ES2330947T3 - Determinacion de la temperatura de un resistor de freno. - Google Patents
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Abstract
Un procedimiento para la determinación de la temperatura de un resistor de freno (3), en particular un resistor de freno (3) para la disipación en calor de la energía cinética de un vehículo de tracción de un ferrocarril, en el que: - durante el funcionamiento del resistor de freno (3), una corriente del resistor transportada por el resistor de freno (3) es conectada y desconectada repetidamente, de modo que se genera una pluralidad de impulsos de corriente consecutivos, en el que el comienzo de cada uno de los impulsos está definido por el punto respectivo en el tiempo (ta) en el que la corriente del resistor está conectada, - una tensión eléctrica a través del resistor de freno (3) se mide durante por lo menos uno de los impulsos de corriente realizando una medición de la tensión, - la corriente del resistor se mide durante por lo menos uno de los impulsos de corriente realizando una medición de la corriente, - la medición de la corriente no se realiza antes del final (en el momento t0) de un primer intervalo de tiempo (ta; t0) de longitud definida (k) después del comienzo del impulso en el respectivo punto en el tiempo (ta), - la temperatura del resistor de freno (3), o una cantidad equivalente, se determina utilizando la tensión eléctrica, la corriente del resistor y un coeficiente de temperatura, o información adicional, del freno del resistor (3).
Description
Determinación de la temperatura de un resistor
de freno.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a una disposición para la determinación de la
temperatura de un resistor de freno, en el que se genera una
pluralidad de impulsos de corriente consecutivos de la corriente
transportada por el resistor de freno. Más particularmente, la
invención se refiere a aplicaciones de alta potencia, tales como en
el área de los vehículos de tracción de ferrocarriles, en las que la
energía cinética es transformada en energía eléctrica y en las que
la energía eléctrica o parte de la energía eléctrica puede ser
disipada en forma de calor mediante el resistor de freno durante el
frenado del vehículo. La invención también se refiere a un
procedimiento y a una disposición para proteger de daños el resistor
de freno.
Para muchas aplicaciones, la corriente eléctrica
transportada por el resistor de freno es conectada y desconectada
repetidamente. Por consiguiente, un diagrama, el cual representa la
corriente como una función del tiempo, comprende una pluralidad de
impulsos de corriente consecutivos. En la práctica, la frecuencia de
repetición de los impulsos puede estar en la gama de pequeños
múltiplos de 10 hercios hasta de 1 kHz. Sin embargo, las longitudes
de los impulsos se puede variar a fin de controlar la potencia
eléctrica disipada por el resistor. Además, el nivel de corriente
en el interior de un impulso o de diferentes impulsos se puede
variar.
Debido a la carga significante, en particular en
aplicaciones de alta potencia, la temperatura del resistor se
elevará y se puede destruir. A fin de mejorar la transferencia de
calor desde el resistor al ambiente, un fluido refrigerante puede
ser forzado a circular y pasar por el resistor, de modo que el
fluido se caliente. Sin embargo, esto únicamente incrementará el
límite de potencia eléctrica que puede ser disipada en potencia
calorífica por el resistor.
Se ha propuesto medir la temperatura del
resistor utilizando un sensor de temperatura (tal como por ejemplo
un par termoeléctrico o un sensor con una resistencia que dependa de
la temperatura) el cual está dispuesto tan cerca como sea posible
del resistor. En aplicaciones, en las que se aplican tensiones
eléctricas elevadas al resistor de freno, el sensor de la
temperatura a menudo tiene contacto directo con un potencial
eléctrico elevado. En estos casos, el sensor de temperatura se
desacopla eléctricamente del dispositivo el cual se utiliza para
evaluar la información medida a partir del sensor.
Otro enfoque es utilizar dos tipos diferentes de
material para el resistor de freno. Un primer material es el
material típico utilizado para los resistores de freno. El segundo
material tiene un coeficiente de temperatura muy bajo. La tensión
eléctrica entre los dos materiales se mide y se puede utilizar para
determinar la temperatura.
Desventajas de los enfoques descritos antes
son:
- Un dispositivo o un material adicional es
utilizado en el resistor de freno o cerca del resistor de freno.
- En aplicaciones de alta potencia, el equipo
adicional se utiliza en un entorno difícil. El efecto de los
impulsos de corriente, altas temperaturas y las posibles
oscilaciones eléctricas disminuirán la fiabilidad y la precisión de
la medición.
- La medición de la temperatura se realiza en un
único punto o en una parte limitada del resistor de freno. Por lo
tanto, los resultados de la medición pueden no representar la
temperatura del resistor de freno completo o de partes del resistor
con temperaturas más elevadas.
- En muchos casos, se utiliza más de un resistor
de freno en una y la misma disposición para la disipación en calor
de la energía eléctrica, en donde los diferentes resistores de freno
pueden estar eléctricamente conectados a diferentes fuentes de
energía eléctrica. Debido al esfuerzo, el cual es necesario para
medir y determinar la temperatura, típicamente sólo se supervisa
uno de los resistores. Sin embargo, pueden existir diferencias
significantes de las temperaturas de los resistores.
- Si se utiliza un sensor de la temperatura
separado para medir la temperatura del resistor de freno, el
resultado de la medición depende del coeficiente de transferencia
de calor del proceso de transferencia de calor desde el resistor de
fre-
no al ambiente. Por consiguiente, el resultado de la medición depende de la circulación forzada de fluido refrigerante.
no al ambiente. Por consiguiente, el resultado de la medición depende de la circulación forzada de fluido refrigerante.
El documento US 2002/0074804 A1 revela en la
figura 3 y en el texto correspondiente en los párrafos 25 a 28 una
disposición que comprende un bus de corriente continua el cual
conecta un convertidor de corriente alterna a corriente continua a
un convertidor de corriente continua a corriente alterna. Un
resistor de freno está conectado a través del bus de corriente
continua. La potencia en el bus de corriente continua se puede
disipar en el resistor de freno mediante la modulación de un
conmutador. Un sensor de tensión está también conectado a través
del bus de corriente continua para producir una señal de
retroalimentación de la tensión del bus de corriente continua la
cual se compara con una señal de la tensión conectada del resistor
de freno para producir una señal de error del bus de corriente
continua la cual se utiliza para controlar la modulación del
conmutador. Un limite de la potencia del resistor de freno se
utiliza para condicionar la señal de error del bus de corriente
continua. El documento revela en el párrafo 27, primera frase y en
la figura 3 (retroalimentación de la temperatura del resistor de
freno) que un límite de la potencia del resistor de freno se basa en
la temperatura medida o estimada del resistor de freno.
El documento DE 102 35 432 A1 revela un
procedimiento de llevar a cabo un diagnóstico del estado de
funcionamiento de un sistema de accionamiento electromagnético. Un
valor que depende de la temperatura de una resistencia de bobina
resulta a partir de una fórmula que contiene un coeficiente de
temperatura de la resistencia eléctrica.
El documento JP 10225158 revela un control para
una máquina de inducción. Una elevación de la temperatura de un
resistor de freno se estima a partir de la potencia regenerativa
determinada sobre la base de un valor que corresponde al momento de
torsión del motor de inducción y a una velocidad giratoria detectada
del mismo a fin de proteger el resistor de freno.
Es un objeto de la presente invención
proporcionar un procedimiento y una disposición para la
determinación de la temperatura de un resistor de freno los cuales
evitan por lo menos una de las desventajas mencionadas antes. El
procedimiento se revela en la reivindicación 1 y la disposición en
la reivindicación 14.
A pesar de la pluralidad de impulsos de
corriente, los cuales ocurren durante el funcionamiento del resistor
de freno, se propone medir la corriente del resistor y la tensión a
través del resistor y utilizar los resultados de la medición para
la determinación de la temperatura del resistor o para la
determinación de una cantidad equivalente (tal como por ejemplo una
tensión o un número que sea equivalente a la temperatura). Sin
embargo, puesto que el comportamiento transitorio de la corriente
del resistor puede influir en los resultados de la medición, se
tiene que tener un cuidado especial cuando se realizan las
mediciones. Por lo tanto, se propone realizar las mediciones en
puntos definidos en el tiempo o fuera de intervalos definidos. Este
aspecto será descrito con mayor detalle más adelante en este
documento.
En particular en aplicaciones de alta potencia,
se utilizan convertidores (tales como convertidores de línea de
corriente alterna a corriente continua, convertidores de corriente
continua a corriente continua o motores convertidores de corriente
continua a corriente alterna) a fin de proporcionar energía
eléctrica. Es una ventaja de la presente invención que un sensor de
tensión para la medición de la tensión a través del resistor de
freno (la cual puede ser igual a la tensión en un circuito
intermedio de corriente continua conectado al convertidor o a los
convertidores) esté generalmente presente a fin de realizar otras
tareas en tales aplicaciones. Por ejemplo, los valores de la
medición de la tensión son utilizados para controlar el
funcionamiento del convertidor o los convertidores. Además, un
sensor de corriente, el cual puede ser utilizado para medir la
corriente del resistor de freno, puede estar presente con el
propósito de supervisar el conmutador el cual es utilizado para
conectar y desconectar la corriente del resistor de freno.
Además, los valores de la medición se pueden
procesar mediante programas que estén adaptados a este propósito.
Por lo tanto, el esfuerzo en equipo adicional es pequeño. Además, se
propone utilizar programas para la determinación de la temperatura
del resistor de freno a partir de los valores de la medición.
Algoritmos simples y rápidos de implantar en los programas son
suficientes para determinar la temperatura.
La tensión y la corriente del resistor
preferiblemente se miden en ubicaciones las cuales están
térmicamente desacopladas del resistor de freno. Por lo tanto, el
sensor de tensión y el sensor de corriente no están afectados por
incremento alguno de la temperatura del resistor de freno. Además,
se puede utilizar un material normal para el resistor de freno. A
diferencia de uno de los enfoques descritos antes en este documento,
se prefiere utilizar un material que tenga un coeficiente de
temperatura comparativamente alto, puesto que la precisión del
resultado de la determinación aumenta con el coeficiente de la
temperatura. Por ejemplo, se puede utilizar un material con un
coeficiente de temperatura igual o mayor que 0,0003/K (por ejemplo
una aleación de níquel y cromo normal).
Es una ventaja adicional de la invención que el
resultado de la determinación no dependa del estado de
funcionamiento de ninguna circulación forzada la cual se causa para
refrigerar el resistor de freno, puesto que la precisión de la
determinación no se ve afectada por el proceso de transferencia de
calor desde el resistor de freno al ambiente.
En particular, se propone lo siguiente: un
procedimiento para la determinación de la temperatura de un resistor
de freno, en particular para la disipación en calor de la energía
cinética de un vehículo de tracción de un ferrocarril en el
que:
- durante el funcionamiento del resistor de
freno, una corriente del resistor transportada por el resistor de
freno es conectada y desconectada repetidamente, de modo que se
genera una pluralidad de impulsos de corriente consecutivos, en el
que el comienzo de cada uno de los impulsos está definido por el
punto respectivo en el tiempo en el que la corriente del resistor
está conectada,
- una tensión eléctrica a través del resistor de
freno se mide durante por lo menos uno de los impulsos de corriente
realizando una medición de la tensión,
- la corriente del resistor se mide durante por
lo menos uno de los impulsos de corriente realizando una medición
de la corriente,
- la medición de la corriente se realiza no
antes del final de un primer intervalo de tiempo de longitud
definida después del comienzo del impulso,
- la temperatura del resistor de freno, o una
cantidad equivalente, se determina utilizando la tensión eléctrica,
la corriente del resistor y un coeficiente de temperatura del freno
del resistor.
En lugar del coeficiente de temperatura, o
además del coeficiente de temperatura, se puede utilizar información
equivalente concerniente al comportamiento que depende de la
temperatura del resistor de freno. El término "resistor de
freno" incluye una combinación de resistores de freno los cuales
pueden estar conectados en paralelo o en serie entre sí.
La tensión eléctrica a través del resistor de
freno o la corriente del resistor pueden estar sometidas a
fluctuaciones o sometidas a otras alteraciones durante uno o más de
los impulsos. En particular, la tensión eléctrica puede ser la
tensión de un circuito intermedio de corriente continua y, por
consiguiente, puede mostrar el comportamiento de una tensión
constante con una fluctuación superpuesta. Alternativamente, la
tensión eléctrica puede ser una tensión alternativa, por ejemplo
una tensión sinusoidal. En este caso, el resistor de freno puede ser
accionado a la manera de control de fase, es decir el ángulo de
fase del tiempo de conmutación puede ser variado a fin de ajustar
la potencia eléctrica disipada por el resistor de freno.
Además, la tensión a través del resistor de
freno no es necesariamente idéntica a la tensión entre los dos
terminales opuestos del resistor de freno. En cambio, es suficiente
medir la tensión en las terminales de un bucle eléctrico el cual
comprende el resistor de freno y posiblemente otras piezas y
conexiones. Por consiguiente, una tensión de inducción puede ser
inducida en el bucle, cuando la corriente del resistor de freno está
conectada.
Puesto que la medición de la corriente se
realiza no antes del final del primer intervalo de tiempo después
del comienzo del impulso, se puede excluir el efecto adverso de las
inductividades. En particular, un tiempo constante puede ser
definido por el cociente de una inductancia del bucle y de una
resistencia del resistor de freno. La inductancia del bucle es una
inductancia efectiva del resistor de freno y de todas las otras
piezas, dispositivos y conexiones las cuales transportan la
corriente del resistor durante los impulsos de corriente. Para esta
forma de realización, se propone que la longitud del primer
intervalo de tiempo sea por lo menos tres veces la constante de
tiempo, preferiblemente cuatro veces la constante de tiempo.
Si la tensión a través del resistor de freno, la
cual se mide (por ejemplo, la tensión de un circuito intermedio de
corriente continua) es casi constante, se puede medir antes del
final del primer intervalo de tiempo.
Por ejemplo, una señal de control para controlar
el proceso de conmutación de la conexión de la corriente del
resistor se puede utilizar para controlar la temporización de las
mediciones. Un proceso de retraso de tiempo (el cual se puede
implantar en los programas) puede ser iniciado por la señal de
control. El proceso de retraso retrasa la generación o la salida de
una segunda señal en la longitud del primer intervalo de tiempo.
Controladas por la generación o la salida de la segunda señal, se
realizan las mediciones. Por ejemplo, las mediciones se pueden
realizar por muestreo o guardando (por ejemplo en una memoria de
datos digital) el respectivo valor de la medición.
Alternativamente, una señal de bloqueo, la cual
bloquea la ejecución o la utilización de los valores de las
mediciones durante el primer intervalo de tiempo, puede ser liberada
o cancelada al final del primer intervalo de tiempo. Sin embargo,
se pueden utilizar otros procedimientos o dispositivos, también o
alternativamente, para controlar y para la temporización de las
mediciones.
Además, un procedimiento de control o un
dispositivo de control para controlar la generación de los impulsos
de corriente se puede adaptar para generar impulsos de corriente que
tengan una longitud mínima de por lo menos la longitud del primer
intervalo de tiempo. Esto garantizará que las mediciones se puedan
realizar durante cualquiera de los impulsos de corriente.
Preferiblemente, la medición de la tensión y la
medición de la corriente se realizan dentro de un segundo intervalo
de tiempo de una longitud definida durante el impulso de corriente.
Por ejemplo, la longitud del segundo intervalo de tiempo se define
utilizando información sobre fluctuaciones típicas de la tensión o
de la corriente que se va a medir. Con esta forma de realización,
la medición de la corriente y la medición de la tensión se pueden
realizar una después de la otra. Por otra parte, se puede obtener un
resultado preciso de la determinación a partir de los resultados de
la medición. En particular debido a esta forma de realización,
puede ser suficiente hacer un muestreo de la tensión eléctrica o la
corriente del resistor una vez durante el impulso de corriente.
A fin de determinar la temperatura del resistor
de freno (o la cantidad equivalente) la resistencia del resistor de
freno se puede calcular utilizando la tensión eléctrica y la
corriente del resistor. Por ejemplo, se puede utilizar la siguiente
ecuación para calcular la resistencia:
R1 = U/I =
R0*\left(1 + \alpha *(\theta 1 - \theta
0)\right)
En donde R1 es la resistencia del resistor de
freno a la temperatura \theta1 que se va a determinar, en donde
R0 es la resistencia del resistor de freno a una temperatura de
referencia \theta0, en donde \alpha es el coeficiente de
temperatura del resistor de freno, en donde U es la tensión
eléctrica medida a través del resistor de freno y en donde I es la
corriente medida del resistor.
La tensión eléctrica y la corriente del resistor
se pueden medir durante un impulso de corriente de referencia, en
donde el resistor de freno tiene una temperatura conocida o una
temperatura definida durante el impulso de corriente de referencia,
en donde se calcula un valor de referencia utilizando la tensión
eléctrica medida y la corriente del resistor medida y en donde el
valor de referencia se utiliza para determinar la temperatura del
resistor de freno. Por ejemplo, el valor de referencia puede ser la
resistencia R0 del resistor de freno a la temperatura de referencia
\theta0.
En algunas situaciones o para algunas
aplicaciones, las fluctuaciones de la tensión eléctrica que se va a
medir durante el impulso de corriente pueden resultar en un
resultado de determinación imprecisa. En particular para este caso,
se propone realizar repetidamente la medición de la tensión y la
medición de la corriente durante una pluralidad de impulsos, para
calcular un valor promedio el cual representa los resultados medidos
de la pluralidad de los impulsos y determinar la temperatura del
resistor de freno utilizando el valor promedio.
Como se ha mencionado antes en este documento,
la invención se puede utilizar a fin de proteger el resistor de
freno de daños. En particular, la tensión eléctrica medida y la
corriente medida del resistor pueden ser utilizadas para determinar
un calor o una potencia calorífica disipada por el resistor de
freno. Después, el calor o la potencia calorífica se pueden
utilizar, por ejemplo, para controlar una disposición de
refrigeración forzada, la cual está adaptada para refrigerar el
resistor de freno. Por ejemplo, la disposición de refrigeración
forzada, la cual está adaptada para refrigerar el resistor de freno
puede ser accionada si la resistencia del resistor de freno, la
temperatura del resistor de freno o una cantidad equivalente excede
de un primer valor umbral.
Además, el calor o la potencia calorífica
disipada por el resistor de freno se puede adaptar o limitar, si la
resistencia del resistor de freno, la temperatura del resistor de
freno o una cantidad equivalente excede de un segundo valor umbral
y del primer valor umbral.
En una forma de realización adicionales, un
proceso de conmutación de la conexión y desconexión de la corriente
del resistor de freno puede ser bloqueado si la resistencia del
resistor de freno, la temperatura del resistor de freno o una
cantidad equivalente excede de un tercer valor umbral, del segundo
valor umbral y del primer valor.
Además, una fuente de tensión para suministrar
la tensión eléctrica se puede desconectar a partir de un conmutador
si la resistencia del resistor de freno, la temperatura del resistor
de freno o una cantidad equivalente excede de un cuarto valor
umbral, del tercer valor umbral, del segundo valor umbral y del
primer valor umbral, en donde el conmutador se utiliza para
realizar el proceso de conmutación de la corriente del resistor.
Preferiblemente, los valores umbrales primero a
cuarto tiene valores que se elevan en su orden consecutivo, es
decir, el segundo valor umbral es mayor que el primer valor umbral y
así sucesivamente.
Además, una disposición para la determinación de
la temperatura de un resistor de freno, en particular un resistor
de freno para disipar en forma de calor la energía cinética de un
vehículo de tracción de un ferrocarril, puede comprender lo
siguiente:
- un dispositivo de conmutación para conectar y
desconectar repetidamente una corriente del resistor transportada
por el resistor de freno durante el funcionamiento del resistor de
freno, de modo que se genera una pluralidad de impulsos de
corriente consecutivos, en donde el comienzo de cada uno de los
impulsos está definido por un punto respectivo en el tiempo cuando
la corriente del resistor está conectada,
- un dispositivo de medición de la tensión para
medir una tensión eléctrica a través del resistor de freno durante
por lo menos uno de los impulsos de corriente,
- un dispositivo de medición de la corriente
para medir la corriente del resistor durante el por lo menos uno de
los impulsos de corriente,
- un dispositivo de cálculo adaptado para
calcular la temperatura del resistor de freno, o calcular una
cantidad equivalente, en donde el dispositivo de cálculo está
conectado con una salida del dispositivo de medición de la tensión
y con una salida del dispositivo de medición de la corriente,
- un dispositivo de temporización, en el que el
dispositivo de temporización está adaptado para controlar la
disposición de modo que la medición de la corriente se realiza no
antes del final de un primer intervalo de tiempo de longitud
definida después del comienzo del por lo menos uno de los impulsos
durante el cual se realizan las mediciones.
Los impulsos se pueden generar de diferentes
modos en diferentes formas de realización de la invención. En
particular, un conmutador de semiconductor controlable, por ejemplo
un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) puede ser utilizado
para conectar y desconectar la corriente del resistor. Sin embargo,
se pueden utilizar dispositivos de conmutación alternativos, tales
como dispositivos que comprendan por lo menos un tiristor. En este
caso, el final de un impulso puede estar definido por el momento en
el que el tiristor se convierte en no conductor. Por lo tanto, el
dispositivo de conmutación puede o no puede conectar o desconectar
activamente la corriente del resistor.
Puede estar provisto un dispositivo de control
el cual está conectado al dispositivo de cálculo y está adaptado
para controlar el dispositivo de conmutación dependiendo del
resultado del cálculo del dispositivo de cálculo.
\newpage
Alternativamente o además, la disposición puede
comprender un dispositivo de control el cual está conectado al
dispositivo de cálculo y está adaptado para controlar un conmutador
principal que depende del resultado del cálculo del dispositivo de
cálculo, en donde el conmutador principal está dispuesto de modo que
puede desconectar una fuente de tensión para el suministro de
tensión eléctrica desde el dispositivo de conmutación.
Alternativamente o además, la disposición puede
comprender un dispositivo de control el cual está conectado al
dispositivo de cálculo y está adaptado para controlar un dispositivo
de circulación forzada que depende del resultado del cálculo del
dispositivo de cálculo, en donde el dispositivo de circulación
forzada está adaptado y dispuesto para forzar la circulación de un
fluido de refrigeración a fin de refrigerar el resistor de
freno.
Ejemplos de la presente invención serán
descritos con mayor detalle en lo que sigue a continuación con
referencia a los dibujos adjuntos. Las figuras de los dibujos
representan:
Figura 1, un diagrama que muestra una serie de
impulsos de la corriente del resistor como una función del
tiempo,
Figura 2, una disposición para transferir
energía eléctrica desde una red de suministro de energía a un motor
de un vehículo de tracción de un ferrocarril y viceversa,
Figura 3, una disposición para la refrigeración
forzada de resistores de freno y
Figura 4, una forma de realización preferida de
una disposición para la determinación de la temperatura de un
resistor de freno.
En la figura 1, se pueden reconocer tres
impulsos de la corriente del resistor de freno iRB como una función
del tiempo t. Cada uno de los impulsos empieza en un punto en el
tiempo ta (tiempo de comienzo), cuando se conecta la
corriente del resistor iRB. A continuación, la corriente del
resistor iRB se eleva según una función f =
q*(1-exp(-p*t)),
en donde q y p son constantes positivas y en donde "exp" indica una función exponencial. En particular, q es el cociente de una tensión UD y una resistencia del resistor de freno RB, en donde UD es la tensión a través del resistor de freno. Además, p es la inversa de la constante de tiempo \tauRB (véase más adelante en este documento).
en donde q y p son constantes positivas y en donde "exp" indica una función exponencial. En particular, q es el cociente de una tensión UD y una resistencia del resistor de freno RB, en donde UD es la tensión a través del resistor de freno. Además, p es la inversa de la constante de tiempo \tauRB (véase más adelante en este documento).
Un intervalo de tiempo k después del momento de
comienzo ta la corriente del resistor iRB se convierte en
una función meramente constante hasta que se desconecta la corriente
del resistor iRB en el momento tb. Sin embargo, la corriente
del resistor iRB está sometida a fluctuaciones debido a las
fluctuaciones de la tensión UD a través del resistor de freno. La
tensión UD como una función del tiempo es también parte del diagrama
representado en la figura 1.
El final del intervalo de tiempo k está marcado
en el momento t0 para el impulso en el lado de mano izquierda. En
una forma de realización preferida del procedimiento según la
presente invención, la longitud del intervalo de tiempo k se escoge
para que sea igual a 4 * \tauRB = 4 * LRB/RB, en donde \tauRB es
la constante de tiempo anteriormente mencionada la cual es igual a
la inductancia efectiva LRB del resistor de freno y de los otros
elementos en la trayectoria de la corriente (incluyendo la
inductancia del bucle formado por la propia trayectoria) la cual
transporta la corriente del resistor durante los impulsos de
corriente dividida por la resistencia RB del resistor de freno.
Impulsos consecutivos siguen a una frecuencia
fCH=1/TCH, en donde TCH es la longitud del intervalo de tiempo
entre el momento de comienzo ta de cualquiera de dos impulsos
consecutivos.
Durante impulso en el lado de mano izquierda, la
corriente del resistor iRB y la tensión UD a través del resistor se
muestrean una después de la otra en el momento t1 (la corriente) y
en el momento t2 (la tensión). Sin embargo, t2 puede ser anterior a
t1. En particular, la medición de la tensión se puede realizar
durante el intervalo de tiempo k.
En el ejemplo representado en la figura 1, los
dos puntos en el tiempo t1, t2 son después del final del intervalo
de tiempo k. Además, el intervalo de tiempo entre el momento t1 y el
momento t2 es más corto que una longitud previamente definida a fin
de asegurar que la medición de la tensión y la medición de la
corriente se realizan en el mismo estado funcional del resistor de
freno. Preferiblemente, las mediciones se realizan durante cada uno
de los impulsos de la misma manera.
La disposición representada en la figura 2 está
conectada a una red de suministro de energía 17, por ejemplo a
través de un colector de corriente 19 el cual está conectado a una
línea de tensión de corriente continua de la red de suministro de
energía 17. Un inductor 21 y un conmutador principal 9 están
conectados en serie al colector de corriente 19. Abriendo el
conmutador principal 9, la red de suministro de energía 17 se puede
desacoplar eléctricamente de un circuito intermedio de corriente
continua 8 de la disposición. El circuito intermedio de corriente
continua 8 puede comprender un capacitor, o más de uno, 23 el cual
conecta las líneas de corriente continua 6a, 6b de circuito
intermedio de corriente continua 8. El conmutador principal 9 está
directamente conectado a la línea 6a. La otra línea 6b está
conectada al potencial de tierra a través de un contacto de
potencial de tierra 25. Un convertidor 27 (el cual es un convertidor
de tres fases de corriente continua a corriente alterna en el
ejemplo representado) está conectado a las líneas 6a, 6b. El
convertidor 27 está adaptado para suministrar energía eléctrica a
través de tres líneas de corriente alterna a un motor 28. El motor
28 puede ser un motor de tracción de un vehículo de tracción de un
ferrocarril, tal como por ejemplo un tranvía.
Durante el funcionamiento del motor 28, puede
generar energía eléctrica la cual puede ser retroalimentada dentro
de la red de suministro de energía 17. Sin embargo, en particular
durante el proceso de frenado del vehículo, puede no ser posible
retroalimentar la cantidad completa de la energía eléctrica
generada. Para este propósito, un resistor de freno 3a está
conectado entre las líneas 6a, 6b a través de una disposición de
interruptor pulsatorio. La disposición de interruptor pulsatorio
comprende un conmutador electrónico 10 (tal como por ejemplo un
transistor bipolar de puerta aislada IGBT), en donde un diodo 11
está dispuesto en anti-paralelo al conmutador 10.
Un diodo adicional 12 está conectado en serie al conmutador 10 y al
diodo 11, de modo que la conexión en serie conecta las líneas 6a,
6b. Un primer lado del resistor de freno 3a está conectado a una
conexión eléctrica entre el diodo 12 y el conmutador 10. El lado
opuesto del resistor de freno 3a está conectado a la línea 6b.
Conectando y desconectando el conmutador 10, la corriente del
resistor de freno se conecta y se desconecta, de modo que se
generan los impulsos de corriente representados en la figura 1, por
ejemplo.
Un sensor de corriente 7 está dispuesto en la
conexión entre el conmutador 10 y el resistor de freno 3a. Además
un sensor de tensión 5 está dispuesto de modo que pueden medir la
tensión entre las líneas 6a, 6b. Esta tensión es igual a la tensión
a través del resistor de freno 3a si el conmutador 10 está conectado
y si ninguna inductividad en la trayectoria de la corriente del
resistor que afecte a la medición. Puesto que la medición se realiza
después de un intervalo de tiempo k tales efectos pueden ser
despreciados. Según una forma de realización preferida, se escogen
otras resistencias en la trayectoria de la corriente del resistor,
de modo que tales resistencias puedan ser despreciadas comparadas
con la resistencia del resistor de freno.
Un resistor de freno adicional 3b está
representado en la figura 2. Los resistores de freno 3a, 3b están
combinados en una disposición de refrigeración para refrigerar
comúnmente los resistores de freno. Un bastidor rectangular de
líneas discontinuas rodea la disposición de refrigeración en la
figura 2. El resistor de freno adicional 3b puede estar conectado a
una disposición de convertidor adicional de una manera similar a la
que se ha representado para el primer resistor de freno 3a en la
figura 2. La disposición de refrigeración está representada en
detalle en la figura 3. Los resistores de freno 3a, 3b están
dispuestos en un paso de aire 29 provisto de una admisión de aire
(en la parte inferior de la figura 3) y provisto de una salida de
aire (en la parte superior de la figura 3). Un ventilador 30 está
dispuesto en el paso de aire 29, cerca de la admisión de aire. Los
resultados de la medición de la corriente del resistor de freno del
resistor de freno 3b y los resultados medidos de la tensión a
través del resistor de freno 3b también se pueden obtener de la
misma manera que para el resistor de freno 3a y el ventilador 30
puede ser accionado dependiendo de los resul-
tados de la medición del resistor de freno 3b y dependiendo de los resultados de la medición del resistor de freno 3a.
tados de la medición del resistor de freno 3b y dependiendo de los resultados de la medición del resistor de freno 3a.
La disposición para la determinación de la
temperatura del resistor de freno y para controlar el funcionamiento
del resistor de freno representada en la figura 4 comprende el
sensor de tensión 5 y el sensor de corriente 7 de la disposición
representada en la figura 2. Los sensores 5, 7 están conectados a un
dispositivo de cálculo el cual puede ser parte de la unidad de
control central para controlar el funcionamiento de la disposición
representada en la figura 2, incluyendo el convertidor 27. Está
provisto un dispositivo de temporización 14 el cual está conectado
al dispositivo de cálculo 13. En una disposición alternativa, el
dispositivo de temporización puede estar conectado directamente a
por lo menos uno de los sensores de medición 5, 7 o puede ser parte
del dispositivo de cálculo 13. Un dispositivo de control 15 para el
control del funcionamiento del resistor de freno está conectado al
dispositivo de cálculo 13. Además, un ventilador 30 para la
refrigeración del resistor de freno y el conmutador principal 9
están conectados al dispositivo de control
15 de modo que el ventilador y el conmutador principal 9 pueden estar controlados por el dispositivo de control 15.
15 de modo que el ventilador y el conmutador principal 9 pueden estar controlados por el dispositivo de control 15.
Preferiblemente, el dispositivo de cálculo 13,
el dispositivo de temporización 14 o el dispositivo de control 15
pueden estar realizados mediante los programas.
El funcionamiento de la disposición de la figura
4 puede ser como sigue a continuación. Las señales de medición a
partir del sensor de corriente 7 y a partir del sensor de tensión 5
son generadas permanentemente o son generadas repetidamente y son
transferidas al dispositivo de cálculo 13. Dependiendo de una señal
de disparo generada por y transferida desde el dispositivo de
temporización 14, el dispositivo de cálculo 13 hace un muestreo de
las señales de medición a fin de obtener los valores de medición
correspondientes. Utilizando los valores de medición y utilizando
información adicional sobre el comportamiento térmico del resistor
de freno, el dispositivo de cálculo determina la temperatura del
resistor de freno. En particular, el dispositivo de temporización
14 genera una primera señal de disparo a fin de disparar el muestreo
de la señal de medición de la tensión (o la señal de medición de la
corriente) y genera una segunda señal de disparo a fin de disparar
el muestreo de la señal de medición de la corriente (o de la señal
de medición de la tensión). Las señales de disparo primera y
segunda son generadas o transferidas al dispositivo de cálculo 13 no
antes del in-
tervalo de tiempo definido (intervalo k en el ejemplo de la figura 1) después del comienzo de un impulso de corriente.
tervalo de tiempo definido (intervalo k en el ejemplo de la figura 1) después del comienzo de un impulso de corriente.
Además, el dispositivo de cálculo 13 calcula la
potencia (gama) de energía eléctrica la cual es disipada en calor
por el resistor de freno. Si se exceden ciertos valores umbrales
definidos, el dispositivo de cálculo 13 emite de salida una señal
de control correspondiente al dispositivo de control 15. Dependiendo
de estas señales de control, el dispositivo de control 15 controla
el funcionamiento del conmutador 10 (a fin de controlar la potencia
calorífica disipada), el funcionamiento del ventilador 30 (a fin de
controlar la refrigeración del resistor de freno) y el
funcionamiento del conmutador principal 9 (a fin de desconectar la
disposición completa, si es necesario y, por ejemplo, si el
conmutador 10 es defectuoso).
En una disposición alternativa, el dispositivo
de cálculo 13 y el dispositivo de control 15 puede ser parte de la
misma unidad de procesamiento de datos.
En lo que sigue a continuación en este
documento, se describe un ejemplo para la determinación de la
temperatura del resistor de freno y para controlar su
funcionamiento.
En particular, este ejemplo se refiere a
vehículos de ferrocarriles los cuales recogen la energía eléctrica
a partir de un cable eléctrico y en el cual está implantado un
proceso de frenado eléctrico. Un ejemplo para un vehículo de este
tipo es la disposición de la figura 2. La energía eléctrica, la cual
es generada durante el frenado, puede ser retroalimentada en la red
de suministro de energía o puede ser disipada en calor utilizando
el resistor de freno. Es posible cualquier combinación de
retroalimentación y de disipación en calor. Por ejemplo, la
potencia calorífica disipada se puede controlar mediante la
adaptación de la amplitud del impulso de los impulsos de corriente.
Disposiciones correspondientes se pueden utilizar con vehículos de
tracción eléctricos-diesel y con vehículos de
tracción los cuales están conectados a una red de suministro de
energía de corriente alterna.
La temperatura del resistor de freno puede ser
determinada de la siguiente manera: durante un impulso de corriente,
se miden la corriente del resistor de freno iRB y la tensión UD a
través del resistor de freno. La correspondiente resistencia RBakt
del resistor de freno está definida por:
RBakt =
UD(t2)/iRB(t1),
en donde t2, t1 son los momentos
respectivos de las mediciones durante el mismo impulso de corriente
(véase por ejemplo la figura 1). Preferiblemente, estas mediciones
se realizan tan cerca como sea posible una de la otra. La
diferencia máxima en tiempo entre las mediciones, la cual se puede
tolerar, depende de las fluctuaciones de la tensión (y por lo tanto
depende de la capacidad de la disposición, en particular del
capacitor 23, depende de la resistencia del resistor de freno y
depende de la frecuencia de repetición de los impulsos de
corriente). La ecuación que describe la relación entre la
resistencia RBakt y la temperatura, ha sido introducida antes en
este documento. La ecuación se puede escribir como sigue a
continuación:
\theta RBakt =
\theta RBref +
((RBakt/RBref)-1)/\alpha
en donde \thetaRBakt es la
temperatura que se va a determinar, en donde \thetaRBref es la
temperatura de referencia, en donde RBref es la resistencia
correspondiente a la temperatura de referencia \thetaRBref y en
donde \alpha es el coeficiente de temperatura el cual se puede
suponer que es constante en muchos casos. La resistencia RBref
puede ser determinada midiendo la tensión y la corriente a una
temperatura conocida (por ejemplo, mediante medición) o después de
un largo período de tiempo durante el cual el resistor de freno ha
estado desconectado. Por ejemplo, se puede generar un impulso de
corriente de prueba a fin de realizar las mediciones de referencia.
El impulso de corriente de prueba puede ser corto o la medición se
puede realizar inmediatamente después del final del primer
intervalo de tiempo definido el cual se inicia al comienzo del
impulso de corriente. Además o alternativamente, tales impulsos de
prueba pueden ser realizados para otro propósito: si el resistor de
freno no ha sido conectado durante un largo período de tiempo, un
impulso de prueba de este tipo puede ser realizado repetidamente y
la temperatura se puede determinar evaluando los valores de las
mediciones de la corriente y de la tensión a fin de supervisar la
temperatura. En particular en este caso, los impulsos de prueba
tienen que ser tan cortos como sea posible (por ejemplo, las
mediciones se deben realizar inmediatamente después del final del
primer intervalo de tiempo k y el impulso de prueba se debe
terminar inmediatamente después de las
mediciones).
Por ejemplo, la corriente del resistor de freno
iRB puede estar en la gama desde 200 A hasta 1,5 kA para una
aplicación de alta potencia con una tensión de corriente continua UD
en el circuito intermedio de corriente continua en la gama desde
2,5 kV hasta 4 kV.
En particular si el efecto de las fluctuaciones
de la tensión entre la medición de la tensión y la medición de la
corriente del resistor de freno no se puede despreciar, se propone
evaluar una pluralidad de resultados de mediciones tomadas durante
una pluralidad de impulsos de corriente y calcular el valor promedio
de la resistencia del resistor de freno y de la temperatura según
las siguientes ecuaciones:
en donde N es el número de
mediciones de la tensión las cuales se
evalúan.
\newpage
Para la determinación de la potencia calorífica
PRB disipada por el resistor de freno, se puede utilizar el producto
de la tensión medida UD y de la corriente medida iRB y la potencia
promedio PRB_{\_mean} relacionada con cada impulso se puede
calcular como sigue a continuación:
PRB_{\_mean}
= UD(t2) * iRB(t1) * tRB +
fCH,
en donde tRB es la duración del
impulso de corriente y en donde fCH es la frecuencia de repetición
de los impulsos (véase la figura
1).
Además, se propone que se calcule la siguiente
expresión a fin de determinar si se va a conectar un dispositivo de
circulación forzada para la refrigeración del resistor de freno, tal
como el ventilador 30:
en donde PRB_{\_cont} es la
máxima potencia calorífica, la cual puede ser disipada por el
resistor de freno sin circulación forzada. El signo \Sigma denota
la suma de la expresión (PRB_{\_mean} - PRB_{\_cont}) para una
serie de impulsos de corriente consecutivos multiplicada por el
tiempo t. Si la suma se hace negativa, se establece cero. La
circulación forzada se conecta si la energía calculada excede de un
valor
umbral.
Claims (17)
1. Un procedimiento para la determinación de la
temperatura de un resistor de freno (3), en particular un resistor
de freno (3) para la disipación en calor de la energía cinética de
un vehículo de tracción de un ferrocarril, en el que:
- durante el funcionamiento del resistor de
freno (3), una corriente del resistor transportada por el resistor
de freno (3) es conectada y desconectada repetidamente, de modo que
se genera una pluralidad de impulsos de corriente consecutivos, en
el que el comienzo de cada uno de los impulsos está definido por el
punto respectivo en el tiempo (ta) en el que la corriente del
resistor está conectada,
- una tensión eléctrica a través del resistor de
freno (3) se mide durante por lo menos uno de los impulsos de
corriente realizando una medición de la tensión,
- la corriente del resistor se mide durante por
lo menos uno de los impulsos de corriente realizando una medición
de la corriente,
- la medición de la corriente no se realiza
antes del final (en el momento t0) de un primer intervalo de tiempo
(ta; t0) de longitud definida (k) después del comienzo del impulso
en el respectivo punto en el tiempo (ta),
- la temperatura del resistor de freno (3), o
una cantidad equivalente, se determina utilizando la tensión
eléctrica, la corriente del resistor y un coeficiente de
temperatura, o información adicional, del freno del resistor
(3).
2. El procedimiento de la reivindicación 1 en el
que la medición de la tensión y la medición de la corriente se
realizan dentro de un segundo intervalo de tiempo de longitud
definida durante el impulso de corriente.
3. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la constante de tiempo se
define mediante el cociente de una inductancia de bucle y de una
resistencia del resistor de freno (3), en donde la inductancia de
bucle es una inductancia efectiva del resistor de freno (3) y de
todas las otras piezas, dispositivos y conexiones las cuales
transportan la corriente del resistor durante los impulsos de
corriente y en el que la longitud del primer intervalo de tiempo es
por lo menos tres veces la constante de tiempo, preferiblemente por
lo menos cuatro veces la constante de tiempo.
4. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que se calcula la resistencia del
resistor de freno (3) utilizando la tensión eléctrica y la corriente
del resistor.
5. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que se realiza un muestreo de la
tensión eléctrica o la corriente del resistor una vez durante el
impulso de corriente.
6. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la tensión eléctrica y la
corriente del resistor se miden una después de la otra durante el
impulso de corriente.
7. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la tensión eléctrica y la
corriente del resistor se miden durante un impulso de corriente de
referencia, en el que el resistor de freno (3) tiene una
temperatura conocida o una temperatura definida durante el impulso
de corriente de referencia, en el que se calcula un valor de
referencia utilizando la tensión eléctrica medida y la corriente del
resistor medida y en el que el valor de referencia se utiliza para
determinar la temperatura del resistor de freno (3).
8. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la medición de la tensión y
la medición de la corriente se realizan repetidamente durante una
pluralidad impulsos, se calcula un valor promedio del cual
representa los resultados de las mediciones de la pluralidad de los
impulsos y en el que la temperatura del resistor de freno (3) se
determina utilizando el valor promedio.
9. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que la tensión eléctrica medida y
la corriente del resistor medida se utilizan para determinar un
calor o una potencia calorífica disipada por el resistor de freno
(3) y en el que el calor o la potencia calorífica se utiliza para
controlar una disposición de refrigeración forzada, la cual está
dispuesta para refrigerar el resistor de freno (3).
10. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que una disposición de
refrigeración forzada, la cual está adaptada para refrigerar el
resistor de freno (3), es accionada si la resistencia del resistor
de freno (3), la temperatura del resistor de freno (3) o una
cantidad equivalente excede de un primer valor umbral.
11. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que el calor o la potencia
calorífica disipada por el resistor de freno (3) se adapta o se
limita si la resistencia del resistor de freno (3), la temperatura
del resistor de freno (3) o una cantidad equivalente excede de un
segundo valor umbral y del primer valor umbral.
12. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que se bloquea un proceso de
conmutación de conexión o desconexión de la corriente del resistor
de freno si la resistencia del resistor de freno (3), la
temperatura del resistor de freno (3) o una cantidad equivalente
excede de un tercer valor umbral, del segundo valor umbral y del
primer valor umbral.
13. El procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores en el que una fuente de tensión para
suministrar tensión eléctrica se desconecta de un conmutador si la
resistencia del resistor de freno (3), la temperatura del resistor
de freno (3) o una cantidad equivalente excede de un cuarto valor
umbral, del tercer valor umbral, de segundo valor umbral y del
primer valor umbral, en el que el conmutador se utiliza para
realizar el proceso de conmutación.
14. Una disposición para la determinación de la
temperatura de un resistor de freno (3), en particular un resistor
de freno (3) para la disipación en calor de energía cinética de un
vehículo de tracción de un ferrocarril, en donde la disposición
comprende:
- un dispositivo de conmutación (10) para
conectar y desconectar repetidamente una corriente del resistor
transportada por el resistor de freno (3) durante el funcionamiento
del resistor de freno (3), de modo que se genera una pluralidad de
impulsos de corriente consecutivos, en donde el comienzo de cada uno
de los impulsos está definido por un punto respectivo en el tiempo
(ta) cuando la corriente del resistor está conectada,
- un dispositivo de medición de la tensión (5)
para medir una tensión eléctrica a través del resistor de freno (3)
durante por lo menos uno de los impulsos de corriente,
- un dispositivo de medición de la corriente (7)
para medir la corriente del resistor durante el por lo menos uno de
los impulsos de corriente,
- un dispositivo de cálculo (13) adaptado para
calcular la temperatura del resistor de freno (3), o calcular una
cantidad equivalente, en donde el dispositivo de cálculo (13) está
conectado con una salida del dispositivo de medición de la tensión
(5) y con una salida del dispositivo de medición de la corriente
(7),
- un dispositivo de temporización (14), en el
que el dispositivo de temporización (14) está adaptado para
controlar la disposición de modo que la medición de la corriente se
realiza no antes del final de un primer intervalo de tiempo (ta;
t0) de longitud definida (k) después del comienzo del por lo menos
uno de los impulsos durante el cual se realizan las mediciones.
15. La disposición según la reivindicación 14
que comprende un dispositivo de control (15) el cual está conectado
al dispositivo de cálculo (13) y está adaptado para controlar el
dispositivo de conmutación (10) dependiendo del resultado de
cálculo del dispositivo de cálculo (13).
16. La disposición según cualquiera de las dos
reivindicaciones anteriores que comprende un dispositivo de control
(15) el cual está conectado al dispositivo de cálculo (13) y está
adaptado para controlar un conmutador principal (9) que depende del
resultado del cálculo del dispositivo de cálculo (13), y en la que
el conmutador principal (9) está dispuesto de modo que puede
desconectar una fuente de tensión para suministrar la tensión
eléctrica desde el dispositivo de conmutación (10).
17. La disposición según cualquiera de las tres
reivindicaciones anteriores que comprende un dispositivo de control
(15) el cual está conectado al dispositivo de cálculo (13) y está
adaptado para controlar un dispositivo de circulación forzada (30)
que depende del resultado de cálculo del dispositivo de cálculo (3),
en el que el dispositivo de circulación forzada (30) está adaptado
y dispuesto para forzar la circulación de un fluido refrigerante a
fin de refrigerar el resistor de freno (3).
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