Al igual que ocurre en otras muchas áreas de negocio en Europa, los cambios en el entorno regulador conllevan unos estándares más exigentes para la facturación de la energía en el mercado ferroviario. Los mercados europeos de transporte ferroviario de mercancías se están liberalizando mediante la privatización de las redes ferroviarias y la separación de las entidades operadoras en infraestructura y operadores. Desde enero de 2010 los mercados ferroviarios de pasajeros se han abierto a la competencia a través de las fronteras.
La liberalización de los mercados ferroviarios europeos tienen una serie de consecuencias, entre ellas la aparición de nuevos competidores que operan en cada mercado nacional; el aumento del tráfico transfronterizo y un número mucho mayor de servicios que operan a través de varios países; un nuevo contexto de competencia intramodal e intermodal; y mayores exigencias por lo que respecta a la transparencia de costes. Este último punto significa que se debe facturar con exactitud el consumo eléctrico generado por cada administración a través de la cual opera un servicio.

Las unidades de tracción consumen energía en cada uno de los diferentes países que atraviesan; las empresas ferroviarias mantienen sendas relaciones contractuales con cada gestor de la infraestructura y con el fin de estar en condiciones de facturar con transparencia el consumo de energía la empresa debe recoger la información relativa a cada cruce de fronteras, ya que el gestor tiene que facturar a la empresa por el suministro de energía.

El sistema de medida de energía a bordo constituye el sistema para la medida de la energía eléctrica que la unidad de tracción toma o devuelve (durante el frenado regenerativo) a la línea aérea de contacto. Un mayor nivel de precisión en esta medida de energía permite que los operadores conozcan mejor su consumo real y permitirá que la gestión energética reduzca el consumo total de energía, así como la monitorización de la energía total suministrada desde el sistema externo de tracción eléctrica.

La función de medida de energía incluye las medidas de tensión y corriente y el estándar que le corresponde es el nuevo EN 50463, que define las características de los transductores para medida de corriente y tensión CC o CA, así como la propia función de medida de la energía.

Con el objetivo de alcanzar los niveles de prestaciones que establece el estándar, LEM propone diferentes soluciones para realizar las medidas de corriente y tensión. Para medidas de tensión CC de Clase 0.5R para una sola tensión de red resulta ideal la familia de transductores DV. Para llevar a cabo medidas de corriente CC de Clase 1R, un transductor de la familia DI, utilizado junto a un shunt de Clase 0.2, ofrecerá una conformidad total. Para medidas de corriente CC en la más exigente Clase 0.5R, una unidad de la nueva familia ITC es la solución óptima.

Los dispositivos de medida para el entorno de la tracción ferroviaria comparten diversas características. Deben medir todas las formas de onda presentes en el suministro de energía: CC, CA, de pulsos y compleja. Deben tener un tamaño compacto para su instalación a bordo. Deben ofrecer un  bajo consumo interno de energía; una excelente precisión para cumplir los estándares de facturación; baja deriva respecto a la temperatura; elevados niveles de aislamiento y de descarga parcial con el fin de garantizar la seguridad; y buenos niveles de inmunidad frente a campos externos de tipo eléctrico, magnético y electromagnético para protección de EMC. Se les exige asimismo bajos niveles de emisión; conformidad a los estándares relativos a incendios y humo (son obligatorios en aplicaciones ferroviarias); y diversas funciones específicas para la función de medida como la inmunidad a los efectos de la tensión en modo común, rápidos tiempos de respuesta, gran ancho de banda y bajo ruido.

Entre sus rasgos deseables se encuentran una construcción modular que facilite su adaptación, con diversas opciones de conexión para el lado secundario como conectores, cables de apantallamiento o terminales (clavijas atornilladas, M4, M5, UNC etc.). La fiabilidad y el tiempo de vida operativa deben formar parte del diseño y ser demostradas mediante una larga serie de pruebas ambientales de funcionamiento y envejecimiento.

Es en el ámbito de la precisión total de la función de medida de energía donde EN 50463 impone el mayor aumento en los requisitos operativos. Esta función debe ofrecer una precisión total del 1,5% para la energía activa en CA, 3% para la energía reactiva en CA y 2% para CC, a +25°C. La precisión del transductor de corriente, el transductor de tensión y el contador de energía se miden por separado y se suman para obtener la precisión total mediante la siguiente ecuación:

Donde:

eEMF : Precisión total de la función de medida de energía (sistema de sensor de corriente, sensor de tensión y contador de energía).
eVMF : Precisión de clase de la función de medida de tensión (transductor de tensión).
eCMF : Precisión de clase de la función de medida de corriente (transductor de corriente).
eECF : Precisión de clase de la función de cálculo de energía (contador de energía).

Entre otros, EN 50463 establece los límites de error para medida de CC que muestra la Tabla 1. ¡Para transductores de corriente CA, el error máximo admisible para el 1% de la corriente nominal en el primario IPN es tan solo del 5% (clase 1 R)! Esto representa un importante reto en cuanto a la linealidad del sistema de medida en los extremos de su rango. La Tabla 2 muestra el nivel admisible de error con los cambios de la temperatura ambiente para determinados rangos de la corriente CC respecto a la máxima escala de la corriente nominal en el primario. Una vez más, se trata de requisitos acerca de la exactitud de un sistema de medida.

Si cada uno de los diferentes dispositivos de medida – transductor de tensión, transductor de corriente y contador de energía – tiene una precisión de Clase 1R, la precisión total de la función de medida de energía es del 1,732% tras efectuar el cálculo con la ecuación de la raíz cuadrada indicada anteriormente. Con esto basta para cumplir los límites especificados para un sistema de CC (se exige un 2,0%). Ahora bien, la precisión total exigida debe ser válida a lo largo de todo el tiempo de reverificación, que será un período de varios años y aún debe definirse de manera definitiva. Para garantizar que el margen operativo se mantenga a lo largo del tiempo es aconsejable por tanto elegir unas precisiones de clases más bajas que los valores nominales permitidos por el estándar. Para trenes multisistema es admisible recurrir a un solo sensor de tensión o corriente para dos o más sistemas de tensión. En tal caso se aplica lo siguiente:

-    El sensor de tensión debe cumplir los requisitos en cuanto a precisión para cada sistema de tensión.
-    El sensor de corriente debe cumplir los requisitos en cuanto a precisión para la corriente nominal más elevada. Para corrientes nominales más bajas se especifican menores requisitos para la precisión.
-    Para el contador de energía son válidas las mismas exigencias que para el sensor de corriente.

Conformidad a EN 50463 para medidas de corriente
Con el fin de atender este mercado en desarrollo de la tracción ferroviaria y el problema de la medida de corriente tanto en aplicaciones de tracción como en la industria, LEM ha concebido y diseñado una nueva serie de transductores de corriente. Tres modelos miden una corriente (CC o CA) de hasta 4000 ARMS (6000 A pico) en vehículos alimentados mediante redes de hasta 3000 V. Los transductores proporcionan un margen añadido a la especificación de la Clase 1R (“R” se refiere a la tracción ferroviaria por la palabra inglesa “rail”) al lograr una precisión de Clase 0.5R.

Los estudios de diseño en fase inicial confirmaron que para alcanzar este nivel de prestaciones haría falta un transductor basado en la tecnología de inducción magnética (fluxgate) de lazo cerrado. La Figura 1 ilustra el principio básico de la técnica de medida de inducción magnética de lazo cerrado. La corriente del primario (carga) Ip circula por un conductor que atraviesa el lazo o núcleo (p.ej. hacia el interior o el exterior del papel en la Figura 1), aumentando así un flujo magnético de corriente Qp. Para la medida precisa de corrientes CC, el método consiste en compensar (equilibrando o anulando) Qp mediante flujo magnético de corriente opuesto Qs creado por una corriente Is.

Para obtener una medida precisa es necesario disponer de un dispositivo de alta precisión que mida la condición Q = 0. Los detectores de inducción magnética se basan en el comportamiento no lineal de los materiales magnéticos entre la intensidad de campo magnético H y la densidad de flujo B, como puede verse en la Figura 2.

El detector de inducción magnética emplea un devanado alrededor del núcleo toroidal al que se aplica una forma de onda oscilante que lleva continuamente al núcleo alrededor de su bucle de histéresis B-H.
Al aplicar esta tensión de onda cuadrada a un inductor saturable hasta que su núcleo magnético empieza a saturarse se genera una corriente. Sin corriente en el primario, IP =0, esta corriente es simétrica.

Cuando circula una corriente CC por la apertura del núcleo varía la curva del ciclo de histéresis, provocando así la asimetría de la corriente generada por la tensión de onda cuadrada. Esta corriente se mide utilizando una resistencia precisa y la asimetría se emplea para ajustar la corriente del secundario en el devanado de compensación de forma que compense exactamente la corriente en el primario. (Figura 3).

A este principio básico, LEM la añade numerosas mejoras para obtener un transductor que supere las exigencias de EN 50463 por un margen generoso. Por ejemplo, de hecho no existe un solo detector de inducción magnético sino dos, con el fin de cancelar ciertos términos de error en la medida; un sofisticado microcontrolador gestiona el proceso de medida, incluyendo una recuperación progresiva desde el estado de sobrecarga transitoria que soporta hasta 100 kA durante 100 ms; el proceso de medida tiene lugar en el dominio digital, mientras que un convertidor D/A genera una señal de salida analógica que proporciona la referencia al generador de PWM para la etapa de salida; y un diseño patentado del amplificador de salida de Clase D reduce la disipación de potencia del transductor pero también disminuye y equilibra las corrientes de carga desde sus líneas de alimentación.

La serie ITC cubre las necesidades de la industria de tracción ferroviaria al lograr una precisión de Clase 0.5R tal como se define en el estándar prEN 50463 para monitorización de la energía a bordo dentro de un rango de temperaturas de –40 a +85°C. Se pueden aplicar asimismo a cualquier situación en la que se necesite una precisión del 0,5 % para la medida de corrientes del orden de kA entre el 5 % y el 120 % de la corriente nominal.

Estándares relativos a las medidas de tracción ferroviaria
Existen diversos estándares aplicables a cualquier equipamiento utilizado en aplicaciones de tracción ferroviaria. El estándar EN 50155 relativo al “Equipamiento electrónico utilizado en material rodante” en aplicaciones ferroviarias es el estándar básico de referencia para parámetros eléctricos, medioambientales y mecánicos: garantiza las prestaciones de nuestros productos en los entornos ferroviarios.

Tal como se ha señalado antes, el nuevo EN 50463 se refiere en concreto a la demanda de medida de energía. Conviene destacar que los transductores citados antes (series DV, DI e ITC) se pueden utilizar para aplicaciones bitensión (es decir, cuando conmuten de una red a otra al pasar de un dominio de suministro a otro) con una precisión que apenas se ve afectada. Estos transductores presentan una sensibilidad muy baja a campos magnéticos externos de CC o CA.

La EMC (compatibilidad electromagnética) viene determinada por el estándar EN 50121-3-2 para emisión y susceptibilidad (el estándar de EMC para el entorno ferroviario) en su actualización más reciente, con unas limitaciones para la EMC mayores que en los estándares típicos de aplicación industrial. Los dispositivos DV, DI e ITC cumplen íntegramente las especificaciones más exigentes.

En cuanto a aislamiento y protección, se ha venido utilizando EN 50124-1 (“Requisitos fundamentales – distancias en el aire y líneas de fuga para cualquier equipo eléctrico y electrónico”) como referencia para el diseño de las distancias en el aire y las líneas de fuga para los productos DV, DI e ITC.
De forma parecida, los materiales empleados en la construcción de las unidades cumple los estándares NFF 16101/2 para clasificación de incendios y humos (se puede solicitar el informe de las pruebas realizadas a los materiales).

Los modelos DV, DI e ITC fabricados en las plantas de LEM cuentan con la certificación IRIS y los productos llevan la marca CE según la directiva europea de EMC 2004/108/EEC y la directiva de Baja Tensión; LEM se enorgullece de contribuir al ahorro energético y tiene la certificación ISO 14001 para estándares de gestión medioambiental.

Autor:

Michel Ghilardi – Director de Proyectos de I+D, Marc  Schaerrer – Ingeniero de Desarrollo, Stéphane Rollier – Director de Producto y Comunicaciones de Marketing, LEM SA.

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