Conmutadores en tracción ferroviaria y sistemas de corriente continua heredados
Conmutadores decidieron el comportamiento de los primeros trenes eléctricos y siguen decidiendo si un número sorprendente de locomotoras modernas vuelven al depósito o fallan en la línea. Puede que los motores de corriente alterna sean los dueños del futuro, pero para las flotas de corriente continua heredadas, el sistema de escobillas conmutadoras sigue siendo donde se gana o se pierde discretamente la fiabilidad.
Índice
Por qué los conmutadores siguen siendo importantes en la era “all-AC
En la actualidad, la mayoría del material rodante nuevo sale de fábrica con motores trifásicos de corriente alterna y convertidores IGBT. Los motores de tracción de corriente continua con conmutadores se han ido desplazando progresivamente porque las máquinas de corriente alterna son más sencillas mecánicamente y más baratas de mantener a lo largo de su vida útil.(ScienceDirect)
Sin embargo, las locomotoras de gran tonelaje, las UME más antiguas, los metros de los años 70 a 90 y una parte considerable de los ferrocarriles mineros e industriales siguen dependiendo de grandes motores de corriente continua. En muchas de estas flotas, los bogies, las cajas de cambios y los bastidores de los motores pueden funcionar durante décadas, pero los conmutadores y las escobillas definen la fecha de jubilación práctica. Los motores de repuesto y los conmutadores en bruto no siempre son el factor limitante; lo son los conocimientos especializados.
Hay otra razón por la que son importantes. Gran parte de la intuición que subyace a los modernos variadores de velocidad controlados vectorialmente procede de la clásica máquina de CC con conmutador. La descripción dq de dos ejes utilizada en el control orientado al campo es esencialmente un eco matemático de lo que el conmutador y las escobillas hacen mecánicamente. Perder el conocimiento del conmutador significa perder parte de esa sensación física original para la producción de par y el control de la corriente.
El conmutador como convertidor mecánico, no sólo un tambor de cobre
A estas alturas, ya conoce el manual: cilindro de cobre segmentado, escobillas de carbón, inversión de la corriente. Lo que no suele tenerse en cuenta es que el conmutador es un convertidor mecánico de frecuencia integrado en un entorno que vibra violentamente. Shantarenko y sus coautores describen explícitamente el conjunto conmutador-escobilla como un convertidor mecánico de frecuencia eléctrica y, a continuación, tratan estadísticamente su comportamiento de chispas, que se acerca más a la realidad en el servicio de tracción que cualquier diagrama de fasores.
En la tracción ferroviaria, la corriente del inducido rara vez es “nominal y constante”. El arranque de un tren de mercancías pesado o el empuje de un vagón de metro fuera del andén cargan el motor de CC en serie mucho más allá de la placa de características durante breves periodos. El conmutador tiene que conmutar miles de amperios bajo la reacción del inducido, con los interpolos haciendo todo lo posible para limpiar las tensiones inducidas. Cuando el juego de ruedas patina, o un conductor tira de la palanca de potencia, o el sistema de control de tracción busca adherencia, todo eso acaba como tensión en unos pocos milímetros de cobre y película.
Así que el conmutador no sólo transfiere corriente. Está intentando mantener una ilusión de par suave mientras el sistema sigue pidiéndole que se comporte como un inversor moderno de corriente regulada. Ese desajuste es exactamente el origen de muchos de los fallos más desagradables.
Ciclos de trabajo ferroviarios y su impacto en la conmutación
Los metros urbanos de corriente continua se sitúan en el extremo duro del espectro. Las cortas distancias entre estaciones, la aceleración agresiva y el frenado intenso hacen que los motores de tracción vivan en un mundo de cambios bruscos de corriente, que se repiten varias veces por kilómetro. El colector nunca llega a estabilizarse térmicamente. La formación de película, el desgaste de las escobillas y la temperatura del cobre funcionan con relojes diferentes, por lo que se puede tener un colector aparentemente fino que en realidad esté patinando al borde del reblandecimiento térmico en hora punta.
Las locomotoras de gran tonelaje someten el sistema a un esfuerzo diferente. La alta carga continua en pendientes largas mantiene la corriente del inducido cerca del máximo durante largos tramos, lo que aumenta la temperatura del cobre pero con menos transitorios rápidos. En estas condiciones, es más probable que se produzcan fenómenos como el arrastre del cobre y el quemado de la barra de ranura, sobre todo si el grado de la escobilla o la fuerza del muelle se han optimizado de forma demasiado agresiva para reducir el desgaste.
También está el frenado regenerativo en los sistemas de corriente continua. En las EMU más antiguas, la regeneración se aplicaba a veces a motores que se habían diseñado para funcionar exclusivamente a motor. La corriente se invierte, las condiciones magnéticas en la zona de conmutación cambian, y lo que era una configuración estable en motorización puede convertirse en marginal en regeneración, especialmente a baja velocidad. Se acaban recibiendo informes de conductores que dicen que “sólo chispea mal cuesta abajo”, que son fáciles de ignorar, pero que a menudo apuntan a problemas reales en el margen de conmutación.
Qué falla realmente en los conmutadores de tracción
La respuesta obvia es “se desgastan”. Pero esa no es realmente la historia. La zona colector-escobilla es un sistema electromecánico acoplado, y la mayoría de los fallos graves empiezan con un pequeño desequilibrio. Los manuales sobre escobillas de carbón son muy claros al respecto: la densidad de corriente, el grado de la escobilla, el estado de la superficie de contacto y la geometría del soporte interactúan, y ninguno de estos parámetros puede desviarse mucho sin consecuencias visibles en la interfaz de cobre.
Las guías de mantenimiento de las máquinas industriales y de tracción enumeran un conjunto familiar de defectos: estrías, arrastre de cobre, quemado del borde de la barra, quemado de la barra de ranura, alto contenido de mica, barras sueltas. En un contexto ferroviario, el truco consiste en relacionar estos patrones superficiales con el ciclo de trabajo, el hardware de refrigeración y la estrategia de control del vehículo, en lugar de tratar cada colector como un trabajo de taller aislado. Un vagón de metro que pasa la mitad de su vida en túneles con una filtración de polvo marginal envejecerá sus escobillas y su película de forma diferente a una locomotora minera que vive entre polvo abrasivo y cambios bruscos de temperatura.
La bibliografía sobre fiabilidad de los motores de tracción trata cada vez más el comportamiento de los colectores desde el punto de vista estadístico, utilizando parámetros como la distribución de la duración del impulso del arco para evaluar el nivel de chispas y predecir el riesgo de avería. Este tipo de pensamiento sigue siendo poco frecuente en los talleres, donde “la inspección visual y el oído del técnico” siguen siendo las herramientas principales.
Una visión de campo: síntomas, mecanismos y lo que realmente le están diciendo
En lugar de una lista de la compra de averías, ayuda a mantener un mapa compacto entre lo que se ve, lo que probablemente ocurre en la zona de conmutación y lo que realmente está en juego para la flota. La tabla está deliberadamente simplificada, pero se ajusta bastante bien a las principales guías utilizadas en la industria.
| Síntoma de campo en el conmutador de tracción de CC | Probable mecanismo subyacente en el servicio de tracción | Primeras preguntas en el depósito | Riesgo práctico si se ignora |
|---|---|---|---|
| Película uniforme de color marrón claro, superficie lisa, poco desgaste del cepillo | Película y densidad de corriente en equilibrio; interpolos correctamente ajustados; vibración bajo control. | ¿Ha cambiado algo en el grado de las escobillas, la filtración o el ciclo de trabajo desde la última revisión? | Bajo; sobre todo un caso de referencia para “normal” en su propia flota |
| Película oscura pesada pero uniforme, los pinceles funcionan fríos | Humedad elevada o aire contaminado que favorece la formación de película; posible ligera subcarga en algunas partes del ciclo. | ¿Los cambios de horario han alargado la marcha por inercia o a baja carga, o el software de control ha reducido los picos de corriente? | Moderado; puede ocultar el arrastre temprano del cobre si las temperaturas suben más tarde. |
| Ranurado pronunciado en la dirección del cepillado | Grado de cepillado abrasivo o aire contaminado; arco eléctrico localizado que mecaniza la superficie. | ¿Ha pasado el grado de las escobillas de una familia más blanda a una más dura; se han obstruido los filtros; hay vías visibles de entrada de polvo cerca de los motores? | Alto; las ranuras concentran la corriente, aumentan la temperatura local y acortan drásticamente la vida útil del colector. |
| Cobre arrastrado por las ranuras, aspecto manchado | Reblandecimiento del cobre debido a las altas temperaturas y a las vibraciones mecánicas; a veces, grado de cepillado demasiado abrasivo o inestable. | ¿Se controlan las temperaturas de los colectores? ¿Ha aumentado la carga continua? ¿Han cambiado los niveles de vibración tras el reperfilado de las ruedas o los trabajos en los bogies? | Alta; una vez que comienza el arrastre tiende a autoacelerarse y puede arruinar un colector entre revisiones. |
| Ardor en el borde del compás cada dos o tres compases | Mala sincronización de la conmutación, ajuste incorrecto del neutro o interpolos debilitados; a veces, caída de tensión de las escobillas desajustada. | ¿Alguien ha movido el aparejo de escobillas? ¿Se han modificado las corrientes de campo o interpolares en las actualizaciones de control? | Muy alto; a menudo precursor de daños en el aislamiento y sustitución forzosa del motor. |
| Barras oscuras aleatorias, informes de chispas intermitentes de los conductores. | Barras sueltas, presión de contacto desigual o problemas locales de aislamiento. | ¿Cuándo se realizó la última prueba barra a barra? ¿Ha sufrido el motor alguna descarga o impacto mecánico en el pasado? | Muy alto; las barras sueltas de los motores de tracción pueden provocar un fallo catastrófico bajo carga o durante la regeneración. |
| Manchas planas localizadas sin decoloración evidente | Desbarbado previo con desbarbado insuficiente, o desgaste desigual después de cepillos desalineados. | ¿Se ha desbarbado el colector en el vehículo? ¿Se han introducido después las escobillas correctamente? | Medio; puede empezar como un problema de comodidad (ruido, pequeñas chispas), pero puede convertirse en defectos más graves. |
Esta forma de pensar es aburridamente pragmática. Pero ayuda a mantener la conversación en el taller centrada en las causas del sistema en lugar de limitarse al mecanizado superficial y la sustitución de escobillas.
Decisiones sobre los cepillos: donde reside la mayor parte de la sutileza
En la actualidad, los proveedores ofrecen una gama desconcertante de grados de carbono para tracción, a menudo con formulaciones específicas para ferrocarriles que compensan el desgaste con la estabilidad de conmutación y una formación de película aceptable. Las guías de aplicación para motores de tracción GE y similares muestran grados como T900, T959 y T593 aprobados para determinadas familias de motores, a menudo en construcciones de escobillas de varias obleas para mejorar la estabilidad de contacto en entornos de alta vibración.
Estos diseños de obleas múltiples y grados duros no son sólo marketing. Existen para hacer frente a las vibraciones de los bogies, la ovalidad de los colectores y el frecuente funcionamiento a baja velocidad y alto par que conlleva el movimiento de trenes muy pesados. Pero aplicar un “grado ferroviario” a ciegas puede ser contraproducente. Una pendiente demasiado dura en una flota con refrigeración marginal puede elevar la temperatura del colector y provocar el arrastre del cobre. Un grado muy blando elegido para proteger el colector en una flota antigua puede crear problemas de polvo y una película inestable, especialmente en túneles con filtración deficiente.
La caída de tensión de la escobilla es otra variable silenciosa. La ventana de conmutación en un motor de CC de tracción es estrecha. Si la caída de tensión de la escobilla es inferior a lo que los interpolos y el plano neutro fueron diseñados para soportar, puede llegar a quemarse el borde de la escobilla aunque la máquina parezca estar bien en vacío. Esta es exactamente la razón por la que muchas guías de desgaste relacionan el quemado de los bordes no sólo con los ajustes magnéticos sino también con el material de la escobilla.
Hardware del siglo XIX bajo la electrónica de potencia moderna
Algunos de los problemas más difíciles aparecen cuando los motores de tracción de CC heredados se accionan con una electrónica de potencia más agresiva para la que fueron diseñados. Los primeros sistemas utilizaban conmutación serie-paralelo y bancos de resistencias o simples controles de chopper. A medida que mejoraron los convertidores, los fabricantes de equipos originales y los operadores empezaron a alimentar los mismos motores desde choppers o rectificadores más rápidos y de mayor frecuencia, con reguladores de corriente más estrictos. La respuesta del par externo mejoró. El conmutador experimentó rampas de corriente más pronunciadas y transiciones más frecuentes.
En las redes mixtas, las locomotoras de CC pueden alimentarse de subestaciones que ahora también admiten aplicaciones modernas de MVDC, en las que el suministro de tracción puede servir de columna vertebral para cargas urbanas de CC o microrredes. Desde el punto de vista del conmutador, esto puede significar un contenido de ondulación ligeramente diferente, un comportamiento de eliminación de fallos distinto y patrones de regeneración alterados. Nada de esto aparece en los planos originales del motor. Aparece como patrones de desgaste extraños unos años después de la actualización del sistema eléctrico.
A medida que la conversión AC-DC-AC se convirtió en norma para las nuevas locomotoras, los motores de tracción DC empezaron a desaparecer de las especificaciones de las grandes líneas, pero las flotas restantes a menudo acabaron en servicios más duros: tareas sobrantes, trenes de trabajo, mercancías de baja prioridad. Estos patrones de funcionamiento pueden ser sorprendentemente abusivos, con arranques frecuentes, bajas velocidades y mala calidad de la vía, y dejan sus propias huellas en el estado de los colectores.
Diagnósticos que cambian realmente las decisiones
La investigación moderna sobre el comportamiento de los colectores en tracción se centra en la cuantificación de las chispas mediante la medición de la duración y la distribución de los impulsos de arco en la interfaz escobilla-colector. La idea es pasar de los “grados de chispa” subjetivos a indicadores probabilísticos de la calidad de la conmutación. En la práctica, esto puede vincularse a los sistemas de control de estado existentes, combinando datos de sensores de corriente, vibración y temperatura con estadísticas de arco.
Para muchas flotas, sin embargo, el camino realista es un paso o dos más modesto. Lo que suele funcionar es la documentación visual coherente del estado de los colectores en cada inspección programada, junto con mediciones sencillas como la resistencia barra-barra, el recorrido total indicado y la fuerza del muelle de la escobilla. Si se añaden los datos del tren, como los perfiles de corriente de tracción y los registros de deslizamiento, ya se tiene suficiente para correlacionar los patrones de conducción agresivos o los cambios de horario con un desgaste acelerado de los colectores. Con el paso de los años, esto se convierte en un “mapa” de conmutación específico de la flota que supera a cualquier manual genérico.
Prolongar la vida útil frente a aceptar la sustitución
Llega un momento en que el colector se ha desbastado con demasiada frecuencia, las ranuras se han rebajado demasiadas veces y el riesgo de fallo del aislamiento hace que la renovación continua resulte poco rentable. La dificultad estriba en que el punto de equilibrio financiero se desplaza cuando se agota el apoyo de los fabricantes o cuando el coste de una nueva adaptación del accionamiento de CA es elevado.
Los proveedores de escobillas de carbón y guías de desgaste de colectores tienden a promover el mecanizado, rebobinado y reaislamiento como ciclo rutinario. Eso puede funcionar para los accionamientos industriales. Para la tracción, cada desmontaje adicional del motor, cada elevación del vehículo, cada vez que se alteran los cables pesados y los conductos de refrigeración, existe un riesgo adicional para el sistema. La decisión no sólo tiene que ver con el cilindro de cobre. Se trata del tiempo de inactividad, la disponibilidad de la flota y los conocimientos prácticos disponibles en sus talleres.
Una táctica útil consiste en clasificar los motores en “vida útil restante”, “salvamento por reacondicionamiento” y “funcionamiento hasta la sustitución” en cada revisión general, basándose en el estado del colector, las pruebas de aislamiento y los datos históricos. Los motores del último grupo pueden emparejarse con vehículos que estén cerca del final de su vida útil. Así se evita gastar el dinero del colector en coches que, de todos modos, se desguazarán pronto.
Dónde nos deja esto
La tracción de corriente alterna, los motores de imanes permanentes y los convertidores de estado sólido acaparan la atención de los ingenieros, y con razón. Pero los conjuntos de escobillas conmutadoras de muchos trenes viejos siguen determinando la capacidad real que los operadores pueden exprimir de sus redes. Un solo grado de escobilla mal elegido o un cambio inadvertido en el ciclo de trabajo pueden consumir silenciosamente lo que queda de vida en los motores de tracción de una flota.
Tratar los conmutadores de la tracción ferroviaria como un sistema vivo y acoplado, y no como una “pieza de cobre” heredada, hace que el trabajo sea más interesante y honesto. Conecta las observaciones de los depósitos con las decisiones sobre el software de control y con las actualizaciones de las fuentes de alimentación a nivel de sistema. Una vez que se empiezan a unir esos puntos, los conmutadores dejan de parecer reliquias y empiezan a parecerse a lo que siempre han sido en la tracción de corriente continua: convertidores mecánicos compactos y un poco incómodos que siguen cargando sobre sus hombros una cantidad sorprendente del destino del sistema.
