DISPOSITIVO Y MÉTODO DE CONTROL DE UNA SUBESTACIÓN DE TRACCIÓN REVERSIBLE.

Dispositivo y método de control de una subestación de tracción reversible en un tramo de vía entre dicha subestación de tracción y las subestaciones adyacentes,

donde dicha subestación de tracción comprende, al menos, un convertidor de potencia reversible capaz de cambiar de modo rectificador a modo inversor y viceversa para el aprovechamiento de la energía regenerada por los trenes circulantes y el calentamiento de la catenaria para evitar la presencia de hielo.

Dispositivo y método de control de una subestación de tracción reversible.

El objeto de la presente invención es un dispositivo y un método de control que permita adaptar 5 y transformar la energía generada en el frenado del ferrocarril de corriente continua a corriente alterna para su posterior inyección en los sistemas de la compañía suministradora, en un único equipo. Por otro lado, la invención tiene por objeto ofrecer el medio de transporte de la energía generada en el frenado hacia una unidad de almacenamiento para su posterior reutilización en unidades auxiliares integrantes en el equipo de funcionamiento o mantenimiento del ferrocarril. 10 Finalmente, la invención puede ser utilizada para evitar la formación de hielo en la catenaria que garantiza el suministro eléctrico del tren.

Estado de la técnica

Actualmente, una de las vías de innovación en el ámbito ferroviario es la eficiencia energética, teniendo como objeto la mejora de la gestión de la energía utilizada por los ferrocarriles actuales. Dicha innovación parte de la capacidad que tiene un ferrocarril para producir energía aprovechando la frenada en los trenes. Es decir, que en el frenado de los trenes una parte considerable de la energía destinada a tal fin la genera la propia locomotora o unidad tractora, 20 haciendo que la inercia del tren mantenga a los motores trabajando, en este caso como generadores. La energía que estos motores generan durante el proceso de frenado se puede utilizar para diversos usos, como traccionar otros trenes, almacenarla o convertirla en otra forma de energía. Sin embargo, actualmente, en caso de no ser utilizada en otra aplicación, esta energía se tiene que disipar en forma de calor mediante un reóstato, desperdiciando toda 25 la energía generada. Para evitar este problema, actualmente se está trabajando en distintas líneas de investigación que se pueden resumir en acumuladores de la energía del reóstato para su reutilización y en la reinyección de la energía del reóstato a la catenaria.

Los acumuladores de energía están basados en el almacenamiento de la energía convertida en 30 calor en las resistencias de frenado de un tren. Actualmente la firma SIEMENS® ha desarrollado su sistema SITRAS®SES:

[

http://w3.siemens.com/smartgrid/global/en/products-systems-solutions/rail-electrification/dc-traction-power-supply/pages/stationar y -energy-storage.aspx

Este sistema utiliza tecnología de condensadores de doble capa, capaces de recuperar la energía de frenado que puede llegar a ser el 40% de la energía absorbida para su funcionamiento normal. Este sistema ha sido desarrollado para crear el entorno para la recuperación de la energía, mejorando los vehículos actuales dotados de sistema de 40 regeneración que pueden aprovechar únicamente la energía de frenado para la propulsión de otros trenes que estén acelerando en el mismo instante del frenado regenerativo. Entre las ventajas de los acumuladores de energía destaca la posibilidad de almacenar la energía para su uso posterior, eliminando la restricción de uso simultáneo. Con este equipo se garantiza la seguridad del suministro, reduciendo la demanda de energía primaria, contribuyendo incluso a 45 la estabilización de la tensión. La dinámica de este acumulador de energía se basa en su regulación automática, es decir, el proceso de acumulación de energía viene controlado por la variación de la tensión de la subestación transformadora.

Por otro lado, uno de los problemas más importantes que se presentan en la circulación de 50 todo tren es la aparición de hielo en los hilos de contacto. Se ha comprobado que estas condiciones meteorológicas adversas producen la formación de arcos eléctricos entre el pantógrafo y el hilo de contacto como consecuencia de la formación de hielo. Este hielo dificulta la captación de corriente por parte del pantógrafo, reduciendo notablemente la potencia suministrada y la velocidad del vehículo, produciendo retrasos en los trenes y disminuyendo la fiabilidad del servicio.

Para evitar este último problema, las técnicas que han sido desarrolladas hasta la fecha están orientadas tanto a la eliminación de hielo formado en la catenaria, como de la prevención y 5 preparación de la misma para evitar dicha formación. Actualmente existen varias soluciones, como por ejemplo:

a) Los métodos basados en el calentamiento eléctrico de la catenaria por efecto Joule mediante: 10

a. Conductores aislados eléctricamente de la catenaria. Esta técnica consiste en montar hilos formados por un alma de material conductor y con un recubrimiento aislante eléctrico pero que sea conductor del calor. Este cable adicional se monta sujeto por grapas de un material que no provoque corrosión galvánica, como el fósforo-bronce, sobre el hilo de contacto. Sistemas de este tipo son 15 comercializados por las firmas NIBE RAILWAYS COMPONENTS (

http://www.niberailway.com/

http://www.pentairthermal.com/

http://www.rtrtechnologies.com/

http://www.san-as.com/en/SAN-

pages/Products/Products/

b. Conductores convencionales de la catenaria. Esta técnica emplea el calentamiento mediante la conducción eléctrica por ráfagas a través de la catenaria en horas nocturnas, como el empleado en la línea Colonia - Frankfurt 25 en Alemania.

b) Métodos por choque mecánico, donde se emplea un tren con dos pantógrafos elevados donde el segundo pantógrafo es el encargado de la captación de energía mientras que el primero choca con los bloques de hielo y los desprende del hilo. Adicionalmente podrían incorporar una llama para retirar el hielo en situaciones muy adversas. 30

c) Métodos por fusión química que se centran en la aplicación de diferentes sustancias en el hilo de contacto de la catenaria para para evitar la aparición de hielo mediante:

a. Rociamiento con líquidos anticongelantes. 35

b. Aplicación de glicerina desde el pantógrafo, como el sistema de STEMMANN TECHNIK (

http://www.stemmann.de/en

No obstante, estos métodos presentan problemas debidos a que la velocidad del tren está limitada a valores próximos a los 30 Km/h y, por otro lado, a que su carácter es 40 exclusivamente preventivo, no actuando sobre hielo ya formado. Por el contrario, es el más persistente y económico de los descritos.

Descripción de la invención 45

El dispositivo y método de la invención parte del hecho de que, actualmente, las subestaciones de tracción de corriente continua, que están formadas por uno o varios rectificadores formados por diodos de silicio de alta potencia, que tienen como función rectificar la corriente alterna para convertirla en corriente continua y alimentar con este tipo de corriente las catenarias para la tracción de los trenes. Del mismo modo, también en algunos casos se han planteado y 50 desarrollado equipos que, alimentándose en corriente continua desde la catenaria convierten dicha corriente en alterna de frecuencia industrial. No obstante, hasta la fecha estos equipos son independientes.

La presente invención, por tanto, implementa un método en un único dispositivo inversor para hacerle funcionar unas veces como rectificador (CA a CC) y otras veces como inversor (CC a CA) en función de las necesidades de cada momento.

El método de control objeto de la presente invención se implementa como un programa de 5 control que está almacenado en una memoria de un dispositivo de control y que comprende una serie de instrucciones que, cuando son ejecutadas por un procesador, hacen que el dispositivo realice unas determinadas acciones, tal y como se describe a continuación. En la presente descripción, el método de control y el programa de control se refieren a la misma secuencia de instrucciones lógicas ejecutables por un procesador. Del mismo modo, el 10 dispositivo de control es un dispositivo electrónico programable conectado con la electrónica de potencia de una subestación de tracción ferroviaria, cuyos dispositivos de potencia (por ejemplo, de tipo IGBT) tienen capacidad para pasar de modo inversor a modo rectificador y viceversa.

Así, el método ejecutado por el dispositivo tiene las siguientes etapas en su funcionamiento:

a) Una primera etapa como rectificador, que realiza todas las funciones características de una subestación de tracción actual, garantizando la fiabilidad y continuidad en su funcionamiento, así como la seguridad y protección, tanto de las instalaciones eléctricas 20 de la compañía suministradora, como de las propias de la vía.

b) Una segunda...

- Método de control de una subestación de tracción reversible en un tramo de vía entre dicha subestación de tracción y las subestaciones adyacentes; dicha subestación de tracción comprendiendo, al menos, un convertidor de potencia reversible capaz de cambiar de 5 modo rectificador a modo inversor y viceversa; donde dicho método comprende las etapas de:

i) Captura (101) de una pluralidad de parámetros de funcionamiento estables (102) invariantes y característicos en el tramo de vía controlado; así como una pluralidad de parámetros de funcionamiento variables (103) con el tiempo incluyendo unos 10 parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y los parámetros característicos de tensión y corriente durante la circulación de trenes (103a) en dicho tramo de vía controlado;

ii) Establecer si existe riesgo de hielo (104) cuando los parámetros medioambientales 15 y meteorológicos (103b) superan un umbral predefinido; y

iii) Establecer la presencia de trenes en el tramo de controlado;

caracterizado porque comprende una de las siguientes etapas de cambio de modo de 20 función del convertidor de potencia de la subestación de tracción:

a. cambio de modo rectificador (106) a modo inversor (109) cuando existen trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes, no existe riesgo de hielo (104) y existen trenes regenerando (105) ; 25

b. cambio de modo rectificador (203) a modo inversor (204) cuando no existen trenes entre la subestación controlada (110) y las subestaciones adyacentes y existe riesgo de hielo (104) , siendo la temperatura del conductor de la catenaria inferior a una temperatura de consigna (202) ; 30

c. cambio de modo rectificador (308) a modo inversor (307) cuando existen trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110) , existe riesgo de hielo (104) , hay trenes regenerando (304) pero la temperatura del conductor de la catenaria es superior a una temperatura de consigna (303) ; y 35

d. cambio de modo rectificador (311) a modo inversor (312, 313) cuando existen trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110) , existe riesgo de hielo (104) y, además, la temperatura del conductor de la catenaria es inferior a una temperatura de consigna (303) , de tal forma que: 40

i. un primer cambio a modo inversor (312) se establece cuando hay trenes regenerando (309) y es necesaria una potencia mayor a la regenerada; y

ii. un segundo cambio a modo inversor (313) se establece cuando no hay 45 trenes regenerando (309) .

- El método de la reivindicación 1 donde los parámetros estables (102) son parámetros invariantes y característicos de la catenaria (102b) y de las subestaciones (102a) adyacentes la subestación de tracción reversible controlada, mientras que los parámetros 50 variables (103) son parámetros capturados por una estación meteorológica configurada para la captura de parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y una pluralidad de sensores de tensión y de corriente para los parámetros de circulación de trenes (103a) .

- El método de la reivindicación 2 donde los parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) son, al menos uno seleccionado entre la humedad, la temperatura del hilo de contacto, la radiación solar, la temperatura ambiente, la velocidad del viento o la temperatura de consigna.

- El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la temperatura de consigna (202, 206, 303 , 315) es de 5ºC.

- El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4 donde en el modo inversor (204, 313) cuando no hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado se disminuye la 10 tensión de la subestación controlada para hacer circular una corriente eléctrica a través de los hilos de contacto de la catenaria desde las subestaciones adyacentes hasta la subestación controlada, calentando los cables de la catenaria por efecto Joule, hasta que la temperatura del cable de contacto de la catenaria alcanza o supera la temperatura de consigna, tras lo cual se igualan las tensiones de las subestaciones controladas y adyacentes. 15

- El método de las reivindicaciones 1-4 donde en el modo inversor (109, 307, 312) cuando hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado, durante la regeneración de energía, la tensión del pantógrafo es superior a la existente en las subestaciones adyacentes, existiendo una corriente eléctrica entre el tren regenerando y las subestaciones adyacentes; y 20 donde el cambio de modo rectificador a modo inversor (109, 307, 312) se produce siempre y cuando la energía regenerada por los trenes no sea utilizada por trenes cercanos solicitando potencia para su tracción o sea necesaria para sistemas auxiliares.

- Dispositivo de control de una subestación de tracción reversible en un tramo de vía 25 entre dicha subestación de tracción y las subestaciones adyacentes; dicha subestación de tracción comprendiendo, al menos, un convertidor de potencia reversible conectado con el dispositivo de control y capaz de cambiar de modo rectificador a modo inversor y viceversa; donde dicho dispositivo está conectado con una estación meteorológica y medioambiental y con una pluralidad de captadores de señales eléctricas del tramo controlado de vía; 30

y donde dicho dispositivo comprende, al menos, un procesador, una memoria de datos, y un programa o programas almacenados en la memoria y configurados para ejecutarse por el procesador estando caracterizado por que dicho programa o programas incluyen instrucciones para:

- capturar (101) una pluralidad de parámetros de funcionamiento estables (102) invariantes y característicos en el tramo de vía controlado; así como una pluralidad de parámetros de funcionamiento variables (103) con el tiempo incluyendo unos parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y los parámetros característicos de tensión y corriente durante la circulación de trenes (103a) en dicho tramo de vía 40 controlado;

- establecer si existe riesgo de hielo (104) cuando los parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) superan un umbral predefinido;

- establecer la presencia de trenes en el tramo de controlado; y

- cambiar la función del convertidor según:

a. cambio de modo rectificador (106) a modo inversor (109) cuando existen trenes 50 entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes, no existe riesgo de hielo (104) y existen trenes regenerando (105) ;

b. cambio de modo rectificador (203) a modo inversor (204) cuando no existen

trenes entre la subestación controlada (110) y las subestaciones adyacentes y existe riesgo de hielo (104) , siendo la temperatura del conductor de la catenaria inferior a una temperatura de consigna (202) ;

c. cambio de modo rectificador (308) a modo inversor (307) cuando existen trenes 5 entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110) , existe riesgo de hielo (104) , hay trenes regenerando (304) pero la temperatura del conductor de la catenaria es superior a una temperatura de consigna (303) ; y

d. cambio de modo rectificador (311) a modo inversor (312, 313) cuando existen 10 trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110) , existe riesgo de hielo (104) y, además, la temperatura del conductor de la catenaria es inferior a una temperatura de consigna (303) , de tal forma que:

i. un primer cambio a modo inversor (312) se establece cuando hay 15 trenes regenerando (309) y es necesaria una potencia mayor a la regenerada; y

ii. un segundo cambio a modo inversor (313) se establece cuando no hay trenes regenerando (309) . 20

- El dispositivo de la reivindicación 7 donde los parámetros estables (102) son parámetros invariantes y característicos de la catenaria (102b) y de las subestaciones (102a) adyacentes la subestación de tracción reversible controlada, mientras que los parámetros variables (103) son parámetros capturados por una estación meteorológica configurada para la 25 captura de parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y una pluralidad de sensores de tensión y de corriente para los parámetros de circulación de trenes (103a) .

- El dispositivo de la reivindicación 8 donde los parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) son, al menos uno seleccionado entre la humedad, la temperatura del 30 hilo de contacto, la radiación solar, la temperatura ambiente, la velocidad del viento o la temperatura de consigna.

- El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la temperatura de consigna (202, 206, 303 , 315) es de 5ºC. 35

- El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 7-10 donde en el modo inversor (204, 313) cuando no hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado, se disminuye la tensión de la subestación controlada para hacer circular una corriente eléctrica a través de los hilos de contacto de la catenaria desde las subestaciones adyacentes hasta la 40 subestación controlada, calentando los cables de la catenaria por efecto Joule, hasta que la temperatura del cable de contacto de la catenaria alcanza o supera la temperatura de consigna, tras lo cual se igualan las tensiones de las subestaciones controladas y adyacentes.

- El dispositivo de las reivindicaciones 7-10 donde en el modo inversor (109, 307, 45 312) cuando hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado, durante la regeneración de energía, la tensión del pantógrafo es superior a la existente en las subestaciones adyacentes, existiendo una corriente eléctrica entre el tren regenerando y las subestaciones adyacentes; y donde el cambio de modo rectificador a modo inversor (109, 307, 312) se produce siempre y cuando la energía regenerada por los trenes no sea utilizada por trenes cercanos solicitando 50 potencia para su tracción o sea necesaria para sistemas auxiliares.

- Subestación de tracción reversible caracterizada porque comprende un dispositivo de control de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7-12.

- Un producto de programa informático con instrucciones configuradas para su ejecución por uno o más procesadores que, cuando son ejecutadas por un dispositivo de control de una subestación de tracción reversible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7-12 hacen que una subestación de tracción reversible de acuerdo con la 5 reivindicación 13 ejecute el método de las reivindicaciones 1-6.