¿Por qué los cables de alimentación de los trolebuses usan CC y no CA?

Estoy interesado en múltiples aspectos de los trolebuses como una forma de transición de los autobuses que funcionan con combustibles fósiles al transporte público "verde".

Yo mismo no soy ingeniero eléctrico, pero tengo un conocimiento, aunque limitado, de la ingeniería eléctrica.

Al leer las especificaciones de los trolebuses disponibles, parece que la forma estándar de transmitirles energía es a través de cables de CC (600 V). Por lo que sé, transmitir corriente a distancias más largas es más eficiente usando CA.

¿Cuál es el razonamiento de usar CC para la transmisión de energía en este caso?

¿Es la transmisión de energía de CC en este caso más eficiente (sin convertidores de energía pesados ​​dentro del vehículo; motores de CC más baratos de producir; motores de CC más eficientes, etc.), más segura para los peatones o simplemente heredada?

Encontré una discusión interesante aquí sobre el cambio de motores Tesla a motores accionados por corriente alterna: electronics.stackexchange.com/questions/58236/…
Motor de tracción : un buen artículo de wiki explica históricamente por qué se utilizan motores de CC.
@Andyaka: ¡Bien, gracias! "La disponibilidad de semiconductores de alta potencia (tiristores e IGBT) ahora ha hecho práctico el uso de motores de inducción de CA mucho más simples y de mayor confiabilidad conocidos como motores de tracción asíncronos".
La CA no es intrínsecamente mejor que la CC a distancia, pero un voltaje más alto es más eficiente. Con CA es relativamente fácil convertir voltajes usando un transformador. Curiosamente, los trenes eléctricos suelen utilizar CA de baja frecuencia (<50 Hz).
@Frog, de hecho, si bien es conveniente, la CA es en realidad menos eficiente. El efecto pelicular aumenta las pérdidas resistivas, los efectos de la línea de transmisión dificultan la transmisión de energía, hay pérdidas inductivas y capacitivas (especialmente para cables submarinos), etc. Hay algunas líneas de transmisión HVDC que manejan la energía como CC en parte debido a esto ( en.wikipedia.org/ wiki/High-voltage_direct_current ).
Los requisitos de aisladores para CA también están vinculados al voltaje máximo, que para CA es un 41 % más alto que el promedio. 600 V CA tiene un voltaje máximo de ~ 850 V. Esto es especialmente importante para los sistemas de transporte público, como los trolebuses, donde el voltaje debe estar necesariamente al aire libre.
Es posible que desee comparar con trenes/metros/trenes ligeros . Muchos sistemas utilizan CC, especialmente los sistemas urbanos/suburbanos (metro, tren ligero) que funcionan a 600-3000 V CC, pero más de un tercio de la red ferroviaria francesa de larga distancia también utiliza 1500 V CC, y todos los que no son de alta -Velocidad de redes en Bélgica, España, Italia... 3000 V DC. La CA solo se usa en sistemas de voltaje mucho más altos (15 kV y más). Wikipedia tiene una comparación de AC vs DC para ferrocarriles
Parte de esta pregunta se responde cuando nos damos cuenta de que los cables aéreos son distribución de energía en lugar de transmisión de energía ; es por eso que no aumentamos los voltajes más altos que usaríamos en una línea de transmisión.

Respuestas (3)

Los carros con cables aéreos a menudo se desconectan momentáneamente y la alta inductancia crea un arco de la misma corriente que permite cierta continuidad pero con alguna caída de voltaje o potencia. Mientras que la CA podría cortarse en < 10 ms.

Pero la verdadera razón es que los motores de tracción de CC necesitan un par más eficiente para arrancar.

Es posible que vea alguna curva de capacidad de torsión del motor de CC. Éstos coinciden mejor con los requisitos de carga frente a velocidad que los motores de CA de aceleración de un tranvía con corriente constante que se aplica mediante un método de control hasta que se alcanza la velocidad.

También otra ventaja en los Países Bajos son los carros de CC que tienen baterías para extender las rutas. Un autobús de 18 metros con tecnología IMC500 solo tiene que recorrer el 20 por ciento de su ruta bajo líneas aéreas.

Entiendo. Pero, ¿por qué no colocar un rectificador de CC dentro de los vehículos?
Una cosa menos que fallar en cada autobús.
Tiene sentido, pero hoy en día hay convertidores DC-DC dentro de los vehículos para controlar la electrónica de baja potencia (como pantallas, etc.). Supongo que todavía es preferible no tener un rectificador más potente (y más pesado) dentro para llevar. Pero dado que Tesla Motors está cambiando a motores AC, el argumento con las baterías no me parece tan fuerte.
Tesla siempre usó motores BLDC. Simplemente cambiaron a motores PM para obtener un par de arranque más eficiente y de menor costo, pero una gestión de flujo menos eficiente a velocidades de autopista.
Bien, si entiendo correctamente, hoy en día los motores PM (de Tesla) tienen un par de arranque más eficiente que los motores de tracción de CC.
Eso es comparar manzanas y naranjas. Los motores de tracción son bobinados en serie para velocidades más bajas, algunos cambian a bobinados en paralelo a velocidades más altas. Los franceses utilizan motores de CA controlados por IGBT y SCR.
@Copiltembel necesitaría CA monofásica para usar con un rectificador integrado; El cableado aéreo trifásico sería terriblemente difícil, especialmente en los cruces (probablemente requiera almacenamiento de energía a bordo), y Transistor abordó por qué la monofásica es mucho peor que la trifásica
¿Qué tal también, el frenado regenerativo? Mucho más simple para realimentar energía a un suministro de CC que a un suministro de CA. Suponiendo que el tranvía tiene un interruptor de "reversa", simplemente póngalo en reversa cuando desee reducir la velocidad de su movimiento hacia adelante. Solo que no me preguntes qué sucede en la estación central cuando todos los tranvías de la ciudad quieren reducir la velocidad al mismo tiempo.
@Copiltembel, "¿ Pero por qué no poner un rectificador de CC dentro de los vehículos? " La única razón para hacerlo sería porque tiene un sistema aéreo de voltaje extra alto, pero su trolebús también tendría que cargar con un transformador pesado.
Esencialmente, cuando pone los controladores inversos en la corriente limitada por la retroalimentación de regulación de corriente PWM, es un frenado regenerativo, excepto que el término se refiere a las baterías. Los sensores de pasillo trifásicos y los devanados también deben invertirse correctamente para que los motores tipo BLDC inviertan la dirección intercambiando solo 2 pares correctos de todas las combinaciones de pares (8) 1 par de sensor y 1 par de devanados. Frenar la corriente es a menudo lo mismo que acelerar.
@SolomonSlow, " no me preguntes qué sucede en la estación central cuando todos los tranvías de la ciudad quieren reducir la velocidad al mismo tiempo ". Es bastante fácil. Al regenerar aumenta la tensión de la línea local. En el Dublin Area Rapid Tranisit (DART), podría sentir una ráfaga de calor debajo de los asientos durante el frenado regenerativo debido al aumento del voltaje nominal de 1500 V CC. Cuando el voltaje de la línea alcanza un voltaje máximo predeterminado, tal vez 2 kV, los frenos de aire se mezclan y la regeneración disminuye.

Por lo que sé, transmitir corriente a distancias más largas es más eficiente usando CA.

Eso es cierto si puede aumentar el voltaje. En el caso del trolebús, los cables se energizan con el voltaje del "usuario final", 600 V. Tenga en cuenta que la sobrecarga se dividirá en secciones aisladas y se alimentarán desde la subestación de trolebús más cercana. La alimentación a la subestación probablemente estará en algún lugar en la región de 25 - 100 kV (CA) dependiendo de los voltajes estándar de la red nacional. De esta manera, las pérdidas se mantienen bajas ya que las secciones de 600 V CC son razonablemente cortas.

¿Cuál es el razonamiento de usar CC para la transmisión de energía en este caso?

  • Poder constante. CC siempre está encendido. AC está en pulsos.
  • Una carga trifásica más equilibrada en la subestación. Se utiliza un rectificador polifásico y una fase siempre está suministrando energía.
  • Posibilidad de regenerarse fácilmente en la línea durante el frenado.
  • Para un voltaje de ruptura de aislador dado, la CC permite la transmisión de más potencia.

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Figura 1. La conversión trifásica a CC carga el suministro trifásico de una manera más equilibrada. Un suministro de CA monofásico proporcionaría una carga pulsante al suministro. Fuente de la imagen: Tutoriales de electrónica .

¿Es la transmisión de energía de CC en este caso más eficiente (sin convertidores de energía pesados ​​dentro del vehículo; motores de CC más baratos de producir; motores de CC más eficientes, etc.), más segura para los peatones o simplemente heredada?

Probablemente una combinación de todo lo anterior excepto por la seguridad de los peatones. DC tiene el problema de que la conmutación es más difícil ya que no hay cruce por cero donde la corriente cae a cero para ayudar a extinguir los arcos de conmutación.

De los comentarios:

"Tenga en cuenta que la sobrecarga se dividirá en secciones aisladas y estas se alimentarán desde la subestación de trolebuses más cercana". Eso parece un argumento para la transmisión de CA nuevamente. Menos subestaciones que mantener en el camino.

Las subestaciones se requieren para interruptores automáticos seccionales en cualquier caso por lo que no habría mucho ahorro. También permiten la redundancia en el caso de una falla de la subestación donde uno de cada lado puede suministrar energía a la sección muerta (puenteando las secciones), aunque como resultado habrá una caída de voltaje.

Supongo que esto tenía sentido en los primeros días de los trolebuses, pero hoy en día, con la disponibilidad de componentes electrónicos baratos, me pregunto si no hay un argumento más sólido para la transmisión de energía de CA.

Todavía se echa en falta el beneficio de la carga más equilibrada del sistema trifásico, la regeneración y el coste del aislamiento de alta tensión de la red.

"Tenga en cuenta que la sobrecarga se dividirá en secciones aisladas y estas se alimentarán desde la subestación de trolebuses más cercana". Eso parece un argumento para la transmisión de CA nuevamente. Menos subestaciones que mantener en el camino. Supongo que esto tenía sentido en los primeros días de los trolebuses, pero hoy en día, con la disponibilidad de componentes electrónicos baratos, me pregunto si no hay un argumento más sólido para la transmisión de energía de CA.
Estás confundiendo temas distintos. La CC en realidad tiene una pérdida menor que la CA para la transmisión. Pero lo que realmente es clave para la baja pérdida es el alto voltaje, y la CA permite un fácil uso de transformadores para líneas de alto voltaje. Un sistema de trolebuses no tiene autorización para utilizar los muy altos voltajes empleados por los trenes pesados ​​interurbanos con cable de catenaria.
"Posibilidad de regenerar fácilmente en la línea durante el frenado". Esto no es verdad. Para CA, la retroalimentación se puede convertir a través del transformador de regreso a la red. Para DC se necesita un equipo especial para alimentar la energía a la red. Incluso algunas líneas de tren, donde la potencia y, por lo tanto, el beneficio son mucho mayores, no tienen eso. Por ejemplo, el S-Bahn de Berlín no puede conectarse a la red. Backfeed Power solo se puede usar si un consumidor está en la misma sección al mismo tiempo.
@Christian, dije específicamente "en la línea", no en la cuadrícula. De lo contrario estoy de acuerdo.
Además, esto les permite pasar solo un cable, usando los rieles como retorno.
@Joshua, creo que encontrará que la definición de un trolebús es un vehículo con neumáticos de goma alimentado por dos cables aéreos. Es posible que lo confunda con un tranvía que utiliza ruedas de acero con pestañas que se desplazan sobre rieles.
@Transistor: en realidad es un poco más simple. Me las arreglé para confundir trolebús con trolebús.
@Joshua, Re, "solo un cable ..." No hay ninguna razón por la que un sistema de CA no pueda usar un cable aéreo y usar los rieles como retorno.
@SolomonSlow: Los diseños de CA de ferrocarril son diferentes. No hay neutro. Es muy diferente del pensamiento moderno.
@Joshua, iba a confesar que no sé qué problemas se resolverían conectando una pata de un suministro de CA a la Tierra o aislando el suministro de la Tierra; pero mirando hacia atrás en la respuesta de Transistor, veo que estamos hablando de energía trifásica, y eso hace que toda la cuestión de un solo cable aéreo sea discutible.
@SolomonSlow "No hay ninguna razón por la que un sistema de CA no pueda usar un cable aéreo y usar los rieles como retorno". De hecho, eso es lo que hacen.
@SolomonSlow: se probó la electrificación ferroviaria trifásica, notable en Italia, y todavía existe en 4 líneas, una en Brasil, dos en Suiza y una en Francia. A menudo tienen dos cables aéreos y la tercera fase está conectada a tierra y conectada a los rieles de rodadura. Se necesita doble pantógrafo o pick-up en el techo del tren.
@SolomonSlow: vale la pena mencionar que en la electrificación aérea de CA, aunque la corriente es recolectada por un pantógrafo montado en el techo y regresa a través de las ruedas a los rieles, no regresa completamente a la estación de alimentación a través de los rieles. Estos están conectados a intervalos frecuentes a un conductor de retorno a lo largo de la vía, a menudo transportados en los mástiles que soportan el equipo de la línea aérea.
@Copiltembel DC es mejor que AC si tiene secciones aisladas; no tiene que preocuparse de que las secciones estén sincronizadas en fase, por lo que hay menos desafíos de ingeniería para el suministro.

Al menos en Holanda (también conocido como "aquí" donde vivo), es por razones históricas.

Los trolebuses se remontan a 1882, el de los Países Bajos en Arnhem (todavía en funcionamiento) se inició en 1949. Los controles de velocidad eran más fáciles para CC entonces, en ausencia de la electrónica que conocemos hoy, y los motores de CC conectados en serie disponibles eran genial para la tracción.

En los primeros días de los trolebuses no había formas fáciles como las que tenemos hoy para rectificar CA, por lo que se decidió usar CC en los cables aéreos.

El uso de CA en los cables aéreos para este tipo de tracción realmente no despegó aquí hasta la década de 1950, pero reemplazar la flota y la infraestructura existentes se consideró demasiado costoso, por lo que el sistema de CC se mantuvo.

En los países de la ex URSS también es de 600 V CC. No estoy seguro de por qué exactamente, no he encontrado una explicación o justificación.
¿Por qué los cables de alimentación de los trolebuses usan CC y no CA?
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