Maglev
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El documento describe los principios básicos detrás del sistema de levitación magnética (maglev). Explica que la levitación magnética se logra mediante la repulsión entre imanes, y que existen dos tipos principales de suspensión: la electromagnética (EMS), que usa la atracción, y la electrodinámica (EDS), que usa superconductores y la repulsión. También describe brevemente los principios de guía lateral y propulsión utilizados en los trenes maglev.
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- 1. MAGLEV Llamamos “levitación magnética” al fenómeno por el cual un dado material puede, literalmente, levitar gracias a la repulsión existente entre los polos iguales de dos imanes. La superconductividad es una característica de algunos compuestos, los cuales, por debajo de una cierta temperatura crítica, no oponen resistencia al paso de la corriente; es decir: son materiales que pueden alcanzar una resistencia nula. Efecto Meissner: Es la capacidad de los superconductores de rechazar un campo magnético que intente penetrar en su interior; de manera que si acercamos un imán a un superconductor, se genera una fuerza magnética de repulsión la cual es capaz de contrarrestar el peso del imán produciendo así la levitación del mismo. Sistema de funcionamiento del tren de levitación magnética de alta velocidad A continuación se exponen los cuatro principios básicos por los cuales funciona un tren maglev. 1. Principio de Levitación Magnética La levitación en un tren maglev, se consigue mediante la interacción de campos magnéticos que dan lugar a fuerzas de atracción o repulsión, dependiendo del diseño del vehículo, es decir, según si el tren utilice un sistema EMS (suspensión electromagnética) o EDS (suspensión electrodinámica). La principal diferencia entre un sistema EMS y un EDS es que en el primero la levitación del tren es producida por la atracción entre las bobinas colocadas en el vehículo y la vía, y en el segundo se consigue la levitación gracias a fuerzas de repulsión entre estas. Suspensión Electromagnética En el caso del EMS, la parte inferior del tren queda por debajo de una guía de material ferromagnético, que no posee magnetismo permanente.
- 2. Cuando se ponen en marcha los electroimanes situados sobre el vehículo, se genera una fuerza de atracción. Ya que el carril no puede moverse, son los electroimanes los que se mueven en dirección a éste elevando con ellos el tren completo. Sensores en el tren se encargan de regular la corriente circulante en las bobinas, como resultado el tren circulará a una distancia de aproximadamente un centímetro del carril guía. Suspensión Electrodinámica La levitación EDS se basa en la propiedad de ciertos materiales de rechazar cualquier campo magnético que intente penetrar en ellos. Esta propiedad se da en superconductores y es llamada Efecto Meissner, como se explicó con anterioridad. La suspensión, por tanto, consiste en que el superconductor rechazará las líneas de campo magnético de manera que no pasen por su interior, lo que provocará la elevación del tren. Este pasa a unos centímetros de un conjunto de bobinas situadas sobre el carril guía. Al moverse el vehículo a lo largo del carril se inducirá una corriente en las bobinas de este, las cuales actuarán entonces como electroimanes. Al interactuar con los superconductores montados en el tren, se producirá la levitación. Una desventaja de este sistema es que la utilización directa de superconductores provoca grandes campos magnéticos dentro del vehículo, o sea la zona donde se encuentran los pasajeros, por lo que se deben utilizar complejos sistemas de aislamiento de la radiación magnética. 2. Principio de Guía Lateral Los maglev necesitan, además del sistema de levitación magnética un sistema de guía lateral que asegure que el vehículo no roce el carril guía como consecuencia de perturbaciones externas que pueda sufrir. En la suspensión EMS, se instalan unos imanes en los laterales del tren los cuales, a diferencia de los ubicados para permitir al tren levitar y moverse, solamente actuarán cuando este se desplace lateralmente, ejerciendo fuerzas de atracción del lado que más se aleje de la vía. En el sistema EDS son los superconductores y las bobinas de levitación los encargados del guiado lateral del tren. Las bobinas de levitación están conectadas por debajo del carril- guía formando un lazo.
- 3. 3. Principio de Propulsión Un tren maglev es propulsado mediante un motor lineal. El funcionamiento de un motor lineal deriva de un motor eléctrico convencional donde el estator es abierto y “desenrollado” a lo largo del carril-guía en ambos lados. La propulsión, tanto en EDS como en EMS, se logra generalmente mediante la utilización del LSM (motor lineal síncrono). 4. Mecanismo de frenada El frenado del tren maglev se consigue, como la propulsión, gracias al motor lineal. Esto se logra invirtiendo la polaridad de la corriente trifásica en la vía (estator) de manera que se cree una fuerza en sentido contrario al avance del tren. Bajo condiciones normales, la desaceleración límite sería la misma que la aceleración límite: 1,8 m/s2. En condiciones de emergencia, el motor lineal puede desacelerar al tren a 3,5 m/s2 aproximadamente. PRINCIPIOS BÁSICOS DEL SISTEMA PENDULO INVERTIDO El Péndulo Invertido es un dispositivo mecánico compuesto básicamente por una barra queoscila libremente en un plano, soportada por uno de sus extremos en el cual puede pivotearlibremente. La barra del péndulo puede estar montada sobre una base ya sea móvil oestática. Para mantener en equilibrio un Péndulo Invertido en su posición vertical se puede aplicaruna fuerza de control al sistema mediante distintas configuraciones mecánicas entre lascuales se puede mencionar la del Péndulo Invertido Simple de base móvil (PIS). En dicho prototipo la fuerzaaplicada a la base móvil se realiza a través de una banda de transmisión accionada por unmotor eléctrico de corriente continua. El movimiento de la base móvil está limitado a unsolo eje por medio de una barra guía y una superficie de soporte. El PIS es un sistema no lineal (las ecuaciones que representan dicho sistema son denaturaleza no lineal), inestable (el péndulo puede volcarse en cualquier momento y encualquier dirección) y sub-actuado ya que el péndulo no recibe directamente ninguna
- 4. señalde control (la señal de control es aplicada a la base móvil),sin embargo puede sermodelado como un sistema lineal en torno a la posición de equilibrio para facilitar laimplementación del controlador. MODELADO DE UN PIS En la literatura existe una gran cantidad de métodos que permiten obtener el modelomatemático de un PIS, que actúa sobre la basemóvil. Se determinan las ecuaciones dinámicas que modelan elsistema, y posteriormente selinealizanen torno al punto en el cual el ángulo del pénduloθ=π(asumiendo que el péndulo no se mueve mas que unos pocos grados a ambos ladosde la vertical, a la cual se le ha asignado el ánguloπ). En el desarrollo del modelo matemático se consideran las siguientes variables y constantesdel sistema, los cuales deben expresarse en un sistema de unidades coherente: M Masa del carro m Masa del péndulo b Fricción entre la base móvil y la superficie de desplazamiento l Longitud del pivote al centro de gravedad del péndulo I Inercia del péndulo F Fuerza aplicada al carro X Posición de carro Θ Ángulo del péndulo desde la vertical superior P y N Componentes de la fuerza de reacción en el punto de pivoteo Sumando las fuerzas que actúan sobre el carro en dirección horizontal, se obtiene lasiguiente ecuación de movimiento: Mx’’ + bx’ + N= F Haciendo lo mismo para el péndulo: N = mx’’+ mlѲ ’’cosѲ – mlѲ ’^2 senѲ