EP3317138A1 - Surveillance de l'etat d'un premier element mobile par rapport a un deuxieme element et frottant contre ce deuxieme element - Google Patents

Surveillance de l'etat d'un premier element mobile par rapport a un deuxieme element et frottant contre ce deuxieme element

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Publication number
EP3317138A1
EP3317138A1 EP16742366.4A EP16742366A EP3317138A1 EP 3317138 A1 EP3317138 A1 EP 3317138A1 EP 16742366 A EP16742366 A EP 16742366A EP 3317138 A1 EP3317138 A1 EP 3317138A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
winding
wire
detection circuit
monitoring system
transformer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16742366.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Peter Ovaere
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mersen France Amiens SAS
Original Assignee
Mersen France Amiens SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mersen France Amiens SAS filed Critical Mersen France Amiens SAS
Publication of EP3317138A1 publication Critical patent/EP3317138A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L5/00—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles
    • B60L5/18—Current collectors for power supply lines of electrically-propelled vehicles using bow-type collectors in contact with trolley wire
    • B60L5/20—Details of contact bow
    • B60L5/205—Details of contact bow with carbon contact members
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/005—Testing of electric installations on transport means
    • G01R31/008—Testing of electric installations on transport means on air- or spacecraft, railway rolling stock or sea-going vessels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/58—Means structurally associated with the current collector for indicating condition thereof, e.g. for indicating brush wear
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R41/00—Non-rotary current collectors for maintaining contact between moving and stationary parts of an electric circuit

Definitions

  • the invention relates to monitoring the state of a first movable element relative to a second element, and intended to rub against this second element, at least one of these two elements being conductive.
  • the first and second elements are movable relative to each other.
  • one of these elements can be fixed in the terrestrial reference system.
  • a pantograph system comprises a band made mainly of carbon, or completely made of carbon, and intended to rub against a live catenary wire to supply power to an electrically driven vehicle on which the band is mounted.
  • the first element may comprise a brush intended to rub against for example a collector portion of an electric motor or a ring of a synchronous or asynchronous machine.
  • the first element may comprise a brake pad
  • the second, conductive member may comprise a brake disk.
  • this system leads to an immediate deactivation of the pantograph, without it being really possible to predict and organize the maintenance of the tape. In case of early breakage, there is a risk of using an auxiliary motor in a way that is in fact little justified.
  • JP53-72676 discloses a detection system in which a loop of insulated electrical conductor wire is installed in the sensing strip.
  • a transformer makes it possible to send, and when the loop is intact, to receive an electrical signal. If this conductive wire breaks, no signal is recovered and the pantograph corresponding to this band is then immediately deactivated. Fuses are provided to protect the detection circuits in the event of contact between a broken end of the conductive wire and the strip.
  • the monitoring system includes:
  • an electrical measuring circuit comprising a first transformer winding and a generator capable of delivering an alternating current, the electric measuring circuit being arranged so that at least a portion of the current delivered by the generator passes through this first winding,
  • an electrical detection circuit comprising,
  • a second transformer winding a reference branch of the electrical potential of the detection circuit, this branch being designed to be in contact with the second element or with weakly resistive conducting means in contact with the second element, so that the ground voltage of the detection circuit is equal or very close to the tension of the second element,
  • this detection element intended to be installed in or mounted on the first element, this detection element being arranged so that the current flowing through this detection element is then a function of the state of the first element
  • a transformer comprising the first and the second windings, the system being arranged such that this transformer isolates the measuring circuit from the ground voltage of the detection circuit, and
  • the voltages in the detection circuit can be relatively high and variable with respect to the earth, since the mass of this circuit is connected to the second element.
  • the catenary wire can be traversed by a signal of 25,000 volts AC at 50 Hz, or else 1500 V DC.
  • a signal of 25,000 volts AC at 50 Hz or else 1500 V DC.
  • weakly resistive conducting means and “equal or very close” is meant here one (or more) conductive element, for example a stirrup and / or the band in the case of an application to pantograph systems, opposing a resistance sufficiently low between the reference branch and the second element so that the ground voltage of the detection circuit does not deviate by more than 5% from the voltage of the second element, advantageously not more than 2% of the voltage of the second element. element.
  • state of the first element is meant in the present application the presence of crack (s) in the first element, the wear of the first element created by the friction against the second element, and / or the rupture of the first element.
  • the first element can be conductive.
  • the system then makes it possible to monitor the state of a conductive element rubbing against another conductive element, for example for cap tation / current transmission.
  • the reference branch can then be attached directly to the band, to a stirrup, or other.
  • the collected / transmitted current may be relatively high, i.e. the collected / transmitted signal may comprise a power signal.
  • the monitoring system may comprise, for example, a system for monitoring the state of a power supply element for the traction of a vehicle.
  • the monitoring system may include a condition monitoring system of an electrical power transmission band made primarily or completely of carbon, to be mounted on an electrically driven vehicle, and to rub against a wire current catenary to power this vehicle.
  • the monitoring system may comprise a system for monitoring the state of a pad intended to rub against a conductive rail, of the third rail pad type.
  • the invention is in no way limited to a vehicle traction signal.
  • the first element may comprise a brush intended to rub against the second element, for example a collector portion of an electric motor or a ring of a synchronous or asynchronous machine.
  • the first element may be insulating.
  • the first member may include a brake pad
  • the second, conductive member may include a brake disk.
  • the signal coming from the generator, and injected into the detection circuit via the transformer may have a relatively low electric potential and / or a peak intensity relative to the electric potential of the and / or the intensity in, the second element, for example
  • the electrical measuring circuit may have a floating mass, or not, for example a mass connected to the chassis of a railroad vehicle or to the earth.
  • the state of the first element can have an impact on the detection circuit, via the detection element, and thus on the voltage collected at the terminals of the measuring circuit-side winding and / or the measured intensity at the this first winding.
  • the sensing element may comprise an electrically insulated wire, intended to be installed along the first element, for example within the first element or on a surface of the first element. In case of crack or breakage of the first element, this wire is likely to break, thus affecting the transmission of the alternating signal from the generator and therefore the voltages across the windings of the transformer.
  • this wire is mounted in parallel with a resistor, in the event of wire breakage, the equivalent resistance increases, and the voltage across the first winding decreases. It is thus possible to detect the breakage of this wire by analyzing the signal measured at the terminals of this winding.
  • the detection circuit may comprise at least one additional insulated wire intended to be installed along the first element, for example inside the first element or on a surface of the first element, mounted in parallel with the first element.
  • pantograph In the case of a pantograph system, provision may be made to leave the pantograph in place as long as at least one insulated wire is still intact, or as long as the mechanically strongest insulated wire is still intact, thereby avoiding the inconvenience associated with an unexpected lowering of the pantograph, as in the prior art.
  • Each insulated wire may comprise a conductive core and an insulating sheath.
  • the conductive core may have a linear resistance sufficiently high that the equivalent resistance variation can be detected.
  • it may be provided to mount each insulating wire in series with a corresponding resistor, to allow the detection of the breakage of the wire.
  • the core of the wire may have a low linear resistance and can be abstained to mount a resistor in series with this insulated wire.
  • the detection circuit may be arranged so that one or more outputs (or the detecting elements) are connected (or, in particular, in the case of contact with the catenary wire, connectable) to the second element, or weakly resistive conductive means in contact with the second element. It is thus forbidden to provide an output wire connecting the output (s) of the detection element (s) to the ground of the detection circuit.
  • JP53-72676 rather than a closed loop, as in JP53-72676, there is provided a detection circuit with an end which is, at least part of the time of use, in contact with the second element or with means weakly resistive conductors in contact with the second element.
  • the installation can thus be simpler, and it also limits the risk of inversion son.
  • these elements can be mounted in parallel with each other or with one or more resistive elements. If one of these detection elements connected in parallel is faulty or destroyed due to the state of the band, it will nevertheless be possible to measure a signal between the terminals of the first winding. It will thus be possible to send a warning signal, of the alarm type, rather than immediately breaking the contact between the movable elements relative to each other (for example, rather than immediately driving a pantograph lowering).
  • the at least one corresponding branch node may be in or on the first element.
  • the detection circuit may comprise a single input wire between the second winding and the first element.
  • the second winding may advantageously be connected to the detection element (s) by a single wire penetrating into or mounted on the first element.
  • the detection circuit may comprise a single wire penetrating into or mounted on the first element .
  • At least one and preferably each detection element may comprise an output connected to or connectable to the second element.
  • the detection element may comprise at least one sensor device capable of measuring a wear height of the first element.
  • the invention is in no way limited by the type of sensor used, but it can advantageously be provided that the sensor device is intended to be at least partly installed in the first element so as to occupy only a portion of the length of this first element, especially in the case of a strip of a pantograph system.
  • a catenary wire is generally installed to form a zigzag along an expected path of travel.
  • the strip extends in a longitudinal direction perpendicular or substantially perpendicular to the direction of instantaneous movement of the vehicle. Due to this zigzag installation, the catenary wire is arranged slightly oblique with respect to this direction of displacement.
  • the catenary wire is in contact with the strip on a contact zone representing only a portion of the length of the strip, and this zone evolves along the strip when the vehicle on which the pantograph is mounted is driven in motion . Thanks to this zigzag arrangement, it is thus possible to expect a better distribution of wear than if the contact zone remained substantially the same during the displacement. In other words, the wear profile is more homogeneous than if the catenary wire was substantially rectilinear with respect to a path of displacement.
  • the sensor device in the case of application to a pantograph system, can be arranged to detect a catenary passage when the contact zone corresponds to this portion of the strip, at least when the wear height of the band at the band portion has exceeded a threshold.
  • the portion of band length occupied by a sensor device may for example represent between 0.01% and 20% of the length of the strip, advantageously between 0.1% and 5% of the length of the strip.
  • the band length portion occupied by a sensor device may for example correspond to a length of between 0.1 millimeter and 10 centimeters, preferably between 1 millimeter and 1 centimeter.
  • the sensor device can be arranged to be able to measure at least two different wear heights.
  • a point sensor device capable of measuring at least two levels of wear and capable of detecting moments of catenary passage.
  • This monitoring system makes it possible to track wear, since the sensor device or devices can measure several wear heights.
  • the passage of the catenary wire is detected, it is possible to correlate the wear relatively easily with the mileage traveled.
  • the catenary son are arranged in zigzag with distances, in the direction of movement, between the relatively regular zigzag extrema. It is thus possible to assume the distance traveled between two detections of passage of the catenary wire, and thus to qualify relatively easily the wear per kilometer traveled.
  • the measurement of the at least two different wear heights can advantageously be made from the signal at the instants of detection of catenary passage, for example from the amplitude of this signal at these times.
  • electrical contact is meant that current is collected / transmitted, either because there is contact in the mechanical sense of the term (for example the strip touches the catenary wire), or because the first and second elements are sufficiently close to the contact area for arcing to form and transmit electric power.
  • the sensor device may comprise at least one conductive element.
  • the catenary passage can be detected following the passage of current from the catenary wire in the conductive element.
  • the current from the catenary wire can pass, during the electrical contact with the sensor device, by one or more conductive elements, and this current passage can be detected.
  • the invention is of course not limited to this type of sensor.
  • the sensor device may comprise at least two conductive elements, each conductive element extending inside the first element, for example of the band, up to a height, for example a height of band associated with this conductive element.
  • the invention is in no way limited to the use of several conductive elements each having an associated wear height.
  • the resistance encountered by the electrons from the second element is thus a function of the length of the resistive element to be scanned, and therefore of the height of the first element to the portion corresponding to this sensor device.
  • the detection element may comprise a plurality of sensor devices intended to be installed on the same first element, for example the same band, so that the first element length portions corresponding to this plurality sensor devices are distinct from one another. In other words, it is possible to distribute the sensor devices along the first element, for example the band.
  • the wear monitoring can thus be more precise and in addition, it is better to estimate the homogeneity of the wear along the first element.
  • This system can thus be relatively accurate, even in turn-like or tunnel-like road portions, in which the catenary wire is likely to move relative to the web in a range corresponding to only a portion of the length. Of the band.
  • the invention is in no way limited to this embodiment, and it could for example provide a system with a single sensor device installed for example in the middle of the band.
  • the conductive elements may be made mainly or completely of copper.
  • the elements of the same sensor device can be separated from each other by an insulator, for example ceramic or glass fibers.
  • each conductive element may be sheet-shaped.
  • the sensor device may advantageously be installed so that at least one conductive sheet, and preferably each conductive sheet is disposed in a plane having a normal vector substantially in the direction of travel.
  • At least one sensor device may comprise a stack of sheets separated two by two by the insulator. This stack may advantageously be embedded in a resin.
  • the detection circuit may comprise at least one insulated wire for crack detection or breakage and be devoid of sensor device for measuring the wear height.
  • the detection circuit may comprise at least one sensor device for measuring the wear height and be devoid of crack detection or breaking means, of the insulated wire type or otherwise.
  • the detection circuit may comprise both at least one insulated wire for the detection of cracks or breakage, and at least one sensor device for measuring the wear height.
  • this at least one insulated wire and this at least one sensor device can be connected in series or bypass from a single input wire for connection to the second winding.
  • this signal between the terminals of the first winding is extracted both information as to cracking or breaking and information as to wear.
  • an assembly comprising the monitoring system described above, as well as the first element.
  • the assembly may be a vehicle drive assembly, for example a pantograph assembly, comprising a monitoring system as described above, as well as the current transmission band.
  • the monitoring system can be installed on the tape.
  • an electrically driven vehicle comprising a monitoring system and / or a pantograph assembly as described above, for example a railway power train, or the like.
  • the transformer comprising a second winding installed in an electrical detection circuit further comprising a reference branch of the electrical potential of the detection circuit, this branch being in contact with the second element or with weakly resistive conducting means in contact with the second element, so that the voltage detection circuit mass is equal to or very close to the voltage of the second element, and at least one detection element installed in or on the first element, this detection element being arranged so that the current flowing through this detection element is then a function of the state of the first element, - estimating from the signal received at least one parameter value representative of the state of the first element, and
  • control signal may comprise for example a pantograph positioning control signal to lower the pantograph in the event of detection of a failure of the band.
  • This method may for example be implemented by a processing device of the processor type, for example a microcontroller, a microprocessor, a DSP (Digital Signal Processing), or other.
  • a processing device of the processor type for example a microcontroller, a microprocessor, a DSP (Digital Signal Processing), or other.
  • a processing device comprising receiving means for performing the reception step described above, for example an input port, an input pin or the like, and processing means for carrying out the operation.
  • estimation step described above for example, a processor core or the like, and transmitting means, for example an output port, an output pin, or the like, for transmitting the processed signal to control of the pantograph, for example a stepper motor.
  • Figure 1 schematically shows a part of a monitoring system according to one embodiment of the invention, when installed in a sensor strip in contact with a catenary wire.
  • Figure 2 shows in more detail an example of a sensor device for the monitoring system schematically shown in Figure 1.
  • Figure 3 is a top view schematically showing an example of a sensor device of the monitoring system of Figures 1 and 2, when installed on a partially shown band, and in contact with a catenary wire also partially shown.
  • FIG. 4 schematically represents an example of a monitoring system according to one embodiment of the invention.
  • Figure 5 shows schematically an example of a monitoring system according to another embodiment of the invention.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the appearance of a voltage signal measured at the terminals of a first winding of a transformer of a surveillance system according to one embodiment of the invention.
  • Fig. 7 is a flow chart for illustrating an exemplary method according to an embodiment of the invention.
  • a band 1 made mainly or completely of carbon extends in a longitudinal direction corresponding here to the vector x.
  • This carbon band is transverse with respect to a direction of movement of the electric traction vehicle on which this band is mounted, this direction of displacement corresponding to the vector y.
  • the terms front, rear refer to the front and rear directions of the vehicle on which is mounted the monitoring system described.
  • the vertical direction can be the direction of the gravity vector.
  • the axes x, y, z correspond respectively to the longitudinal direction of the capture band, the direction of movement of the vehicle, and the vertical direction.
  • the monitoring system is installed on a powerplant installed on a flat and horizontal ground, and in a location without a turn, that is, say that it is assumed that the capture band extends longitudinally in a direction normal to the vertical and the direction of displacement.
  • the longitudinal direction attached to the capture band, the direction of movement may not be quite normal between them and the plane defined by these two directions may not be perfectly horizontal.
  • the strip 1 is disposed under a high voltage catenary wire 2 (for example 1500 V or 25000 V), and when the vehicle is moving, the strip 1 can be in contact with the catenary wire 2, in order to collect the current electrical required to pull the vehicle.
  • a high voltage catenary wire 2 for example 1500 V or 25000 V
  • the catenary wire 2 is generally arranged zigzag along the expected path for the vehicle, that is to say that when the vehicle is moved in the y direction, the catenary wire 2 performs a scan relative to the strip 1, in the direction x.
  • the strip 1 is thus traversed longitudinally by the catenary wire 2, which allows a better distribution of the wear of the strip.
  • the monitoring system of this embodiment comprises a plurality of sensor devices 3, each sensor device occupying a relatively small portion of the length of the strip 1.
  • the strip 1 may extend in the x direction on nearly one meter, while each sensor device 3 may have a diameter of a few millimeters, for example 3 millimeters.
  • the sensor devices 3 are arranged at different locations along the belt 1, so that when the vehicle is driven in motion, these sensor devices are intended to be in contact with the catenary wire 2 one after the other .
  • Each sensor device 3 comprises conductive elements referenced 5, 6, 7, 8, 9 in FIG.
  • the catenary wire 2 When the catenary wire 2 is in contact with a conductive element, current from this catenary wire passes into this conductive element.
  • the conductive element is connected via a cable 4 to a processing device, local or remote, and the electrical signal from the catenary wire 2 can thus be detected by this device. processing, thus making it possible to detect the passage of the catenary wire at the level of the corresponding sensor device.
  • the cable 4 is part of an electrical detection circuit having its mass voltage equal to the voltage of the strip. In operation, the strip is in contact with the wire 2, so that the ground voltage of the detection circuit is equal to or very close to the voltage of the catenary wire 2.
  • a contact between the catenary wire 2 and a conductive element among the elements 5, 6, 7, 8, 9, is equivalent to a grounding of this conductive element, which modifies the equivalent resistance of the detection circuit.
  • each sensor device 3 comprises a plurality of conductive elements 5, here made of copper and leaf form extending substantially in the plane normal to the y direction.
  • Each of these copper sheets 5, 6, 7, 8, 9 is connected to a corresponding resistor 15, 16, 17, 18, 19, also connected to the cable 4.
  • the electrical signal received during the passage of catenary wire will have a value depending on the resistance values 15 and 16.
  • Resistors 15, 16, 17, 18, 19 may have different values, or not.
  • the electrical signal measured during the catenary passage is thus a function of the effective wear height.
  • the electrical signal on the cable 4 may be in the form of a set of peaks, each peak corresponding to the passage of the catenary wire on a sensor device, and the amplitude of the peaks being representative of the level of wear.
  • the wear By associating the time interval between two peaks at a predetermined distance, a function of the zigzagging of the catenary wire, and a function of the band gap between two adjacent sensor devices, the wear can be correlated with mileage traveled.
  • the sensor device 3 may have a diameter of the order of a few millimeters, and a height corresponding for example to 50-90% of the height of the strip in new condition, for example between a few millimeters and a few centimeters.
  • the catenary wire may have a diameter of the order of a centimeter, that is to say that the contact area may extend in the x direction for a few millimeters, for example 2 or 3 mm.
  • the carbon band 1 may have a width in the y direction, for example between 35 and 60 millimeters.
  • the copper sheets 5, 6, 7, 8 9 may be insulated from each other by a ceramic material, and the stack comprising these copper sheets and the ceramic may be embedded in a resin, the resin assembly plus stack having and a section of diameter of about 3 millimeters.
  • connection between the copper foils 5, 6, 7, 8, 9 and the corresponding resistors 15, 16, 17, 18, 19 can be carried out by brazing at a relatively high temperature.
  • the invention is not limited to a predetermined number of sensor devices.
  • the invention is also not limited by the number of copper foils in a sensor device.
  • five conductive elements 5, 6, 7, 8, 9 are provided, thus making it possible to measure five different wear heights.
  • a monitoring system 40 comprises an isolation transformer 50 comprising a first winding 31 and a second winding 22.
  • the system 40 comprises an electric detection circuit 20 and an electric measuring circuit 30.
  • the detection circuit comprises a reference branch 23 in contact with the strip 1, that is to say that the ground of the circuit 20 is at the potential of the catenary wire as long as there is contact between the strip 1 and the wire 2.
  • the reference branch 23 could be welded to a bracket not shown.
  • a generator 21 makes it possible to inject a current on this detection circuit 20.
  • This current can vary sinusoidally, with a peak amplitude of for example a few milliamps, and a frequency of, for example, several kHz, for example 4 kHz.
  • the generator 2 1 and the first winding 31 are arranged in series, so that the first winding 31 is traversed by the generated current.
  • the transformer 50 makes it possible to isolate the measuring circuit 30 from the ground voltage of the detection circuit 20.
  • the detection circuit comprises two detection elements connected in parallel, namely a set of sensor devices 3 for measuring the wear of the strip 2, and an insulated wire 25 bonded to the strip.
  • the insulated wire 25 has a wire resistance Rm, due to the linear resistance of a conductive core of this sheathed wire 25.
  • the sensor devices 3 are each similar to that described with reference to FIGS. 1 to 3.
  • This set of sensors 3 is connected in parallel with a resistor R3.
  • the ends of this or these conductive elements are at the same potential as an end node 27 in contact with the strip 2 If the contact between this or these conductive element (s) of the sensor 3 and the catenary wire is effected via an electric arc, these ends are at substantially the same potential as the node 27.
  • the current injected by the generator 2 1 then meets a resistance equal to the resistance Rm plus the equivalent resistance to the parallel mounting of the resistors R3 and Rh.
  • the insulated wire 25 is relatively fragile, and therefore liable to break in the event of web breakage. No current then passes into the detection circuit and the signal measured across the winding 31 goes to zero. In case of contact between a broken end of the wire 25 and the band, the resistance encountered becomes quite low, depending on the length of wire corresponding to this end, and we can also detect the rupture of the band. In case of wire break detection 25, a control signal is generated so as to control the lowering of the pantograph.
  • the measuring circuit comprises a resistor R32 connected in series with the generator 21, and a processor 33 for receiving a voltage signal proportional to the signal across the winding 31.
  • one of the terminals of the winding 22 is in electrical contact with a current collection bracket (not shown), installed under the strip.
  • a reference branch 23 between this terminal and the stirrup is thus connected to a non-resistive conductive element in contact with the band.
  • not only one insulated wire 25, but two wires 25, 25 'with different mechanical strength properties are provided.
  • the wire 25 ' has a lower breaking strength than that of the sheathed wire 25. This wire 25 can thus be broken while the wire 25 is still intact, thereby detecting cracking before breaking the strip.
  • a node 28 provides bypassing the insulated wires 25, 25 ', and also a set of sensor devices 3 similar to the set described above.
  • Figure 6 shows a theoretical example of the type of curve that could be recorded by a processor 33 during the life of a carbon band.
  • the abscissa corresponds to time and the ordinate to tensions.
  • the catenary wire does not touch any wear sensor 3.
  • the equivalent resistance of the detection circuit is therefore equal to the sum of the resistor R3 and the equivalent resistance to parallel mounting of the insulated wires. .
  • the catenary wire touches a wear sensor 3, the wear depth being relatively low at the wear sensor in contact with the catenary wire 2.
  • the equivalent resistance the detection circuit is therefore equal to the sum of the resistance R3 and the equivalent resistance to the parallel mounting of the insulated wires and this wear sensor. The equivalent resistance is therefore lower than at the instant ti, and the recorded voltage is therefore higher than at this moment
  • Time t3 corresponds to a catenary passage time at a sensor 3, at which the depth of wear is relatively high.
  • the resistance opposed by this wear sensor is therefore lower than that opposed by the sensor in contact with the catenary wire at time t2.
  • the peak corresponding to this instant t3 is therefore higher in amplitude than that corresponding to the instant t2.
  • the instant t 4 corresponds to a break of the most fragile wire 25 '.
  • the equivalent resistance of the circuit increases accordingly, and the measured voltage drops sharply.
  • the instant corresponds to a breaking of the most solid wire 25.
  • the voltage drops to zero.
  • a pantograph lowering control signal is output, which prevents recording further peaks thereafter.
  • FIG. 7 is a logic diagram for illustrating an exemplary method implemented in the processor referenced 33 in FIGS. 4 and 5.
  • a voltage signal U (t) is received from which an equivalent resistance value of the detection circuit is estimated during a step not shown.
  • a value of wear parameter S w and a break parameter value Sb are deduced from this equivalent resistance value.
  • a test step 103 it is ensured that the wear has not exceeded an acceptable threshold THR and that the band is not broken. It can also be ensured that the value of wear per kilometer traveled does not exceed a threshold THR 'not shown.
  • an SCONTROL signal is generated, allowing contact between the strip and the catenary wire. Then the processor goes into a standby state during a step 106, before receiving a new voltage value.
  • the signal SCONTROL takes a value, for example equal to 1, to impose the lowering of the pantograph.

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Abstract

Un système de surveillance (40) de l'état d'un premier élément mobile par rapport à un deuxième élément et destiné à frotter contre ce deuxième élément, comprenant : - un transformateur (50) pour isoler électriquement un circuit de mesure (30), de la tension de masse d'un circuit de détection (20), - le circuit de détection, ce circuit comprenant, outre un enroulement (22) du transformateur, un élément de détection (25, 25', 3) destiné à être installé dans ou sur le premier élément, ledit élément de détection étant agencé de sorte que le courant parcourant cet élément de détection soit alors fonction de l'état de la bande, ce circuit de détection ayant sa masse au potentiel du deuxième élément, - le circuit de mesure comprenant l'autre enroulement (31) du transformateur et un générateur alternatif, - des moyens de mesure (33) de la tension aux bornes de l'enroulement du circuit électrique de mesure.

Description

SURVEILLANCE DE L'ETAT D'UN PREMIER ELEMENT MOBILE PAR RAPPORT A UN DEUXIEME ELEMENT ET FROTTANT CONTRE CE
DEUXIEME ELEMENT
L'invention concerne la surveillance de l'état d'un premier élément mobile par rapport à un deuxième élément, et destiné à frotter contre ce deuxième élément, l'un au moins de ces deux éléments étant conducteur.
Le premier et le deuxième éléments sont mobiles l'un par rapport à l'autre. En particulier, l'un de ces éléments peut être fixe dans le référentiel terrestre.
L'invention trouve une application dans la surveillance de l'état d'une bande de transmission de courant électrique destinée à frotter contre un fil de caténaire. Classiquement, un système de pantographe comprend une bande réalisée principalement en carbone, ou complètement en carbone, et destinée à frotter contre un fil de caténaire sous tension pour alimenter en courant un véhicule à entraînement électrique sur lequel est montée la bande.
Toutefois, l'invention n'est en rien limitée à cette application. Par exemple, le premier élément peut comprendre un balai destiné à frotter contre par exemple une partie de collecteur d'un moteur électrique ou une bague d'une machine synchrone ou asynchrone. Selon un autre exemple, le premier élément peut comprendre une plaquette de frein, et le deuxième élément, conducteur, peut comprendre un disque de frein.
On cherche à surveiller l'état du premier élément.
Par exemple, dans le cas d'un système de pantographe, un frottement contre une bande cassée risque d'endommager le fil de caténaire, ce qui aurait des conséquences matérielles importantes. En particulier, toute la ligne risque d'être arrêtée pendant plusieurs heures, voire pendant plusieurs jours.
Classiquement, on prévoit d'installer à l'intérieur de la bande un tube étanche réalisé en métal, en carbone ou autre. Ce tube est rempli d'air sous pression. Lorsqu'une avarie survient, le tube peut se rompre et la diminution de pression conséquente peut être détectée. Suite à cette détection, un pantographe est alors abaissé afin d'éviter tout endommagement de la caténaire.
7 Ce système reste néanmoins relativement peu précis dans la détection, car il existe un risque de rupture trop précoce, par exemple en cas de choc relativement faible ou d'endommagement mineur de la bande de captage, et/ ou de rupture trop tardive. Il existe même un risque d'absence de rupture alors que la bande de captage n'est de fait plus utilisable, par exemple, en cas d'arrachement de matière relativement conséquent.
En outre, ce système conduit à une désactivation immédiate du pantographe, sans qu'il soit réellement possible de prévoir et d'organiser la maintenance de la bande. En cas de rupture trop précoce, on risque ainsi d'avoir recours à une motrice auxiliaire de façon en réalité peu justifiée.
Le document JP53-72676 décrit un système de détection dans lequel on installe une boucle de fil conducteur électrique isolé dans la bande de captage. Un transformateur permet d'envoyer, et lorsque la boucle est intacte, de recevoir un signal électrique. En cas de rupture de ce fil conducteur, aucun signal n'est récupéré et le pantographe correspondant à cette bande est alors immédiatement désactivé. Des fusibles sont prévus pour protéger les circuits de détection en cas de contact entre une extrémité rompue de fil conducteur et la bande.
Il existe néanmoins un besoin pour un système de surveillance de l'état d'un premier élément mobile par rapport à un deuxième élément, et destiné à frotter contre ce deuxième élément, qui soit plus fiable, notamment dans le cas d'un deuxième élément susceptible d'être traversé par des puissances relativement élevées.
Il est proposé un système de surveillance de l'état d'un premier élément mobile par rapport à un deuxième élément, et destiné à frotter contre ce deuxième élément, le deuxième élément au moins étant conducteur. Le système de surveillance comprend :
- un circuit électrique de mesure, comprenant un premier enroulement de transformateur et un générateur apte à délivrer un courant alternatif, le circuit électrique de mesure étant agencé pour qu'au moins une partie du courant délivré par le générateur traverse ce premier enroulement,
- un circuit électrique de détection, ce circuit comprenant,
un deuxième enroulement de transformateur, une branche de référence du potentiel électrique du circuit de détection, cette branche étant conçue pour être en contact avec le deuxième élément ou avec des moyens conducteurs faiblement résistifs en contact avec le deuxième élément, de sorte que la tension de masse du circuit de détection soit égale ou très proche de la tension du deuxième élément,
au moins un élément de détection destiné à être installé dans ou monté sur le premier élément, cet élément de détection étant agencé de sorte que le courant parcourant cet élément de détection soit alors fonction de l'état du premier élément,
- un transformateur comprenant le premier et le deuxième enroulements, le système étant agencé de sorte que ce transformateur isole le circuit de mesure de la tension de masse du circuit de détection, et
- des moyens de mesure de la tension aux bornes du et/ou de l'intensité dans, le premier enroulement.
Ainsi, les tensions dans le circuit de détection peuvent être relativement élevées et variables par rapport à la terre, puisque la masse de ce circuit est raccordée au deuxième élément.
Par exemple, dans le cas d'une application à un système de pantographe, le fil de caténaire peut être traversé par un signal de 25000 Volts alternatif à 50 Hz, ou bien encore 1500 V continu. Ainsi, en cas de contact électrique supplémentaire entre une partie du circuit de détection et la bande, suite par exemple à une rupture d'un fil du circuit, aucune surtension n'est transmise puisque ce contact supplémentaire équivaut électriquement à un raccordement à la masse du circuit de détection.
Par « moyens conducteurs faiblement résistifs » et « égale ou très proche », on entend ici un (ou plusieurs) élément conducteur, par exemple un étrier et/ou la bande dans le cas d'une application aux systèmes de pantographe, opposant une résistance suffisamment faible entre la branche de référence et le deuxième élément pour que la tension de masse du circuit de détection ne s'écarte pas de plus de 5% de la tension du deuxième élément, avantageusement pas de plus de 2% de la tension du deuxième élément.
Par « état du premier élément », on entend dans la présente demande la présence de fissure(s) dans le premier élément, l'usure du premier élément créée par le frottement contre le deuxième élément, et/ ou la rupture du premier élément.
Le premier élément peut être conducteur. Le système permet alors de surveiller l'état d'un élément conducteur frottant contre un autre élément conducteur, par exemple à des fins de cap tation/ transmission de courant. La branche de référence peut alors être fixée directement sur la bande, à un étrier, ou autre.
Le courant collecté/ transmis peut être relativement élevé, c'est-à- dire que le signal collecté/ transmis peut comprendre un signal de puissance.
Le système de surveillance peut comprendre par exemple un système de surveillance de l'état d'un élément de cap tation de puissance pour la traction d'un véhicule.
Par exemple, le système de surveillance peut comprendre un système de surveillance de l'état d'une bande de transmission de courant électrique réalisée principalement ou complètement en carbone, destinée à être montée sur un véhicule à entraînement électrique, et à frotter contre un fil de caténaire sous tension pour alimenter en courant ce véhicule.
Selon un autre exemple, le système de surveillance peut comprendre un système de surveillance de l'état d'un patin destiné à frotter contre un rail conducteur, du type patin de troisième rail.
L'invention n'est en rien limitée à un signal de traction de véhicule. Par exemple, le premier élément peut comprendre un balai destiné à frotter contre le deuxième élément, par exemple une partie de collecteur d'un moteur électrique ou une bague d'une machine synchrone ou asynchrone.
Dans un mode de réalisation, le premier élément peut être isolant. Par exemple, le premier élément peut comprendre une plaquette de frein, et le deuxième élément, conducteur, peut comprendre un disque de frein.
Le signal issu du générateur, et injecté dans le circuit de détection via le transformateur peut avoir un potentiel électrique et/ ou une intensité de crête relativement faible par rapport au potentiel électrique du et/ ou l'intensité dans, le deuxième élément, par exemple
3 Volts ou 5 Volts pour un deuxième élément traversé par un signal de 25000 Volts alternatif à 50 Hz. Le circuit électrique de mesure peut avoir une masse flottante, ou non, par exemple une masse raccordée au châssis d'une motrice ferroviaire ou à la terre.
L'état du premier élément peut avoir un impact sur le circuit de détection, via l'élément de détection, et donc sur la tension recueillie aux bornes de l'enroulement côté circuit de mesure et/ou sur l'intensité mesurée au niveau de ce premier enroulement.
Par exemple, l'élément de détection peut comprendre un fil isolé électriquement, destiné à être installé le long du premier élément, par exemple à l'intérieur du premier élément ou sur une surface du premier élément. En cas de fissure ou de rupture du premier élément, ce fil est susceptible de se rompre, affectant ainsi la transmission du signal alternatif issu du générateur et donc les tensions aux bornes des enroulements du transformateur.
Par exemple, si ce fil est monté en parallèle avec une résistance, en cas de rupture du fil, la résistance équivalente augmente, et la tension aux bornes du premier enroulement diminue. On peut ainsi détecter la rupture de ce fil en analysant le signal mesuré aux bornes de cet enroulement.
Dans un mode de réalisation, le circuit de détection peut comprendre au moins un fil isolé supplémentaire, destiné être installé le long du premier élément, par exemple à l'intérieur du premier élément ou sur une surface du premier élément, monté en parallèle avec le fil isolé et présentant des propriétés de résistance mécaniques différentes de celle du fîl isolé. En particulier, la résistance à la rupture peut être différente d'un fîl isolé à l'autre.
Grâce à ce montage d'une pluralité de fils isolés en parallèle, ces fils présentant des propriétés de résistance mécaniques différentes d'un fîl à l'autre, on peut espérer détecter une fissuration du premier élément avant la rupture du premier élément. En effet, en cas de fissuration, on peut s'attendre à ce que le fil le plus fragile se rompe en premier, ce qui entraine une modification de la résistance équivalente et donc du signal mesuré aux bornes du transformateur.
Dans le cas d'un système de pantographe, on peut prévoir de laisser le pantographe en place tant qu'au moins un fil isolé est encore intact, ou tant que le fil isolé le plus résistant mécaniquement est encore intact, permettant ainsi d'éviter les désagréments liés à un abaissement inattendu du pantographe, comme dans l'art antérieur.
Chaque fil isolé peut comprendre une âme conductrice et une gaine isolante.
L'âme conductrice peut présenter une résistance linéaire suffisamment élevée pour que la variation de résistance équivalente puisse être détectée. Alternativement, on peut prévoir de monter chaque fil isolant en série avec une résistance correspondante, afin de permettre la détection de la rupture du fil. Alternativement, en particulier lorsque le circuit de détection comprend un seul fil isolé, dont la rupture est détectée par un passage à zéro du signal aux bornes du premier enroulement, l'âme du fil peut présenter une faible résistance linéaire et on peut s'abstenir de monter une résistance en série avec ce fil isolé.
Avantageusement et de façon non limitative, le circuit de détection peut être agencé de sorte qu'une ou des sortie(s) du ou des éléments de détection soient raccordées (ou, notamment en cas de contact avec le fil de caténaire, raccordable) au deuxième élément, ou à des moyens conducteurs faiblement résistifs en contact avec le deuxième élément. On s'abstient ainsi de prévoir un fil de sortie raccordant le ou les sortie(s) du ou des élément(s) de détection à la masse du circuit de détection.
Dit autrement, plutôt qu'une boucle fermée, comme dans le document JP53-72676, on prévoit un circuit de détection avec une extrémité qui est, au moins une partie du temps d'utilisation, en contact avec le deuxième élément ou avec des moyens conducteurs faiblement résistifs en contact avec le deuxième élément. L'installation peut ainsi être plus simple, et on limite en outre le risque d'inversion des fils.
Avantageusement, lorsque plusieurs éléments de détection sont prévus, ces éléments peuvent être montés en parallèle entre eux ou avec un ou plusieurs éléments résistifs. Si l'un de ces éléments de détection monté en parallèle est défaillant ou détruit du fait de l'état de la bande, on pourra néanmoins mesurer un signal entre les bornes du premier enroulement. On pourra ainsi prévoir d'émettre un signal avertisseur, de type alarme, plutôt que de rompre immédiatement le contact entre les éléments mobiles l'un par rapport à l'autre (par exemple, plutôt que de piloter immédiatement un abaissement de pantographe).
Avantageusement, lorsqu'un tel montage en parallèle est prévu, le au moins un nœud de dérivation correspondant peut être dans ou sur le premier élément. Dit autrement, le circuit de détection peut comprendre un seul fil d'entrée entre le deuxième enroulement et le premier élément.
Ainsi, le deuxième enroulement peut avantageusement être raccordé au(x) élément(s) de détection par un seul fil pénétrant dans ou monté sur le premier élément.
Lorsque le premier élément est conducteur et que la ou les sorties des éléments de détection sont raccordées (ou raccordables via par exemple un fil de caténaire) au premier élément, le circuit de détection peut comprendre un seul fil pénétrant dans ou monté sur le premier élément.
Avantageusement, au moins un et de préférence chaque élément de détection peut comprendre une sortie raccordée ou raccordable au deuxième élément.
Dans un mode de réalisation, l'élément de détection peut comprendre au moins un dispositif de capteur apte à mesurer une hauteur d'usure du premier élément.
L'invention n'est rien limitée par le type de capteur mis en œuvre, mais on peut avantageusement prévoir que le dispositif de capteur soit destiné à être au moins en partie installé dans le premier élément de façon à occuper une portion seulement de la longueur de ce premier élément, notamment dans le cas d'une bande d'un système de pantographe.
Un fil de caténaire est généralement installé de façon à former un zigzag le long d'un chemin de déplacement attendu. La bande s'étend suivant une direction longitudinale perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à la direction de déplacement instantané du véhicule. Du fait de cette installation en zigzag, le fil de caténaire est disposé légèrement oblique par rapport à cette direction de déplacement. Ainsi, le fil de caténaire est en contact avec la bande sur une zone de contact représentant une portion seulement de la longueur de la bande, et cette zone évolue le long de la bande lorsque le véhicule sur lequel est monté le pantographe est entraîné en mouvement. Grâce à cette disposition en zigzag, on peut ainsi espérer une meilleure répartition de l'usure que si la zone de contact restait sensiblement la même au cours du déplacement. Dit autrement, le profil d'usure est plus homogène que si le fil de caténaire était sensiblement rectiligne par rapport à un chemin de déplacement.
Avantageusement, dans le cas d'une application à un système de pantographe, le dispositif de capteur peut être agencé pour détecter un passage de caténaire lorsque la zone de contact correspond à cette portion de bande, au moins lorsque la hauteur d'usure de la bande au niveau de la portion de bande a dépassé un seuil.
La portion de longueur de bande occupée par un dispositif de capteur peut par exemple représenter entre 0,01% et 20% de la longueur de la bande, avantageusement entre 0, 1% et 5% de la longueur de la bande.
La portion de longueur de bande occupée par un dispositif de capteur peut par exemple correspondre à une longueur comprise entre 0, 1 millimètre et 10 centimètres, avantageusement entre 1 millimètre et 1 centimètre.
Avantageusement, le dispositif de capteur peut être agencé pour pouvoir mesurer au moins deux hauteurs d'usure différentes.
Ainsi, on peut prévoir un dispositif de capteur ponctuel, capable de mesurer au moins deux niveaux d'usure, et capable de détecter des instants de passage de caténaire. Ce système de surveillance permet d'effectuer un suivi d'usure, puisque le ou les dispositifs de capteur peuvent mesurer plusieurs hauteurs d'usure. En outre comme on détecte le passage du fil de caténaire, il est possible de corréler relativement facilement l'usure au kilométrage parcouru. En effet, les fils de caténaire sont disposés en zigzag avec des distances, suivant la direction de déplacement, entre les extrema de zigzag relativement régulières. On peut ainsi présumer de la distance parcourue entre deux détections de passage du fil de caténaire, et donc qualifier relativement facilement l'usure par kilomètre parcouru.
Par exemple, on peut prévoir un comptage des instants de passage de caténaire entre deux détections de hauteurs d'usure, afin de qualifier l'usure par distance parcourue.
La mesure des au moins deux hauteurs d'usure différentes peut avantageusement être effectuée à partir du signal aux instants de détection de passage de caténaire, par exemple à partir de l'amplitude de ce signal à ces instants.
Par « contact électrique », on entend que du courant est collecté/ transmis, soit parce qu'il y a contact au sens mécanique du terme (par exemple la bande touche le fil de caténaire), soit parce que le premier et le deuxième éléments sont suffisamment proches au niveau de la zone de contact pour que des arcs électriques se forment et assurent la transmission de courant électrique.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif de capteur peut comprendre au moins un élément conducteur.
Avantageusement, le passage de caténaire peut être détecté suite au passage de courant issu du fil de caténaire dans l'élément conducteur. Le courant issu du fil de caténaire peut passer, lors du contact électrique avec le dispositif de capteur, par un ou plusieurs éléments conducteurs, et ce passage de courant peut être détecté.
L'invention n'est bien entendu pas limitée à ce type de capteur. On pourrait par exemple prévoir un capteur de type photorésistance à placer dans un orifice conique défini dans la bande. La valeur de résistance de ce composant est alors fonction de la lumière présente dans l'orifice conique, et donc du niveau d'usure.
Dans un mode de réalisation avantageux, le dispositif de capteur peut comprendre au moins deux éléments conducteurs, chaque élément conducteur s 'étendant à l'intérieur du premier élément, par exemple de la bande, jusqu'à une hauteur, par exemple une hauteur de bande, associée à cet élément conducteur.
Ainsi, tant que le niveau d'usure n'a pas atteint la hauteur correspondant à un élément conducteur, aucun signal de mesure n'est issu de cet élément conducteur.
L'invention n'est en rien limitée à l'utilisation de plusieurs éléments conducteurs ayant chacun une hauteur d'usure associée. On pourrait par exemple prévoir un élément relativement résistif et s 'étendant suivant une direction ayant une composante verticale jusqu'à une hauteur d'usure maximale. La résistance rencontrée par les électrons issus du deuxième élément est ainsi fonction de la longueur d'élément résistif à parcourir, et donc de la hauteur du premier élément à la portion correspondant à ce dispositif de capteur. Dans un mode de réalisation avantageux, l'élément de détection peut comprendre une pluralité de dispositifs de capteur destinés à être installés sur un même premier élément, par exemple une même bande, de sorte que les portions de longueur de premier élément correspondant à cette pluralité de dispositifs de capteurs soient distinctes les unes des autres. Dit autrement, on peut répartir les dispositifs de capteurs le long du premier élément, par exemple de la bande. Le suivi d'usure peut ainsi être plus précis et en outre, on peut mieux estimer l'homogénéité de l'usure le long du premier élément.
Ce système peut ainsi être relativement précis, même dans des portions de chemin à parcourir de type virage ou tunnel, dans lesquels le fil de caténaire est susceptible de se déplacer, relativement à la bande, dans une plage correspondant à une partie seulement de la longueur de la bande.
Bien entendu l'invention n'est en rien limitée à ce mode de réalisation, et on pourrait par exemple prévoir un système avec un seul dispositif de capteur installé par exemple au milieu de la bande.
Avantageusement et de façon non limitative, les éléments conducteurs peuvent être réalisés principalement ou complètement en cuivre.
Avantageusement et de façon non limitative, les éléments d'un même dispositif de capteur peuvent être séparés les uns des autres par un isolant, par exemple de la céramique ou des fibres de verre.
Avantageusement et de façon non limitative, chaque élément conducteur peut être à forme de feuille.
Le dispositif de capteur peut avantageusement être installé de sorte qu'au moins une feuille conductrice, et de préférence chaque feuille conductrice soit disposée dans un plan ayant un vecteur normal sensiblement dans la direction de déplacement.
Avantageusement et de façon non limitative, au moins un dispositif de capteur peut comprendre un empilement de feuilles séparées deux à deux par l'isolant. Cet empilement peut avantageusement être noyé dans une résine.
Avantageusement et de façon non limitative, dans le cas de plusieurs dispositifs de capteur, on pourra prévoir de raccorder au moins deux dispositifs de capteur, et de préférence tous les dispositifs de capteur, à un seul câble, permettant ainsi de réduire l'encombrement d'un circuit électrique de détection de surveillance.
Le circuit de détection peut comprendre au moins un fil isolé pour la détection de fissures ou de rupture et être dénué de dispositif de capteur pour mesurer la hauteur d'usure.
Alternativement, le circuit de détection peut comprendre au moins un dispositif de capteur pour mesurer la hauteur d'usure et être dénué de moyen de détection de fissure ou de rupture, du type fil isolé ou autre.
Dans un mode de réalisation avantageux, le circuit de détection peut comprendre à la fois au moins un fil isolé pour la détection de fissures ou de rupture, et au moins un dispositif de capteur pour mesurer la hauteur d'usure.
Avantageusement, cet au moins un fil isolé et cet au moins un dispositif de capteur peuvent être montés en série ou en dérivation depuis un seul fil d'entrée pour le raccordement au deuxième enroulement. Ainsi, on extrait du signal entre les bornes du premier enroulement à la fois une information quant à la fissuration ou la rupture et une information quant à l'usure.
II est en outre proposé un ensemble comprenant le système de surveillance décrit ci-dessus, ainsi que le premier élément.
L'ensemble peut être un ensemble d 'entraînement de véhicule, par exemple un ensemble de pantographe, comprenant un système de surveillance tel que décrit ci-dessus, ainsi que la bande de transmission de courant. Le système de surveillance peut être installé sur la bande.
Il est en outre proposé un véhicule à entraînement électrique comprenant un système de surveillance et/ ou un ensemble de pantographe tels que décrit(s) ci-dessus, par exemple une motrice ferroviaire, ou autre.
II est en outre proposé un procédé de surveillance de l'état d'un premier élément mobile par rapport à un deuxième élément, et destiné à frotter contre ce deuxième élément, le deuxième élément au moins étant conducteur, ce procédé comprenant
- recevoir un signal électrique issu d'un circuit électrique de mesure comprenant un premier enroulement d'un transformateur , et un générateur pour délivrer un courant alternatif dans le premier enroulement, le transformateur comprenant un deuxième enroulement installé dans un circuit électrique de détection comprenant en outre une branche de référence du potentiel électrique du circuit de détection, cette branche étant en contact avec le deuxième élément ou avec des moyens conducteurs faiblement résistifs en contact avec le deuxième élément, de sorte que la tension de masse du circuit de détection soit égale ou très proche de la tension du deuxième élément, et au moins un élément de détection installé dans ou sur le premier élément, cet élément de détection étant agencé de sorte que le courant parcourant cet élément de détection soit alors fonction de l'état du premier élément, - estimer à partir du signal reçu au moins une valeur de paramètre représentatif de l'état du premier élément, et
- élaborer à partir de cette au moins une valeur estimée un signal de commande d'au moins un des éléments mobiles.
Dans le cas d'une application à un système de pantographe, le signal de commande peut comprendre par exemple un signal de commande de positionnement du pantographe afin d'abaisser le pantographe en cas de détection de défaillance de la bande.
Ce procédé peut par exemple être mis en œuvre par un dispositif de traitement du type processeur, par exemple un micro contrôleur, un micro processeur, un DSP (de l'anglais « Digital Signal Processing »), ou autre.
Il est ainsi proposé un dispositif de traitement comprenant des moyens de réception pour effectuer l'étape de réception décrite ci- dessus, par exemple un port d'entrée, une broche d'entrée ou autre, et des moyens de traitement pour effectuer l'étape d'estimation décrite ci- dessus, par exemple, un cœur de processeur ou autre, et des moyens d'émission, par exemple un port de sortie, une broche de sortie, ou autre, pour transmettre le signal élaboré vers des moyens de commande du pantographe, par exemple un moteur pas à pas.
II est en outre proposé un produit programme d'ordinateur comprenant des instructions pour effectuer les étapes du procédé tel que décrit ci-dessus lorsque lesdites instructions sont exécutées par un processeur.
L'invention sera mieux décrite en référence aux figures ci-après, lesquelles représentent des modes de réalisation donnés à titre d'exemple et non limitatifs. La figure 1 représente schématiquement une partie d'un système de surveillance selon un mode de réalisation de l'invention, lorsqu 'installé dans une bande de captage en contact avec un fil de caténaire.
La figure 2 montre de façon plus détaillée un exemple de dispositif de capteur pour le système de surveillance schématiquement représenté sur la figure 1.
La figure 3 est une vue de dessus montrant schématiquement un exemple de dispositif de capteur du système de surveillance des figures 1 et 2, lorsqu 'installé sur une bande partiellement représentée, et en contact avec un fil de caténaire également partiellement représenté.
La figure 4 représente schématiquement un exemple de système de surveillance selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 5 représente schématiquement un exemple de système de surveillance selon un autre mode de réalisation de l'invention.
La figure 6 est un graphique montrant un exemple d'allure d'un signal de tension mesuré aux bornes d'un premier enroulement d'un transformateur d'un système de surveillance selon un mode de réalisation de l'invention.
La figure 7 est un logigramme pour illustrer un exemple de procédé selon un mode de réalisation de l'invention.
Des références identiques peuvent être utilisées d'une figure à l'autre pour désigner des éléments identiques ou similaires.
En référence à la figure 1 , une bande 1 réalisée principalement ou complètement en carbone, s'étend suivant une direction longitudinale correspondant ici au vecteur x.
Cette bande de carbone est transverse par rapport à une direction de déplacement du véhicule à traction électrique sur lequel cette bande est montée, cette direction de déplacement correspondant au vecteur y.
Dans la présente description, les termes avant, arrière, font référence aux directions avant et arrière du véhicule sur lequel est monté le système de surveillance décrit. La direction verticale peut être la direction du vecteur gravité. Les axes x, y, z, correspondent respectivement à la direction longitudinale de la bande de captation, la direction de déplacement du véhicule, et la direction verticale. Sur les figures, le système de surveillance est installé sur une motrice installée sur un sol plat et horizontal, et à un emplacement sans virage, c'est-à- dire que l'on suppose que la bande de captation s'étend longitudinalement suivant une direction normale à la verticale et à la direction de déplacement. Bien entendu, en réalité, la direction longitudinale attachée à la bande de captation, la direction de déplacement peuvent ne pas être tout à fait normales entre elles et le plan défini par ces deux directions peut ne pas être parfaitement horizontal.
La bande 1 est disposée sous un fil de caténaire 2 haute tension (par exemple 1500 V ou 25000 V), et lorsque le véhicule est en déplacement, la bande 1 peut être en contact avec le fil de caténaire 2, afin de collecter le courant électrique nécessaire à la traction du véhicule.
Le fil de caténaire 2 est en général disposé en zigzag le long du chemin attendu pour le véhicule, c'est-à-dire que lorsque le véhicule est déplacé suivant la direction y, le fil de caténaire 2 effectue un balayage par rapport à la bande 1 , suivant la direction x. La bande 1 est donc parcourue longitudinalement par le fil de caténaire 2, ce qui permet une meilleure répartition de l'usure de la bande.
Le système de surveillance de ce mode de réalisation comprend une pluralité de dispositifs de capteur 3, chaque dispositif de capteur occupant une portion relativement restreinte de la longueur de la bande 1. Par exemple, la bande 1 peut s'étendre suivant la direction x sur près d'un mètre, alors que chaque dispositif de capteur 3 peut avoir un diamètre de quelques millimètres, par exemple de 3 millimètres.
On pourra relever que les figures sont schématiques, et que l'échelle n'est a priori pas respectée.
Les dispositifs de capteur 3 sont disposés à différents emplacements le long de la bande 1 , de sorte que, lorsque le véhicule est entraîné en mouvement, ces dispositifs de capteur sont destinés à être en contact avec le fil de caténaire 2 les uns après les autres.
Chaque dispositif de capteur 3 comprend des éléments conducteurs référencés 5, 6, 7, 8, 9 sur la figure 2.
Lorsque le fil de caténaire 2 est en contact avec un élément conducteur, du courant issu de ce fil de caténaire passe dans cet élément conducteur. L'élément conducteur est raccordé via un câble 4 à un dispositif de traitement, local ou distant, et le signal électrique issu du fil de caténaire 2 peut ainsi être détecté par ce dispositif de traitement, permettant ainsi de détecter le passage du fil de caténaire au niveau du dispositif de capteur correspondant. Comme explicité davantage en référence aux figures 4 et 5, le câble 4 fait partie d'un circuit électrique de détection ayant sa tension de masse égale à la tension de la bande. En fonctionnement, la bande est en contact avec le fil 2, de sorte que la tension de masse du circuit de détection est égale ou très proche de la tension du fil de caténaire 2.
Un contact entre le fil de caténaire 2 et un élément conducteur parmi les éléments 5, 6, 7, 8, 9, équivaut à une mise à la masse de cet élément conducteur, ce qui modifie la résistance équivalente du circuit de détection.
En référence aux figures 2 et 3, chaque dispositif de capteur 3 comprend une pluralité d'éléments conducteurs 5, ici réalisés en cuivre et à forme de feuille s 'étendant sensiblement dans le plan normal à la direction y.
A chacune de ces feuilles de cuivre 5, 6, 7, 8, 9, est raccordée une résistance correspondante 15, 16, 17, 18, 19, également raccordée au câble 4.
Ainsi, si le niveau d'usure de la bande est tel que par exemple les feuilles 5 et 6 sont, lors du passage de fil de caténaire, en contact avec ce fil de caténaire, et tel que les bandes 7, 8, 9 restent isolées du fil de caténaire lors du passage de ce fil, le signal électrique reçu lors du passage de fil de caténaire aura une valeur fonction des valeurs de résistance 15 et 16.
Les résistances 15, 16, 17, 18, 19 peuvent avoir des valeurs différentes, ou non.
Le signal électrique mesuré lors du passage de caténaire est ainsi fonction de la hauteur d'usure effective. Le signal électrique sur le câble 4 peut avoir la forme d'un ensemble de pics, chaque pic correspondant au passage du fil de caténaire sur un dispositif de capteur, et l'amplitude des pics étant représentative du niveau d'usure.
En associant l'intervalle de temps entre deux pics à une distance prédéterminée, fonction de l'installation en zigzag du fil de caténaire, et fonction de l'espacement sur la bande entre deux dispositifs de capteur adjacents, on peut corréler l'usure au kilométrage parcouru.
En référence à la figure 3, le dispositif de capteur 3 peut avoir un diamètre de l'ordre de quelques millimètres, et une hauteur correspondant par exemple à 50-90% de la hauteur de la bande à l'état neuf, par exemple comprises entre quelques millimètres et quelques centimètres.
Le fil de caténaire peut avoir un diamètre de l'ordre du centimètre, c'est-à-dire que la zone de contact pourra s'étendre suivant la direction x sur quelques millimètres, par exemple 2 ou 3 mm.
La bande de carbone 1 peut avoir une largeur suivant la direction y, comprise par exemple entre 35 et 60 millimètres.
Les feuilles de cuivre 5, 6, 7, 8 9 peuvent être isolées les unes des autres par un matériau céramique, et l'empilement comprenant ces feuilles de cuivre et la céramique peut être noyé dans une résine, l'ensemble résine plus empilement ayant ainsi une section de diamètre de 3 millimètres environ.
Pour revenir à la figure 2, la liaison entre les feuilles de cuivre 5, 6, 7, 8, 9 et les résistances correspondantes 15, 16, 17, 18, 19 peut être effectuée par brasage à température relativement élevée.
L'invention n'est pas limitée à un nombre prédéterminé de dispositifs de capteurs. On pourrait par exemple prévoir un, deux, trois, quatre, cinq, dix dispositifs de capteurs, ou autre.
L'invention n'est pas non plus limitée par le nombre de feuilles de cuivre dans un dispositif de capteur. Dans cet exemple, on prévoit cinq éléments conducteurs 5, 6, 7, 8, 9, permettant ainsi de mesurer cinq hauteurs d'usures différentes.
En référence à la figure 4, un système de surveillance 40 comprend un transformateur d'isolement 50 comprenant un premier enroulement 31 et un deuxième enroulement 22. Le système 40 comprend un circuit électrique de détection 20 et un circuit électrique de mesure 30.
Le circuit de détection comprend une branche de référence 23 en contact avec la bande 1 , c'est-à-dire que la masse du circuit 20 est au potentiel du fil de caténaire tant qu'il y a contact entre la bande 1 et le fil 2. Alternativement, la branche de référence 23 pourrait être soudée à un étrier non représenté.
Un générateur 21 permet d'injecter un courant sur ce circuit de détection 20. Ce courant peut varier sinusoïdalement, avec une amplitude de crête de par exemple quelques milliampères, et une fréquence de par exemple plusieurs kHz, par exemple 4 kHz. Le générateur 2 1 et le premier enroulement 31 sont disposés en série, de sorte que le premier enroulement 31 est parcouru par le courant généré.
Le transformateur 50 permet d'isoler le circuit de mesure 30 de la tension de masse du circuit de détection 20.
Dans cet exemple, le circuit de détection comprend deux éléments de détection montés en parallèle, à savoir un jeu de dispositifs de capteur 3 pour mesurer l'usure de la bande 2 , et un fil isolé 25 collé sur la bande.
Le fil isolé 25 présente une résistance de fil Rm, du fait de la résistance linéaire d'une âme conductrice de ce fil gainé 25.
Les dispositifs de capteurs 3 sont chacun similaire à celui décrit en références aux figures 1 à 3.
Ce jeu de capteurs 3 est monté en parallèle avec une résistance R3. En cas de contact entre le fil de caténaire et un ou plusieurs élément(s) conducteurs d'un capteur 3, les extrémités de cet ou ces éléments conducteurs sont au même potentiel qu'un nœud d'extrémité 27 en contact avec la bande 2. Si le contact entre cet ou ces élément(s) conducteur(s) du capteur 3 et le fil de caténaire s'effectue via un arc électrique, ces extrémités sont sensiblement au même potentiel que le nœud 27. Du courant passe entre ces extrémités et un nœud 26 de dérivation avec la résistance R3, rencontrant une résistance Rh fonction du nombre d'éléments conducteurs en contact électrique avec le fil de caténaire 2.
Le courant injecté par le générateur 2 1 rencontre alors une résistance égale à la résistance Rm additionnée de la résistance équivalente au montage parallèle des résistances R3 et Rh.
Lorsque le fil de caténaire n'est plus en contact avec aucun dispositif de capteur, la résistance opposée par le circuit de détection au passage du courant est alors simplement égale à la somme Rm + R3.
Le fil isolé 25 est relativement fragile, et donc susceptible de se rompre en cas de rupture de bande. Aucun courant ne passe alors dans le circuit de détection et le signal mesuré aux bornes de l'enroulement 31 passe à zéro. En cas de contact entre une extrémité rompue du fil 25 et la bande, la résistance rencontrée devient passablement faible, fonction de la longueur de fil correspondant à cette extrémité, et l'on pourra donc également détecter la rupture de la bande. En cas de détection de rupture du fil 25, un signal de commande est généré de façon à piloter l'abaissement du pantographe.
Le circuit de mesure comprend une résistance R32 montée en série avec le générateur 21 , et un processeur 33 pour recevoir un signal de tension proportionnel au signal aux bornes de l'enroulement 31.
Dans le mode de réalisation de la figure 5, une des bornes de l'enroulement 22 est en contact électrique avec un étrier de collecte de courant (non représenté), installé sous la bande. Une branche de référence 23 entre cette borne et l'étrier est ainsi raccordée à un élément conducteur peu résistif en contact avec la bande.
En outre, dans ce mode de réalisation, on prévoit non pas un seul fil isolé 25, mais deux fils 25, 25' présentant des propriétés de résistance mécaniques différentes. Par exemple le fil 25' a une résistance à la rupture plus faible que celle du fil gainé 25. Ce fil 25 pourra ainsi être rompu alors que le fil 25 est encore intact, permettant ainsi de détection une fissuration avant la rupture de la bande.
Dans un mode de réalisation alternatif et non représenté, on pourrait prévoir plus de deux fils isolés, par exemple trois, quatre ou cinq fils isolés, montés en parallèle et présentant des résistances à la rupture différentes d'un fil à l'autre. Ceci peut permettre de détecter une fissuration de bande de manière graduelle.
Un nœud 28 assure la dérivation des fils isolés 25, 25', et également d'un jeu de dispositifs de capteurs 3 similaire au jeu décrit ci-dessus.
La figure 6 montre un exemple théorique de type de courbe qui pourrait être enregistrés par un processeur 33 au cours de la vie d'une bande de carbone. L'abscisse correspond au temps et l'ordonnée à des tensions.
Les pics de cette courbe correspondent à des instants de passage de caténaire.
Plus précisément, à l'instant ti, le fil de caténaire ne touche aucun capteur d'usure 3. La résistance équivalente du circuit de détection est donc égale à la somme de la résistance R3 et de la résistance équivalente au montage parallèle des fils isolés.
A l'instant t2, le fil de caténaire touche un capteur d'usure 3, la profondeur d'usure étant relativement faible au niveau du capteur d'usure en contact avec le fil de caténaire 2. La résistance équivalente du circuit de détection est donc égale à la somme de la résistance R3 et de la résistance équivalente au montage parallèle des fils isolés et de ce capteur d'usure. La résistance équivalente est donc plus faible qu'à l'instant ti, et la tension enregistrée est donc plus élevée qu'à cet instant
L'instant t3 correspond à un instant de passage de caténaire au niveau d'un capteur 3, au niveau duquel la profondeur d'usure est relativement élevée. La résistance opposée par ce capteur d'usure est donc plus faible que celle opposée par le capteur en contact avec le fil de caténaire à l'instant t2. Le pic correspondant à cet instant t3 est donc plus élevé en amplitude que celui correspondant à l'instant t2. Ce dispositif permet ainsi de s'assurer de l'homogénéité de l'usure, ou du moins d'avoir une idée du profil d'usure pendant le fonctionnement de la bande.
L'instant t4 correspond à une rupture du fil le plus fragile 25'. La résistance équivalente du circuit augmente en conséquence, et la tension mesurée chute brutalement.
On continue toutefois d'enregistrer des pics lors des instants de passage du fil de caténaire au niveau des capteurs 3, comme par exemple à l'instant ts.
L'instant te correspond à une rupture du fil le plus solide 25. La tension chute à zéro. Un signal de commande d'abaissement du pantographe est émis, ce qui empêche d'enregistrer de nouveaux pics par la suite.
La figure 7 est un logigramme pour illustrer un exemple de procédé mis en œuvre dans le processeur référencé 33 sur les figures 4 et 5.
On reçoit au cours d'une étape 101 un signal de tension U(t), à partir duquel on estime une valeur de résistance équivalente du circuit de détection, au cours d'une étape non représentée.
Au cours d'une étape 102, on déduit de cette valeur de résistance équivalente une valeur de paramètre d'usure Sw et une valeur de paramètre de rupture Sb. Dans cet exemple, on utilise une variable booléenne pour ce paramètre Sb.
On peut prévoir de calculer en outre, au cours de cette étape 102, une valeur d'usure par kilomètre parcouru Sw-km (non représenté), en fonction des instants correspondant aux maxima des pics et en fonction des amplitudes des pics.
Au cours d'une étape de test 103, on s'assure que l'usure n'a pas dépassé un seuil acceptable THR et que la bande n'est pas cassée. On peut aussi s'assurer de ce que la valeur d'usure par kilomètre parcouru ne dépasse pas un seuil THR' non représenté.
Le cas échéant, on génère au cours d'une étape 104 un signal SCONTROL autorisant le contact entre la bande et le fil de caténaire. Puis le processeur se place dans un état d'attente pendant une étape 106, avant de recevoir une nouvelle valeur de tension.
S'il s'avère à l'issue du test 103 que l'usure a dépassé le seuil THR, que l'usure par kilomètre parcouru est trop élevée ou que la bande est cassée, alors le signal SCONTROL prend une valeur, par exemple égale à 1 , pour imposer l'abaissement du pantographe.

Claims

Revendications
1. Système de surveillance (40) de l'état d'un premier élément (1) mobile par rapport à un deuxième élément (2), et destiné à frotter contre ce deuxième élément, le deuxième élément étant conducteur, le système de surveillance comprenant :
un circuit électrique de mesure (30), comprenant
un premier enroulement (31) de transformateur, et un générateur (21 ) apte à délivrer un courant alternatif, le circuit électrique de mesure étant agencé pour qu'au moins une partie du courant délivré par le générateur traverse ledit premier enroulement,
un circuit électrique de détection, comprenant
un deuxième enroulement (22) de transformateur, une branche de référence (23) du potentiel électrique du circuit de détection, cette branche étant conçue pour être en contact avec le deuxième élément ou avec des moyens conducteurs faiblement résistifs en contact avec le deuxième élément, de sorte que la tension de masse du circuit de détection soit égale ou très proche de la tension du deuxième élément,
au moins un élément de détection (25, 25', 3) destiné à être installé dans ou monté sur le premier élément, ledit élément de détection étant agencé de sorte que le courant parcourant cet élément de détection soit alors fonction de l'état du premier élément,
un transformateur (50) comprenant le premier et le deuxième enroulements, le système de surveillance étant agencé de sorte que ledit transformateur isole le circuit électrique de mesure de la tension de masse du circuit électrique de détection, et
des moyens de mesure (33) de la tension aux bornes du premier enroulement et/ ou de l'intensité dans le premier enroulement.
2. Système de surveillance (40) selon la revendication 1 , dans lequel l'élément de détection comprend un fil isolé électriquement (25), destiné à être installé le long du premier élément (1).
3. Système de surveillance (40) selon la revendication 2, comprenant en outre un fil isolé supplémentaire (25') destiné être installé le long du premier élément, monté en parallèle avec le fil isolé (25) et présentant des propriétés de résistance mécaniques différentes de celles du fil isolé.
4. Système de surveillance (40) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'élément de détection comprend un jeu d'au moins un dispositif de capteur, chaque dispositif de capteur étant apte à mesurer un niveau d'usure du premier élément.
5. Système de surveillance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième enroulement (22) est raccordé audit au moins un élément de détection (25, 25', 3) par un seul fil d'entrée pénétrant dans ou monté sur le premier élément (1), dans lequel chaque élément de détection comprend une sortie raccordée ou raccordable au deuxième élément.
6. Ensemble comprenant un système de surveillance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, ainsi que le premier élément, et dans lequel ledit premier élément comprend une bande de transmission de courant (1).
7. Ensemble selon la revendication 6 lorsqu'elle dépend de la 4, dans lequel le dispositif de capteur (3) est conçu pour être au moins en partie installé dans la bande, de façon à occuper une portion seulement de la longueur de bande, ce dispositif étant agencé pour détecter un passage d'un fil de caténaire (2) au moins lorsque la hauteur d'usure de la bande au niveau de ladite portion a dépassé un seuil, et ce dispositif de capteur étant en outre agencé pour pouvoir mesurer au moins deux hauteurs d'usure différentes.
8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel le système de surveillance comprend une pluralité de dispositifs de capteur (3) destinés à être installés sur une même bande, de sorte que les portions de longueur de bande correspondant à cette pluralité de dispositifs de capteurs soient distinctes les unes des autres, cette pluralité de dispositifs de capteurs étant raccordé à un même câble (4).
9. Véhicule à entraînement électrique comprenant un ensemble selon l'une quelconque des revendications 6 à 8.
10. Procédé de surveillance de l'état d'un premier élément (1) mobile par rapport à un deuxième élément (2), et destiné à frotter contre ce deuxième élément, le deuxième élément étant conducteur, ce procédé comprenant
recevoir (101) un signal électrique issu d'un circuit électrique de mesure comprenant un premier enroulement d'un transformateur, et un générateur pour délivrer un courant alternatif dans le premier enroulement, le transformateur comprenant un deuxième enroulement installé dans un circuit électrique de détection comprenant en outre une branche de référence du potentiel électrique du circuit de détection, cette branche étant en contact avec le deuxième élément ou avec des moyens conducteurs faiblement résistifs en contact avec le deuxième élément, de sorte que la tension de masse du circuit de détection soit égale ou très proche de la tension du deuxième élément, et au moins un élément de détection installé dans ou sur le premier élément, cet élément de détection étant agencé de sorte que le courant parcourant cet élément de détection soit alors fonction de l'état du premier élément, estimer (102) à partir du signal reçu au moins une valeur de paramètre représentatif de l'état du premier élément, et
élaborer (103, 104, 105) à partir de cette au moins une valeur estimée un signal de commande du premier élément et/ ou du deuxième élément.
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