Cálculo y diseño de motores eléctricos de tracción ferroviaria. Comparativa de máquinas de inducción y de imanes permanentes

Resumen

El empleo de motores eléctricos de tracción en diferentes aplicaciones industriales se está expandiendo debido a la gran versatilidad y robustez que presentan, y a los continuos progresos que se vienen realizando en el campo de la electrónica de potencia, y de la investigación en nuevos materiales. En el sector ferroviario, cada vez más se tiende a reducir el volumen requerido por los motores, y a que estos posean un alto grado de eficiencia energética. Además, se debe cumplir con las especificaciones de funcionamiento impuestas por el gerente de la infraestructura, así como las exigencias eléctricas y mecánicas impuestas por el constructor del vehículo ferroviario. Todo ello, conlleva a que los motores de tracción empleados estén operando bajo unas condiciones electromagnéticas y térmicas muy exigentes. Gracias a los avances que se han dado lugar en la última década en materia de computación, es posible generar e implementar diferentes modelos matemáticos que calculen correctamente las prestaciones de las máquinas, dando cuenta de los diferentes fenómenos electromagnéticos que se dan lugar debido a las exigencias de la aplicación. Las familias de motores de tracción ferroviaria que se estudian en esta tesis doctoral son los motores asíncronos, y síncronos con topología de rotor tanto de imanes superficiales como interiores. En esta tesis se define una metodología de dimensionamiento y cálculo para cada una de las familias de motores mencionadas. Dadas las condiciones de carga tan exigentes a las que operan este tipo de motores, se presentan diferentes modelos analíticos complejos que garanticen obtener correctamente las prestaciones de los motores. Además, se profundiza en el cálculo de pérdidas para lograr obtener correctamente la eficiencia del motor. Las diferentes metodologías presentadas, se han implementado en una herramienta analítica que permite diseñar motores de tracción que se adecúen de manera óptima a las exigencias. Empleando dicha herramienta, se describe el proceso de diseño de motores de las diferentes familias en base a unas especificaciones y restricciones para aplicación de tranvía, con dos objetivos: por un lado diseñar motores respetando el volumen establecido en las restricciones con el objetivo de maximizar el rendimiento; por otro lado, minimizar en lo posible el volumen de motor, manteniendo unos valores mínimos de rendimiento. Seguidamente se presentan diseños que cumplan con especificaciones para aplicación de metro, analizando la posibilidad de emplear diferente número de motores en función de la familia considerada. Finalmente se realiza una comparativa de los diseños realizados para las diferentes aplicaciones ferroviarias, presentando las ventajas existentes al emplear las diferentes familias de motores estudiadas en esta tesis.