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Viajar por Europa en tren ya es más rápido que hacerlo en avión; el año pasado, un tren japonés alcanzó 601 km/h en una vía de pruebas, recorriendo 1,77 km en 10,8 segundos y estableciendo así un nuevo récord mundial. Aunque los récords de velocidad copan grandes titulares y despiertan la admiración pública, los diseñadores y los innovadores conceden la misma importancia al peso.

El nuevo transformador de tracción Effilight de ABB es hasta un 20% más ligero que un transformador de tracción convencional. También es hasta un 50% más eficiente cuando el peso ahorrado se reinvierte en más material de núcleo y devanado, lo que reduce notablemente los costes energéticos para el operador. El nuevo transformador de tracción Effilight de ABB es hasta un 20% más ligero que un transformador de tracción convencional. Cuando una famosa adelgaza, la noticia viaja más rápido que un tren. El reto para Effilight es que la noticia de la pérdida de peso del transformador de tracción se difunda igual de rápido.

Los transformadores de tracción ocupan un espacio muy valioso y añaden peso al tren, por lo que la opción de reducir su tamaño y su peso es muy atractiva. Pero las limitaciones que imponen las leyes de la física también son importantes. El núcleo del transformador debe tener ciertas dimensiones para acomodar el campo magnético. Además, las restricciones de peso restan eficiencia a los transformadores de tracción, porque la cantidad de cobre y hierro debe limitarse.

En los trenes clásicos tirados por locomotoras, un transformador pesado no es necesariamente un inconveniente, ya que contribuye a la adherencia: la fuerza máxima que la locomotora puede aplicar para tirar de un tren sin perder la adherencia a los carriles está limitada por su propio peso. Pero los trenes de pasajeros modernos suelen componerse de varias unidades con el material de tracción no concentrado en la locomotora, sino distribuido a lo largo del tren en los propios coches de pasajeros [2]. Esto aporta ventajas considerables en términos de adhesión y aceleración, pero también requiere una consideración detenida del tamaño y la ubicación de los transformadores. En los coches de pasajeros, el espacio debe maximizarse y el ruido reducirse al mínimo.

Optimización de tecnología probada

Effilight se introdujo en el mercado a principios de 2016 ➔ 1 y el lanzamiento público tuvo lugar en septiembre de 2016 en InnoTrans. El principal elemento tecnológico diferenciador entre Effilight y un transformador de tracción clásico es que en este último, la parte activa está totalmente sumergida en aceite. Esto significa que el volumen de aceite dista mucho de ser el ideal y todo el conjunto sufre las limitaciones propias de un gran depósito de aceite. ABB ha desarrollado para Effilight un concepto de transformador híbrido con un depósito de aceite pequeño alrededor del devanado y el núcleo al aire.

El peso importa

El peso es un aspecto esencial para los transformadores de tracción. El peso máximo admisible lo impone el fabricante del tren, que a su vez debe atenerse a la limitación de carga por eje prescrita por los operadores de infraestructuras ferroviarias. Si se supera el peso, el tren no se puede homologar y, por lo tanto, no puede funcionar.

Fue el deseo de reducir el peso de los equipos lo que impulsó el desarrollo de lo que se convertiría en Effilight. Los transformadores de tracción aislados en aceite de ABB tienen un récord de vida útil, con más de 40.000 unidades en servicio. Basándose en esta experiencia, los investigadores de ABB empezaron a hacer cábalas sobre cómo reducir el peso. Tras mucho debate e investigación, una idea empezó a tomar forma: ¿y si solo se sumergen en aceite las piezas que lo necesitan? Así empezó a desarrollarse la idea de un cambio de diseño radical. Lo primero era pensar el modo de separar la parte activa del transformador del núcleo.

El tiempo transcurrido desde la idea hasta la fase de pruebas fue de unos tres años. Al principio se construyeron prototipos pequeños, y a medida que iban haciéndose retoques, se construyeron y probaron otros mayores. Las principales dificultades eran la integración mecánica, las limitaciones dieléctricas y los problemas del campo magnético.

Se realizaron pruebas completas, incluidas dos de choques y vibraciones, seguidas de pruebas ambientales realizadas a lo largo de varios meses. El prototipo de transformador se sometió a frecuentes encendidos rápidos y calentamientos diarios y funcionó extremadamente bien. Gracias al ahorro de peso, también pudo incrementarse la eficiencia del transformador, porque se añadió más cobre para reducir la resistencia del devanado. Las pérdidas del transformador pueden reducirse a la mitad manteniendo el mismo peso.

Sellado hermético

Effilight es un ejemplo típico de una solución o producto que, una vez concebido, sorprende por su carácter obvio. Ese momento en que se piensa “¿cómo no se le había ocurrido a nadie hasta ahora?”. La respuesta es que, como suele ocurrir, la tecnología tenía que evolucionar para dar forma a las ideas. Una vez concebida la idea de eliminar el núcleo, el reto estaba en cómo materializarla. Un aspecto clave que debía resolverse era construir una “celda” (cerramiento de la parte activa) totalmente sellada e inmune a las fugas con un núcleo externo. La respuesta fue una suerte de “depósito en el depósito”, en el que la celda quedara aislada por separado dentro de otro cerramiento ➔ 2. Las juntas teóricas garantizan la hermeticidad utilizando una solución probada.

Ahora que solo los devanados están sumergidos en aceite, con fines de refrigeración y dieléctricos, el volumen de aceite se puede reducir hasta un 70% en comparación con el transformador clásico. El nuevo enfoque supone una reducción de hasta un 20% del peso. El ahorro de peso permite incorporar devanados más pesados con cableado de cobre más grueso que incrementa un 50% la eficiencia energética del transformador y reduce las pérdidas eléctricas a la mitad ➔ 3.

Un sitio para cada cosa . . .

Para transformadores de alta potencia, la cantidad de aceite no es tan importante como la cantidad de cobre y acero utilizada, lo que significa que hay casos en los que Effilight no ofrece una ventaja de reducción de peso significativa. La ventaja plena de Effilight se consigue con las potencias más bajas. Ello se debe al factor de llenado (la relación entre el peso del cobre y el acero y el peso total del transformador), que tiende a disminuir con la potencia ➔ 4–5

. . .  y cada cosa en su sitio

El prototipo se ha construido y probado para montaje en el techo, pero el transformador de tracción Effilight tiene un diseño modular. Esto significa que los devanados de la “parte activa” y el cerramiento no requieren rediseño para adaptarse a distintas posiciones de montaje, ya sea en el techo, bajo el bastidor o en una sala de máquinas ➔ 6–7. Naturalmente, esto aporta economías de escala y ventajas de repetición a los fabricantes de trenes y un mantenimiento más sencillo para los operadores. Esto significa que un mismo transformador admite distintos equipos y reduce costes de formación gracias al uso del mismo tipo en toda la flota.

Las funciones de mantenimiento y protección son las mismas para Effilight y para los transformadores clásicos, lo que significa que un transformador puede sustituirse por un Effilight sin que ello afecte a los procesos y sistemas de mantenimiento y protección actuales.

Futuro encarrilado

Actualmente, más de la mitad de los trenes del mundo están accionados por transformadores de tracción de ABB, y la mayoría de los fabricantes de trenes y operadores ferroviarios confía en ellos. Effilight es el miembro más reciente de esta ilustre familia.El diseño de Effiligth incluye aislamiento en aceite y cumple la garantía esperada de un transformador de ABB: una vida útil de 40 años. Lograr una reducción notable de peso con la tecnología Effilight permite a ABB proporcionar a sus clientes un nuevo grado de libertad: elegir entre reducción del peso y aumento de la eficiencia energética. Es posible adaptar la solución a necesidades específicas para plataformas de trenes concretas: por ejemplo reducir el peso un 10% y aumentar la eficiencia entre un 20 y un 30%. Effilight se encuentra en sus inicios, pero su futuro es más que brillante. A pesar de su ligereza, se considera un peso pesado en términos de vida útil, eficiencia y rendimiento.

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