Dispositivo de alimentación inalámbrica para sistemas ferroviarios.

Dispositivo de alimentación inalámbrica para sistemas ferroviarios (1) con el fin de suministrar energía eléctrica a un tren que circule por un sistema de raíles,

que consta de una pluralidad de placas de asiento aislante (101I, 101D), una pluralidad de revestimiento aislante (102I, 102D), una pluralidad de conversores de intensidad rotativa (103) que se dispondrán en cada eje tractor (2014) y cuya función es alimentar de energía eléctrica de forma inalámbrica cada dispositivo motriz (206I, 206D) de un tren y que dispone de una pluralidad de subestaciones de transformación especial (105A, 105B, 105C) generadoras regulables de intensidad eléctrica y una pluralidad de placas interraíl aislante (104ABI, 104ABD, 104BCI, 104BCD).

Dispositivo de alimentación inalámbrica para sistemas ferroviarios Sector de la técnica al que se refiere la invención La invención se sitúa en el sector técnico ferroviario, más concretamente en el relativo a vehículos ferroviarios equipados con molores de tracción eléctricos.

Estado de la técnica anterior

Breve reseña del Ferrocarril en España La primera línea ferroviaria en España data de 1848; el proyecto fue promovido por

Miguel Biada Bunyol, un catalán residente en Inglaterra que regresó a su tierra natal para poner en marcha junto con José María Roca la línea Barcelona·Mataró, que fue inaugurada el 28 de octubre de ese año. Un año después la reina Isabelll inauguraba la línea Madrid-Aranjuez, promoción de José de Salamanca, Marqués de Salamanca, tramo que suponía los primeros 4S km de la concesión de la línea Madrid-Alicante. No 2 O obstante, aunque la fecha citada figura en los anales del ferrocarril en España, conviene añadir, que ya en Cuba, a la sazón provincia española de ultramar hasta 1898, funcionó la línea ferroviaria La I-fabana-Güin (!s, que con una longitud de unos 90 km fue inaugurada ellO de noviembre de 1837. por lo que resulta ser así la primera línea felToviaria española. Se entiende este momento de progreso que vivía Cuba, dada la proximidad de Estados Unidos y sobre todo por el apoyo que recibió esta iniciativa por parte de sociedades cívicas como la de Amigos del País y otros círculos indu~triales y mercantiles. La línea estaba destinada al transporte de frutas y tabacos desde los campos del sur hasta la capital. El ferrocarril sigu ió extendiéndose en España de tal forma que en menos de dos décadas estaban concedidas, y varias en explotación, la 3 O mayoría de las líneas fundamentales de: la red Española.

La allmenración elécrrlca de la locomotora Los vehículos de felTocalTil modem.os están equipados con motores de tracclOn eléctricos, que habitualmente están ubicados en la locomotora. Para poder suministrar energía eléctrica de forma permanente a los motores, se dota al vehículo de un pantógrafo. que se sitúa en la parte exterior del techo de la locomotora, y que a través de un contacto deslizante, normalmente doble y compuesto por una banda de grafito,

O conexiona con una linea aérea eléctrica de alimentación, denominada línea de contaclo, que va suspendida de la catenaria.. Cada locomotora nonnalmente equipa dos pantógrafos. Para aumentar la vida dc las bandas, la línea de contacto se construye en zig-zag para que el desgaste sea unifonne. Además del desgasle, la fricción de este contacto móvil genera calor que para altas velocidades puede llegar a ser considerable.

Otro problema que aparece en el conta.cto entre el pantógrafo y la línea de contacto es la fuerza aerodinámica, que es proporcional al cuadrado de la velocidad de avance del tren.

Se presenta en los pantógrafos la dificultad de que las vibraciones de frecuencia relativamente alta, que se o riginan en la alta velocidad, producen una descompensación en el sistema de ajuste que intenta conservar una fuerza constante de contacto con respecto a la línea de contacto. Debido a ello, actualmente se incorporan pantógrafos de dos escalones que son capaces de reaccionar de forma más eficaz.

Los vehículos de ferrocarri l de alta velocidad presentan una posición variable del coche, inclinándose en las curvas de :la vía, para oponerse a la aceleración centrífuga no compensada, mejorando la sensadón de confort de los pasajeros. Debido a la inclinación del coche, actualmente se incorpora en el pantógrafo un sopone de pantógrafo, que es móv il con respecto al coche, de manera que el pantógrafo se mantiene centrado en Contacto con la línea aérea eléctrica de alimentación cuando el coche se inclina al recorrer una curva.

La alimentación eléctrica por medio de pantógrafo presenta una importante problemática: la resistencia de cont.acto que origina elevados calentamientos, el

O desgaste de los elementos panicipant, es en el contacto. las fuerzas aerodinámicas, el disponer de un complejo sistema de tensado de la línea de contacto y catenaria sometido a averías y fallos, y actualm~:nte debido a la alta velocidad el necesitar de un complejo sistema de adecuación y centrado del pantógrafo debido a las vibraciones de frecuencia alta y a la inclinación del coche.

En el estado de la técnica son conocidos diferentes tipos de soluciones propuestas para la alimentación de energía eléctrica a vehículos de ferrocarril mediante pantógrafo y conexionado por contacto deslizante con una catenaria.

En los documentos de patente siguientes pueden encontrarse diferentes tipos de soluciones propuestas para la adecuación del pantógrafo debido a las vibraciones de frecuencia alta: ES-8206296 Al; DE 2165813.

En los documentos de patente siguientes pueden encontrarse diferentes tipos de 35 soluciones propuestas para el centrado del pantógrafo debido a la inclinación del coche: ES-2 I 70358 n; DE 2243405;EP 0436993 A; JP 08205310 A.

En España, la alimentación convencio:nal RENFE de la línea de contacto es a 3 kV en corriente continua (rizado de frecuencia 16 + 2/3 Hz) , y la alimentación moderna de 4 O alta velocidad AD1F mayoritariamente es a 25 kV en corriente alterna (frecuencia de 50 Hz) . Para alimentar la línea de contacto se distribuyen a lo largo de toda su longitud Subestaciones de Transformación de Abonado (STA) de una potencia por módulo de 6 MW.

La vía férrea Una vez establecida la plataforma, se coloca la vía férrea formada por los raíles (denominados también carriles y rielc:s) que constituyen la superficie de rodamiento; 5 éstos van asentados sobre las traviesas, que modemamente se construyen con hormigón pretensado, cuyo objeto es repartir la presión transmitida por los raíles, y mantener la separación de éstos. Generalmente, las traviesas no se apoyan directamente sobre la plataforma, sino que se colocan sobre una capa interpuesta, de roca fragmentada o de grava, denominada balasto, que sirve para distribuir las presiones recibidas de la traviesa. Corno el raíl tiende a tomar una forma ondulada, al pasar las ruedas los esfuerzos transmir.idos por él se concentran sobre las aristas de la traviesa, y para evitar este efecto S~: coloca una placa de asiento, la que además distribuye. sobre mayor superficie. las fatigas que la traviesa debe soportar.

Los diferentes tipos de raíles se fabrkan para Europa según la norma europea EN 13674-1 Y EN 136744, Y las sccciones transversales normalizadas son (cm2) 50, 66; 57, 46; 62, 92; 64, 84; 68, 56; 69, 19 Y 76, 48,

Las traviesas monobloque de hormigón pretensado se fabrican e instalan en España mediante las especificaciones técnicas ET 03.360.571.8, 4& edición, de enero de 2009, de AD IF: VIA. En las vías de ferrocarril españolas, tanto las convencionales como las de alta velocidad. es de aplicación la norma UNE-EN 13146-5 (2) para obtener un valor de resistencia eléctrica característico del sistema traviesa-sujeciones bajo condiciones atmosféricas desfavorabh:s. El sistema traviesa-sujeciones presenta una resistencia eléctrica medida, entre raíl y raíl, de 15 kO:, que aumenta hasta 30 k!1 cuando se corrige por el valor de conductividad del agua.

En España se emplean dos anchos de vía. El ancho convencional ibérico, denominado ancho RENFE, que es de 1.668 mm y el ancho estándar UIC, empleado para la alta 3 O velocidad A VE, que es de 1.435 mm.

La locomotora Las locomotoras modernas para alta vl~locidad (v > 200 kmlh) alcanzan una velocidad

nominal de 350 km/h. Tienen dos bogies, cada uno de dos ejes, denominándose de tipo " Bo' ", y a la máquina de tipo" Bo' Bo' ". Cada eje se tracciona individualmente por un motor trifásico asíncrono dc alred, ~dor de I MW que transmite el esfuerzo a las ruedas por un accionamiento reductor y un árbol hueco. El conjunto motor-reductor está suspendido del bastidor del bogie por bielas pendulares de acción transversal.

Cada motor puede regularse individualmente para lograr la máxima adherencia.

Una locomotora Bo'80' corresponde por tanto a una locomotora de 2 bogies de 2 ejes con un motor a cada eje. El apóstrofe significa que el grupo motor tiene un bastidor distinto al de la locomotora: puede ser un bogie o un truck.

El autofrén El autotrén es un tren moderno de muy alta velocidad que lleva los bogies tractores distribuidos a lo largo del mismo. No todos los bogies del tren son obligatoriamente S tractores, empleándose normalmente seis. Los bogies se colocan en el espacio intervagón para aumentar el confort de los pasajeros. Los motores son trifásicos de imanes permanentes con alimentación y comrol...

l. Dispositivo de alimentación Inalámbrica para sistemas ferroviarios (!) que suministra energía eléctrica a un tren que circule por un sistema de raile~, y que se caracteriza por constar de :

una pluralidad de placas de asiento aislante (10 11, 1010) que se dispondrán en sendos raíles (201 51, 20 150 ) en cada traviesa (20 /6) y cuya función es aislar los raíles de tierra y entre sí;

una pluralidad de revestimientos aislantes (1021, 1020) que se dispondrán en sendos cojinetes (20111, 20 I JD) en cada eje tractor (2014) Y cuya función es aislar eléctricamente el eje del bogie articulado tractor (Bo') ;

una pluralidad de convc'rsores de intensidad rotativa (103) que se dispondrán en cada eje tractor (2014) Y cuya función es alimentar de energía eléctrica de forma inalámbrica cada dispositivo motriz (2061, 206D) Y que constan de:

~ un primario formado por un eje tractor (20 14) ;

-un secundario formado por un bobinado (10322) ;

-un núcleo ferro-magnético (10321) formado por una pluralidad de sub-núcleos de chapa en espiral (103211) , formados éstos por un arrollamiento en espiral de chapa magnética de grano orientado laminada en frío con un tratamiento químico superficial, fosfatado denominado carlitc, y cuya chapa es de 0, 1 mm de espesor o menor, y cuya chapa está perforada en toda su longitud mediante una secuencia de agujeros distribuidos en su anchura, y aislados los sub-núcleos entre sí mediante un soporte aislante (1032 12) ;

-una pluralidad de subestacíones de transfonnación especial ( lOSA, 1058, 105C) , generadoras regulables de intensidad eléctrica y que se disponen alimentando sendos raíles (20151, 2015D) a intervalos de longitud de paso (P) entre las mismas y a paso mitad (P/2) de los extremos;

-una pluralidad de placas ínter-raíl aislante (l04ABI, 104ABD, I04BCI, 104BCD) con el fin de aislar los tramos que alimentan cada subestación de transformación especial (lOSA. 105B, lOSe) .

2. Procedimiento de electrificación d'e sistemas ferroviarios que utiliza el dispositivo de alimentación inalámbrica para sistemas ferroviarios (1) ) según la reivindicación 4 5 I caracterizado por que comprende las siguientes etapas:

-No pre.~encia de Iren en el ", aso (P) de cada slIbestación de tran. ..!iwmación especial (105) :

-La subestación de transformación especial ( 105) no lensiona los raíles (20 151, 20 15D) , por lo que tampoco suministra intens idad eléctrica;

-Si una persona o animal se somete a un contacto raíl-tierra o raíl-raíl no sufrirá ninguna descarga eléctrica;

- Presencia de (re" en el paso fP) de cada subestación de transformación especial (J05) :

-La subestación de transfonnación especial (105) tensiona los raíles

(20151, 2015D) en un rango de 150 a 1, 5 kV Y suministra la intensidad eléctrica que demande c:l tren;

-La intensidad suministrada se reparte por igual entre el número de ejes tractores (2014) que disponga el tren, llegando de forma inalámbrica por 20 inducción hasta los dispositivos motrices (206) situados en cada bogie articulado tractor (Bo') .