accionamiento de motor y sistemas de frenado, así como sistemas secundarios de voltaje más bajo que incluyen iluminación, carga de batería, lámpara indicadora, pantallas de información, y abrepuertas eléctricos. La solución convencional a menudo implica el uso de un filtro de entrada, un inversor trifásico y un transformador de baja frecuencia para proporcionar aislamiento eléctrico entre el voltaje de la línea aérea y el equipo de suministro de energía auxiliar. Por lo general, este transformador es grande y voluminoso, lo que agrega masa adicional a una aplicación que ya tiene limitaciones de espacio y peso. En su lugar, se pueden utilizar convertidores CC/CC aislados para cumplir con los requisitos de tamaño, peso y potencia de las aplicaciones ferroviarias modernas. El objetivo es convertir el alto voltaje de entrada de 750V, 1500V y/o 3000V en una salida regulada de 24, 28, 36, 48, 72, 96 o 110V.

La distribución de energía dentro del tren desde el suministro principal también requiere una cadena de conversión de CC a CC a los sistemas secundarios. Como se indicó anteriormente, las tensiones nominales de entrada pueden variar desde 24V hasta 110V; a partir de ahí es necesaria una salida regulada de 3,3, 5, 12, 15 o 24V. La norma europea EN 50155 para equipos eléctricos ferroviarios exige que la tensión nominal de entrada pueda fluctuar entre 0,7 y 1,25 veces la tensión nominal. La norma también permite desviaciones a corto plazo entre 0,6 y 1,4 veces la tensión de entrada nominal.

En otras palabras, un sistema de 110V requeriría un rango de tension continua entre 67,2V y 120V, al igual que un rango de voltaje de fluctuación de 66 voltios a 154 voltios. Los convertidores CC/CC pueden admitir amplios rangos de entrada para cubrir más de una tension nominal de entrada. Por ejemplo, un convertidor para tensiones de entrada ferroviarios comunes de 72V y 110V necesitaría un rango de tensión de entrada operativo de 43,2V a 154V (consulte la Tabla 1). Desde Electrónica OLFER Y P-DUKE ofrecemos las series RHKW, RHMW y RHDW, convertidores CC/CC para aplicaciones ferroviarias e industriales. Todos estos dispositivos ofrecen 3000Vca de aislamiento reforzado, así como un amplio rango de entrada de 36V a 160V, lo que permite su uso en aplicaciones ferroviarias de 72V, 96V y 110V.

Consideraciones sobre transformadores en convertidores aislados

Los convertidores de CC/CC aislados aprovecharán un transformador para proporcionar aislamiento galvánico entre la entrada y la salida del dispositivo. Por lo general, la conversión de CC a CC se logra primero transformando la señal a CA con un inversor, enviando la señal a través de un transformador y luego a través de un rectificador para una salida de CC regulada (de modo que no haya una ruta metálica o conductora entre el dos partes del circuito). La cantidad de aislamiento depende de las distancias de aislamiento y de fuga, a menudo definidas rigurosamente por las normas pertinentes. El espacio libre es la distancia a través del aire entre dos conductores, mientras que la fuga es la distancia a lo largo de la superficie entre dos conductores. La distancia de separación evitará la formación de arcos y la distancia de fuga mitiga la posibilidad de que se produzca un cortocircuito en caso de que la superficie se contamine y sea conductora.

El transformador y la cantidad de transformaciones de CC a CA (y viceversa) limitarán el nivel de eficiencia que puede lograr el convertidor. La barrera de aislamiento evita que la salida se controle directamente para una mejor regulación. También se debe tener en cuenta la eficiencia del transformador, que puede limitar la eficiencia del propio convertidor. El diseño del transformador patentado de P-DUKE y distribuidos en España y Portugal por Electrónica OLFER permiten el funcionamiento con eficiencias de hasta el 90,5%, incluso con sus distancias de fuga y holgura de 4,5 mm (Figura 1).

Figura 1: El diseño del transformador patentado permite eficiencias de hasta el 90,5 % a pesar de las distancias de fuga y el espacio libre de 4,5 mm.

Satisfacer las duras condiciones de las aplicaciones ferroviarias

Fuera del estándar EN 50155, el estándar EN61373 enumera los requisitos de prueba para equipos utilizados en vehículos ferroviarios. Estos dispositivos estarán sujetos a vibraciones casi constantes y, en algunos casos, a golpes mecánicos. Las pruebas de vibración incluirán la prueba simulada de larga duración en la que el dispositivo bajo prueba se somete al menos a 15 horas de vibraciones a una amplitud específica. Para las pruebas de choque, el dispositivo se somete a una secuencia de impulsos semisenoidal para reproducir los efectos del transporte.

Las certificaciones y aprobaciones de seguridad para equipos electrónicos utilizados en sistemas ferroviarios abarcan entre EN 50155, EN 61373 y EN 44545-2 para garantizar el rendimiento de estos sistemas independientemente de los riesgos eléctricos, ambientales o de incendio, respectivamente. Los estándares adicionales incluyen el estándar IEC/UL/EN 62368-1 para los requisitos de seguridad de los equipos eléctricos y electrónicos en el campo de los equipos de audio, video, información y Comunicación. Sistemas que se utilizan invariablemente en los sistemas auxiliares ferroviarios.

No existen normas EMI directas para aplicaciones ferroviarias fuera de la norma EN 50121-2 para los niveles máximos de emisiiones. Sin embargo, el entorno electromagnético de estos sistemas es exigente con fuentes potenciales de las subestaciones, el suministro principal, las líneas aéreas y el material rodante. Tanto para aplicaciones ferroviarias como industriales, es beneficioso tener un convertidor que tenga un nivel de inmunidad electromagnética.

Convertidores CC/CC ferroviarios de P-DUKE y Electrónica OLFER

Los convertidores de CC/CC de las series RHKW (3/6/10W), RHMW (20W) y RHDW (40W) de P-DUKE y Electrónica OLFER son ideales para entradas de 72V, 96V y 110V y cumplen con las normas ferroviarias EN 50155, EN 61373 y EN 445545-2 así como la norma IEC/UL/EN 62368-1 de aislamiento reforzado para equipos eléctricos (Figura 2). Estos convertidores tienen circuitos EMI incorporados que están diseñados de acuerdo con IEC/EN 55032 clase A, así como con IEC/EN 50121-3-2. Esto simplifica enormemente el diseño de PCB y ahorra espacio en la placa. El diseño del transformador permite una eficiencia de hasta el 90,5% y, al mismo tiempo, cumple con los requisitos de seguridad y aislamiento de aplicaciones ferroviarias e industriales exigentes. Se someten a pruebas de vibración y choque con una amplia temperatura de funcionamiento desde -40°C hasta +105°C y funcionan a 5000 metros de altitude para regiones montañosas.

Figura 2: Serie RHDW de convertidores de CC/CC para ferrocarril.

Conclusion
Los convertidores CC/CC utilizados en aplicaciones ferroviarias tienen una serie de consideraciones, desde los requisitos básicos de tensión hasta el aislamiento y la construcción. Esto permite que estos dispositivos funcionen independientemente de las duras condiciones eléctricas, mecánicas y ambientales. Estos dispositivos no solo deben cumplir con los estándares ferroviarios comunes, sino que también deben tener un grado de inmunidad contra las interferencias electromagnéticas.

Autor: Departamento de Marketing de P-DUKE
Traducción: Departamento de Marketing de Electrónica OLFER

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