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El corazón del transporte ferroviario: el papel y el desarrollo de los transformadores de tracción
Sep 17, 2025
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I. ¿Qué es un transformador de tracción?
Un transformador de tracción es un tipo especializado de transformador utilizado en sistemas de ferrocarril eléctrico, como trenes, tranvías y metros, para convertir una alta potencia de voltaje -} de la cuadrícula en un voltaje más bajo adecuado para los motores de tracción que impulsan los vehículos. A diferencia de los transformadores de potencia estándar, los transformadores de tracción están diseñados para soportar tensiones mecánicas dinámicas, variaciones de carga frecuentes y entornos operativos duros, lo que los convierte en un componente crítico en el transporte electrificado moderno.
Estos transformadores se instalan típicamente en locomotoras eléctricas o múltiples - trenes unitarios (EMU) y juegan un papel clave para garantizar una transferencia de energía eficiente mientras se mantiene la estabilidad del sistema. Deben cumplir con los estrictos estándares de la industria para la seguridad, la eficiencia y la compatibilidad electromagnética (EMC), especialmente porque operan muy cerca de la señalización y los sistemas de comunicación.
Con el creciente énfasis en el transporte sostenible, los transformadores de tracción están evolucionando para respaldar factores de mayor eficiencia, peso más ligero y mejores factores de gestión térmica - que contribuyen a un consumo de energía reducido y a más emisiones en las redes ferroviarias. Los avances en materiales (como superconductores de temperatura -}) y los sistemas de monitoreo digital mejoran aún más su confiabilidad y rendimiento.
II. Clasificación de transformadores de tracción
Los transformadores de tracción se pueden clasificar en varios tipos en función de su ubicación de instalación, diseño estructural, método de enfriamiento, nivel de voltaje y otros factores. A continuación se muestran los métodos de clasificación comunes:
(1) en - Transformador de tracción de placa
Características: Montado directamente en locomotoras eléctricas o emus (unidades eléctricas múltiples), diseñadas para soportar vibraciones, amortiguadores y limitaciones de espacio.
Aplicaciones: High - riel de velocidad (por ejemplo, serie CRH de China), subterráneos y tren ligero.
Ventajas: Reduce la necesidad de subestaciones de tierra, adecuada para la fuente de alimentación de distancia larga -.
(2) Transformador de tracción fijo
Características: Instalado en subestaciones de tracción (por ejemplo, a lo largo de las líneas ferroviarias) para suministrar energía a las líneas de contacto aéreas.
Aplicaciones: Ferrocarriles electrificados, tránsito de ferrocarril urbano (por ejemplo, sistemas de energía del metro).
Ventajas: Alta capacidad, mantenimiento más fácil, adecuado para la fuente de alimentación centralizada.
2. Clasificación por nivel de voltaje y sistema de suministro de alimentación
(1) Transformador de tracción de CA
Voltaje de entrada: 25 kV (corriente general global), 15 kV (algunos países europeos), 50 kV (algunos pesados - Ferrocarriles de transporte).
Características: Se conecta directamente a las rejillas de CA de voltaje High -, estructura relativamente simple.
(2) Transformador de tracción DC
Voltaje de entrada: 1.5 kV, 3 kV (ferrocarriles de CC tradicionales).
Características: Requiere rectificadores, comúnmente utilizados en sistemas ferroviarios más antiguos o tránsito urbano.
(3) AC - DC - AC Traction Transformer
Características: Integra funciones de rectificación e inversión, utilizadas en EMU modernas (por ejemplo, trenes de bala "fuxing" de China).
Ventajas: Se adapta a diferentes estándares de la red, mejora la eficiencia energética.
Iii. construcción
IV. Componentes
1. Dispositivo de liberación de aire y drenaje de Buchholz
Permite que el aire escape del relé de Buchholz durante el llenado de aceite y permite el drenaje de aceite para el mantenimiento.
2. Válvula de drenaje y llenado de fondo
Ubicado en la parte inferior del tanque de transformador para drenar el aceite o llenar el aceite nuevo.
3. Relé de Buchholz
Un dispositivo protector que detecta la acumulación de gas (debido a fallas internas) y aumenta el flujo de aceite, activando una alarma o señal de viaje.
4. Válvula de mariposa
Una válvula utilizada para controlar el flujo de aceite entre el tanque principal y los radiadores o el conservador.
5. Conservador (tanque de expansión de aceite)
Un tanque separado conectado al tanque del transformador principal para acomodar la expansión y la contracción del aceite debido a los cambios de temperatura.
6. Core
Estructura de acero magnético laminado que proporciona una baja ruta de renuencia - para el flujo magnético.
7. Transformador de corriente (CT)
Mide la corriente para fines de protección y medición, típicamente instalado en bujes HV/LV.
8. Terminal de tierra para el núcleo
Asegura que el núcleo del transformador esté adecuadamente conectado a tierra para evitar la acumulación de carga estática.
9. Handhole
Una pequeña apertura de acceso para inspección y mantenimiento dentro del transformador.
10. CUBO DE BUSTA DE ALTO VOLTAJE (HV)
Terminal aislado que conecta el devanado de HV a la línea de alimentación externa.
11. Válvula de aislamiento del conservador principal
Una válvula que aísla al conservador del tanque principal para el mantenimiento.
12. Padting
Puntos reforzados en la base del transformador para el levantamiento y el transporte.
13. Fuga - Válvula de bola de prueba
Una válvula de sellado utilizada para evitar fugas de aceite durante las operaciones de mantenimiento.
14. Buje de bajo voltaje (LV)
Terminal aislado que conecta el devanado del VI al circuito externo.
15. Caja mariscal
Un control de la caja de unión Terminales de cableado de control y protección para conexiones externas.
16. OFF - Cambiador de tap del circuito (OCTC)
Permite el ajuste manual de la relación de giros del transformador cuando de - energizado.
17. Indicador de nivel de aceite
Muestra el nivel de aceite en el conservador (puede tener contactos de alarma para niveles bajos/altos).
18. Válvula de muestreo de aceite
Una válvula para tomar muestras de aceite para verificar la resistencia dieléctrica, la humedad y el contenido de gas.
19. Termómetro de aceite
Mide la temperatura de aceite superior dentro del transformador.
20. Dispositivo de alivio de presión con contacto
Libera el exceso de presión dentro del tanque y envía una señal de alarma/viaje si la presión excede los límites seguros.
21. Válvula del radiador
Controla el flujo de aceite a los radiadores para enfriar.
22. Radiador
Paneles o tubos de enfriamiento aletas que disipan el calor del aceite del transformador.
23. Tanque
El principal recinto lleno de aceite aislante, alojamiento del núcleo y devanados.
24. Válvula de filtrado superior
Permite la filtración de aceite desde la parte superior del transformador.
25. interruptor de regulación de voltaje (encendido - cambiador de tap, OLTC)
Ajusta la relación giros del transformador mientras está energizado para mantener el voltaje de salida.
26. Indicador de temperatura de devanado (WTI) con contacto
Monitorea la temperatura del devanado (a través de una sonda térmica) y desencadena alarmas/viajes si se produce sobrecalentamiento.
27.
Los conductores (cobre/aluminio) heridos alrededor del núcleo para formar devanados de HV y VI.
V. Aplicaciones
Los transformadores de tracción son transformadores especializados utilizados principalmente en sistemas de riel y transporte eléctrico para convertir y distribuir energía eléctrica para la propulsión. Aquí están sus aplicaciones clave:
1. Sistemas de ferrocarril eléctrico (incluyendo riel de velocidad alto -})
Baje al alto - Voltage AC (p. Ej., 25 kV o 15 kV) de las líneas de catenaria superior para trenes de línea principal y alto - riel de velocidad (por ejemplo, Shinkansen, TGV, CRH).
2. Tránsito urbano (metro, tren ligero, tranvías)
Convierta la potencia de AC de la cuadrícula en voltajes de CC más bajos (p. Ej., 750 V o 1.5 kV) para terceros sistemas de riel o línea de línea superior en riel o tranvías.
3. Locomotoras eléctricas e híbridas (EMU/DMU)
Potencia de suministro para motores de tracción en locomotoras eléctricas y diesel - unidades múltiples eléctricas, admitiendo sistemas de accionamiento de CA y CC.
4. Vehículos eléctricos industriales y mineros
Utilizado en locomotoras de minería de servicio pesadas -, camiones de tranvía y transporte industrial que funciona en pistas o cables electrificados.
5. Integración de energía renovable (solar/viento - Rail alimentado)
Interface Fuentes de energía renovable (por ejemplo, parques solares/eólicos) con redes de energía de tracción en proyectos ferroviarios sostenibles.
6. Sistemas de energía auxiliar a bordo
Proporcione una potencia de voltaje - baja (por ejemplo, 110 V o 400 V) para sistemas de iluminación, HVAC y control en trenes.
VI. Ventajas y desventajas de los transformadores de tracción
Ventajas (beneficios clave)
- Alta eficiencia- Los transformadores de tracción están diseñados para ofrecer una conversión de energía óptima con una pérdida de energía mínima, lo que garantiza un funcionamiento eficiente en los sistemas de ferrocarril eléctrico.
- Fuente de energía confiable- Proporcionan una regulación de voltaje estable y consistente, esencial para el funcionamiento suave de las locomotoras y los altos trenes de velocidad -.
- Diseño compacto y liviano- Los transformadores de tracción modernos utilizan materiales avanzados y técnicas de enfriamiento, reduciendo el peso y el tamaño mientras mantienen un alto rendimiento.
- Durabilidad mejorada- construido para resistir condiciones duras (vibraciones, fluctuaciones de temperatura y humedad), asegurando una larga vida útil.
- Admite alto - riel de velocidad- Permite una distribución de potencia eficiente para la velocidad alta - y los trenes pesados - de transporte, mejorando la eficiencia general del transporte.
- Bajo mantenimiento- La construcción robusta y los materiales avanzados de aislamiento reducen la necesidad de reparaciones frecuentes.
- Ahorro de energía- Contribuye a un menor consumo de energía en comparación con las alternativas alimentadas por diesel -, admitiendo ECO - transporte ferroviario amigable.
- Escalabilidad- Se puede adaptar para diferentes requisitos de voltaje y potencia, lo que los hace versátiles para varios sistemas ferroviarios.
- Seguridad mejorada- Incorpora mecanismos de protección avanzados (sobrecarga, circuito corto - y protección térmica) para evitar fallas.
- Reduce la interferencia electromagnética (EMI)- El blindaje y el diseño adecuados minimizan la EMI, asegurando la compatibilidad con los sistemas de señalización.
Desventajas (limitaciones menores)
- Alto costo inicial- La tecnología avanzada y los materiales utilizados pueden hacer que los transformadores de tracción sean costosos por adelantado.
- Impacto en el peso en las locomotoras- Los transformadores a bordo agregan peso, afectando la eficiencia energética y la capacidad de carga.
Vii. Desafíos en el diseño y fabricación de transformadores de tracción
1. Desafíos de diseño eléctrico
- Manejo de alto voltaje y corriente
Debe soportar altos voltajes (p. Ej., AC de 25 kV o 1.5/3 kV DC) y grandes corrientes de motor de tracción, lo que requiere diseños de aislamiento que equilibren la resistencia del voltaje con dimensiones compactas mientras evita la descarga o desglose parcial.
- Armónicos y sobrecargaciones transitorias
Los ajustes frecuentes de arranque, paradas y velocidad generan armónicos, lo que puede causar la saturación del núcleo y aumentar las pérdidas de corriente deult. Las soluciones incluyen diseño y filtrado de circuitos magnéticos optimizados.
- Coincidencia de impedancia
Se necesita un control preciso de la impedancia de circuito corto - para limitar las corrientes de fallas al tiempo que garantiza una transferencia de potencia eficiente, exigiendo una disposición de devanado cuidadosa y gestión de flujo de fugas.
2. Desafíos mecánicos y estructurales
- Vibración y resistencia a los choques
Las vibraciones e impactos continuos durante la operación pueden conducir a la deformación del devanado, aflojamiento del núcleo o fatiga en las conexiones. El análisis de elementos finitos (FEA) se utiliza para mejorar la resistencia mecánica, y se emplean estructuras de soporte elástica.
- Diseño liviano
Para reducir el peso del eje, se usan altos - acero de silicio de permeabilidad, devanados de aluminio o materiales compuestos, pero los despidos de comercio - existen en costo y rendimiento (por ejemplo, complejidad de soldadura para los devanados de aluminio).
- Diseño compacto
Las limitaciones de espacio requieren diseños innovadores como devanados en capas o núcleos de heridas 3D, pero estos pueden complicar la fabricación y la gestión térmica.
3. Desafíos de gestión térmica
- Disipación de calor en alta densidad de potencia
Las corrientes altas causan calor concentrado en devanados y núcleos, lo que requiere sistemas de enfriamiento eficientes (por ejemplo, aceite - inmerso - circulación de aceite dirigida o enfriamiento de aire) y diseños de canales de enfriamiento optimizados.
- Uniformidad de temperatura
Los puntos de acceso aceleran el envejecimiento del aislamiento, que requieren simulaciones CFD para la optimización térmica y el monitoreo de temperatura de tiempo real- a través de sensores.
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