ES2340977B1 - Sistema de alimentacion de catenaria con reparto activo de corriente entre dos subestaciones electricas. - Google Patents

Abstract

Sistema de alimentación de catenaria con reparto activo de corriente entre dos subestaciones eléctricas, donde, respecto de una catenaria (1) que se extiende entre unas primera y segunda subestaciones (4,5), sirviendo a una vía (2) que se desplaza a lo largo de una máquina móvil (3), comprendiendo un primer convertidor (4a) en la primera subestación (4), un segundo convertidor (5a) en la segunda subestación (5), un generador de función matemática (6), un calculador aritmético restador (7), y un controlador de servo (8); dichos primer (4a) y segundo (5a) convertidores de energía funcionan como transconductancias, cada uno en un extremo de la catenaria (1) de la vía (2), donde se desplaza la máquina móvil (3), el generador de función matemática (6) toma los valores medidos del voltaje V_{1} (4b) en la subestación (4) y del voltaje V_{2} (5b) en la subestación (5) produciendo una salida dada al calculador aritmético restador (7).

Description

Sistema de alimentación de catenaria con reparto activo de corriente entre dos subestaciones eléctricas.

Campo de la invención

Esta invención concierne a un sistema destinado a mejorar las prestaciones en una línea eléctrica de ferrocarril (tren, tranvía, metro,...), definida en esencia por una catenaria que se extiende entre una primera subestación y una segunda subestación, y que sirve a una vía por la que se desplaza una máquina móvil. En las subestaciones existen sendos convertidores de corriente en corriente continua o alterna que es suministrada a la máquina móvil para su funcionamiento.

Estado de la técnica anterior

Son conocidas instalaciones en las que los convertidores de corriente alterna/continua son sin regular. Considerando por ejemplo en ac/dc que éstos sean de un cuadrante (sin recuperación de la energía de frenado, es decir, que las corrientes no pueden ser negativas) y que sea constante la potencia consumida en el tramo de catenaria entre las subestaciones, este tipo de instalación resulta menos económica en su explotación que la que sea capaz de recuperar energía.

En tales condiciones, cuando la máquina se encuentra en el centro del tramo (más precisamente, en el lugar intermedio en que sea igual la caída de tensión en los subtramos de catenaria entre la posición de la máquina y cada subestación) cada subestación ha de suministrar la mitad del consumo de la máquina; y, cuando la máquina se encuentra junto a una de las subestaciones, sería ésta la que habría de suministrar el total del consumo. Por un lado, esto supone dimensionar cada subestación para la situación más desfavorable, es decir, la de tener que suministrar el total de la potencia consumida por la máquina, aunque según avanza la máquina la potencia requerida vaya descendiendo a la par que la otra subestación va suministrando una parte creciente de potencia hasta que la máquina llegue junto a ella y se produzca la situación inversa, que toda la potencia tenga que ser suministrada por ella y nada por la primera; lo cual, supone un coste de equipamiento doble del que se necesitaría si fuera posible que en cualquiera de los puntos del trayecto de la máquina la potencia consumida por ésta pudiera ser dada a medias por ambas subestaciones. Por otro lado, como la potencia suministrada y la caída de tensión son proporcionales a la intensidad que circula por el conductor, para dar el total de la potencia consumida se producen mayores pérdidas de energía por calentamiento, las cuales perjudican el rendimiento de manera muy importante y que obligan a que la catenaria y, en general, todo el cableado, sea dimensionado en exceso, lo que supone un gran sobrecosto.

Este modo de funcionamiento descrito queda reflejado en la Figura 4, en la que se observa que en las ordenadas de los extremos del eje de abscisas toda la intensidad es producida y suministrada por la subestación correspondiente a ese extremo.

Explicación de la invención y ventajas

Frente a este estado de cosas, esta invención propugna un sistema de alimentación de catenaria con reparto activo de corriente entre dos subestaciones eléctricas, el cual presenta la particularidad de que, respecto de una catenaria que se extiende entre una primera subestación y una segunda subestación, y la cual sirve a una vía a lo largo de la que se desplaza una máquina móvil, el sistema comprende un primer convertidor de energía en la primera subestación, un segundo convertidor de energía en la segunda subestación, un generador de función matemática, un calculador aritmético restador, y un controlador de servo; en donde, dichos primer y segundo convertidores de energía funcionan como transconductancias, están cada uno en un extremo de la catenaria de la vía, en la que se desplaza la máquina móvil, y dicho generador de función matemática toma los valores medidos del voltaje V_{1} en la primera subestación y del voltaje V_{2} en la segunda subestación y produce una salida que es dada al calculador aritmético restador, que efectúa la resta entre el voltaje de referencia V_{ref} y dicha salida del generador de función matemática; el resultado obtenido de la resta se aplica al controlador de servo a cuya salida se conectan las entradas de referencia de corriente de los convertidores de energía primero y segundo.

Este sistema permite hacer funcionar a las subestaciones por un método de tensión controlada, en virtud del cual éstas resultan obligadas a trabajar con unos voltajes variables que en cada momento van a dar lugar a unas intensidades de corriente tales que la potencia consumida por la máquina va a ser en todo momento suministrada a medias por ambas subestaciones, sea cuál sea el lugar en que se encuentre a lo largo de la catenaria. De acuerdo con ello, el voltaje del sistema en cada momento sería el establecido por el controlador de sistema y que tiene en cuenta el resultado del calculador aritmético restador que se alimenta del dato recibido del generador de una función matemática f(V_{1}, V_{2}) que es dependiente de los voltajes, V_{1} y V_{2}, medidos en las subestaciones y del dato del voltaje de referencia V_{ref}; la función f(V_{1}, V_{2}) será determinada en cada caso, a modo de ejemplo podría ser la semisuma de dichos voltajes V_{1} y V_{2}; la intensidad suministrada por el sistema será ahora la que corresponde al valor de la tensión controlada y no el que tendería a producirse de manera natural en las instalaciones que se conocen hoy en día.

Por lo tanto, ahora cada una de las dos subestaciones sólo necesita aportar la mitad de la corriente, y por consiguiente de la intensidad, precisada por la máquina; de tal modo que, para una misma máquina, la instalación sólo requiere una dimensión mitad de la referida en el estado de la técnica y las pérdidas también resultan reducidas en proporción; o, dicho de otro modo, en una instalación dimensionada para un modo de funcionamiento como el del estado de la técnica, queda disponible una reserva de potencia igual al doble de la comprometida para un servicio según el sistema de la invención.

La situación conseguida corresponde a la figura 5,en la cual se observa que los voltajes V_{1} y V_{2} varían muy poco y dan un voltaje resultante V_{x} en el punto de conexión de la máquina que se mantiene constante. Las intensidades I_{1x} e I_{2x} que son suministradas por las subestaciones son también constantes, con valores iguales entre sí que son próximos a la mitad de los que se muestran en la Figura 4 cuando el tren está muy cerca de una subestación.

Dado que en la realidad existen procesos de frenado y de aceleración que hacen que la potencia consumida sea variable y no constante como se ha considerado en la exposición precedente, otro objeto de la invención es que, existe un calculador aritmético sumador, cuya salida conecta con el calculador aritmético restador y que efectúa la suma entre la tensión de referencia V_{ref} y la salida de un calculador aritmético multiplicador que realiza el producto de una constante para compensación de impedancia K y la corriente suministrada por los convertidores de energía primero y segundo, de manera que la caída de tensión debida a las impedancias de línea y subestaciones queda compensada de modo que para cualquier circunstancia de funcionamiento real de la máquina, la tensión en bornes de la máquina será constante.

Dibujos y referencias

Para comprender mejor la naturaleza del invento, en los dibujos adjuntos se representa una forma de realización industrial que tiene carácter de ejemplo meramente ilustrativo y no limitativo.

La figura 1 es un diagrama-esquema que ilustra el sistema de la invención, en la variante más completa, que conjunta las funciones de tensión controlada y de intensidad controlada.

La figura 2 es un diagrama-esquema similar al de la figura 1, pero referido a la variante de tensión controlada.

La figura 3 es un diagrama-esquema similar a los anteriores, pero referido al sistema del estado de la técnica.

Las figuras 4 y 5 son gráficos de modos de funcionamiento.

En estas figuras están indicadas las siguientes referencias:

1.-

Catenaria

2.-

Vía

3.-

Máquina móvil

4.-

Primera subestación

4a.-

Primer convertidor de energía, en subestación (4)

4b.-

Voltaje V_{1}, en subestación (4)

5.-

Segunda subestación

5a.-

Segundo convertidor de energía, en subestación (5)

5b.-

Voltaje V_{2}, en subestación (5)

6.-

Generador de función matemática

7.-

Calculador aritmético restador

8.-

Controlador de servo

9.-

Voltaje de referencia V_{ref}

10.-

Calculador aritmético sumador

11.-

Calculador aritmético multiplicador

12.-

Constante para compensación de impedancia

Exposición de una realización preferente

Con relación a los dibujos y referencias arriba enumerados, se ilustra en los planos adjuntos un modo de ejecución preferente del objeto de la invención, referido a un sistema de alimentación de catenaria con reparto activo de corriente entre dos subestaciones eléctricas, el cual consiste en que, respecto de una catenaria (1) que se extiende entre una primera subestación (4) y una segunda subestación (5), y la cual sirve a una vía (2) a lo largo de la que se desplaza una máquina móvil (3), el sistema comprende un primer convertidor de energía (4a) en la primera subestación (4), un segundo convertidor de energía (5a) en la segunda subestación (5), un generador de función matemática (6), un calculador aritmético restador (7), y un controlador de servo (8); en donde, dichos primer (4a) y segundo (5a) convertidores de energía funcionan como transconductancias, están cada uno en un extremo de la catenaria (1) de la vía (2), en la que se desplaza la máquina móvil (3), y dicho generador de función matemática (6) toma los valores medidos del voltaje (4b) en la primera subestación (4) y del voltaje V_{2} (5b) en la segunda subestación (5) y produce una salida que es dada al calculador aritmético restador (7), que efectúa la resta entre el voltaje de referencia V_{ref} (9) y dicha salida del generador de función matemática (6); el resultado obtenido de la resta se aplica al controlador de servo (8) a cuya salida se conectan las entradas de referencia de corriente de los convertidores de energía primero (4a) y segundo (4b). Esta característica del sistema de la invención es la que de manera individualizada se muestra en la figura 2 y mediante la cual, se aplica un método de tensión controlada que logra que la corriente que consume la máquina sea suministrada a medias por ambas subestaciones (4, 5) sea cuál sea la posición de la máquina (3) a lo largo de la catenaria (1) que sirve a la vía (2); lo cual, según se ha expuesto más arriba, permite que, para unas mismas prestaciones, la potencia de las subestaciones tenga una dimensión mitad de la que tendría según un sistema del estado de la técnica como el ilustrado en la figura 3; o bien, que una instalación dimensionada para un sistema según el estado de la técnica, quede disponible tanta potencia en reserva como la empleada en el funcionamiento normal del sistema según la invención.

Para compensar las variaciones de tensión en bornes de la máquina debidas al consumo de potencia no constante por parte de dicha máquina, producidas en los procesos de frenado y aceleración propios del servicio normal de la máquina (3), la invención propugna una solución en la que, existe un calculador aritmético sumador (10), cuya salida conecta con el calculador aritmético restador (7) y que efectúa la suma entre la tensión de referencia V_{ref} (9) y la salida de un calculador aritmético multiplicador (11) que realiza el producto de una constante para compensación de impedancia K (12) y la corriente suministrada por los convertidores de energía primero (4a) y segundo (5a). De este modo se compensa la caída de tensión del sistema línea-convertidores, consiguiéndose así una tensión constante en bornes de la máquina, que no depende de la potencia que la máquina consuma ni de la distancia entre dicha máquina y las subestaciones.

Claims (2)

1. Sistema de alimentación de catenaria con reparto activo de corriente entre dos subestaciones eléctricas, caracterizado porque, respecto de una catenaria (1) que se extiende entre una primera subestación (4) y una segunda subestación (5), y la cual sirve a una vía (2) a lo largo de la que se desplaza una máquina móvil (3), el sistema comprende un primer convertidor de energía (4a) en la primera subestación (4), un segundo convertidor de energía (5a) en la segunda subestación (5), un generador de función matemática (6), un calculador aritmético restador (7), y un controlador de servo (8); en donde, dichos primer (4a) y segundo (5a) convertidores de energía funcionan como transconductancias, están cada uno en un extremo de la catenaria (1) de la vía (2), en la que se desplaza la máquina móvil (3), y dicho generador de función matemática (6) toma los valores medidos del voltaje V_{1} (4b) en la primera subestación (4) y del voltaje V_{2} (5b) en la segunda subestación (5) y produce una salida que es dada al calculador aritmético restador (7), que efectúa la resta entre el voltaje de referencia V_{ref} (9) y dicha salida del generador de función matemática (6); el resultado obtenido de la resta se aplica al controlador de servo (8) a cuya salida se conectan las entradas de referencia de corriente de los convertidores de energía primero (4a) y segundo (5a).

2. Sistema de alimentación de catenaria con reparto activo de corriente entre dos subestaciones eléctricas, de acuerdo con la primera reivindicación, caracterizado porque existe un calculador aritmético sumador (10), cuya salida conecta con el calculador aritmético restador (7) y que efectúa la suma entre la tensión de referencia V_{ref} (9) y la salida de un calculador aritmético multiplicador (11) que realiza el producto de una constante para compensación de impedancia K (12) y la corriente suministrada por los convertidores de energía primero (4a) y segundo (5a).