La infraestructura ferroviaria es cara. Es relativamente raro crear pistas totalmente nuevas y cuando lo hace, la mayoría de las veces se ajustan a las normas de ingeniería de las pistas existentes (calibre, etc.) para permitir la flexibilidad en el uso del material rodante, etc.

Por lo tanto, las decisiones sobre la electrificación se tomaron en el siglo XIX (por ejemplo, 1890 en Londres). En ese momento, el control de velocidad de los motores grandes probablemente fue más fácil para DC que para AC, donde la velocidad está vinculada a la frecuencia de AC.

También en ese momento time la distribución de CC tuvo ventajas sobre la CA.

Las revoluciones tecnológicas posteriores generalmente se ven obstaculizadas por la necesidad de maximizar el retorno de la inversión a largo plazo en infraestructura a gran escala.

Un caso interesante es el Thameslink de Londres, que tiene trenes que operan en una sobrecarga de 25 KV de CA para la parte norte de la Viaje y en vías de 750 V CC del tercer riel para la parte del viaje al sur de la estación Farringdon. Los costos de introducción de infraestructura incompatible pueden ser considerables.

La totalidad del extremo sudoriental del Reino Unido utiliza el tercer sistema ferroviario: nunca se usó en ningún otro lugar en el Reino Unido y creo que una razón importante fue que gran parte de esta área es urbana con puentes bajos, por lo tanto, una tercera vía. sistema. Las líneas aéreas de CC (5 kV) se utilizaron a lo largo de un antiguo tramo desde Manchester hasta Sheffield.

El control de CC es un aspecto, pero hay otro y es la inducción para rastrear los sistemas de control y telefonía. Un tercer riel de CA representaría una gran fuente de interferencia magnética para los sistemas de señalización de pista y telefonía de vía. Originalmente, la señalización y el control de la pista se hacían mecánicamente, por lo que la CA no sería una amenaza, por lo que esta "razón" es más una explicación del siglo XX que una del siglo XIX.

Sin embargo, los sistemas telefónicos del lado de la vía se habrían visto afectados por la CA desde el inicio y, debido a que el voltaje es menor que la alimentación de CA superior, la corriente sería mayor y la inducción mayor. Un tercer riel está mucho más cerca de los cables telefónicos del lado de la vía y también empeora las cosas.

Como ejemplo, cuando la línea principal de la costa este del Reino Unido estaba electrificada (gastos generales), los ingenieros informaron que se estaban produciendo problemas de telefonía en la longitud del cable entre 1500 y 1700 m (1 milla) o más. Para un tercer riel en el que la corriente probablemente sea al menos diez veces mayor que la de los sistemas de 25 kV y una distancia de aproximadamente un tercio de los cables, se puede suponer que la CA no funcionaría incluso en distancias cortas.

Esta es en realidad una pregunta de electrónica de potencia muy interesante; ninguna de las respuestas ha alcanzado los puntos principales:

Perspectiva del lado de la unidad

En cualquier caso, necesitamos CC para impulsar motores

• Antes de que estuvieran disponibles los transistores que habilitaban inversores (tiristores e IGBT), la única forma efectiva de lograr una velocidad altamente variable era con CC, ya que la velocidad del motor de CA está fijada a la frecuencia. Del mismo modo, los rectificadores de arco de mercurio eran demasiado pesados para ser transportados en trenes, por lo que al poner AC = > La conversión de DC no era factible.
• La eficiencia de los motores de CA, junto con las características mecánicas superiores de los motores de inducción / sin escobillas, hace que la CA en el lado del motor sea atractiva. Sin embargo, , esto requiere un inversor de variador de frecuencia variable que se debe alimentar desde CC , ya que no hay una manera fácil de cambiar la frecuencia o usar la electrónica de potencia para la conversión directa de CA a CA.

Por lo tanto, la pregunta es: ¿Dónde colocas el rectificador?

1. Transmisión AC

Rectifique la CA a la CC en el tren y use HVAC a 25 kV para llevar la energía a los trenes

Pros:

• Mayor eficiencia de la línea de transmisión debido a una menor corriente.

Contras:

• El rectificador debe tener un peso optimizado; Probablemente tenga un factor de potencia y eficiencia más bajos.
• El rectificador monofásico significa que los nulos de voltaje requieren elementos de almacenamiento de energía y reducción de eficiencia.
• El rectificador debe ser transportado por el tren. Los rectificadores para uso de alta potencia son pesados.

2. Transmisión DC

Rectifique el lado de la vía y use 600V-3kV DC para transmitir a los trenes

Pros:

• Los trenes son más ligeros
• Rectifieris más eficiente, mejor factor de potencia
• rectificador trifásico

Contras:

• Las corrientes de línea de transmisión más altas significan mayores pérdidas

Recuerdo haber leído sobre un experimento ruso en los años 80 que comparaba las soluciones 1 y 2 anteriores y descubrí que, a pesar de las pérdidas en la línea de transmisión, el sistema en general era más eficiente con la transmisión de CC debido a la electrónica de potencia requerida. Sin embargo, muchos trenes regionales y trenes de alta velocidad utilizan HVAC.

Hay algunas otras consideraciones:

• La CA de alto voltaje no se usa en sistemas de tercer carril; requiere cable aéreo. Las consideraciones de seguridad limitan los voltajes de los terceros rieles a ~ 750 V, lo que también limita la potencia efectiva, el aire acondicionado, etc. (No es que no puedas freírte bastante bien a ese voltaje).
• Es solo práctico transmitir una fase (aunque hay algunos ejemplos de trenes trifásicos). Los sistemas de CC pueden usar una rectificación trifásica en el lado de la pista aumentando la eficiencia.
• La profundidad de la piel limita la efectividad de los cables de CA de gran diámetro; esto no es un problema para los sistemas de CC que pueden usar cables de calibre más grueso para transmitir corrientes más altas.

Tenga en cuenta que, por lo general, la potencia no se transmite a larga distancia a lo largo de la pista (especialmente para CC de media tensión): las líneas se alimentan a lo largo del camino, no solo desde un extremo.

HVAC (CA de alto voltaje) tiene algunas desventajas, como la distancia, por ejemplo. Aunque la transmisión de CA es más fácil y ampliamente utilizada para transferir energía de un hogar a otro, no se usa cuando hay una línea de transmisión larga.

HVDC es mejor aquí porque hay casi una eficiencia constante de transmisión a lo largo de un cable HVDC. El punto de equilibrio entre HVAC y HVDC es de alrededor de 50 km. Si obtiene más de 50 km, será más beneficioso utilizar HVDC debido a su precio y eficiencia.

Aquí hay un gráfico entre HVDC y HVAC comparando precio y distancia.

Dado que estos trenes viajan largas distancias, es mejor usar HVDC.

Otro ejemplo de la vida real serían los parques eólicos marinos. Debido a que están tan lejos de la costa, utilizan HVDC y transmiten más energía en tierra que con HVAC.

Aquí hay un artículo sobre parques eólicos marinos.

Poco tarde en la fiesta, pero una razón para quedarse con DC (o construir una nueva) es el frenado regenerativo. Hoy en día, la mayoría de los trenes eléctricos de unidades múltiples revertirán los motores para reducir la velocidad, devolviendo la energía generada a la línea de suministro. Muy fácil con DC ya que todo lo que necesitas para regular es el voltaje. Pesadilla de sincronización con AC. Si el servicio está lo suficientemente ocupado, siempre hay algo más funcionando en la misma división eléctrica.