1Índice

Optimización energética ferroviaria de frenado

Eric Maestre Silo. 2º Bach. Tutor: Iván Furest 2012-2013

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Índice 1. Introducción a elementos ferroviarios 1.1. Elementos

1.2. Que es una subestación? 1.2.1. Partes de la subestación y explicación 1.3. Motor CC 1.4. La dinámica del tren. 1.5. Sistema de frenado

2. Freno regenerativo (eléctrico) 2.1. Recorrido de corriente generada 3. Modelo actual 4. Hipótesis. 4.1. Métodos de almacenamiento 4.2. Devolución a la red por subestación reversible 5. Practica Excel y estudio numérico.

5.1. Desarrollo de las ecuaciones 5.2. Evaluación final

6. Opinión argumentada a favor de un modelo (regenerativo) 7. Practica 8. Respuesta a la hipótesis 9. Conclusión 10. Glosario 11. Agradecimientos 12. Bibliografía

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Presentación

Éste trabajo pretende estudiar la recuperación energética ferroviaria y su consiguiente aprovechamiento en la red pública, estudiando distintos modelos y comparando los resultados numéricos obtenidos; se ha elegido este trabajo porque me gusta la electrónica y creo poder aportar un modelo eficiente ya que se ha estado estudiando mucho la forma de mejorar los medios de transporte público en la reducción de su consumo energético. El transporte es el primer consumidor de energía del país (por encima de los “hogares” e “industrias”): 40,7% del consumo final energético en España (2004). Existe un interés añadido en este campo ya que abrir nuevas posibilidades para reducir el consumo energético en España resulta positivo no solo económicamente sino también a nivel medioambiental

1. Introducción a elementos ferroviarios.

Antes de empezar a proponer modelos de aprovechamiento energético, presentaremos algunos elementos del tren para hacernos una idea general de qué factores se deben tener en cuenta para reducir el consumo energético, así veremos su funcionamiento, y como se puede empezar su estudio. Los trenes son máquinas destinadas al transporte de mercancías o personas. Son de grandes dimensiones y capacidades, que tienen que recorrer grandes distancias y muchos funcionan gracias a la energía eléctrica. Los trenes necesitan algunos elementos para poder recibir esta energía y transformarla de manera eficiente.

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1.1. Elementos.

Esquema del recorrido eléctrico ferroviario.

Los trenes reciben la energía eléctrica de las compañías sufriendo unos tratamientos determinados en unas subestaciones y alimenta al tren gracias a la catenaria o también conocida como línea aérea de contacto de donde el tren recibe la energía y su retorno se produce por las vías.

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Los postes sostienen la catenaria

Pantógrafo.

El elemento de unión de la catenaria con el tren es el pantógrafo, que es un sistema articulado en contacto con la línea aérea y transmite su energía al tren.

1.2-¿Qué es una subestación??

Una subestación de tracción es un lugar en donde la energía eléctrica que viene de la compañía es tratada para convertirla en continua y así alimentar el tren. Por cuestiones históricas los trenes siempre funcionan con energía eléctrica continua (los primeros motores de tracción) y por motivos económicos no se ha cambiado pues todas las instalaciones están preparadas para el funcionamiento ferroviario en CC y saldría más costoso el cambio de las infraestructuras y material móvil. Por ello se desarrolla una subestación donde con un sencillo proceso se trata la corriente alterna proveniente de las centrales en CC

*Subestación actual.

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1.2.1.-elementos de la subestación rectificadora de CC

Una subestación recibe inicialmente la energía en un transformador para tratar la tensión:

Esquema de un transformador. Ep: tensión proporcionada; Es: tensión inducida. Np: numero de espiras del primero. Ns: numero de espiras del segundo.

En el transformador es un maquina estática reversible que transforma la energía eléctrica de unas condiciones a otras, hay dos bobinas aisladas entre si eléctricamente que permiten elevar o disminuir la tensión de la corriente alterna para poder utilizarla mas adelante, existe una relación para saber que determinada tensión te proporciona que se basa en el numero de espiras de cada bobina (vueltas) y la tensión que le ofrecemos depende los factores eleva la tensión o la disminuye

Relación: Ep/Es=Np/Ns (directamente proporcional)

Luego, la corriente llega a un rectificador para hacer el cambio de CA a CC. El rectificador esta formado por diodos, y, éstos solo permiten la corriente en una dirección. Por lo tanto, solo dejan pasar la parte del voltaje positivo y de esa forma se transforma en CC.

Gráfica de una corriente trifásica.

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Gràfica de una corriente

Existen distintos tipos de subestaciones rectificadoras. La característica más determinante es la tensión de salida del lado de la corriente continua:

- Cercanías Renfe utiliza una tensión de 3.000 Vcc. - Feve (Ferrocarriles Españoles de Vía Estrecha) utiliza

distintas tensiones pero la más usual es 1.500 Vcc. - FGC (Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya) utiliza

1.500 Vcc. - Tram Baix i Tram Besòs (Tranvía de nueva construcción

en Barcelona) utiliza 750 Vcc.

1.3. Motor

En los trenes, el elemento de tracción más importante es el motor, Históricamente suele ser un motor de corriente continua, ya que regular la velocidad de este tipo de motores es relativamente fácil. Se consigue modificando la tensión aplicada, esta tensión se puede modificar simplemente conectando unas resistencias en serie con los bornes de conexión. En la actualidad son motores de alterna alimentados por variadores de corriente en frecuencia i tensión, estos variadores se alimentan de la catenaria en corriente continua y ondulan una corriente alterna de frecuencia variable. Motor de un tren.

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1.4. La dinámica del tren

Constantemente en un tren están actuando diferentes fuerzas que son responsables de su movimiento, su dinámica. Se dividirán estas fuerzas en dos grupos: un primer grupo estará constituido por las fuerzas que no dependen de la acción del tren y en el segundo de las que son consecuencia directa de la acción del tren. Las fuerzas que son independientes del tren son la fuerza de la gravedad siempre presente en el medio y la acción del aire, así como la resistencia al avance, estas fuerzas también son denominadas fuerzas pasivas. Las fuerzas provocadas por el tren son muy simples. Son dos: la fuerza de tracción que permite el movimiento y la fuerza de frenado o retención que permite la parada del tren, estas fuerzas también son denominadas fuerzas activas. Para un estudio más claro de la dinámica del tren tomaremos un sistema de referencia sobre el cual empezar a describir las fuerzas. Como son las ruedas de tren las que soportan el peso y que a su vez se apoyan en las vías, tomaremos un sistema de referencia en relación a las vías en el sentido de la marcha del tren y la dirección de los carriles. Llamaremos eje positivo (L) y eje transversal (H) (perpendicular al anterior). Luego tomaremos el tercer eje positivo de forma vertical coincidente con el sentido de la fuerza de la gravedad. Carriles

Sistema de referencia para la dinámica del tren elaboración propia.

H

H

L

V

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Las fuerzas descritas anteriormente son fuerzas que actúan sobre el eje L que es en el cual nos centraremos ahora, para ello empezamos explicando la resistencia al avance. La resistencia al avance esta descrita como la suma de las fuerzas (resultante) que se oponen al movimiento del tren en la dirección L distintas a las fuerzas de tracción o de frenado, pues la resistencia al avance siempre es un vector negativo, dado que siempre se opone a su movimiento. Las fuerzas de resistencia al avance que cabe mencionar son las siguientes: -Rozamiento entre las ruedas y los carriles.

-Rozamientos internos de las partes móviles y giratorias del tren. -Fuerza necesaria para acelerar el aire que entra en el tren (para la refrigeración) -Resistencias aerodinámicas, que se componen de las resistencias de la presión y de la fricción (consideradas de mayor importancia a alta velocidad.) -Rozamiento de las pestañas y el plano de rodadura de las ruedas sobre el carril en las curvas; debida a la propia construcción del boggie que mantiene paralelos los dos ejes girando las dos rueda del eje junto con éste de forma sólida. Rozamiento de las pestañas en curva

Dibujo del rozamiento de las pestañas de las ruedas sobre el carril en las curcas, elaboración propia.

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La resistencia al avance en recta varía con la velocidad del tren por lo que cualquier variación de la velocidad del tren lleva a una variación de la resistencia al avance total. También es muy importante tener en cuenta la gravedad que se opone al movimiento sobre todo en rampas y favorece el movimiento en pendientes. Para que el tren acelere, la resultante de la fuerza neta del tren (que es la suma de todas las resistencias siempre negativas), más las fuerzas activas, tiene que ser positiva. Para que el tren se mueva a velocidad contante hay que mantener la resultante de todas las fuerzas nula, y para que el tren reduzca la velocidad debe de ser negativa. Siendo todas condiciones, de acuerdo a la segunda ley de Newton.

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-Ecuación de movimiento de un tren: La ecuación de movimiento del tren responde a las leyes de dinámica de Newton donde la fuerza es igual al producto de masa y aceleración.

F

=m·a

Omitiremos durante el resto del trabajo la notación vectorial en fuerzas y aceleraciones. La fuerza mínima para mover el tren es igual a la fuerza de la resistencia al avance en recta (Fra) más la resistencia al avance en curva (Frac) más la fuerza gravitatoria (Fg) debida a las pendientes, si además buscamos una aceleración positiva se debe sumar la fuerza cinética (Fc) necesaria para ello.

F=Fra+Fg+Frac+Fc (resultante de las fuerzas) Los motores que propulsan el tren tienen una limitación física de potencia, para el caso que estudiaremos (Unidad de tracción serie 112 FGC) la potencia que puede desarrollar entre todos los motores es de 2160 KW para la masa máxima incluida carga y tara de 197 toneladas (T), puede ejercer una fuerza máxima de empuje de 201,97 KN fuerza que puede mantener hasta los 38,5 Km/h; a partir de aquí el comportamiento de la potencia en lugar de ser lineal, como hemos alcanzado la potencia máxima, se convierte en una curva de potencia contante donde la potencia es igual a fuerza por velocidad.

P=F·V De donde:

V=P/F

Luego: V=P/m·a a=P/V·m

Para las velocidades inferiores a los 38,5 Km/h la potencia nos permitiría aceleraciones muy elevadas hasta 9 m/s2; esto no seria confortable para los viajeros que muchos de ellos van de pié y

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acabarían “amontonados” en el fondo del vagón, por ello limitamos la aceleración máxima admisible a 1 m/s2. Superada velocidad (38,5 Km/h) con la carga máxima no es posible mantener la aceleración, se sigue acelerando hasta alcanzar la velocidad deseada (máximo 90 Km/h) pero con una aceleración cada vez inferior.

201,97 KN

Pot.: 2160 KWVel.:38,5 Km/h

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

04,

508,

5012

,5016

,5020

,5024

,5028

,5032

,5036

,5040

,5044

,5048

,5052

,5056

,5060

,5064

,5068

,5072

,5076

,5080

,5084

,5088

,5092

,5096

,50

V [km/h]

F [K

N]

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

Po

tenc

ia [k

W]

F [KN]

Pot. [kW]

*Gráfica de potencia constante en función de la velocidad, elaboración propia

-Ecuación de la Resistencia al avance: Resistencia al avance en recta: Utilizamos la formula de Davis que es la que se emplea habitualmente y la que utilizaremos en el estudio numérico.

F=A+B·V+C·V2

A (KN) B (KN·(h/Km)) C (KN·(h/Km)2)

Los factores A, B y C son factores experimentales para cada tren en concreto. El factor A es un factor referido a las resistencias mecánicas del propio tren; el factor B se refiere a la fricción de las entradas de aire de refrigeración de motores y renovación de aire de los viajeros; el factor C son fricciones aerodinámicas. También se puede incluir otro factor llamado factor túnel debido a la sobrepresión derivadas del “efecto pistón”, en el nuestros cálculos

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no lo incluiremos por que consideramos el efecto algo puntual que simplemente supone un rozamiento más añadido que no supone un valor añadido para el estudio de la regeneración eléctrica. En nuestro caso (UT serie 112 FGC) para una ocupación media de viajeros, la masa total entre tara y viajeros es de 159 toneladas y el factor A es de 1,73 KN, el factor B es de 0,013 KN· (h/km) y el factor C es de 0,0013 KN· (h/Km)2, estos parámetros han sido extraídos del estudio de perdidas de tracción, FGC de J. Rull. Resistencia al avance en curva: Responde a una formula experimental que depende del radio de curvatura (R), del ancho de las vías y de la masa (m).

-ancho internacional de 1435 mm: Fac= m·600/R -ancho RENFE de 1668 mm: Fac= m·800/R

Resistencia al avance en rampa/pendiente: La rampa máxima admisible para ferrocarril es de 44 mm por metro a nivel de rampas superiores falta adherencia y patinan las ruedas, es necesario ir a otros mecanismos ya sea tracción por cable o por cremallera como en el caso de Montserrat, funiculares,… La fuerza que tenemos que superar es la masa (m) por la inclinación (i).

Fg= m·i

Donde: i= in g·sin α in corresponde a la inclinación y g=9,8m/s2 y α= ángulo de inclinación, expresado en radianes. 1.5. Sistemas de frenado

El freno es uno de los elementos más importantes para la recuperación energética. Nos servirá para plantear los nuevos modelos de aprovechamiento energético pues depende del tipo de frenado que exista la regeneración.

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Existen: frenos neumáticos o mecánicos y frenos eléctricos. El freno neumático o mecánico es el freno que incide directamente sobre las ruedas, por ello esta considerado el más simple. Funciona a cualquier velocidad, es el freno de emergencia. El inconveniente esta en que este tipo de freno no genera electricidad pero sí nos asegura detener en cualquier circunstancia; también tiene utilidad de freno de servicio no solo cuando el freno es regenerativo sino también cuando el frenado no es suficiente como para poder regenerar eléctricamente la energía. El freno eléctrico: Su importancia en este proyecto reside en la capacidad de reversibilidad de los motores eléctricos, los cuales pueden funcionar como receptor absorbiendo la corriente eléctrica y proporcionando tracción al vehículo o como generadores durante el frenado absorbiendo (y así frenando) la energía mecánica del tren.

2. Freno regenerativo (freno eléctrico)

El freno regenerativo como hemos explicado anteriormente utiliza la propiedad de reversibilidad de los motores eléctricos para generar la energía eléctrica durante el frenado. Para que se produzca el frenado del vehículo, trasformando la energía cinética en eléctrica, el motor que funcionaba como generador del movimiento se convierte ahora en generador de la corriente producida por el movimiento. Este hecho se basa en las propiedades electromagnéticas en las que el movimiento de las líneas de campo magnético producen un movimiento de electrones (regeneración) y el moviendo de electrones produce el de las líneas de campo magnético (tracción). Para conseguir el frenado eléctrico esta corriente debe ser consumida, existen distintos caminos de la corriente generada durante el frenado. Este último tipo de freno es considerado de mayor eficiencia, pero por debajo de cierto limite de velocidad es inoperante (5 Km/Hora), en estas velocidades se debe complementar con el freno neumático o mecánico, esto se da porque el motor va directamente al reductor sin cambio de marchas luego el numero de vueltas es directamente proporcional a la velocidad del tren, a esa velocidad no hay revoluciones suficientes como para generar la energía, pero presenta otras partes a favor.

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Las ventajas que el freno eléctrico proporciona son: -La protección de las ruedas ya que el otro tipo de freno tiende a la degradación producida por un calentamiento indebido de las zapatas con las ruedas en situaciones de frenado de largas pendientes y velocidades elevadas. -El freno eléctrico presenta una conducción más sencilla del tren y una comodidad extra para los viajeros ya que no produce ruidos, ni chirridos o vibraciones. -Como última característica fundamental que favorece al freno eléctrico es su capacidad de generar electricidad con su consiguiente ahorro energético.

2.1. Recorrido de la corriente de frenado generada

Esta corriente generada al frenar eléctricamente tiene que ser consumida por algún receptor, luego puede tomar caminos diferentes. En función del consumidor de esta corriente clasificaremos el frenado de un tipo o de otro: -El propio tren tiene una serie o conjuntos de resistencias sobre el vagón que disipa la energía en forma de calor, en este caso el freno sería Reostático. -En cambio esta corriente puede ser reutilizada por otros elementos del sistema ferroviario o incluso se podría enviar de vuelta a la red pública, siendo esta última una de las características fundamentales del proyecto, llamado freno regenerativo. -También podríamos hablar de un conjunto de consumidores, es decir, un sistema mixto de freno Reostático y freno Regenerativo. El inconveniente del freno Reostático es que, a diferencia del regenerativo, consume la electricidad generada en forma de calor haciéndola circular por una serie de resistencias; por lo tanto presentan claras desventajas: -No se aprovecha la energía cinética del tren y la capacidad regenerativa del frenado para otros servicios ni para el abastecimiento de otros trenes, lo que reduce el porcentaje de rendimiento del sistema.

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-El propio calor de los resistores puede calentar el interior del vehiculo, haciendo necesario un gasto energético extra para poder disipar este calor al exterior.

3. Modelo actual

Si la pendiente del tramo de vía por donde circula un tren es positiva o no es lo suficientemente negativa como para vencer la resistencia al avance simplemente los motores del tren actúan como receptores y consumen energía eléctrica que proviene de la subestación. Cuando el tren necesita frenar y la energía cinética del tren es suficiente para poder utilizar el freno regenerativo, el motor pasa a comportarse como generador, esta energía generada se destina a los servicios auxiliares del tren y si es mayor que la demandada por estos servicios se devuelve a la catenaria para que pueda ser aprovechada por otro tren. Si en esta situación no hay ningún tren que solicite esta energía simplemente se disipa en forma de calor por las resistencias, freno Reostático, por efecto Joule.

Pr=R·I2 Donde Pr es la potencia de freno por efecto Joule R es la resistencia y I es la intensidad generada por los motores al frenar.

Freno reostático. Resistores situados en la parte superior del tren donde poder consumir la energía generada por los motores y

así frenar el tren.

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Detalle de las resistencias en el techo de una unidad serie 400 de FGC; foto propia taller de Rubí.

4. Hipótesis

En el actual método, descrito en el anterior apartado, en el momento de calcular la energía total consumada debemos de restarle a la energía que el tren recibe de la que el tren produce por el freno regenerativo. Obviamente no toda la energía que se produce de frenado se aprovecha, pues en las líneas de corriente continua la energía que es generada si no es aprovechada por otro tren, normalmente se consume en las resistencias (Reostático), por ello para un mayor aprovechamiento de la energía producida por el freno las líneas de corriente continua podrían estar dotadas de una subestación reversible que permitiese la devolución a la red pública, así la energía excedente no se pierde en forma de calor. Podemos ver que el mayor aprovechamiento del freno regenerativo no es algo que dependa del tren, sino depende de si las líneas están dotadas de subestaciones reversibles. Si bien es cierto que deberíamos considerar la posibilidad del almacenamiento de esta energía tanto en el propio tren como fuera; para ello explicaremos un método basado en el almacenamiento dentro del propio tren o fuera y desarrollaremos el método de la devolución por subestación, objeto de este trabajo. La intención de este proyecto es el del dimensionamiento de una subestación reversible en la cual cuando la energía generada en el proceso del frenado eléctrico sea mayor que la requerida por los servicios auxiliares, pueda ser luego aprovechada por un tren cercano y si no, en lugar de disiparla con el freno Reostático la devolveríamos a la subestación.

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4.1. Métodos de almacenamiento.

Se pueden estudiar dos modelos de almacenamiento de esta energía regenerada a través de unos acumuladores: acumuladores embarcados (alojados en el propio tren), y acumuladores situados en tierra (en las subestaciones). Los acumuladores embarcados se entienden por cualquier sistema de almacenamiento de energía que esté en el tren. La función que ejercen es la de almacenar la energía eléctrica generada del frenado ferroviario. Dos tipos de acumuladores embarcados son las baterías y los ultracondensadores. Estos tipos de tratados de la energía de frenado presentan varias ventajas:

-Son capaces de almacenar una gran cantidad de energía, con relación a su masa. -El tiempo de respuesta cuando la energía que tiene acumulada es demandada es casi instantáneo. -Al ser embarcados dota al tren de traccionar sin catenaria, puede circular por zonas en las que se dificulta la instalación de postes de catenaria por culpa de la irregularidad del terreno u otros factores propios del medio. -Garantiza una fuente de electricidad, es decir una continuidad del suministro eléctrico en caso de avería.

Los inconvenientes que presentan: -El volumen y la masa de los acumuladores que pueden embarcar en un tren están muy limitados, esto afecta a la dinámica del tren, supone lastrar un peso considerable ocasionando un aumento de consumo y modificando negativamente el rendimiento. -El incluir objetos tan voluminosos y pesados reduce la capacidad de tren en mercancía y/o viajeros.

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Por éstos inconvenientes los acumuladores embarcados normalmente se limitan a abastecer los servicios auxiliares del tren. Los acumuladores situados en tierra resuelven el problema del peso y el volumen pues no se lastran y no obstruyen el movimiento y la dinámica del tren. En el caso de los acumuladores situados en tierra se utilizan también los ultracondensadores y las baterías aunque lo más utilizado son los volantes de inercia. Los volantes de inercia basan su tecnología en la acumulación de energía cinética en un disco al que se le hace girar con un rozamiento casi nulo por levitación magnética y reducción de la presión del interior. La energía acumulada es muy fiable un volante de inercia puede ser cargado y descargado indefinidamente sin producir errores notables, tienen una vida elevadísima y aportan una gran fiabilidad. La energía almacenada se conoce en todo momento gracias a un simple medidor de velocidad del disco de inercia. El problema del volante de inercia es que el disco que gira pesa unas 7 toneladas y gira a unas velocidades muy elevadas, si en algún momento se diese un error el número de daños que conllevaría serían muy altos, además es un sistema muy costoso; por ello no es utilizado con frecuencia. 4.2. Devolución a la red por subestación reversible. La subestación reversible además de disponer de los elementos descritos de una subestación convencional, es decir la típica configuración de transformador y rectificador, entre la catenaria y en paralelo con el rectificador dispone de un convertidor desde energía continua a alterna, ya que el tren al frenar y comportarse como generador eleva la tensión por encima de la nominal, esto lo detecta el convertidor y la energía excedentaria la convierte a corriente alterna y la inyecta en el transformador devolviéndola a la red donde siempre hay consumidores disponibles para utilizar esta energía y el tren frene.

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*Subestación reversible, imagen tomada de un catálogo Ingeteam.

El sistema de devolución a la red se puede instalar en cualquier subestación porque permite su instalación sin modificar las infraestructuras existentes. La propuesta de mejora consiste en utilizar las ventajas del freno regenerativo del tren, aprovechando la energía cinética y trasformándola en energía eléctrica, y devolviéndola a la red gracias a la subestación reversible que permite este proceso. Ventajas de la subestación reversible:

-Aprovechamiento total de la energía generada por el freno eléctrico del tren. -Reducción del consumo eléctrico de las empresas ferroviarias. -Mejora del rendimiento del sistema ferroviario. -Mejora del sistema eléctrico de distribución

Desventajas:

-El sistema de subestación reversible tiene un coste de medio millón de euros para equipos de 2000 KW, representa un gasto importante y debe ser siempre considerada la amortización por los ahorros. -Otra desventaja es que en la actualidad se requieren permisos de las empresas distribuidoras para devolver energía a la red y

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ser descontada de la energía consumida, este proceso actualmente no esta determinado ni regulado por la administración, todo queda en manos de las negociaciones y la buena voluntad de las partes.

Trayecto 1 km Plano

-2.500,00

-2.000,00

-1.500,00

-1.000,00

-500,00

-

500,00

1.000,00

1.500,00

2.000,00

2.500,00

0 33 66 99 132

165

198

231

264

297

330

363

396

429

462

495

528

561

594

627

660

693

726

759

792

825

858

891

924

957

990

metros

Po

ten

cia

kW

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Vel

oci

dad

km

/h

Potencia kW

Km/h

*Grafica de un kilómetro conducido plano y sin curvas. Elaboración propia por Excel.

Hemos realizado una simulación de un trayecto plano y sin curvas de una distancia de un kilómetro con una velocidad máxima de 90 Km/h, esta moralizado para una unidad serie 112 de FGC con una ocupación intermedia de viajeros. La Unidad inicia el recorrido con una aceleración limitada a 1 m/s2

por el confort de los pasajeros, alcanzada la potencia máxima de la tracción del motor esta aceleración se reduce paulatinamente hasta alcanzar la velocidad máxima de 90 Km/h, una vez en esta situación dejamos de acelerar y mantenemos el tren a velocidad contante hasta que alcanzamos la distancia de freno para detener el tren dentro de la estación y frenamos siguiendo el proceso inverso, al principio a la deceleración máxima posible de los motores hasta poder llegar al freno máximo admisible de 1 m/s2. Obsérvese el comportamiento de la potencia consumida o regenerada, podemos ver que inicialmente la potencia consumida

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crece hasta llegar al limite de la Unidad (2160 KW), momento en el cual se comporta como potencia contante teniendo que reducir la aceleración a la posible hasta alcanzar la velocidad máxima; luego para mantener la velocidad contante la potencia es la necesaria para superar la resistencia al avance, y en el momento de freno comienza a regenerar la energía aportado valores positivos, comportándose inicialmente a potencia constante para finalmente reducir a la necesaria por el confort de los viajeros. La energía consumida en esta simulación ha sido de:

Tiempo Recorrido

66,2 s.

(1 Minuto y 6,2 Seg.)

Energia Consumida

-15,81 KWh

Energia Regenerada 13,19 KWh diferencia -2,63 KWh

Con este modelo propuesto en la simulación solo se consumiría 2,63 KWh si la energía regenerada no se aprovecha se consumiría 15,81 KWh.

5. practica Excel y estudio numérico. Se ha realizado un estudio numérico con el modelo de regeneración propuesto; estos cálculos se han realizado para distintas situaciones:

-1 kilómetro plano y sin curvas (explicado en el apartado anterior). -1 kilómetro de todo subidas 15 mm por metro. -1 kilómetro de todo bajada 15 mm por metro. -5 kilómetros con estación cada kilómetro; plano y sin curvas. -5 kilómetros con estación cada kilómetro; subida los primeros 2,5 kilómetros y bajada los 2,5 kilómetros siguientes. -5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando subida y bajada cada 500 metros. -5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando bajadas y subidas cada 500 metros.

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-1 kilómetro de todo subidas 15 mm por metro.

Trayecto 1 km

-2.500,00

-2.000,00

-1.500,00

-1.000,00

-500,00

-

500,00

1.000,00

1.500,00

2.000,00

2.500,00 0 33 66 99 132

165

198

231

264

297

330

363

396

429

462

495

528

561

594

627

660

693

726

759

792

825

858

891

924

957

990

metros

Po

ten

cia

kW

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Vel

oci

dad

km

/h

Potencia kW

Km/h

Tiempo Recorrido 66,5. Seg. Energia Cons. -20,13 KWh

Energia Reg. 11,06 KWh diferencia -9,07 KWh

Esta gráfica simula un trayecto de 1 kilómetro con una pendiente constante de 15 mm por metro. Al empezar la tracción del tren en subida podemos ver que la gravedad nos va en contra del movimiento y nos dificulta alcanzar la velocidad deseada; por ello tardamos más en alcanzarla, y en el tramo de velocidad constante necesitamos más potencia que en el caso anterior; por el contrario al frenar lo hace más rápido ya que ahora la gravedad favorece el freno ayudando a los motores en el tramo de potencia contante. Energéticamente vemos que hay un coste superior ya que consumimos más energía y regeneramos menos, esta simulación tendría un coste energético de 9,07 KWh frente a los 2,63 KWh del tramo plano.

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-1 kilómetro de todo bajada 15 mm por metro.

Trayecto 1 km

-2.500,00

-2.000,00

-1.500,00

-1.000,00

-500,00

-

500,00

1.000,00

1.500,00

2.000,00

2.500,00

0 34 68 102

136

170

204

238

272

306

340

374

408

442

476

510

544

578

612

646

680

714

748

782

816

850

884

918

952

986

metros

Po

ten

cia

kW

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Vel

oci

dad

km

/h

Potencia kW

Km/h

Tiempo Recorrido 65,8 Seg. Energia Cons. -12,52 KWh

Energia Reg. 16,39 KWh diferencia 3,87 KWh

Esta gráfica simula un trayecto de 1 kilómetro con una bajada constante de 15 mm por metro. Vemos que cuesta menos alcanzar la velocidad máxima ya que la gravedad esta a favor del movimiento del tren, por el contrario cuesta más frenar el tren ya que esta vez la gravedad esta en contra del freno. Energéticamente es una situación muy favorable ya que la energía consumida del arranque es menor y la energía regenerada del freno es mayor. El coste energético de esta simulación resulta que generamos más energía de la que consumimos ya que el campo gravitatorio es un campo conservativo y en este caso nos devuelve la energía que primero se le entregó, en ambos casos la resistencia al avance es energía perdida de rozamiento. Finalizando el trayecto con 3,87 KWh a favor. Si diferenciamos las dos simulaciones en el que el trayecto ha sido todo subida o todo bajada con la misma pendiente vemos que en el primero sale un saldo negativo de 9,07 KWh y en el segundo uno menor aunque positivo de 3,87 KWh. En ambos casos reducimos el coste energético al aprovechar la energía de frenado en una subestación reversible.

25

-5 kilómetros con estación cada kilómetro; plano y sin curvas.

Trayecto 5 Km

-2.500,00

-2.000,00

-1.500,00

-1.000,00

-500,00

-

500,00

1.000,00

1.500,00

2.000,00

2.500,00

0

148

296

444

592

740

888

1036

1184

1332

1480

1628

1776

1924

2072

2220

2368

2516

2664

2812

2960

3108

3256

3404

3552

3700

3848

3996

4144

4292

4440

4588

4736

4884

metros

Pot

enci

a K

Wh

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Vel

ocid

ad k

m/h

kW=kJ/S

Km/h Tiempo Recorrido 332,0 Seg. Energia Cons. -78,86 KWh

Energia Reg. 65,95 KWh diferencia -12,91 KWh

El comportamiento es análogo al modelo del trayecto plano de un kilómetro sin pendientes ni curvas, pero queremos llamar la atención que si no se dispone de una subestación reversible según como esté fijado el itinerario en lugar de aprovechar la energía podríamos desperdiciarla; si dos trenes iniciaran el recorrido desde los extremos a la vez en el arranque después de cada estación se consumiría el doble de potencia y al frenar se perdería la energía; y solo si los sincronizas uno de ellos puede aprovechar la energía del otro; en cambio disponiendo de la subestación reversible se aprovecha el total de energía generada por los dos trenes dejando el coste final de esta simulación en 12,91 KWh y no los 78,86 KWh que consume.

26

-5 kilómetros con estación cada kilómetro; subida los primeros 2,5 kilómetros y bajada los 2,5 kilómetros siguientes.

Trayecto 5 km

-2.500,00

-2.000,00

-1.500,00

-1.000,00

-500,00

-

500,00

1.000,00

1.500,00

2.000,00

2.500,00

0

157

314

471

628

785

942

1099

1256

1413

1570

1727

1884

2041

2198

2355

2512

2669

2826

2983

3140

3297

3454

3611

3768

3925

4082

4239

4396

4553

4710

4867

metros

pote

ncia

KW

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

velo

cida

d K

m/h

kW=kJ/SKm/h

Tiempo Recorrido 336,0 Seg. Energia Cons. -83,40 KWh Energia Reg. 70,93 KWh diferencia -12,47 KWh

En los tramos de subida y de bajada el tren se comporta como en las simulaciones descritas anteriormente con excepción del cambio de rasante donde no logramos llegar al tramo de potencia constante para mantener la velocidad porque llegamos a la distancia de frenado. Aunque la gravedad sea un campo conservativo la resistencia al avance siempre son perdidas y aunque bajamos lo mismo que subimos el coste final es de 12.47 KWh si aprovechamos la regeneración, en caso contrario el coste energético quedaría en los 83,40 KWh.

27

-5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando subida y bajada cada 500 metros.

Trayecto 5 Km

-2.500,00

-2.000,00

-1.500,00

-1.000,00

-500,00

-

500,00

1.000,00

1.500,00

2.000,00

2.500,00

0

170

340

510

680

850

1020

1190

1360

1530

1700

1870

2040

2210

2380

2550

2720

2890

3060

3230

3400

3570

3740

3910

4080

4250

4420

4590

4760

4930

Posición m

Po

ten

cia

KW

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Vel

oci

dad

Km

/h

kW=kJ/S

Km/h Tiempo Recorrido 342,0 Seg. Energia Cons. -91,27 KWh Energia Reg. 79,23 KWh diferencia -12,04 KWh

En los tramos de subida y de bajada el tren se comporta como en las simulaciones anteriores con excepción de los cambios de pasante en los que no llegamos al punto de potencia constante con velocidad constante porque en ese momento ya hemos superado la distancia de frenado y necesitamos que el tren empiece a frenar antes. Con relación al coste energético vemos que hay más potencia consumida pero también más regenerada lo que resulta una compensación elevada como en todos los trayectos dejando el coste final a unos 12.04 KWh y no los 91.27 KWh que ha consumido el tren durante el trayecto.

28

-5 kilómetros con estación cada kilómetro; alternando bajadas y subidas cada 500 metros.

Trayecto 5 Km

-2.500,00

-2.000,00

-1.500,00

-1.000,00

-500,00

-

500,00

1.000,00

1.500,00

2.000,00

2.500,00

0

153

306

459

612

765

918

1071

1224

1377

1530

1683

1836

1989

2142

2295

2448

2601

2754

2907

3060

3213

3366

3519

3672

3825

3978

4131

4284

4437

4590

4743

4896

Posición m

Po

ten

cia

KW

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

Vel

oci

dad

Km

/h

kW=kJ/S

Km/h

Tiempo Recorrido 327,0 Seg. Energia Cons. -70,35 KWh Energia Reg. 57,07 KWh diferencia -13,29 KWh

En esta última simulación podemos ver que el tren se comporta en las subidas y bajadas como habíamos descrito anteriormente a excepción que esta vez sí que logramos llegar a la velocidad deseada y al momento de potencia contante y velocidad contante, incluso una parte de la potencia contante es de freno regenerativo ya que como es bajada y la gravedad favorece el movimiento si no lo frenamos no iría a velocidad contante por otra parte esto nos suma energía regenerada al sistema. El coste energético quedaría con un valor de 13,29 KWh con nuestra propuesta de mejora y sin ella se quedaría a los 70,35 KW/h que es o que ha consumido el tren en todo este trayecto.

29

Podemos observar que en todos los casos de simulaciones que hemos planteado siempre el coste energético final es mucho más rentable y siempre queda reducido al valor inicial de consumo que se debería pagar, incluso en un caso nos resultan valores positivos es decir generamos más energía como bien hemos explicado antes.

5.1. Desarrollo de las ecuaciones y el informe Excel. El estudio se ha realizado utilizando los datos reales y comportamiento de la Unidad de tren serie 112 (UT 112) de los FGC; las características de ésta se indican en las pestañas del archivo Excel “definiciones”, “pot. Constante 197 T”, y “pot. Constante 159 T”. Pestaña de definiciones:

Las características principales son: -Tara: 142,9 toneladas -Viajeros sentados: 232 personas -Viajeros de pie a una ocupación máxima de 6 viajeros por m2: 492 personas. -Viajeros totales: 724 personas. -Velocidad máxima: 90 Km/h -Aceleración máxima: 1 m/s2 -Potencia máxima: 2160 KW -Motores de tracción: 12 motores de 720 KW cada uno. -Factores formula resistencia al avance Davis:

Ocupación Massa A (KN) B (KN·h/Km) C (KN·h2/Km2) Alta 191 T 2,08 0,017 0,0013

Media 159 T 1,73 0,013 0,0013

Baja 150,5 T 1,64 0,013 0,0013

30

Pestaña de modelo completo y sucesivos.

Columna posición.

Para tener una idea más clara estudiamos el comportamiento del tren en cada metro por ello fabricamos las graficas y los estudios numéricos en base a la posición, concretamente a cada metro del recorrido.

Columna Conducción. La conducción de las Unidades es por velocidad prefijada de forma que el maquinista únicamente selecciona la velocidad objetivo y la unidad hace lo necesario para llegar a esa velocidad y mantenerla, por tanto no realiza derivas (circulando sin tracción, es decir, por inercia). Este sistema es típicamente utilizado en las cercanías y metros por la proximidad de las estaciones de forma que se magnifica la recuperación. En el modelo se ha definido una columna de conducción donde si se deseaba traccionar y la velocidad era inferior a 90 Km/h el valor de la columna era 1, si era igual a 90 Km/h es 0, y en el caso de frenar el valor es -1.

Columna tiempo. Existen dos tipos de movimiento: constante o acelerado; las formulas de las cuales aparece el tiempo están sujetas a esta condición, por lo tanto en la formula del estudio hemos prefijado este suceso diciendo que:

Si, la aceleración es distinto de 0 (acelerado), entonces el tiempo en el que se ha avanzado ese metro es:

T=Tanterior + (V-Vant) / A

Siendo: T, tiempo V, Velocidad A, aceleración

31

Si, la aceleración es 0 (constante), entonces el tiempo en el que se avanza ese metro es:

T=Tanterior +1metro /V

Siendo: T, tiempo V, Velocidad Utilizamos 1 metro porque cada fila corresponde al desplazamiento de 1 metro.

Estas formulas han sido despejadas de las formulas típicas de movimiento uniforme y movimiento uniformemente acelerado.

Columna Velocidad

En esta columna se condiciona por la aceleración, si la aceleración es 0 la velocidad se mantiene contante, es decir la velocidad de la fila anterior. Cuando hay aceleración la velocidad responde a una ecuación combinada de la formula típica de posición en los movimientos uniformemente acelerados y formula de velocidad respecto a tiempo en el mismo tipo de movimiento donde:

X=X0+Vo·T+ 1/2·a·T2 V=Vo + a·T

Despejada en nuestro estudio para la velocidad queda así:

V2= 2·a·(X-Xo) + Vo2

V= [2·a·(X-Xo) + Vo2] ½

32

Columnas de aceleraciones Para poder desarrollar el modelo comprendiendo como afectan las distintas fuerzas a la aceleración cinética final hemos diferenciado las aceleraciones derivadas de cada una de las fuerzas según sea:

-De la resistencia al avance que siempre resta y nos impide utilizar esta porción de fuerza del motor para acelerar cinéticamente. -La aceleración debida a la gravedad que en caso de subida nos impide la tracción y nos favorece el frenado; y en cambio en la bajada se suma a la tracción del motor y dificulta el frenado del tren, por otro lado favorable al freno eléctrico permitiendo una mayor regeneración. -La aceleración cinética es la que finalmente resulta del comportamiento cinético del tren teniendo que responder a los límites prefijados. -Como la aceleración cinética no coincide con la máxima que permite el motor a titulo informativo se ha incluido una columna donde se indican las aceleraciones que puede dar el motor a cada metro.

Las aceleraciones de la resistencia al avance y la gravedad son extraídas de la segunda ley de Newton.

F=m·a -Gravedad.

La aceleración debida a la gravedad responde a:

a=i·g Siendo: a, Aceleración derivada de la gravedad. i, Inclinación de la pendiente o la rampa. g, Gravedad terrestre.

33

-Resistencia al avance.

La aceleración derivada de la resistencia al avance:

a=Fra/m Siendo: a, Aceleración derivada de la resistencia al

avance. Fra, Fuerza de la resistencia al avance. m, Masa.

-Aceleración cinética.

Ha sido necesario hacer una formula de condicional un tanto compleja que pasamos a explicar: Si no frenamos, es decir aceleramos o mantenemos la velocidad, y la suma de aceleraciones junto con la aceleración máxima del motor resulta mayor que 1 luego aceleramos a la máxima permitida: 1 m/s2

La máxima del motor se calcula:

a= P/ (m·V)

Donde; a, Aceleración máxima del motor. m, Es la masa. V, La velocidad. P, Potencia máxima del motor.

Si esta suma es menor de 1 la aceleración será o 0 si la conducción es 0 (constante) o si la conducción es 1 será:

a= P/ (m·V) + ara + ag

Donde; a, Aceleración máxima del motor. m, Es la masa.

V, La velocidad.

34

P, Potencia máxima del motor. ara, Aceleración derivada de la resistencia al avance.

ag, Aceleración derivada de la gravedad.

Si es la conducción -1, es decir frenamos, y la suma de aceleraciones es menor de -1 la deceleración cinética imponemos que sea de -1, en caso contrario:

a= -P/ (m·V) + ara + ag

Donde; a, Aceleración máxima del motor. m, Es la masa.

V, La velocidad. P, Potencia máxima del motor.

ara, Aceleración derivada de la resistencia al avance. ag, Aceleración derivada de la gravedad.

Columnas de fuerza, potencia y trabajo.

Primero consideramos la fuerza de la resistencia al avance en recta utilizando la formula de Davis explicada en el apartado 1.4. Dinámica del tren “ecuación de la resistencia al avance”; y la fuerza de resistencia al avance en curva explicada en el mismo apartado. Luego estudiamos la energía potencial gravitatoria con:

Ep=mgh

Siendo la h la inclinación ya sea subida o bajada. La fuerza cinética que es la que nos permite avanzar la calculamos bajo las leyes de Newton:

F= m·a

35

Como este estudio numérico se ha realizado en base a cada metro la posición de avance en los cálculos siempre es 1m, y la formula del trabajo:

W=F·X Siendo x la distancia 1m, queda la formula:

W=F

Hecho que nos permite calcular la resultante como la suma de las cuatro: las resistencias al avance en recta y en curva la fuerza cinética y la gravitatoria.

ΣF= Fra+Frac+Fg+Fc

Columna de energía consumida y regenerada.

Estas dos columnas son las columnas en las cuales se calcula el balance de energía tanto consumida como regenerada en cada metro siguiendo la condición siguiente:

Si el trabajo resultante pasado a Wh es positivo la energía es negativo la potencia es consumida y si es positiva la potencia es regenerada.

En el balance final se suman las dos columnas por separado para obtener las resultantes y se calcula la diferencia para conocer el valor final.

5.2. Evaluación final. En todos los modelos de conducción hemos sido capaces de reducir notablemente el consumo energético de los trenes. Pongamos por caso un modelo con los datos y características estudiadas en el modelo de conducción de 5 Km alternando 500m de bajadas y de subidas con parada en cada kilómetro:

36

-Tiempo de recorrido: 508 s (328s movimiento y 180s de paradas). -Potencia consumida en un recorrido: 70,35 KWh -Potencia regenerada en un recorrido: 57,07 KWh -Diferencia resultante a pagar: 13,29 KWh -Precio energético medio: 0,12 €/KWh -Coste de un recorrido aprovechando regeneración: 1,595 € -Coste de un recorrido sin regenerar: 8,44 € -ahorro por viaje: 6,84€

Pongamos este recorrido a lo largo del día con el tiempo medio de actividad en un día de 19h de servicio y el número de ocupantes medio: resultando un total de 135 viajes diarios. Considerando el servicio anual tenemos 49.275 viajes, resultando un coste de energía de tracción con aprovechamiento energético de 78.581€, en el caso de no aprovechar la energía esta estación costaría un servicio de 416.007€ la diferencia que supone este modelo propuesto nos permitiría un ahorro anual de 337.426€. Considerando la instalación muy costosa de hasta 500.000€ y el ahorro energético amortizaríamos la instalación en un año y medio aproximadamente.

6. Opinión argumentada a favor de un modelo.

Vistos los resultados obtenidos en la práctica de los modelos con la propuesta de mejora de devolución a la red por subestación reversible, es muy eficiente y tiene una amortización considerable en tan solo un año y medio aproximadamente. El modelo propuesto de devolución a la red permite una instalación sin modificar la ya existente, como hemos visto el problema de la inversión económica es un asunto que se resuelve en un periodo de tiempo relativamente corto, quedando este modelo como el más eficiente, según nuestra opinión. Este proyecto requiere un estudio previo de las características técnicas y del tramo del trayecto, para poder tener una idea más clara de la amortización, ya que en cada caso es diferente; en nuestros

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casos planteados y estudiados la amortización no superaba el año y medio en ningún caso.

7. Práctica -Material: -dos motores corriente continua a 3V -tren casero de madera hecho con madera de balsa. -leds -ejes de metal -kit neumáticos de plástico -placa de soporte donde estañar el circuito -dos relés de 8 contactos excitación 6V -interruptor normalmente cerrado (paro) / interruptor normalmente abierto (marcha) -tres soportes para pilas, uno de 6V (relés), otro de 3V y otro de 4,5V (motores) - dos conmutadores -estaño -pistola de soldar -dos placas de metal de 2 metros cada una para la pista, y otras dos para el pie de altura -cables de diferentes colores para diferenciar los circuitos. (marcha/paro), (motor/leds), (2º motor/inversor). -alicate de corte -alicate de punta fina -tester, multímetro (necesario para verificar tensiones y continuidades del circuito así como polaridades) -alicate pelacables. -serrucho -cinta adhesiva de dos caras -Fastons (piezas metálicas donde estañar conexiones de cables con mayor facilidad. -Objetivos: En esta práctica se pretende poner de manifiesto el efecto del freno regenerativo para estudiar más detenidamente la regeneración eléctrica gracias a la iluminación por led, de este modo se puede aprender mejor y de forma más clara el objetivo final del proyecto, que consiste en el

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aprovechamiento de dicha energía generada siendo devuelta a la red pública. Otro objetivo que se plantea es el de mecanizar un tren y hacer los diseños eléctricos y mecánico oportunos, al hacer una parte del proyecto de ésta forma se consolidan los conceptos aprendidos y se aprende a ver todos esos símbolos a los que nos acostumbramos a ver en un plano pero no en una maqueta real, utilizar los símbolos estándares que conviene saber tanto para aprender más como para poder expresar los resultados. -Práctica: La práctica consiste evidenciar el funcionamiento del freno regenerativo de los trenes para ganar eficiencia y reducir consumos, para poder estudiar si es viable mi propuesta de mejora sobre el actual método eléctrico ferroviaria. En primer lugar se realizó la construcción del tren para servir de base donde poder empezar a plantear el dimensionamiento del circuito, el tren se hizo a base de madera de balsa, utilizada en modelos y escalas por su ligereza y cualidades mecánicas; la parte más importante de la construcción del tren es la inferior, es decir el lugar donde irán los motores bien sujetos con dos tornillos; es importante porque para conseguir un correcto movimiento de subida y de bajada se necesita una buena alineación de los ejes. Los ejes están conectados con los dos motores, el eje trasero esta pensado para ser el de tracción principal y el eje delantero sirve de apoyo para ganar velocidad de bajada y así conseguir una regeneración del otro motor más visual, porque para una optima frenada eléctrica se requiere cierta velocidad, aunque también funciona como apoyo al motor de tracción gracias a un circuito diseñado con un inversor simple. Los motores están constituidos por una pieza metálica que cumple dos funciones: sujetar el motor y transmitir la energía cinética del motor al eje de forma directa, para ello tienen orificios donde poder colocar una serie de engranajes. Estos engranajes tienen distintas formas, de manera que según sus colocación o si la trasmisión es más directa o menos ,con o sin reductor, se consigue más o menos velocidad y de igual forma más o menos fuerza par, en el caso de ésta práctica, como el tren tiene que subir una altura

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considerable y su peso en comparación con la capacidad del motor es elevada se necesita la combinación de engranajes que de mayor fuerza par; por otra parte necesitamos velocidad de bajada porque sino como ya sabemos no se da el freno eléctrico, causa que ha dado alguna complicación que se ha resuelto aumentando la tensión del motor de 3V a 7,5V, y elegir la combinación de engranajes de mayor fuerza par, de esta forma tenemos el motor subministrando mayor velocidad al eje y las ruedas dentadas proporcionan la fuerza necesaria de tracción.

40

El dimensionamiento del circuito eléctrico: En el circuito eléctrico se encuentran dos circuitos marcha-paro autoalimentados por los propios relés, de modo que el paro de el primero funciona de marcha del segundo en inversión, es decir, en tracción (marcha) los dos motores están en funcionamiento, y en el final de carrera se encuentra el interruptor paro que acciona el motor delantero que estaba en tracción invirtiendo el sentido, solo del motor delantero, como ayuda al descenso, quedando el motor trasero como generador encendiendo las cargas de frenado simbolizada por los leds que se han colocado en la parte

7,5V

M

M

Paro

Marcha

6V

1Ω

1Ω

10Ω

41

superior del tren de madera emulando el freno eléctrico reostático ferroviario. En el circuito se hizo un añadido paralelo a los leds que consiste en un potenciómetro de 10 Ohms para regular el frenado y dos resistencias en paralelo de 1 Ohm cada una para conseguir medio Ohm. Con este circuito conseguimos darle potencia de frenado al tren simulando el freno eléctrico tal y como se realiza, consumiendo la energía que genera el motor, llegando a los 18W de frenado aproximadamente. Más tarde se hizo la rampa por donde se pondrá en marcha el tren de manera que suba y baje frenando eléctricamente. Para la construcción de la rampa se utilizaron varios perfiles de estanterías de metal, por su forma resulta más sencillo darle forma y montar un plano, la rampa tiene una longitud de 2 metros y se soporta sobre un pie de las mismas características, los topes situados al lateral izquierdo son de madera y están enganchados con cinta adhesiva de doble cara de forma que hacen de principio y final de carrera con los interruptores laterales del tren de marcha y par, para amortiguar la bajada como método de seguridad se ha pegado un rectángulo de porexpan. -Problemas solventados: -Deslizamiento de las ruedas en la rampa: Se ha utilizado un adhesivo en forma de lija utilizado como antideslizante en las escaleras para aumentar la adherencia. -Deslizamiento de las ruedas sobre el eje: al aumentar la adherencia con la pista patinaban las ruedas sobre el propio eje, por ello se han apretado las ruedas con cinta americana y bridas de plástico apretadas fuertemente sobre el eje y la rueda gracias a unos alicates de corte u de sujeción. -Deslizamiento de los engranajes: las sucesivas pruebas habían desgastado la presión de los engranajes de transmisión en el conjunto reductor haciendo que las trasmisión no llegara al motor en descenso y dejando inutilizado el motor de regeneración, al principio se puso cianocrilato de metilo, cianocrilato de metilo para plásticos especiales y resina de dos componentes utilizada en taller ferroviario, ninguno de estos sirvió y se opto por cambiar el conjunto de engranajes por unos nuevos y de igual forma el eje de transmisión con la rueda por otro de un tamaño

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inapreciablemente superior pero suficiente como para crear la presión adecuada para que no deslizara. -Escasa velocidad de descenso y escasa fuerza de subida: En las inclinaciones que el primer motor podía subir el conjunto de bajada no era suficiente para que bajara, dado que la propia retención mecánica era suficiente como para frenar, al aumentar la inclinación descendía encendiendo los leds pero era imposible subir, para ello añadimos un segundo motor de apoyo en subida y en bajada para dar velocidad al conjunto en ambas situaciones inicialmente alimentados a 3V siendo la velocidad resultante suficiente para subir y bajar pero a una velocidad que no llegaba a generar suficiente energía, por ello se aumento la potencia a 4,5V con lo que se mejoró muchísimo la velocidad pero seguía sin ser suficiente, por ultimo se puso en serie la base de pilas de 3V más la de 4.5V para sumar los 7,5V (considerando motores de 3V) dando la velocidad más que suficiente como para subir a una velocidad notable y bajar con la suficiente velocidad para que el generador alcance tensiones suficientes para encender los leds y recrear el efecto de frenado regenerativo eléctrico. -Error de diseño: El primer circuito diseñado fue montado de forma correcta pero sin conseguir el resultado esperado de forma que la auto alimentación de los relés no se daba como deseábamos, se pensó que era un error de conexiones y se volvió a conectar el circuito, revisando todas las soldaduras, pero todo estaba correcto al final optamos por estudiar el circuito que se había diseñado primeramente y se vio que la autoalimentación del segundo led y del primero quedaba sujeta al primer interruptor marcha de forma que cuando se ponía en marcha en un primer momento el relé hacia contacto pero perdía la continuidad, se rediseño el circuito de forma correcta y se volvió a estañar consiguiendo el efecto que se buscaba de forma satisfactoria. -error de montaje: Al principio no se localizó de forma correcta el lugar físico a el cual correspondía el diseño en el plano y se hicieron conexiones en lugares erróneos. Se solucionó el problema dimensionando en un plano lo que se había conectado paso a paso y se vio que no coincidían con lo que debía ser y se corrigió el error.

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-Imágenes de la práctica:

Esta hecha a base de perfiles de estantería de metal, su longitud son dos metros, los topes de principio y final de carrera son de madera y están enganchados con una cinta adhesiva de doble cara, y al principio se ha colocado un rectángulo de porexpan para amortiguar la caída por seguridad.

Rampa.

Motores.

Motores de 3V situados en la base del tren de madera el de la izquierda funciona de subida y de bajada y el de la derecha es el de solo tracción se subida en la bajada no funciona porque es el motor que regenera la energía eléctrica

44

El freno Reostático de los trenes se producen consumiendo la energía que genera el motor por el movimiento del tren en forma de calor en unas resistencias que se sitúan en el techo, se ha querido simular de alguna manera situando los leds en la parte superior del tren aunque finalmente no irán situadas en el techo, sino en la placa estañadas al lado de los relés, al principio se hizo de esta manera porque así resulta más sencillo hacer pruebas de frenado conectando y desconectando los leds a esa placa sin estañar pero una vez configurada y estudiado el comportamiento se puede soldar en la placa definitiva.

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Tester multímetro

Instrumento utilizado para medir tensiones, y saber si hay continuidad en algún componente, función que ha sido muy útil para el correcto entendimiento de los interruptores y los relés, también para localizar errores en el circuito físico.

Alicates de corte

Estos son los alicates de corte utilizados a lo largo de toda la práctica, con se ha podido cortar infinidad de cables, bridas de plástico, placas,…

Estos alicates de punta fina se han utilizado sobretodo para sujetar cosas que estaban a una elevada temperatura, y también para coger cosas que requerían más precisión.

Alicates de punta fina

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Soldador y estaño

El soldador y el estaño son los instrumentos de soldadura básicos con los cuales se han hecho las conexiones de los cables y los elementos del circuito diseñado. Para hacer una buena soldadura es importante que este bien caliente para que el estaño se pegue bien y que fuerte y uniforme, porque en una soldadura fría el contacto es malo y puede traer problemas.

Los fastons son una pieza de soldadura muy útil, es como un soporte donde estañar los cables y permite hacer las conexiones de cables de forma directa y poder ir desconectando y conectando sin tener que desestañar, es una pieza ideal para hacer pruebas y prácticas de este tipo. *http://digilander.libero.it/nick47/au01.htm :Figura2 Diciembre/12

fastons

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Un interruptor

Este interruptor tiene tres posiciones y se ha utilizado de interruptor general para poner en marcha el circuito eléctrico y para pararlo.

Interruptores marcha y paro

El interruptor trasero es el interruptor marcha que acciona los dos motores en forma de tracción y el interruptor paro es el primero que cuando se acciona para el segundo motor para que regenere y el motor delantero le invierte la polaridad para darle velocidad al tren y permitir regenerar la energía de forma más sencilla y visual.

leds

Estos son los leds que se han utilizado son leds que funcionan a 20 miliamperios (mA) y 3V

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En estas imágenes se muestra un parte del circuito físico muy importante en el cual vemos las pilas que alimentan este circuito, los relés y el interruptor que están conectados a la placa, también se puede ver que las conexiones no son soldaduras directas, sino que los cables están conectados mediante los fastons que han aparecido anteriormente, esas piezas de metal doradas donde poder estañar el cable y así poder conectar y desconectar con facilidad, se puede ver que los fastons han sido envueltos en cinta aislante negra para que no pudiera haber alguna conexión o algún contacto entre ellos que provocara que el circuito dejara de funcionar correctamente.

Circuito físico

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Los relés.

Los relés son los elementos del circuito a los cuales va sujeto el sistema de marcha y paro del tren, el primer relé queda conectado de un extremo al interruptor paro y por el otro al marcha, de ese último extremo lo conectamos también a un conector común del propio relé, la pila se conecta por un polo al paro y por el otro al conector normalmente abierto del relé que al conectar coincida justamente con el común anterior, este mismo polo de pila se conecta también al interruptor marcha para acabar de cerrar el circuito de esa forma se consigue la autoalimentación del relé, como aparece anteriormente en el diseño gráfico del circuito.

Motor de 3V y engranajes.

Estos engranajes tienen distintas combinaciones para poder transmitir al los ejes la energía cinética del motor de una forma más directa y con un efecto de incremento de velocidad de una forma más indirecta perdiendo velocidad e incrementando su fuerza.

*todas las fotos han sido tomadas de la practica real y no de Internet.

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8. Respuesta a la hipótesis. Gracias a los datos numéricos obtenidos en este proyecto, la práctica y los objetivos marcados de la recuperación energética ferroviaria de frenado y su consiguiente aprovechamiento, nos a permitido aprender que si es posible reducir el coste energético de los trenes y que además salgan datos rentables. El llevar acabo este tipo de proyecto, ya no queda sujeto al estudio de su eficiencia, ya que se ha argumentado lo suficiente, el único punto en contra son las negociaciones posteriores que cada compañía quiera acordar para saber donde reconducir esta energía, las compañías eléctricas deben estar dispuestas a comprar esta energía o a pactar otros tipos de acuerdos, y este hecho junto con el coste, es lo que dificulta las incorporaciones de mejoras en los sistemas de ahorro energéticos. 9. Conclusiones. Las conclusiones extraídas después de realizar todo el proyecto son las siguientes: Una forma de optimizar el consumo eléctrico ferroviario es incorporar sistemas como el propuesto de aprovechamiento energético. Gracias a los cálculos podemos ver que el nivel de aprovechamiento energético esta relacionado por una parte con el número de estaciones que tengamos, es decir, cuanto menor sea la distancia entre las estaciones mayor energía de frenado se podrá aprovechar. Las pendientes negativas pronunciadas afectan de manera muy positiva en el aprovechamiento energético del sistema de frenado ferroviario; ya que si aun no ha llegado a la distancia de frenado, donde también se beneficia el aprovechamiento, puede que el tren llegue a superar el limite de velocidad de los 90 Km/h y necesite un freno constante, en esa situación el freno eléctrico aportaría todo su potencial.

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10. Glosario.

Elementos ferroviarios: infraestructura que capacita a las unidades móviles. Subestación: Recibe la energía de la compañía la transforma y la envía al tren. Dinámica: La dinámica es la parte de la mecánica que se ocupa del estudio del movimiento de los cuerpos sometidos a la acción de las fuerzas. Fuerzas pasivas: Fuerzas que no dependen de la acción del tren. Fuerzas activas: Fuerzas que son consecuencia directa de la acción del tren. Fuerza de frenado: Fuerza activa del tren para retener su avance Fuerza de tracción: Fuerza activa del tren para avanzar Pestañas (1): reborde de la rueda que mantiene el tren entre los carriles. Plano de rodadura (2): parte de la rueda donde se soporta el peso del tren apoyándose en el carril.

*pestaña y plano de rodadura.

http://www.google.es/imgres?um=1&hl=es&safe=off&tbo=d&rlz=1C1GGGE_esES413ES417&biw=2133&bih=1067&tbm=isch&tbnid=QkSFgGzBgiwoKM:&imgrefurl=http://www.skyscrapercity.com/showthread.php%3Ft%3D805412%26page%3D3&docid=nnVXmh3wgEhVVM&imgurl=http://farm4.static.flickr.com/3039/2785068113_551c82d6a4.jpg%253Fv%253D0&w=375&h=500&ei=T4vyUP3NF6iX0QXXnoCABQ&zoom=1&iact=hc&vpx=431&vpy=98&dur=984&hovh=258&hovw=194&tx=116&ty=140&sig=113085024428010867059&page=1&tbnh=146&tbnw=110&start=0&n

dsp=63&ved=1t:429,r:2,s:0,i:85 Boggie: Carro situado debajo del vehiculo donde se fijan los ejes del tren y permite el giro respecto a la caja del tren.

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*Boggie http://fr.wikipedia.org/wiki/Fichier:Bettendorf_truck_at_Illinois_Railway_Museum.JPG

Efecto pistón: Efecto producido cuando el tren se desplaza dentro de un túnel moviendo así el aire equivalente a su volumen hacia delante creando una sobre presión que se opone al movimiento. Frenos neumáticos o mecánicos: Frenos de servicio que bloque el movimiento de las ruedas por simple presión de unas pastillas de freno sobre la rueda o disco de freno fijado al eje. Frenos eléctricos: Freno de servicio que desacelera el movimiento del tren utilizando la energía generada por los motores en funcionamiento como generadores. Receptor: Recibe energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía, sea bien cinética, térmica,… Generador: genera energía eléctrica a través de otro tipo de energías sea bien cinética,… Reostático: Freno eléctrico que consume la energía en resistencias. Regenerativo: Freno que aprovecha las propiedades del freno eléctrico para optimizar el rendimiento. Servicios auxiliares: Servicios eléctricos del tren que no sean responsables del movimiento de este, como bien pueden ser la iluminación, las puertas, etc. Acumuladores: almacenan energía eléctrica. Acumuladores embarcados: situados en el propio tren. Acumuladores situados en tierra: situados fuera del tren. Baterías: Almacena la energía eléctrica utilizando enlaces químicos.

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Ultracondensadores: Almacena la energía eléctrica utilizando la capacidad entre dos placas separadas por dieléctricos. La característica de ultra se debe a la gran velocidad de carga y descarga. Volantes de inercia: Acumuladores de energía eléctrica mediante discos de inercia, almacenan esta energía en forma de energía cinética girando sobre un eje. Ecuación de la resistencia al avance: Extraída de la formula de Davis mencionada en la descripción de las columnas de Excel en la columna de fuerza, potencia y trabajo. Fastons: Piezas metálicas que facilitan las conexiones eléctricas. Inversor simple: esquema eléctrico que permite el cambio de polaridad de un motor. Se indica como simple porque no incorpora elementos más complejos como temporizadores, arrancadores, ni freno, etc. Reductor: Adaptación de la velocidad para el buen funcionamiento de la maquina y su transmisión. Interruptor final de carrera: Interruptor que acciona una parte del circuito al llegar final del recorrido. Interruptor principio de carrera: Interruptor que acciona una parte del circuito al iniciar el recorrido. Leds: Diodo emisor de luz que solo permite la corriente en una dirección. Relés: elemento del circuito que permite accionar circuitos de altos valores con un circuito de menor tensión e intensidad, y permite la autoalimentación mediante la posición de las conexiones. Porexpan: Material utilizado en la construcción del tren como amortiguador.

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11. Agradecimientos. Me gustaría expresar mi gratitud a todas las personas que han hecho posible este trabajo, sin ellas no hubiera llegado al final de éste proyecto. Para mis padres Antonio Miguel y Begoña por su interés, trabajo y apoyo incondicional y a mi tutor Iván Furest por su apoyo, ideas y consejos que le han dado al trabajo la lucidez y calidad que no podría haber dado solo. También agradecer a Juan Martínez López porque sin su experiencia y calidad habría resultado imposible la construcción del tren de la parte experimental y a los “Ferrocarrils de la generalitat de Catalunya” por toda la información. Espero que este trabajo pueda dar los resultados deseables, como manera de devolverles el favor, muchas gracias.

12. Bibliografía.

-Elecrail http://www.investigacion-ffe.es/documentos/elecrail/M13--ElecRail_InformeFinal.pdf Diciembre/12 -http://digilander.libero.it/nick47/au01.htm :Figura2 Diciembre/12 -Curso de eficiencia energética en ferrocarriles urbanos e interurbanos, Ingeteam. Noviembre/12 -Determinación de las condiciones optimas de conducción como forma de reducir el consumo energético de los trenes, Eduardo Aragón Gurría. Noviembre/12 -“Desenvolupament d’activitats adreçades al diagnòstic energètic de tracción i identificación de mesures d’estalvi i eficiència energètica”, FGC, J. Rull. Octubre/12 -Ficha técnica de locomotoras de tracción dual diesel/eléctricas, EuskoKargo, Ingeteam. Septiembre/12 -Ficha técnica de los Equipos de tracción ferroviaria Euskotren, Ingeteam. Septiembre/12 -Metodología de evaluación de la eficiencia energética del material móvil ferroviario, Fundación de los ferrocarriles Españoles. Enero/13 -Plano eléctrico de un tren, FGC. Septiembre/12

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-“Subestacions i electrificacions”, FGC. Octubre/12 -Plano eléctrico de un tren II, FGC. Octubre/12 -Plano eléctrico de un tren III, FGC. Octubre/12 -Diseño y topología de convertidor para la recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, Ingeteam. Noviembre/12 -Sistemas regenerativos eléctricos ferroviarios, Ingeteam Noviembre/12 -Manual de conducción, cremallera de Monserrat. Noviembre/12 -Manual descriptivo, Monserrat. Noviembre/12 -“Maquinaria de treball”. FGC Noviembre/12 -Material móvil histórico. FGC Octubre/12 -Normativa para la reglamentación de los materiales, FGC. Noviembre/12 -Unidad de trenes línea Barcelona Vallès, FGC. Octubre/12 -Unidad de trenes línea Llobregat Anoia, FGC. Octubre/12 -Unidad de trenes línea de mercaderías Llobregat Anoia, FGC. Octubre/12 -Unidad de trenes línea Ribes Núria, FGC. Octubre/12 -Ficha técnica A10 y A11, FGC. Octubre/12 -Web de Tecnología Eléctrica “Tu verás” http://www.tuveras.com/maquinaselectricas.htm Noviembre/12 -Master en sistemas ferroviarios. Módulo de material rodante. El Freno Eléctrico”.Instituto de Postgrado y Formación Continua de la Universidad Pontificia Comillas de Madrid. Noviembre/12

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-Transparencias sobre Ferrocarriles. Centro Politécnico Superior Universidad de Zaragoza. Departamento de Ingeniería Mecánica. Área de Ingeniería e Infraestructura de los Transportes. http://www.cps.unizar.es/~transp/Ferrocarriles/INDICE.html Noviembre/12 -"Design of Control Systems for DC Drives", Springer Verlag. Noviembre/12