Método y dispositivo para frenar vehículos ligados a una vía impulsados por motores de inducción.

Sistema de frenado electrodinámico para un vehículo ligado a una vía alimentado por una línea de alta tensión (10,

100) que comprende:

- un colector de corriente (11) para conectar el sistema de frenado electrodinámico a la línea de alta tensión (10, 100);

- un enlace de corriente continua (18) provisto de una unidad de chopper de frenado (28), estando el enlace de corriente continua (18) alimentado por la línea de alta tensión (10, 100) a través del colector de corriente (11);

- un convertidor estático (20) que tiene bornes de corriente continua (19) conectados al enlace de corriente continua (18) y bornes de corriente alterna (21), pudiendo funcionar el convertidor estático en un modo de rectificador para transferir potencia de los bornes de corriente alterna (21) a los bornes de corriente continua (19) y un modo de inversor para transferir potencia de los bornes de corriente continua (19) a los bornes de corriente alterna (21), en el que la corriente eléctrica fluye desde el enlace de corriente continua (18) hasta los bornes de corriente continua (19) del convertidor estático (18) en una dirección de inversor cuando el convertidor estático (18) funciona en el modo de inversor;

- al menos una máquina de inducción (22) que puede funcionar en un modo de motor y un modo de generación, estando la máquina de inducción unida mecánicamente a un eje de rueda (23) y conectada eléctricamente a los bornes de corriente alterna del convertidor estático (20);

- una unidad de control del convertidor estático (36) para controlar el convertidor estático (20) de manera que el convertidor estático (20) funciona en el modo de rectificador y la máquina de inducción (22) funciona en el modo de generación para realimentar el enlace de corriente continua (18) en respuesta a una señal de frenado de emergencia,

caracterizado porque el sistema de frenado electrodinámico comprende además una unidad de supervisión de frenado electrodinámico (42) para apagar el convertidor estático (20) para reducir la corriente que fluye entre los bornes de corriente alterna (21) del convertidor estático y la máquina de inducción (22) y desimantar la máquina de inducción (22) al detectar una condición de arrastre durante el frenado de emergencia, en el que la condición de arrastre es detectada por la unidad de supervisión de frenado electrodinámico (42) que incluye un sensor de corriente continua (44) en la línea eléctrica entre el enlace de corriente continua (18) y uno de los bornes de corriente continua (19) del convertidor estático (20).

Método y dispositivo para frenar vehículos ligados a una vía impulsados por motores de inducción

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a vehículos ligados a una vía impulsados por motores de inducción y alimentados por una catenaria o un tercer riel. En concreto, se refiere, aunque no exclusivamente, a vehículos ferroviarios de unidad de tren que comprenden una pluralidad de vagones e impulsados por motores de inducción distribuidos a lo largo del vehículo. Más específicamente, se refiere a un sistema de frenado, en concreto un sistema de frenado de emergencia, adecuado para dicho vehículo y a un método de frenado correspondiente.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

Convencionalmente, los vehículos ferroviarios están provistos de varios medios de frenado diferentes, tales como frenos mecánicos o electrodinámicos. Los frenos mecánicos funcionan generalmente de manera neumática y transforman la energía cinética del vehículo ferroviario en calor por fricción. Los frenos electrodinámicos transforman la energía cinética del vehículo en energía eléctrica, que puede ser disipada en 15 forma de calor en reóstatos (frenos reostáticos) o devuelta a la línea de alta tensión, por ejemplo, una catenaria o un tercer riel (frenado regenerativo) . Por lo general, los frenos electrodinámicos los proporcionan los motores eléctricos del vehículo ferroviario impulsado eléctricamente, que se utilizan en el modo de alternador. Dependiendo del tipo de motor de tracción utilizado, por ejemplo, motores de corriente continua, motores de corriente alterna de imán permanente o motores de inducción, se debe controlar la máquina eléctrica para transferir energía del rotor al estátor durante el frenado.

Los frenos mecánicos y electrodinámicos se aplican de manera conjunta o por separado para diferentes funciones de frenado, principalmente para el frenado de servicio y para el frenado de emergencia.

Para el frenado de servicio, generalmente se combinan los frenos mecánicos y los frenos electrodinámicos. Más precisamente, los frenos electrodinámicos suministran el par de frenado requerido hasta su plena capacidad y se complementan con los frenos mecánicos si es necesario, con el fin de minimizar el desgaste y optimizar la regeneración de energía.

Por otro lado, los frenos electrodinámicos no se consideran lo suficientemente fiables para aplicarse en situación de frenado de emergencia. Por consiguiente, el par de retardo entero en caso de frenado de emergencia lo siguen proporcionando los frenos mecánicos. Para proporcionar un rendimiento adecuado para el frenado de emergencia, la instalación del sistema de frenado mecánico requiere un número de actuadores, que no se utilizan de manera permanente para el frenado de servicio. Esto da lugar a situaciones en las que los medios de frenado mecánico instalados son demasiado grandes y no se utilizan de forma regular. Las consecuencias son el incremento de peso, el espacio para la instalación de equipos neumáticos voluminosos y el coste.

En US 2009 0224706 se describe un sistema de frenado de seguridad para un vehículo con tracción eléctrica. El sistema de frenado de seguridad comprende un primer freno eléctrico que no es de seguridad y que está integrado en la cadena de tracción e incluye un motor de imán permanente trifásico capaz de funcionar como un generador de voltaje, un inversor de tracción capaz de ser configurado como un puente rectificador de diodos, un conmutador electromecánico para conectar el motor de imán permanente al inversor y un enlace de corriente continua que incluye una resistencia de chopper de frenado, un filtro de línea y un disyuntor de línea. El sistema incluye además un segundo freno de seguridad. De conformidad con un modo de realización, el freno de seguridad incluye el puente rectificador de diodos del inversor de tracción, una resistencia de carga terminal, un relé electromecánico auxiliar conectado en serie a la resistencia de carga terminal y controlado en una entrada, estando el relé y la resistencia interpuestos en paralelo entre el chopper y el inversor. Un dispositivo de 45 monitorización de corriente está montado en serie en el lado de corriente continua del inversor para monitorizar el rendimiento de frenado del primer freno. Al detectar una condición predeterminada, el dispositivo de monitorización de corriente activa el relé electromecánico para conectar la rama del circuito que incluye la resistencia de carga. Con el fin de evitar el arrastre, también se activa el disyuntor de línea para abrir la línea de alta tensión.

Este sistema es complejo puesto que implica tanto un freno eléctrico que no es de seguridad como un freno eléctrico de seguridad. Además, el diseño no se puede adaptar fácilmente a un motor de inducción.

Por consiguiente, se necesita un sistema y un método de frenado electrodinámico que aproveche al máximo el frenado regenerativo, es decir, la capacidad de frenado de la línea de alta tensión, para un vehículo ligado a una vía alimentado por uno o varios motores de inducción.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Es objeto de la presente invención teniendo en cuenta los problemas mencionados anteriormente proporcionar un sistema de frenado electrodinámico que no desactive indiscriminadamente el frenado regenerativo durante una operación de frenado de emergencia.

De conformidad con un primer aspecto de la invención, se proporciona un sistema de frenado electrodinámico para un vehículo ligado a una vía que comprende las características de la reivindicación 1.

El frenado electrodinámico, que puede incluir tanto el frenado regenerativo a la línea de alta tensión como el frenado reostático a través de una resistencia de chopper de frenado, se implementa durante el frenado de emergencia salvo en el extraño suceso de una condición de arrastre. Se puede experimentar el arrastre durante el frenado de emergencia debido a un mal funcionamiento de la unidad de control del convertidor estático. Cuando se detecta el arrastre durante una operación de frenado de emergencia, la máquina de inducción se aísla del enlace de corriente continua.

Preferiblemente, también se instalan en el vehículo frenos de fricción convencionales. Estos frenos de fricción están dimensionados para proporcionar una fracción del par de frenado máximo en caso de emergencia, preferiblemente alrededor de la mitad de la fuerza de frenado, es decir, el mismo par de frenado máximo que los frenos electrodinámicos. En el caso excepcional de un mal funcionamiento de la unidad de control del convertidor estático, la función de frenado la tomarán los frenos de fricción solos.

De conformidad con un modo de realización, más de una máquina de inducción se enlaza mecánicamente a un eje de rueda y se conecta eléctricamente a los bornes de corriente alterna (CA) del convertidor estático.

De conformidad con un modo de realización preferido, la condición de arrastre detectada por la unidad de supervisión de frenado electrodinámico es una condición en la que una corriente entre los bornes de corriente continua (CC) del convertidor estático y el enlace de corriente continua fluye en la dirección del inversor durante un tiempo predeterminado o fluye en una dirección opuesta a la dirección del inversor con una intensidad inferior a un umbral predeterminado durante dicho tiempo predeterminado. Por consiguiente, el sistema de freno electrodinámico incluye un sensor de corriente continua en la línea eléctrica entre el enlace de corriente continua y uno de los bornes de corriente continua del convertidor estático.

El tiempo predeterminado define una demora antes de que se desactive el convertidor estático. Esta demora se incorpora para tener en cuenta transitorios en el sistema. Otra situación en la que una demora incorporada puede resultar útil es una pérdida de sujeción entre el eje montado y la vía durante un frenado de emergencia. En tal caso, la potencia de frenado electrodinámico disminuirá repentinamente a cero, y otros componentes del sistema, tales como una unidad de reflujo o un circuito de recarga, pueden ocasionar una corriente transitoria en una dirección no deseada que podría activar innecesariamente el apagado del convertidor estático, no debiendo incorporarse ninguna demora en la lógica del sistema.

Preferiblemente, no se detecta ninguna condición de arrastre antes de que transcurra un periodo de tiempo inicial después de que la señal de frenado de emergencia se haya activado. Las condiciones de funcionamiento del sistema de accionamiento y frenado justo antes de la orden de frenado de emergencia se desconocen y pueden llevar a transitorios al principio... [Seguir leyendo]

1. Sistema de frenado electrodinámico para un vehículo ligado a una vía alimentado por una línea de alta tensión (10, 100) que comprende:

- un colector de corriente (11) para conectar el sistema de frenado electrodinámico a la línea de alta tensión (10, 100) ; -un enlace de corriente continua (18) provisto de una unidad de chopper de frenado (28) , estando el enlace de corriente continua (18) alimentado por la línea de alta tensión (10, 100) a través del colector de corriente (11) ; -un convertidor estático (20) que tiene bornes de corriente continua (19) conectados al enlace de corriente continua (18) y bornes de corriente alterna (21) , pudiendo funcionar el convertidor estático en un modo de rectificador para transferir potencia de los bornes de corriente alterna (21) a los bornes de corriente continua (19) y un modo de inversor para transferir potencia de los bornes de corriente continua (19) a los bornes de corriente alterna (21) , en el que la corriente eléctrica fluye desde el enlace de corriente continua (18) hasta los bornes de corriente continua (19) del convertidor estático (18) en una dirección de inversor cuando el convertidor estático (18) funciona en el modo de inversor; -al menos una máquina de inducción (22) que puede funcionar en un modo de motor y un modo de generación, estando la máquina de inducción unida mecánicamente a un eje de rueda (23) y conectada eléctricamente a los bornes de corriente alterna del convertidor estático (20) ; -una unidad de control del convertidor estático (36) para controlar el convertidor estático (20) de manera que el convertidor estático (20) funciona en el modo de rectificador y la máquina de inducción (22) funciona en el modo de generación para realimentar el enlace de corriente continua (18) en respuesta a una señal de frenado de emergencia, caracterizado porque el sistema de frenado electrodinámico comprende además una unidad de supervisión de frenado electrodinámico (42) para apagar el convertidor estático (20) para reducir la corriente que fluye entre los bornes de corriente alterna (21) del convertidor estático y la máquina de inducción (22) y desimantar la máquina de inducción (22) al detectar una condición de arrastre durante el frenado de emergencia, en el que la condición de arrastre es detectada por la unidad de supervisión de frenado electrodinámico (42) que incluye un sensor de corriente continua (44) en la línea eléctrica entre el enlace de corriente continua (18) y uno de los bornes de corriente continua (19) del convertidor estático (20) .

2. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la condición de arrastre es una condición en la que una corriente continua fluye desde el enlace de corriente continua (18) hasta los bornes de corriente continua (19) del convertidor estático (20) en la dirección del inversor

(46) durante un tiempo predeterminado (T1) o fluye en una dirección opuesta a la dirección del inversor (46) con una intensidad inferior a un umbral predeterminado durante dicho tiempo predeterminado.

3. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque no se detecta ninguna condición de arrastre antes de que transcurra un periodo de tiempo inicial (T1) después de que la señal de frenado de emergencia se haya activado.

4. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado porque el umbral predeterminado (I0) es cero.

5. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 4, caracterizado porque el enlace de corriente continua (18) se conecta al colector de corriente (11) durante un frenado de emergencia de manera que el convertidor estático (20) que funciona en el modo de rectificador en respuesta a la señal de frenado de emergencia (38) realimenta la línea de alta tensión (10, 100) a través del enlace de corriente continua (18) y del colector de corriente (11) de forma continua hasta que se detiene.

6. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 5, caracterizado porque la línea de alta tensión es una línea de corriente continua (10) .

7. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 5, caracterizado porque la línea de alta tensión es una línea de corriente alterna (100) conectada al enlace de corriente continua (18) mediante un convertidor de línea de cuatro cuadrantes (104) .

8. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el enlace de corriente continua (18) incluye un condensador (34) conectado en paralelo a los bornes de corriente continua (19) del convertidor estático (20) y una unidad de recarga (26) alimentada por una batería para cargar el condensador (10) .

9. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 55 caracterizado porque la unidad de chopper de frenado (28) incluye una resistencia (32) en serie con un chopper (30) .

10. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de control del convertidor estático (36) controla el convertidor estático (20) de manera que el esfuerzo de frenado electrodinámico tenga un valor constante predeterminado durante el frenado de emergencia.

11. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado porque comprende además un sensor de peso (48) para medir una carga de peso sobre el eje de rueda accionado (23) , estando la unidad de control del convertidor estático (36) conectada al sensor de peso (48) de manera que el valor constante predeterminado del esfuerzo de frenado electrodinámico sea una función de la carga de peso sobre el eje de rueda accionado.

12. Sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de supervisión de frenado electrodinámico (42) controla una unidad de reinicio para reiniciar el convertidor estático en el modo de rectificador después de que el convertidor estático se haya apagado.

13. Eje montado para un vehículo ligado a una vía provisto de un sistema de frenado electrodinámico de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el eje montado incluye un eje de rueda (23) unido a la máquina de inducción (22) y a un freno de fricción.

14. Método para frenar electrodinámicamente un vehículo ligado a una vía, que incluye:

- el funcionamiento de una máquina de inducción (22) unida mecánicamente a un eje de rueda (23) del vehículo ferroviario en un modo de generación;

-el funcionamiento de un convertidor estático (20) conectado entre un enlace de corriente continua (18) y la máquina de inducción (22) en un modo de rectificador; -la monitorización de una condición de arrastre de la máquina de inducción (22) con una unidad de supervisión de frenado electrodinámico (42) que incluye un sensor de corriente continua (44) en una línea eléctrica entre el enlace de corriente continua (18) y un borne de corriente continua (19) del convertidor estático (20) ; -al detectar la condición de arrastre, el apagado del convertidor estático (20) .

15. Método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la condición de arrastre es una condición en la que una corriente continua fluye desde el enlace de corriente continua hasta los bornes de corriente continua (19) del convertidor estático (20) en una dirección de inversor durante un tiempo predeterminado o fluye en una dirección opuesta a la dirección del inversor con una intensidad inferior a un umbral predeterminado durante dicho tiempo predeterminado, en el que la dirección del inversor es la dirección en la que la fluye corriente eléctrica entre el enlace de corriente continua (18) y el convertidor estático (20) cuando el convertidor estático (20) funciona en un modo de inversor.