Mejorar los sistemas de frenado de la alta velocidad europea

Eddy Current Brake Compatibility (ECUC) es un proyecto de investigación europeo coordinado por el centro tecnológico CEIT-IK4, y financiado por la Comisión Europea dentro del 7º Programa Marco. El principal objetivo de ECUC es demostrar que los frenos de corrientes de Foucault o corrientes parásitas, en inglés Eddy Current Brakes (ECB), son una solución muy eficaz y aplicable para el aumento de la capacidad de frenado de los nuevos trenes de alta velocidad. Además, el proyecto pretende resolver las inquietudes planteadas por los gestores de infraestructuras en lo que hace referencia a la interoperabilidad con los sistemas ya instalados. Se trata, por lo tanto, de proponer soluciones concretas y realistas para superar los inconvenientes que estos frenos han presentado en algunas líneas de alta velocidad ferroviaria.

Además del centro de investigación CEIT-IK4, como coordinador del proyecto, el consorcio está compuesto por otros 7 socios pertenecientes al ámbito ferroviario: un fabricante de trenes, Alstom; un fabricante de frenos de corrientes de Foucault, Knorr-Bremse; un fabricante de sistemas de señalización, Frauscher; tanto el operador de trenes francés, SNCF, como el alemán, Deutsche Bahn; el gestor de infraestructuras del Reino Unido, Network Rail; y la asociación de la industria ferroviaria, Unife. Se trata de un proyecto de tres años de duración que comenzó en septiembre de 2012 con un presupuesto cercano a los tres millones de euros.

CEIT-IK4 participa en el proyecto mediante la labor de dos departamentos: Electrónica y Comunicaciones y Mecánica Aplicada. La labor investigadora del personal del Área de Electrónica y Comunicación de CEIT-Ik4 cuenta con una amplia experiencia en los campos de los sistemas electrónicos industriales, especialmente en los del entorno ferroviario. De la misma manera, el departamento de Mecánica Aplicada lleva más de 20 años trabajando en proyectos ferroviarios en colaboración con empresas del sector.

En su apoyo a la mediana empresa y colaboración con grandes compañías, durante los últimos 30 años, el centro ha apostado por el desarrollo de una potente oferta tecnológica a través de proyectos de investigación aplicada bajo contrato con la industria, una tarea que se asienta sobre los principios de la excelencia científica, la publicación de artículos en revistas internacionales y la realización de tesis doctorales.

A los más de 100 proyectos de investigación que realiza anualmente para dar soluciones a demandas exclusivas y particulares hay que añadir su historial en la creación de 12 nuevas empresas de base tecnológica o spin-offs, con alrededor 300 empleados, lo que demuestra la aplicabilidad de la investigación realizada.

Este tipo de frenos se basa en un principio simple: un campo magnético a través de un corto espacio de aire entre el freno compuesto por imanes y la vía produce una fuerza de frenado debido a las pérdidas por corrientes parásitas o corrientes de Foucault. Como el campo magnético se acopla a través del espacio de aire entre tren y ferrocarril, no existe contacto mecánico entre el freno y la vía. De esta manera, la fuerza de frenado es independiente del coeficiente de fricción, y estos frenos garantizan una alta eficiencia independientemente de la adherencia rueda-carril. Esto significa que se pueden aplicar fuerzas de frenado, que se mantienen casi constantes, incluso en aplicaciones de alta velocidad. Esta fuerza de frenado es controlada con precisión mediante la regulación del campo magnético generado.

Como se ha citado anteriormente, las corrientes de Foucault son inducidas por el movimiento del tren y la generación de un campo magnético. Por ello, la deceleración del tren depende de la velocidad, y cuanto más rápido circule el tren, mayor será la fuerza de frenado para un mismo campo magnético.

El uso de frenos lineales de corrientes de Foucault en el material rodante acorta la distancia de frenado y reduce la dependencia de la capacidad de frenado real en las propiedades de adherencia rueda-carril. De esta manera, mejorará la seguridad ferroviaria y contribuirá también a mejorar el flujo de tráfico de trenes en las líneas ETCS aumentando las deceleraciones garantizadas en cada caso. Por otra parte, mediante el uso de estos frenos se reduce el uso de sistemas de frenado de fricción, lo que reduce en gran medida el coste del ciclo de vida de estos últimos.

Además, existen otro tipo de ventajas debido a la utilización de los frenos de corrientes parásitas en los trenes. En primer lugar, son frenos sin desgaste, que no desprenden olor ni polvo fino. En términos de coste, la capacidad para llevar a cabo la mayoría de las aplicaciones de los frenos de servicio sin necesidad de utilizar los frenos de fricción resulta en una reducción de los costes de mantenimiento. Además, si la fuente de alimentación de excitación es independiente de la catenaria de alimentación, los frenos de corrientes parásitas pueden ser usados como de freno de emergencia.

Sin embargo, el uso de estos frenos puede acarrear algunos inconvenientes que se están teniendo en cuenta en el proyecto. Los frenos instalados en el tren son equipos pesados, por lo que el bogie dónde se ubicará el sistema tiene que ser diseñado específicamente. Además, el control del espacio de aire entre el carril y el imán es crítico por lo que será necesario introducir una lógica de control para ello.

Pese a ello, los frenos de corrientes parásitas han sido usados con éxito, por ejemplo, en Alemania durante los últimos casi 10 años en el tren modelo ICE-3, propiedad de DB, en las líneas Frankfurt-Colonia y Nuremberg-Ingolstadt. En la actualidad, los administradores de infraestructuras limitan su aplicación a la vía específicas en placa y con balasto. Asimismo, han sido identificadas algunas interferencias entre el freno y algunos sistemas de señalización, además de problemas termo-mecánicos entre el sistema de frenado y la infraestructura. Por un lado, algunos sistemas de señalización, tales como contadores de ejes son perturbados por las señales radiadas de los frenos. Por otro lado, el aumento de temperatura que alcanza la vía, las fuerzas longitudinales y la fuerza vertical adicional puede conducir a la deformación del carril.

El principal objetivo del proyecto es demostrar que este tipo de frenos son altamente eficientes y que permitirán mejores características de frenado en los nuevos trenes de alta velocidad. Con este principal objetivo, se han definido los siguientes objetivos de segundo nivel:

1. Comprender la interacción entre el freno y la infraestructura y entre el freno y los equipos de señalización en vía.
2. Identificar los parámetros termo-mecánicos y electromagnéticos críticos y los límites de compatibilidad respecto al vehículo y a los sistemas de la vía.
3. Diseñar un entorno de prueba como primer paso para la homologación de los frenos de corrientes de Foucault, centrándose no sólo en la funcionalidad, sino también en los requisitos térmicos, mecánicos y electromagnéticos.
4. Diseñar el procedimiento de prueba que permita recrear las condiciones más desfavorables para demostrar la compatibilidad entre ECB y el resto de sistemas del entorno: material rodante, vías y sistemas de señalización.
5. Desarrollar nuevas pautas de diseño para este tipo de frenos y para los sistemas de señalización que puedan verse afectados.
6. Finalmente, se pretende mejorar el proceso de normalización de los frenos.

Con el objetivo de garantizar la consecución de los objetivos de investigación e innovación planteados en el proyecto, se ha elaborado un programa de trabajo dividido en cinco paquetes de trabajo técnicos y dos paquetes de trabajo dedicados a la gestión y difusión de resultados.

Los resultados del proyecto esperados son las recomendaciones técnicas y las pautas de diseño de los sistemas analizados en el proyecto. Estas recomendaciones técnicas son el primer paso hacia una estandarización de los requerimientos definidos en este proyecto y tienen como principal objetivo llenar los vacíos en las Especificaciones Técnicas de Interoperabilidad (Technical Specifications for Interoperability) publicadas por la Agencia Europea del Ferrocarril (ERA). Estas recomendaciones técnicas se basarán en los resultados de los paquetes de trabajo técnico descritos anteriormente y se centrarán en tres grandes grupos:

• Definición de nuevos requisitos para el freno de corrientes de Foucault como pueden ser el máximo peso o el consumo máximo de energía.
• Definición de nuevos requerimientos de compatibilidad para los sistemas de señalización, para el material rodante y para la infraestructura en la que se utilizará los frenos. A continuación se muestran algunos ejemplos de cada uno de los grupos:

1. Definición de requisitos para completar el estándar EN50238 - 3 (compatibilidad entre el material rodante y los contadores de ejes)
2. definición de requisitos como la demanda máxima de energía o la instalación del de frenos que puedan afectar al material rodante
3. Definición de fuerzas longitudinales, laterales y verticales máximas sobre la vía.

• Definición de nuevos procedimientos de prueba para realizar las pruebas de los frenos en las peores condiciones con el objetivo de demostrar la compatibilidad entre el freno de corriente de Foucault, el material rodante, los sistemas de señalización y la vía.

Además, se definirán las pautas de diseño para el freno de corrientes de Foucault, para la instalación de los frenos en el material rodante, para los sistemas de señalización y para las vías.

Durante el primer año de proyecto, y dentro del segundo paquete de trabajo, se ha realizado un análisis de las experiencias previas con este tipo de frenos. Además de ello, se han definido los parámetros de diseño de este tipo de frenos y los requerimientos en base a lo analizado en la normativa Europea de ferrocarriles. Finalmente se han relacionado los parámetros de diseño con los requerimientos definidos anteriormente. La documentación generada será publicada durante el año 2014.

En paralelo y desde principios de año, dentro del tercer paquete de trabajo, se está trabajando en el modelado electromagnético y termo-mecánico de la interacción entre el sistema de frenos y la infraestructura. Este modelado permitirá comprender esta interacción y será el primer paso para la definición de los peores casos de pruebas que se realizarán en el año 2014 y 2015. Tanto el modelado electromagnético como termo-mecánico está siendo desarrollado en los departamentos de Electrónica y Comunicaciones y Mecánica Aplicada del CEIT, respectivamente.