Frenado dinámico

El frenado dinámico es el uso de un motor de tracción eléctrico como generador al frenar un vehículo como una locomotora eléctrica o diésel-eléctrica. Se denomina método "reostático" si la energía eléctrica generada se disipa en forma de calor en las resistencias de la rejilla de freno y se disipa de forma "regenerativa" si la energía regresa a la línea de suministro. El frenado dinámico reduce el desgaste de los componentes de frenado basados en fricción y la regeneración reduce el consumo neto de energía. El frenado dinámico también se puede utilizar en vagones con unidades múltiples, vehículos ferroviarios ligeros, tranvías eléctricos, trolebuses y automóviles eléctricos e híbridos.

Principio de funcionamiento

Convertir energía eléctrica en energía mecánica de un eje giratorio (motor eléctrico) es lo inverso a convertir la energía mecánica de un eje giratorio en energía eléctrica (generador eléctrico). Ambos se logran mediante las interacciones de los devanados de la armadura con un campo magnético externo (relativamente) en movimiento, con la armadura conectada a un circuito eléctrico con una fuente de alimentación (motor) o un receptor de energía (generador). Dado que la función del dispositivo de conversión de energía eléctrica/mecánica está determinada por qué interfaz (mecánica o eléctrica) proporciona o recibe energía, el mismo dispositivo puede cumplir la función de motor o generador. En el frenado dinámico, el motor de tracción adopta la función de generador cambiando de un circuito de suministro a un circuito receptor mientras se aplica corriente eléctrica a las bobinas de campo que generan el campo magnético (excitación).

La cantidad de resistencia aplicada al eje giratorio (potencia de frenado) es igual a la tasa de generación de energía eléctrica más cierta pérdida de eficiencia. Esto, a su vez, es proporcional a la intensidad del campo magnético, controlado por la corriente en las bobinas de campo, y la velocidad a la que la armadura y el campo magnético giran uno contra el otro, determinada por la rotación de las ruedas y la relación del eje de potencia. a la rotación de las ruedas. La cantidad de potencia de frenado se controla variando la intensidad del campo magnético a través de la cantidad de corriente en las bobinas de campo. Como la tasa de generación de energía eléctrica y, a la inversa, la potencia de frenado, son proporcionales a la velocidad a la que gira el eje de potencia, se requiere un campo magnético más fuerte para mantener la potencia de frenado a medida que la velocidad disminuye y existe un límite inferior en el que el frenado dinámico puede ser efectivo dependiendo de la corriente disponible para la aplicación a las bobinas de campo.

Los dos métodos principales para gestionar la electricidad generada durante el frenado dinámico son el frenado reostático y el frenado regenerativo, como se describe a continuación.

Para los motores de imanes permanentes, el frenado dinámico se logra fácilmente cortando los terminales del motor, lo que hace que el motor se detenga rápidamente y de manera abrupta. Este método, sin embargo, disipa toda la energía en forma de calor en el propio motor y, por lo tanto, no se puede utilizar en nada más que en aplicaciones intermitentes de baja potencia debido a limitaciones de enfriamiento, como en herramientas eléctricas inalámbricas. No es adecuado para aplicaciones de tracción.

Frenado reostático

La energía eléctrica producida por los motores se disipa en forma de calor mediante un banco de resistencias integradas, denominada rejilla de frenado. Se necesitan grandes ventiladores de refrigeración para proteger las resistencias de daños. Los sistemas modernos cuentan con monitorización térmica, de modo que si la temperatura del banco es excesiva se apagará y el frenado volverá a ser sólo por fricción.

Frenado regenerativo

En los sistemas electrificados se emplea el proceso de frenado regenerativo mediante el cual la corriente producida durante el frenado se devuelve al sistema de suministro de energía para que la utilicen otras unidades de tracción, en lugar de desperdiciarse en forma de calor. Es una práctica habitual incorporar frenado tanto regenerativo como reostático en los sistemas electrificados. Si el sistema de suministro de energía no es "receptivo", es decir, incapaz de absorber la corriente, el sistema pasará por defecto al modo reostático para proporcionar el efecto de frenado.

Ya están disponibles locomotoras de patio con sistemas de almacenamiento de energía a bordo que permiten recuperar parte de la energía que de otro modo se desperdiciaría en forma de calor. El modelo Green Goat, por ejemplo, lo utilizan Canadian Pacific Railway, BNSF Railway, Kansas City Southern Railway y Union Pacific Railroad.

En las locomotoras de pasajeros modernas equipadas con inversores de CA que tiran de trenes con suficientes cargas de potencia de cabecera (HEP), la energía de frenado se puede utilizar para alimentar los sistemas a bordo del tren mediante frenado regenerativo si el sistema de electrificación no es receptivo. o incluso si la vía no está electrificada para empezar. La carga HEP en los trenes de pasajeros modernos es tan grande que algunas locomotoras eléctricas nuevas, como la ALP-46, se diseñaron sin las tradicionales rejillas de resistencia.

Frenado combinado

El frenado dinámico por sí solo no es suficiente para detener una locomotora, porque su efecto de frenado disminuye rápidamente por debajo de aproximadamente 10 a 12 millas por hora (16 a 19 km/h). Por lo tanto, siempre se utiliza junto con el freno de aire normal. Este sistema combinado se denomina frenado combinado. Las baterías de iones de litio también se han utilizado para almacenar energía que se utilizará para detener completamente los trenes.

Aunque el frenado combinado combina frenado dinámico y neumático, la fuerza de frenado resultante está diseñada para ser la misma que proporcionan los frenos de aire por sí solos. Esto se logra maximizando la porción de freno dinámico y regulando automáticamente la porción de freno de aire, porque el propósito principal del frenado dinámico es reducir la cantidad de frenado de aire requerido. Eso conserva el aire y minimiza los riesgos de ruedas sobrecalentadas. Un fabricante de locomotoras, Electro-Motive Diesel (EMD), estima que el frenado dinámico proporciona entre el 50% y el 70% de la fuerza de frenado durante el frenado combinado.

Prueba de autocarga

Es posible utilizar las rejillas de freno como una especie de dinamómetro o banco de carga para realizar una prueba de "autocarga" de la potencia de salida de una locomotora. Con la locomotora parada, la salida del generador principal (MG) se conecta a las rejillas en lugar de a los motores de tracción. Las rejillas normalmente son lo suficientemente grandes como para absorber toda la potencia de salida del motor, que se calcula a partir del voltaje y la corriente de salida del MG.

Frenado hidrodinámico

Las locomotoras diésel con transmisión hidráulica pueden estar equipadas para frenado hidrodinámico. En este caso, el convertidor de par o el acoplamiento hidráulico actúa como retardador del mismo modo que un freno de agua. La energía de frenado calienta el fluido hidráulico y el calor se disipa (a través de un intercambiador de calor) a través del radiador de refrigeración del motor. El motor estará al ralentí (y producirá poco calor) durante el frenado, por lo que el radiador no se sobrecargará.