¿Cómo se mueve un tren eléctrico?

En la serie ¿Cómo se mueven los trenes? de Encarrilando, hemos visto hasta ahora el funcionamiento de las locomotoras de vapor y los trenes diésel. En esta tercera y (por ahora) última entrega, es hora de ver cómo se mueve un tren eléctrico.

Hablar a fondo de esta materia requiere un gran conocimiento de física, por lo que sólo se abordará el funcionamiento del motor eléctrico y sus sistemas de control en líneas generales, ya que no es propósito de Ferro Cultura profundizar en temas técnicos.

Principios del motor eléctrico

No se puede entrar en materia sin dar, al menos, un par de pinceladas sobre el funcionamiento de los motores eléctricos. Para ello, es preciso indicar que es una máquina que se encarga de transformar electricidad en movimiento o, lo que es lo mismo, energía eléctrica en mecánica.

Para lograrlo, utiliza el principio del electromagnetismo que establece que una corriente eléctrica que circula por una espira (vuelta de una espiral) genera un campo magnético que puede interactuar con el de un imán. La demostración básica de esto es el clásico experimento de rodear una brújula con una espira de cobre o un electroimán conectado a una batería. El efecto inmediato es que la aguja de la brújula gira, afectada por el nuevo campo magnético.

Un motor eléctrico se compone de dos partes: una fija llamada estátor (de estático) y una móvil conocida como rótor (porque es la que rota). En función del tipo de motor, el estátor y el rótor tendrán distintos elementos.

Y es que no hay un sólo tipo de motor eléctrico. Podemos distinguir tres grandes grupos: los de corriente continua, síncronos y asíncronos. En los de corriente continua, por poner un ejemplo, el estátor es un imán y el rótor es un conjunto de devanados (bobinas) que gira al aplicar una corriente eléctrica sobre las mismas.

El motor eléctrico en los trenes

El hecho de que un tren se pudiera mover sin realizar emisiones contaminantes con unos motores de pequeño tamaño (en comparación con los de vapor o diésel), fue toda una revolución en la historia del ferrocarril. Revolución que conllevó, por otro lado, la implementación de los sistemas de electrificación que permitieran transportar la energía hasta su punto de consumo.

Durante casi un siglo, los trenes eléctricos utilizaron casi en exclusiva motores de corriente continua. Sin embargo, debido a la evolución de los motores de corriente alterna y sus sistemas electrónicos de control, en la actualidad todos los trenes nuevos utilizan motores asíncronos.

Control de la energía

Dado a que los motores de cada tren requieren de una potencia concreta en cada momento, los sistemas de electrificación de las infraestructuras suministran energía con unos valores prácticamente constantes. Por lo tanto, adaptar la intensidad de la corriente a las necesidades de la marcha es tarea independiente de su tren y su cadena de tracción.

Por lo tanto, entre el sistema de alimentación y el motor hay siempre un dispositivo de control de la electricidad. De carecer de él, los motores se pondrían a pleno funcionamiento a la hora de conectarlos a la red, lo que, evidentemente, no es nada práctico.

Sistemas reostáticos

Son los trenes eléctricos más rudimentarios. Controlan la intensidad de la corriente mediante grupos de resistencias.

Su principio de funcionamiento es la Ley de Ohm que establece que Intensidad = Voltaje / Resistencia. A un voltaje constante, la intensidad será mayor cuando haya menos resistencia. Por lo tanto, lo que se usan son resistencias que disipan la energía en forma de calor para ir regulando los amperios que llegan al motor.

Los sistemas de control de las resistencias para los trenes reostáticos fueron principalmente mecánicos, aunque ya en los años 70, con el chopper acechando, se logró aplicar la electrónica de control para mejorar el uso de las resistencias.

El chopper, la llegada de la electrónica

Sin embargo, la aparición de la electrónica para el control de la velocidad de los trenes eléctricos fue anecdótica hasta el reemplazo de las resistencias por el chopper. Este aparato de electrónica de potencia, además de conseguir un gran ahorro de energía, permitía una mayor suavidad en la marcha.

En España, por ejemplo, es notable la diferencia entre la marcha del último tren reostático de Renfe, la serie 448, y el primero con chopper, la serie 446.

Por otro lado, el chopper facilitó la introducción de los motores de corriente alterna, como sucedió en la serie 2000 del metro de Madrid. Mediante onduladores que convierten la corriente continua emanada del aparato de potencia, el motor recibe la corriente necesaria para cada fase de la marcha.

Cabe decir que un chopper es un troceador de energía. Se encarga de trocear la señal constante de la corriente continua en pulsaciones. Mediante la combinación correcta de pulsaciones, se consigue que la corriente de salida varíe.

El empleo del IGBT

Si bien el chopper en los trenes eléctricos fue un gran avance, su uso fue efímero en comparación con los sistemas reostáticos. Paulatina y rápidamente fue reemplazado por sistemas electrónicos más eficientes y más controlables.

Ya a principios de los años 90 la evolución de la electrónica de potencia de los trenes llegó a los denominados IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor o transistor bipolar de puerta aislada), dispositivos que permiten el mayor rendimiento. Controlados con microprocesadores, los IGBT están presentes en todos los trenes eléctricos modernos, incluso en aquellos que reciben corriente continua de la catenaria.

Fuentes: Ecured, Japan Railway & Transport Review, ChileComparte y Vía Libre.