ES2184461T5 - Vehiculo ferroviario eléctrico y conjunto de alimentación eléctrica, especialmente para tal vehículo. - Google Patents

Abstract

Vehículo ferroviario eléctrico, especialmente, una locomotora eléctrica (2), destinado a ser alimentado por una catenaria (10), comprendiendo el citado vehículo una carga, especialmente, un transformador (8), y un conjunto de alimentación eléctrica de la citada carga a partir de la citada catenaria (10) por intermedio de un aparato eléctrico de conmutación (14), especialmente, un disyuntor, caracterizado porque el citado conjunto de alimentación comprende un dispositivo (16) de atenuación de las perturbaciones debidas al cierre, y porque el citado dispositivo (16) de atenuación es de tipo ferrítico, cuya parte resistiva es predominante a las frecuencias generadas durante el citado cierre.

Description

La presente invención se refiere a un vehículo ferroviario eléctrico provisto de un conjunto de alimentación eléctrica.

De modo habitual, un vehículo eléctrico de este tipo, que puede ser una locomotora o bien un vagón, es alimentado por una catenaria que proporciona una tensión de servicio alternativa.

La invención se refiere, de modo más particular, a un vehículo de este tipo que está equipado con una carga, tal como un transformador, y con un conjunto de alimentación eléctrica de esta carga desde la catenaria. Este conjunto de alimentación comprende, de modo clásico, un aparato eléctrico de conmutación, tal como un disyuntor, que asegura la protección de los circuitos de alta tensión alternativa del vehículo ferroviario.

Sin embargo, existen ciertos inconvenientes asociados a una disposición de este tipo. En efecto, se constata la aparición de corrientes, cuyo gradiente en función del tiempo es muy elevado. Como ejemplo, en el caso de una tensión de servicio alternativa de 50 Hz y de 25kV, se generan corrientes de 300A en 5ns aproximadamente. Éstas generan perturbaciones susceptibles de dañar o, al menos, perturbar el buen funcionamiento de los equipos situados en la proximidad del aparato electrónico de conmutación, tales como, por ejemplo, una electrónica de mando embarcada.

A fin de paliar el conjunto de estos inconvenientes, la invención se propone realizar un vehículo ferroviario eléctrico, equipado con un conjunto de alimentación eléctrica, que induzca solamente pequeñas perturbaciones electromagnéticas, de modo que se garantice la integridad de los diferentes equipos eléctricos y electrónicos de los que está provisto este vehículo.

Con este fin, la invención tiene por objeto un vehículo ferroviario eléctrico, según la reivindicación 1.

Este dispositivo de atenuación de las perturbaciones debidas a la conmutación, de tipo ferrítico, es conocido, por ejemplo, por los documentos JP-A-1 086 425 y JP-A-4 322 024. En estos documentos, un dispositivo de atenuación de este tipo está constituido por un cilindro realizado de ferrita, dispuesto alrededor de una línea eléctrica situada aguas abajo del aparato eléctrico de conmutación. Este cilindro ferrítico se comporta como una inductancia, cuyo valor aumenta con la frecuencia de la corriente.

Debido a la presencia de órganos metálicos, dispuestos en la proximidad del conductor que une la catenaria al disyuntor, se forma, en la proximidad del techo del vehículo ferroviario, una capacidad parásita, aguas arriba del aparato de conmutación. Entre esta capacidad parásita aguas arriba y el aparato de conmutación propiamente dicho, se crea una línea de transmisión, que constituye una guía de ondas electromagnéticas.

Durante la conmutación para el cierre del aparato, cuando se aplica una tensión entre los dos electrodos de este aparato, este último es asiento de un arco eléctrico. En ciertas circunstancias, en particular, cuando la conmutación de este aparato eléctrico está basada en la de una ampolla al vacío, este arco eléctrico es extremadamente inestable, a saber, está sometido a múltiples interrupciones, seguidas de las fases de reanudación correspondientes. Las inestabilidades del arco corresponden a rupturas y a reestablecimientos sucesivos, que generan perturbaciones electromagnéticas que son origen de elevados gradientes de corriente, susceptibles de dañar o de perturbar el buen funcionamiento de los equipos situados en la proximidad del aparato eléctrico de conmutación.

Debido a los valores de frecuencia, de intensidad y de tensión a los cuales está sujeto el vehículo ferroviario eléctrico, el dispositivo de atenuación de las perturbaciones debidas a la conmutación, de tipo ferrítico, es utilizado en lo que concierne a su parte resistiva, y no inductiva como en las solicitudes de patente japonesas citadas anteriormente. Prever tal dispositivo de atenuación de las perturbaciones, permite reducir los elevados gradientes de corriente DI/DT generados durante el cierre del disyuntor, en particular, cuando este dispositivo está colocado aguas arriba del aparato de conmutación. Esto contribuye, no a modificar las oscilaciones de corriente, sino a impedir su formación, disminuyendo el valor DI/DT, que es susceptible de generar estas oscilaciones.

De acuerdo con la invención, no se busca filtrar un elevado gradiente de corriente DI/DT, iniciado previamente por el aparato de conmutación, sino que se fuerza a este aparato a conmutar menos deprisa, influyendo en el establecimiento físico del arco en el vacío en la ampolla.

Se va a describir ahora la invención, en referencia a los dibujos anejos, dados únicamente como ejemplo no limitativo, y en los cuales:

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la figura 1 es un esquema de principio que ilustra un vehículo ferroviario eléctrico de acuerdo con la invención, provisto de un conjunto de alimentación eléctrica;

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la figura 2 es una vista de costado que ilustra de modo más particular algunos elementos del conjunto de alimentación eléctrica de la figura 1;

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la figura 3 es una vista en perspectiva de un dispositivo de atenuación de las perturbaciones debidas a la conmutación, que pertenece al conjunto de alimentación eléctrica de las figuras 1 y 2;

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la figura 4 es un corte longitudinal parcial del dispositivo de atenuación de las perturbaciones ilustrado en la figura 3;

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la figura 5 es un esquema de una simulación experimental en laboratorio del aparato eléctrico de conmutación de la figura 1, y de su entorno eléctrico; y

Las figuras 6, 7 y 8 representan oscilogramas de la tensión aguas arriba, de la tensión aguas abajo, y de la corriente, relativos al aparato eléctrico de conmutación simulado en la figura 5, desprovisto de un dispositivo de atenuación de las perturbaciones y provisto de un dispositivo de este tipo, colocado, respectivamente, aguas abajo y aguas arriba del aparato eléctrico de conmutación.

La figura 1 representa un vehículo ferroviario eléctrico, a saber, una locomotora, designada en su conjunto por la referencia 2, susceptible de circular por carriles 4 unidos a la tierra 6.

Esta locomotora 2 está provista de un transformador embarcado 8 alimentado por medio de una catenaria 10 por intermedio de un pantógrafo 12. Esta catenaria 10 constituye una fuente de energía, mientras que el transformador está conectado al motor, no representado, de la locomotora.

Entre esta catenaria 10 y este transformador 8 están intercalados, un aparato eléctrico de conmutación, que es un disyuntor 14, así como un dispositivo 16 de atenuación de las perturbaciones debidas a la conmutación, que será descrito más en detalle en lo que sigue. El disyuntor de ampolla al vacío es un aparato de acoplamiento y de protección de los circuitos de alta tensión alternativa de la locomotora. El dispositivo 16 de atenuación está dispuesto entre la catenaria 10 y el disyuntor 14, a saber, está colocado aguas arriba de este último.

El conjunto del equipo eléctrico de techo de la locomotora 2, a saber, especialmente, las líneas eléctricas de conexión entre los equipos de techo de esta locomotora, son asiento de capacidades parásitas y de inductancias parásitas, que son otros tantos circuitos de tipo RLC susceptibles de ser excitados durante la conmutación del disyuntor.

Las capacidades parásitas están esquematizadas, en la figura 1, por capacidades equivalentes, respectivamente, aguas arriba 18 y aguas abajo 20, haciendo referencia al disyuntor 14.

Las inductancias parásitas están esquematizadas, en la figura 1, por bobinas de autoinducción de conexión, respectivamente, aguas arriba 22 y aguas abajo 24, siempre con referencia al disyuntor 14.

La interposición del dispositivo 16 permite realizar, con el techo de la locomotora, una línea de transmisión entre la capacidad aguas arriba 18 y el disyuntor 14, a las frecuencias de trabajo de la locomotora. Esta línea de transmisión retarda la transferencia de cargas entre la capacidad 18 y el disyuntor 14, lo que aminora el número de cargas disponibles para la descarga en vacío y disminuye el gradiente de la corriente en función del tiempo.

La caja de la locomotora está ilustrada por un circuito equivalente LC designado por la referencia 26, en esta figura 1, que representa la resonancia de la estructura metálica de la locomotora.

La figura 2 representa, de modo más preciso, el disyuntor 14, que es, por ejemplo, de acuerdo con el comercializado por la sociedad ALSTOM TRANSPORT con la referencia ACB 25-10.

El disyuntor está dispuesto, de manera conocida, en el techo de la locomotora 2.

Éste reposa sobre una placa de base 28 y su mando está asegurado por una pletina de relés 30. Un pararrayos 32, que se extiende desde la placa soporte 28, está conectado al disyuntor 14. Estos elementos son clásicos.

El dispositivo 16 de atenuación de las perturbaciones está montado en un aislador 34 que a su vez se apoya en la placa 28. Este dispositivo 16 esta formado alrededor de un elemento conductor 36, en este caso un tubo de cobre, que presenta dos conexiones, respectivamente, aguas arriba 38 y aguas abajo 40. La conexión aguas arriba 38 está unida, por medios no representados, a la catenaria 10 mientras que el borne aguas abajo 40 está unido al disyuntor 14 por intermedio de una conexión eléctrica 42, del tipo de trenza eléctrica.

Como muestra, de modo más particular, la figura 4, el dispositivo 16 de atenuación de las perturbaciones comprende varios elementos ferríticos anulares 44, 46, que serán descritos en lo que sigue más en detalle. El conjunto de estos elementos 44, 46 está alojado en una caja cilíndrica 48 aislante, cerrada globalmente en sus dos extremos y realizada de fibra de vidrio, de resina o bien de resina epoxídica. Esta caja 48 está fijada a una base 50 en forma de U, por intermedio de dos bridas 52. La base 50 está sujeta a su vez a la parte superior del aislador 34.

Como muestra de modo más preciso la figura 4, los elementos ferríticos están dispuestos en pares apilados axialmente a lo largo del tubo de cobre 36. Cada par de elementos ferríticos está formado por un elemento de baja frecuencia 44 dispuesto en la periferia exterior del tubo de cobre 36, y un elemento anular de alta frecuencia 46 cuya periferia interior está dispuesta en la proximidad del elemento de baja frecuencia 44.

La caja 48 encierra diez pares de elementos ferríticos, respectivamente, de baja y alta frecuencia, de los que sólo los 44, 46 y 44A, 46A se han indicado en esta figura 4.

Se va a explicar ahora la noción de ferritas, respectivamente, de alta y baja frecuencia. De modo habitual, un elemento ferrítico está caracterizado por sus permeabilidades relativas, respectivamente real μ’ e imaginaria μ”. Ahora bien, μ” crece con la frecuencia para alcanzar un máximo a una frecuencia denominada de corte, indicada por convenio por fc, y a continuación decrece fuertemente. En el marco de la presente descripción, los elementos ferríticos 44, 44A son denominados de “baja frecuencia” porque su frecuencia de corte es inferior a la de los elementos denominados de “alta frecuencia” 46, 46A. La frecuencia de corte de los elementos ferríticos de alta frecuencia está comprendida, por ejemplo, entre 5 y 20 MHz, mientras que la frecuencia de corte de los elementos ferríticos de baja frecuencia está comprendida, por ejemplo, entre 0,5 y 5 MHz.

Un elemento ferrítico de baja frecuencia es comercializado, por ejemplo, por la sociedad Thomson CSF-LCC con la referencia B1-T-63000A, mientras que un elemento ferrítico de alta frecuencia es comercializado por la sociedad Philips Components con la referencia T107/65/253F4.

Entre las superficies frente a los elementos ferríticos de baja y alta frecuencia 44, 46 está interpuesta una hoja 54 de protección mecánica. Una hoja de este tipo está realizada, por ejemplo, de resina de tipo poliuretano, comercializada por la sociedad LVA con la referencia DAMIVAL 13518AW00., Entre la periferia exterior del elemento de alta frecuencia 46 y la caja 48 está interpuesta otra hoja 56 análoga a la hoja 54.

La invención permite conseguir los objetivos mencionados anteriormente.

En efecto, dotar el conjunto de alimentación eléctrica, del que está equipado un vehículo ferroviario, de un dispositivo de atenuación de las perturbaciones, de tipo ferrítico, permite reducir de modo notable las perturbaciones a las cuales están sometidos los diversos equipos eléctricos y electrónicos de este vehículo ferroviario. Esta reducción es particularmente notable en el caso en que este dispositivo de atenuación de las perturbaciones está colocado aguas arriba del aparato eléctrico de conmutación.

La figura 5 representa un esquema experimental realizado en laboratorio, que reproduce de modo simplificado los fenómenos que intervienen en el techo de la locomotora 2 de la figura 1.

El disyuntor 14, empleado con miras a esta experimentación, es utilizado en su configuración industrial. El esquema eléctrico equivalente de este disyuntor está formado por dos capacidades parásitas aguas arriba 14A y aguas abajo 14B, iguales a 40 pF y 60 pF, una capacidad interelectrodos 14C de valor variable, y bobinas de autoinducción de conexión 14D y 14E, cuyo valor es de 0,4 μH.

El disyuntor 14 está alimentado por medio de una fuente de alimentación 58 continua, a 20 kV como máximo y 1 mA. Entre la fuente 38 y el disyuntor 14 está intercalada una resistencia de carga 60 cuyo valor es igual a 10 MΩ. El esquema experimental de la figura 5 toma, igualmente, la capacidad equivalente aguas arriba 18, de un valor de 2 nF, así como la bobina de autoinducción de conexión aguas abajo 24, de un valor de 25 μH.

Se mide, en 62, la tensión inmediatamente aguas arriba del disyuntor 14, denominándose esta tensión en lo que sigue “tensión aguas arriba”. Se mide, igualmente, en 64, la tensión aguas abajo del disyuntor, o “tensión aguas abajo”. Finalmente, aguas abajo de la bobina de autoinducción 24, se mide la corriente, en 66.

Una vez cargada la capacidad 18, se lanza el cierre del disyuntor 14. Esta experiencia se realiza en un primer tiempo en ausencia de cualquier dispositivo de atenuación de las perturbaciones asociadas a la conmutación, estando consignados los resultados correspondientes en la figura 6. Después, esta experiencia se pone en práctica asociando al disyuntor 14 un dispositivo de atenuación de las perturbaciones 16, de acuerdo con el descrito en relación con las figuras 3 y 4. Cuando el dispositivo 16 está colocado aguas abajo del disyuntor 14, como está representado en línea de puntos en la figura 5, los resultados correspondientes están consignados en la figura 7. La figura 8 corresponde a los resultados de la experiencia conducida con un dispositivo de atenuación de las perturbaciones colocado aguas arriba del disyuntor 14, a saber de acuerdo con la invención, como está representado en trazos mixtos en la figura 5.

En el conjunto de las figuras 6 a 8, el tiempo está representado en abscisas, a una escala de 20 ns/cuadrado. En ordenadas, se encuentra, de arriba abajo, la tensión aguas arriba, representada en las figuras 6, 7 y 8 por las referencias 72A, 72B y 72C, respectivamente, después la tensión aguas abajo representada en las figuras 6, 7 y 8 por las referencias 74A, 74B y 74C y, finalmente, la corriente en el seno del disyuntor representada en las figuras 6, 7 y 8 por las referencias 76A, 76B y 76C.

La escala de las tensiones aguas arriba 72 es de 2.000 voltios/cuadrado, la de las tensiones aguas abajo 74 de

1.000 voltios/cuadrado, mientras que la de las corrientes 76 es de 4A/cuadrado.

Haciendo referencia a la figura 6, se constata que la corriente 76A es primero nula antes de la conmutación, después aumenta en 78 bajo el efecto del cierre del disyuntor que provoca la formación de un arco inestable. Esto tiene el efecto de crear frentes de subida correspondientes 80 y 82 a nivel de las tensiones, respectivamente, aguas arriba 72A y aguas abajo 74A. Después, la corriente, presentando al mismo tiempo un perfil muy irregular, aumenta su valor y luego disminuye hasta alcanzar su valor inicial nulo, en 84. Esto tiene por efecto provocar variaciones importantes, en 86 y 88, de las tensiones, respectivamente, aguas arriba 72A y aguas abajo 74A, que están asociadas al corte y al restablecimiento sucesivos del arco.

La corriente 76A describe, entonces, una sinusoide asociada a la resonancia del circuito LC 18, 24 de la figura 5, después vuelve a pasar, en 90, a su valor inicial nulo, lo que tiene por efecto provocar variaciones suplementarias, en 92 y 94, de las tensiones aguas arriba 72A y aguas abajo 74A.

Haciendo referencia ahora a la figura 7, se constata que la corriente 76B tiene un perfil más regular que el 76A de la figura 6. Sin embargo se constatan variaciones consecuentes de esta corriente en el transcurso del tiempo. Se observa, en particular, en 96, un fuerte aumento de la corriente debida al cierre del disyuntor. Esto es origen de frentes de subida 98, 100 a nivel de las tensiones aguas arriba 72B y aguas abajo 74B. Existen, por tanto, gradientes importantes de corriente y de tensión que inducen perturbaciones de la electrónica embarcada.

Refiriéndose, finalmente, a la figura 8, en la que el dispositivo 16 de atenuación de las perturbaciones está previsto aguas arriba del disyuntor 14, la corriente 76C presenta un perfil netamente más regular que el 76B obtenido colocando este dispositivo 16 aguas abajo del disyuntor 14. Sólo permanece significativo el frente de subida 102 relativo a la tensión 74C aguas abajo.

De la comparación de estas figuras 6 a 8 se deduce que la utilización del dispositivo 16 de atenuación de las perturbaciones permite obtener una corriente 76 y tensiones aguas arriba 72 y aguas abajo 74 netamente más regulares que en ausencia de un dispositivo 16 de este tipo, en particular, en el caso en que este dispositivo 16 está dispuesto aguas arriba del disyuntor 14. Esto es particularmente ventajoso, puesto que permite limitar los efectos de resonancia de los circuitos de techo y de la locomotora.

El hecho de utilizar varios elementos ferríticos es igualmente ventajoso. En efecto, las ferritas se saturan a medida que aumenta la corriente. Emplear varios elementos ferríticos, cuyas permeabilidades μ “ se añaden, permite conferir una eficacia satisfactoria al dispositivo de supresión de las perturbaciones del que está equipado, y esto incluso para valores de corriente elevados.

Es igualmente ventajoso repartir los elementos ferríticos por pares, de los que cada uno está compuesto por elementos cuyas frecuencias de corte son diferentes. Esto permite un barrido óptimo del conjunto de las frecuencias generadas durante el cierre del disyuntor. En efecto, a medida que aumenta la frecuencia, el elemento ferrítico de baja frecuencia es el que es primero eficaz, después el elemento ferrítico de alta frecuencia toma el relevo para frecuencias más elevadas.

La utilización de elementos ferríticos anulares imbricados uno en otro garantiza una gran capacidad del conjunto del dispositivo de supresión de las perturbaciones. Prever el elemento ferrítico de alta frecuencia en la periferia exterior del elemento ferrítico de baja frecuencia es ventajoso, en la medida en que este elemento de alta frecuencia se satura para valores de la corriente relativamente pequeños, mientras que en el elemento de baja frecuencia esta saturación se produce para valores de corriente más elevados. De acuerdo con una disposición de este tipo, el elemento de alta frecuencia se coloca a distancia del conductor central, de modo que éste es sometido a campos magnéticos más pequeños que solamente provocan su saturación en una menor medida.

La descripción anterior se ha efectuado en referencia a una locomotora, pero la invención encuentra su aplicación, igualmente, en cualquier vehículo ferroviario eléctrico, tal como, por ejemplo, una motriz, una automotriz o un vagón.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Vehículo ferroviario eléctrico, especialmente, una locomotora eléctrica (2), destinado a ser alimentado por una catenaria (10), comprendiendo el citado vehículo una carga, especialmente, un transformador (8), y un conjunto de alimentación eléctrica de la citada carga a partir de la citada catenaria (10) por intermedio de un aparato eléctrico de conmutación (14), en el cual se produce un arco eléctrico inestable durante la conmutación de cierre, especialmente, un disyuntor, caracterizado porque el citado conjunto de alimentación comprende un dispositivo (16) de atenuación de las perturbaciones debidas al cierre, y porque el citado dispositivo (16) de atenuación es de tipo ferrítico, cuya parte resistiva es predominante a las frecuencias generadas durante el citado cierre y porque el citado dispositivo (16) de atenuación de las perturbaciones está colocado entre la citada catenaria (10) y el citado aparato eléctrico de conmutación (14).

2. 2.

   Vehículo de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el citado dispositivo (16) de atenuación de las perturbaciones comprende varios elementos ferríticos (44, 46, 44A, 46A) dispuestos alrededor de una línea conductora (36) que une la citada catenaria aguas arriba (10) y el citado aparato eléctrico de conmutación (14).

3. 3.

   Vehículo de acuerdo la reivindicación 2, caracterizado porque los citados elementos ferríticos están repartidos axialmente por pares sucesivos (44, 46, 44A, 46A), estando compuesto cada par por un elemento ferrítico de alta frecuencia (46, 46A) asociado a un elemento ferrítico de baja frecuencia (44, 44A), teniendo el citado elemento ferrítico de alta frecuencia una frecuencia de corte superior a la del citado elemento ferrítico de baja frecuencia.

4. 4.

   Vehículo de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la frecuencia de corte del citado elemento ferrítico de alta frecuencia (46, 46A) está comprendida entre 5 y 20 MHz, con preferencia, entre 7 y 10 MHz, mientras que la frecuencia de corte del citado elemento ferrítico de baja frecuencia (44, 44A) está comprendida entre 0,5 y 5 MHz, con preferencia, entre 0,8 y 2 MHz.

5. 5.

   Vehículo de acuerdo con las reivindicaciones 4 o 5, caracterizado porque el citado dispositivo de atenuación de las perturbaciones comprende entre 2’ y 20 pares de elementos ferríticos (44, 46; 44A, 46A), con preferencia, entre 5 y 12.

6. 6.

   Vehículo de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 6, caracterizado porque los dos elementos ferríticos de cada par (44, 46; 44A, 46A) son anulares y están imbricados uno en otro, estando dispuesto el citado elemento ferrítico de alta frecuencia (46, 46A) en la periferia exterior del elemento ferrítico de baja frecuencia (44, 44A).