TRACCIÓN ELÉCTRICA DEL TGV-SE

En 1983 entraba en servicio comercial la línea de alta velocidad francesa entre Combs la Ville a Saint-Florentin, que junto con el tramo que ya estaba en servicio desde 1981 y que desde Saint-Florentin llegaba hasta Sathonay; completaba la línea que unía París con Lyon. Para dar servicio adecuado a las características de explotación que permitía la línea, SNCF encargó a Alsthom-Atlantique y Francorail-MTE la construcción de 97 ramas TGV, todas ellas capaces de alcanzar la velocidad máxima comercial de 270 km/h y circular bajo catenaria de 1.5 kV c.c. y 25 kV c.a.; sin embargo seis de las ramas están concebidas para circular también bajo catenaria de 15 kV 16 2/3 Hz c.a., de este modo pueden dar servicio en las líneas helvéticas y unir París con Lausanne.

Lo interesante de este material, y el objetivo de este artículo, es recordar, muy someramente, las características eléctricas que hicieron posible el primer servicio comercial de un tren de alta velocidad en Europa. Cada rama de TGV está compuesta por dos cabezas tractoras y ocho remolques intermedios. Cada cabeza tractora es una locomotora carenada aerodinámicamente y con una única cabina de conducción en un extremo, existen dos bogies de dos ejes cada uno y un motor por eje en cada cabeza tractora. De este modo, se obtienen un total de ocho ejes motores en las dos cabezas tractoras que componen una unidad o rama. Los remolques están a su vez unidos de un modo articulado, es decir, dos remolques contiguos se apoyan en un único bogie, excepto los extremos que al estar unidos por los aparatos clásicos de tracción y choque (topes y gancho de husillo), deben, a su vez apoyarse en un bogie sin compartir. Esta particularidad añade rigidez a todo el conjunto de coches remolques, permite aligerar el tren y respetar un límite de carga de 17 toneladas por eje, condición que se debe cumplir debido a las características de rodaje a alta velocidad. En total existen ocho coches remolques, como decíamos, y nueve bogies remolques, sin embargo, en el caso de las ramas TGV SE (Train à Grand Vitésse Sud-Est), los bogies extremos de los coches remolques, aquellos que no están compartidos, son también motores. 

Existen tres modos de funcionamiento del equipo eléctrico (cuatro si añadimos el funcionamiento bajo catenaria de 15 kV, pero no lo haremos en este momento), a saber: tracción bajo catenaria de corriente contínua, tracción bajo catenaria de corriente alterna y frenado reostático. El equipo eléctrico está constituido por tiristores y diodos de potencia, que conectados como puente rectificador mixto, permite la circulación bajo catenaria de corriente alterna y contectados como 'choppers' permite la circulación bajo catenaria de corriente contínua. Los equipos de cada motriz están distribuidos en tres bloques, uno por bogie (dos bogies en la propia motriz y el tercer bogie motor en el contiguo del coche remolque).

Al circular bajo catenaria de corriente alterna, que es la que está instalada en la línea de alta velocidad, el transformador reduce la tensión de alimentación y alimenta a cada bloque motor mediante tres arrollamientos secundarios diferentes. El puente mixto de cada bloque motor, formado por dos ramas de tiristores y otras dos de diodos, rectifica la corriente alterna y regula, mediante los tiristores, la tensión de alimentación de los motores de tracción de su bogie correspondiente. 

Circuito simplificado bajo corriente alterna:

Cuando se circula bajo catenaria de corriente contínua, la que se encuentra en numerosas regiones de Francia, los tiristores y diodos se conectan formando un equipo 'chopper', cada 'chopper' de cada bloque motor regula la tensión de alimentación de los motores de tracción del bogie correspondiente.

Circuito simplificado bajo corriente contínua:

Durante el frenado reostático, cada bloque motor asegura el funcionamiento del equipo correspondiente a su bogie motor, de forma totalmente independiente a los otros bloques motores. El 'chopper' se utiliza para regular el valor de la resistencia óhmnica de frenado. La corriente de excitación de los motores se obtiene de una batería independiente para cada bloque motor.

Circuito simplificado en frenado reostático:

Los 12 motores de tracción son de colector y funcionan con corriente contínua, no existiendo 'shuntado' o debilitamiento del campo inductor, cada motor posee una potencia contínua de 525 kW.

La tecnología de los años 80 permitió dar el primer paso firme en el desarrollo tecnológico de la alta velocidad en Europa. El hecho de regular las máquinas eléctricas con puentes mixtos rectificadores o 'choppers' era un firme paso en la utilización de semiconductores de potencia en la tracción ferroviaria, paso que más adelante llevaría al desarrollo de los sistemas de tracción actuales.

¿LA 252 EN SERVICIO DE MERCANCÍAS?

Este comentario tiene como objetivo la contextualización de un artículo más extenso que será debidamente publicado en cuanto esté terminado. A raíz de las compras de nuevo material realizadas en renfe en los últimos años, orientadas, con gran acierto, a la explotación de material TALGO denominado serie 7, se están liberando de numerosos servicios a las potentes locomotoras de la serie 252. Sin entrar en la discusión sobre la política comercial de renfe, desde el punto de vista de explotación, la necesidad de locomotoras de potencia adecuada a los trenes que arrastran, con capacidad de circular en dos anchos diferentes y bajo dos tensiones/corrientes diferentes y con velocidades adecuadas a las nuevas líneas de alta velocidad ha impulsado la compra de las nuevas cabezas tractoras constituyento, junto con el material TALGO serie 7, la nueva serie de trenes autopropulsados 130.

Es interesante recordar que las cabezas tractoras de la serie 130 son la aplicación concreta de los parámetros constituyentes de la familia ferroviaria TRAXX, de Bombardier, concepto de modularidad llevado a la práctica con gran éxito, teniendo en cuenta que con mínimos cambios, la familia TRAXX abarca desde locomotoras monotensión exclusivas de servicio de mercancías hasta locomotoras capaces de arrastrar trenes de alta velocidad hasta una velocidad comercial de 330 km/h.

Pero volviendo al tema que nos ocupa, la entrada en servicio de estas locomotoras, como decíamos, ha liberado a las locomotoras de la serie 252, existiendo la posibilidad de asignarlas a servicios de mercancías, y más teniendo en cuenta que siempre se las ha considerado de 'servicio universal' es decir, capaces de arrastrar tanto trenes de viajeros como de mercancías, con las características propias de cada uno de ellos, siempre teniendo en cuenta las limitaciones físicas.

Teniendo en cuenta los cálculos dinámicos que permiten obtener esfuerzos de tracción, velocidades máximas y demás información, de la observación de las características de la locomotora, obtenemos que para un peso adherente de entre 86 y 90 toneladas, teniendo en cuentas las diferencias que existen entre las locomotoras monotensión y bitensión, el esfuerzo máximo en el arranque y hasta una velocidad en torno a los 70 km/h es de unos 300 kN, limitación impuesta, como decíamos, por lel coeficiente de adherencia relativo al peso (obviando los imponderables debidos a condiciones del carril o climatológicas).

Dadas las características de los motores que poseen las locomotoras 252, es posible modificar el par en llanta a partir del par motor eléctrico modificando las coronas dentadas del rotor del motor y del eje. De este modo, a partir de los 70 km/h obtendríamos más par motor, pero perderíamos velocidad punta; condición asumible si lo que se desea es especificar más las capacidades de las locomotoras hacia servicios de mercancías, ya que no son necesarias velocidades por encima de 140 km/h o incluso 100 km/h.

Otras modificaciones que surtirían efecto, pero que suponen una modificación en profundidad, casi un rediseño de la locomotora, podrían ser rebajar la altura del punto de tracción entre bogie y caja, recordemos que en el caso de las 252 consiste en un pivote, o el lastrado de la locomotora hasta conseguir las 100 toneladas de peso adherente o más.

En cualquier caso, una política inteligente de adaptación de las locomotoras 252 a servicios de mercancías incluye un pormenorizado estudio de las necesidades de tracción; es evidente que reasignarlas a mercancías desde viajeros porque 'sobran' no es un criterio serio y coherente. Del resultado de ese estudio , si se desprende que existen una serie de servicios que se avienen a las características de las 252 con las modificaciones económicamente viables, realizarlas. Sin tener los resultados de las simulaciones teóricas que el artículo contemplará, se podría afirmar que trenes de mercancías de entre 600 y 1000 toneladas que deban circular a una elevada velocidad, dadas las características de las velocidades de trenes de mercancías, podrían ser una buena reutilización de las mismas.

COMPARATIVA ENTRE 250 Y 253

El presente artículo trata de una comparativa a nivel teórico y basada en diferentes datos e hipótesis sobre la capacidad de las nuevas locomotoras serie 253 para hacer frente a servicios realizados por locomotoras de la serie 250.

Independientemente de la distancia generacional, es decir, tecnológica, que separa a ambas locomotoras, existen diferencias sustanciales que hacen que las capacidades de una y otra sean sustancialmente diferentes. La locomotora 250 es una locomotora de regulación electrónica por resistencias y motores de corriente contínua, aunque la regulación electrónica permite cierto control sobre los fenómenos de sobrevelocidad y deslizamiento en los ejes, el hecho de que se trate de regulación reostática y que los bogies, de tres ejes cada uno, estén mecánicamente unidos por la cadena de engranajes a un sólo motor, no permite una regulación suave de estos fenómenos. Por otra parte, hay que indicar que las 87 toneladas de masa adherente de la 253, la colocan en clara desventaja frente a las 120 toneladas de la 250 en cuanto a capacidad de esfuerzo tractor, sobre todo en el tramo comprendido entre la parada y los 50 - 60 km/h. De ello se desprende que el esfuerzo máximo tractor en arranque de la primera sea de 300 kN frente a los 416 kN de la 250.

Sin embargo, la locomotora serie 253 es capaz de desarrollar una potencia contínua de hasta 5200 kW en llanta frente a los 4500 kW de la 250. La tabla adjunta muestra las curvas de esfuerzo máximo en llanta en relación a la velocidad y se puede observar la capacidad de las 250 frente a las 253 en el tramo de velocidades bajas, frente al superior esfuerzo tractor de la 253 en velocidades por encima de los 55 km/h y hasta los 140 km/h.

Partiendo de los datos de las locomotoras, se determinan las cargas máximas remolcadas, en el Anejo 17 de Cuadro de Cargas Máximas de ADIF, queda patente la superior capacidad de arranque y arrastre de la 250 frente a la 253, aunque hay que tener en cuenta que las tablas de cargas máximas se confeccionan a la velocidad nominal del motor, que no necesariamente es la misma en todas las locomotoras, con lo que no queda reflejada la diferente capacidad de las locomotoras para afrontar una misma carga a diferentes velocidades y por tanto cumplir con los horarios de los surcos asignados.

Por ello, y en base a ciertas hipótesis, se ha hecho una comparativa conforme a un surco real, el del tren 55583, un tren de tipo 100 y un peso de 1200 toneladas que circula entre Tarragona y Samper de Calanda.

En la comparativa hemos determinado las diferentes velocidades medias entre dependencias y/o puntos kilométricos en función de los tiempos concedidos y las distancias existentes. Estas velocidades medias están por debajo de las velocidades máximas a las que se puede circular por los diferentes tramos, obviando paradas y limitaciones permanentes o temporales (hay que tener en cuenta que es una comparativa, no una simulación).

Para ello se ha calculado, en base a la formulación de dinámica ferroviaria, los esfuerzos resistentes que se dan en la circulación de un tren más su locomotora en un trayecto dado y en función de su rampa característica, este esfuerzo se compara con la capacidad de tracción de la locomotora para esa velocidad dada y de este modo se determina si es capaz de asegurar la tracción o no (desde un punto de vista totalmente teórico) y a la vez comparar los resultados entre las dos locomotoras. Este mismo cálculo se realiza en función de la velocidad máxima de itinerario y a su vez se comparan los resultados. La TABLA adjunta muestra los resultados de los cálculos realizados.

Pese a que el Anejo nº 17 del Cuadro de Cargas máximas muestra a las locomotoras de la serie 253 en inferior capacidad que las de la serie 250 en régimen de mercancías, sobretodo teniendo en cuenta que para una rampa característica de 16 milésimas la capacidad de carga de la 253 es de 1180 toneladas frente a las 1450 toneladas, es perfectamente capaz de hacer frente a trenes de elevados tonelajes a velocidades superiores a los 60 km/h frente a las 250.

Pero teniendo en cuenta las características que limitan la capacidad de arranque de elevados tonelajes por parte de las 253, tal vez resulte arriesgado asignar el surco, tal y como está actualmente grafiado, con 1200 toneladas y en rampas de hasta 16 milésimas, teniendo en cuenta las situaciones normales de explotación: paradas intempestivas en mitad de trayecto y por tanto de rampas o merma de coeficiente de adherencia debido a las condiciones climatológicas.

POSIBLES SERVICIOS DE LA LOCOMOTORA 253 DE RENFE

Recientemente renfe ha comenzado a recibir las primeras locomotoras que compondran la nueva serie 253. Estas locomotoras, que circulan bajo tensión de 3kV c.c. y vía de 1668 mm de ancho, estarán dedicadas exclusivamente a remolcar trenes de mercancías. Tras un concurso en el cuál se presentó el pliego de condiciones que deberían cumplir las nuevas locomotoras, se falló a favor de la empresa canadiense Bombardier. La nueva locomotora 253 sería un miembro más de la ya extensa familia TRAXX (Transnational Railways Applications with eXtreme fleXibility). El concurso se falló en 2006, siendo la fecha oficial de la orden de pedido el 8 de noviembre de 2006.

Las dos primeras locomotoras construidas se encuentran ya en vías españolas para las pruebas previas a la homologación de la locomotora para la circulación por la red de 3kV y vía ancha de adif, actualmente se encuentra la primera de la serie realizando simulaciones de servicio comercial con diferentes trenes.

Actualmente renfe dispone de un parque de locomotoras dedicadas a la tracción de trenes de su división de negocio de mercancías compuesto por las series 250, 251, 269, 279 y 289. Menos las locomotoras de las series 250 y 251 el resto de series han sufrido innumerables reconversiones, reformas y reagrupaciones en diferentes subseries, tales como las 269 subseries 700, 750 y 850, o las 289 subserie 100; en un intento de especificar en la medida de lo posible las prestaciones de las locomotoras para servicios muy concretos.

Esta política de reaprovechamiento del material ha permitido economizar la inversión en locomotoras de nueva construcción y tecnología propia del siglo 21 en aras de elevados costes de mantenimiento en la completa amortización de unas locomotoras que arrastran hasta más de treinta años de continuado servicio en el caso de las más veteranas.

Los servicios de tracción de trenes de mayor carga y en tramos de la red donde existen las rampas más duras y el perfil más complicado ha estado cubierto por las locomotoras de mayor potencia, estas son las locomotoras de las series 250 y 251 y recientemente la reconversión en dobles tracciones permanentes o semipermanentes de las locomotoras 269 y 289 en diferentes subseries. Sin embargo, incidiendo en la política de reutilización del material de tracción disponible, nos encontramos con un parque que ya empieza a presentar claros signos de vejez dado que está próximo a cumplir el período de amortización.

Con la nueva compra de 100 locomotoras de la familia TRAXX, renfe pretende renovar el parque de locomotoras, reducir la edad media de las mismas y aumentar las capacidades de tracción de la unidad de negocio de mercancías al elevar el grado de disponibilidad de las locomotoras y su nivel de incidencia, así como sus costes de operación y mantenimiento.

Sin embargo nos encontramos con que los criterios que definen a compra realizada son totalmente diferentes, por no decir diametralmente opuesto, a los que se revelan de un estudio de la FFE para establecer el pliego de condiciones de lo que sería la futura serie 253.

A falta de ver realmente las prestaciones de la locomotora frente a los servicios enconmendados, podemos adelantar que por comparativa, las nuevas locomotoras no son capaces de sustituir a las locomotoras de las series 250, 251, 269.750, 269.850 y 289.100 ya que su capacidad de carga se ve ampliamente superada por las locomotoras de las citadas series. La solución, para hacer frente a la tracción de trenes de elevado tonelaje, tales como los de transporte de bobinas y los de transporte de carbón, que en la actualidad están cubiertos por las locomotoras de las series 250 y 251, es que trabajen en doble tracción, aunque durante estas simulaciones comerciales están haciendo frente a trenes grafiados con locomotora 250 y cuya carga máxima, de los trenes grafiados, es de 1300 tn y las locomotoras 253 en el recorrido que realizan pueden arrastrar hasta una carga de 1240 tn según el Anejo nº17 del Cuadro de Cargas Máximas.