ES2374232A1 - Método de control del patinaje de ruedas de vehículos de tracción eléctrica. - Google Patents
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Abstract
Método de control del patinaje de ruedas de vehículos de tracción eléctrica, que actúa sobre el par de tracción de un motor eléctrico que transmite un movimiento de giro a un eje motriz al que van asociadas las ruedas del vehículo, en donde cuando se detecta el patinaje de la rueda se actúa sobre el par de tracción del motor eléctrico según dos fases consecutivas:C. Reducción exponencial del par de tracción durante un tiempo de reducción (t_red) predefinido.D. Recuperación lineal del par de tracción hasta alcanzar un par de tracción (T_ref) demandado o la detección de un nuevo deslizamiento.
Description
Método de control del patinaje de ruedas de
vehículos de tracción eléctrica.
\global\parskip0.900000\baselineskip
La presente invención está relacionada con los
métodos y procedimientos empleados en vehículos de tracción
eléctrica para evitar, o reducir, el patinaje o deslizamiento que se
produce entre las ruedas de los vehículos y el carril de rodadura
por el que se desplazan.
Los sistemas de control de tracción eléctricos
de vehículos ferroviarios se encargan de que los motores eléctricos
de tracción bajo su control proporcionen un par de tracción, o un
par de frenado, igual a un valor de par de referencia demandado por
el conductor del vehículo ferroviario, o por el propio sistema de
control. Así, cuando se demanda un determinado par de referencia,
el sistema de control aumenta las revoluciones de los motores
eléctricos de tracción para transmitir respectivos movimientos de
giro a unos ejes motrices a los que van asociadas las ruedas del
vehículo ferroviario.
Cuando el par de tracción que transmite el motor
eléctrico al eje motriz del vehículo es superior al par resistente,
es decir, cuando el par de referencia demandado supera la fricción
existente entre la rueda y el carril, se produce un fenómeno de
patinaje, o deslizamiento, de la rueda sobre el carril de rodadura
por el que circula. Este fenómeno suele producirse en condiciones de
baja adherencia, cuando el carril está sucio, mojado, o en malas
condiciones, y principalmente en la puesta en marcha del vehículo
ferroviario en condiciones de aceleración para alcanzar la velocidad
de transito deseada.
Por deslizamiento debe entenderse la velocidad
relativa entre la rueda y los carriles, es decir, la diferencia
entre la velocidad lineal de la rueda y la velocidad del vehículo.
La rueda tiende a sufrir un patinaje cuando se fracciona, o tiende a
bloquearse cuando se frena, esto produce vibraciones que disminuyen
el confort de los usuarios del vehículo ferroviario y produce
degradaciones del material que constituye las ruedas, pudiéndose
producir defectos que provocan un mal funcionamiento de las ruedas,
o incluso su destrucción, como pueden ser planos, grietas,
coqueras, exfoliaciones, etc.
El máximo esfuerzo de tracción que se puede
transmitir, es decir, el máximo par que puede transmitir el motor
eléctrico de tracción al eje motriz depende de la adherencia
existente entre la rueda y el carril. El esfuerzo de tracción a
transmitir se puede mejorar aumentando la adherencia, una solución
convencional para aumentar la adherencia consiste en lanzar arena
sobre el carril, así, en la cabina del conductor se dispone una luz
que avisa en el momento de producirse un patinaje o deslizamiento,
de manera que en dicho momento el conductor deja caer arena sobre el
carril para aumentar la adherencia.
Otra solución para mejorar la adherencia y
optimizar el esfuerzo de tracción consiste en asociar cada motor
eléctrico de tracción que dispone el vehículo ferroviario a un mayor
número de ejes motrices, de manera que se disminuye el esfuerzo de
tracción que se debe transmitir a cada eje motriz. Al disponerse un
mayor número de ejes se aumenta el peso total del vehículo, con lo
que se mejora la adherencia entre rueda y carril, no obstante, este
aumento de peso implica un mayor consumo energético por parte de los
motores eléctricos de tracción, además de resultar un montaje
complejo y costoso.
Una solución convencional para actuar sobre el
patinaje, o deslizamiento, de las ruedas del vehículo ferroviario se
trata de que el conductor del vehículo reduzca manualmente la
velocidad del mismo, sin embargo, está reducción no es lo
suficientemente rápida ni precisa como para maximizar el esfuerzo de
tracción que se transmite a los ejes motrices.
Para solventar este problema, son conocidos los
sistemas de control de tracción eléctricos que actúan
electrónicamente sobre el par de tracción maximizando el
aprovechamiento del esfuerzo de tracción que se transmite a cada eje
motriz del vehículo ferroviario. Estos sistemas de control se basan
en una reducción, según una expresión lineal, del par de tracción
transmitido por el motor eléctrico en el momento en que se detecta
un patinaje o deslizamiento. Esta reducción lineal del par no es
óptima, ya que puede producir vibraciones, lo que disminuye la
estabilidad del vehículo, la dirigibilidad y el confort de los
usuarios del vehículo ferroviario.
Se hace por tanto necesario disponer un método
para controlar el patinaje de vehículos ferroviarios que actúe
inmediatamente sobre el deslizamiento de la rueda atenuándolo
gradualmente, disminuyendo las vibraciones y aumentando el confort
de los usuarios del vehículo ferroviario.
De acuerdo con la presente invención se propone
un método de control del patinaje de las ruedas de vehículos de
tracción eléctrica, principalmente vehículos de tracción
ferroviaria, como trenes, tranvías o metros, el cual se basa en
actuar sobre el par de tracción del motor eléctrico controlando sus
revoluciones, de modo que cuando se detecta un deslizamiento de la
rueda sobre el carril se actúe sobre el par de tracción mediante una
reducción según una expresión exponencial.
\global\parskip1.000000\baselineskip
Así, cuando se detecta un deslizamiento, o
patinaje, de la rueda sobre el carril de rodadura por el que
circula, se actúa electrónicamente sobre el par de tracción del
motor eléctrico según dos fases consecutivas:
- A.
- Reducción exponencial del par de tracción durante un tiempo de reducción predefinido.
- B.
- Recuperación lineal del par de tracción hasta alcanzar el par de tracción demandado o la detección de un nuevo deslizamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
El método objeto de la invención permite aplicar
un esfuerzo de tracción o frenado máximo respecto a las condiciones
de adherencia de la vía por donde circula el vehículo.
Asimismo, minimiza los deslizamientos de las
ruedas actuando de manera inmediata sobre ellos, con lo que se
consigue disminuir el valor de los picos de deslizamiento y evitar
un deslizamiento prolongado en el tiempo. Así, se evitan planos y
desgastes excesivos en el material que constituye las ruedas.
Por otro lado se minimizan vibraciones a nivel
de caja del vehículo, es decir los vagones donde viajan los
usuarios. La reducción del par de tracción de forma exponencial
evita que las variaciones del par sean demasiado fuertes,
disminuyendo el estrés del sistema mecánico y mejorando el confort
al nivel de caja. Del mismo modo se consigue una mayor estabilidad
de control del vehículo en diferentes condiciones de funcionamiento,
como son defectos de vía, curvas sinuosas, etc.
Se obtiene así un método de unas características
muy ventajosas, adquiriendo vida propia y carácter preferente para
la función de aplicación a la que está destinado en relación al
control del patinaje de las ruedas de un vehículo ferroviario sobre
los carriles de rodadura por donde circula.
La figura 1 muestra una gráfica que relaciona la
evolución del par de tracción de un motor eléctrico de tracción de
un vehículo ferroviario a lo largo del tiempo.
Los vehículos ferroviarios suelen disponer de
unas estructuras rodantes, denominada bogies, sobre las que
descansan los vagones en los que viajan los usuarios del vehículo.
Un bogie consta de una plataforma en donde se disponen unos ejes,
los cuales presentan en sus extremos las correspondientes ruedas
para transitar sobre unos carriles de circulación, en caso de
tratarse de un bogie tractor, estos ejes son unos ejes motrices los
cuales van asociados a un motor eléctrico de tracción que transmite
un par de tracción a dichos ejes motrices. También puede darse el
caso de que cada rueda del bogie disponga de un motor eléctrico de
tracción independiente.
Según esta disposición, cuando se demanda un par
de tracción a los motores eléctricos superior al máximo esfuerzo de
tracción que se puede transmitir, es decir, cuando el par de
tracción demandado (T_ref) supera la adherencia entre la rueda y el
carril, se produce un patinaje o deslizamiento de la rueda. Para
evitar este hecho, la invención propone un método de control del
patinaje de ruedas de vehículos de tracción eléctrica basado en un
control en tiempo real del par de tracción transmitido a los ejes
motrices, o en su caso a las ruedas motrices.
El método se basa en actuar sobre el par de
tracción del motor eléctrico controlando sus revoluciones, de modo
que cuando se detecta un deslizamiento de la rueda sobre el carril
se actúe sobre el par de tracción según dos fases consecutivas:
- A.
- Reducción exponencial del par de tracción del motor eléctrico.
- B.
- Recuperación lineal del par de tracción del motor eléctrico.
\vskip1.000000\baselineskip
Con la reducción exponencial del par de tracción
del motor eléctrico se consiguen disminuir las vibraciones y se
mejora la estabilidad y dirigibilidad del vehículo, con lo que se
logra un mayor confort para los usuarios del vehículo ferroviario
que en las soluciones convencionales en donde se realiza un
reducción lineal del par de tracción.
El método objeto de la invención se compone en
su totalidad en las siguientes tres etapas:
Una primera etapa en donde se asignan y se
monitorizan en tiempo real una serie de variables del vehículo
ferroviario. Una segunda etapa en donde se detecta si se ha
producido un patinaje, o deslizamiento, de la rueda sobre el carril,
mediante la comparación de las variables monitorizadas en la etapa
anterior con unos valores preestablecidos. Y una tercera etapa que
se produce en caso de detectarse un patinaje, o deslizamiento, en la
etapa anterior, y en la que se actúa sobre el par de tracción
mediante una reducción del mismo.
A continuación se definen de manera detallada
cada una de dichas etapas.
\vskip1.000000\baselineskip
Etapa
1
Se asigna un valor de par de referencia (T_ref)
para el motor de tracción, correspondiente con el par demandado por
el conductor del vehículo ferroviario.
Se monitorizan de forma continua y en tiempo
real las siguientes variables del vehículo ferroviario.
- \bullet
- Aceleración y velocidad angular del eje motriz del motor eléctrico de tracción.
- \bullet
- Aceleración y velocidad tangencial o lineal de la rueda.
- \bullet
- Aceleración y velocidad lineal del tren.
\vskip1.000000\baselineskip
Estas variables se calculan mediante técnicas
convencionales, por lo que no se entran a describir de modo
detallado en la Patente. La adquisición de estas variables se puede
realizar mediante sensores de velocidad ubicados en las ruedas
(tacómetros) y en el tren, o encoders incrementales o absolutos
acoplados a los motores de tracción que cuentan una serie de pulsos
para obtener la velocidad en el eje motriz del motor.
\vskip1.000000\baselineskip
Etapa
2
Las variables del vehículo ferroviario
monitorizadas en la etapa anterior son comparadas en tiempo real con
una serie de valores preestablecidos para la detección de un
deslizamiento, o patinaje, de la rueda sobre el carril.
La detección de un deslizamiento, o patinaje, se
produce si se cumple alguna de las siguientes condiciones:
- \bullet
- Si la aceleración angular del eje motriz que acciona las ruedas es superior a un valor umbral de aceleración lineal.
- \bullet
- Si la diferencia entre la velocidad lineal de la rueda y la velocidad lineal del vehículo es superior a un valor umbral de velocidad lineal.
\vskip1.000000\baselineskip
Puesto que las aceleraciones y deceleraciones
son variables en función de modos de funcionamiento que pueda
adoptar el vehículo ferroviario, el umbral de aceleración lineal
puede tomar distintos valores. Así, el valor umbral de aceleración
lineal puede estar comprendido entre 2 m/s^{2} y 6 m/s^{2}.
En el caso de que se produzca un bloqueo debido
a una frenada del vehículo ferroviario el valor umbral de
aceleración lineal está comprendido entre -2 m/s^{2} y -6
m/s^{2}.
Del mismo modo, el umbral de velocidad lineal
podrá ser variable con la velocidad del vehículo para obtener un
funcionamiento óptimo a distintas velocidades del vehículo. Así, el
valor umbral de velocidad lineal puede estar comprendido entre 0.5
m/s y 2 m/s.
\vskip1.000000\baselineskip
Etapa
3
Esta etapa del método se produce cuando se
detecta un deslizamiento en la etapa anterior. Si no se detecta
ningún deslizamiento el vehículo ferroviario se mantiene en un
estado normal en donde se mantiene el par de tracción demandado
(T_ref).
Cuando se detecta el deslizamiento, o patinaje,
se entra a actuar sobre el par de tracción del motor eléctrico según
dos fases consecutivas:
A. Reducción exponencial del par de tracción
durante un tiempo de reducción (t_red) predefinido según la
siguiente expresión:
en donde T_fin es el valor del par
de tracción en la reducción exponencial, J_{eq} es la inercia
equivalente que relaciona el par de tracción expresado en giro del
motor eléctrico con la aceleración lineal de la rueda, a_{max} es
la aceleración angular del eje motriz y T_ini es el valor inicial
del par de
tracción.
\vskip1.000000\baselineskip
El valor inicial del par de tracción (T_ini) se
calcula según la expresión:
en donde T_ref es el par de
tracción demandado al motor eléctrico de tracción, y C es una
constante comprendida en el intervalo
[0.85-0.95].
\vskip1.000000\baselineskip
Así, el valor inicial del par de tracción
(T_ini) es entre un 5% y un 15% inferior al par de tracción
demandado (T_ref).
El tiempo de reducción (t_red) es un valor
predefinido que se calcula en unas pruebas de parametrización de la
vía por donde circula el vehículo ferroviario. El tiempo de
reducción (t_red) toma valores en el intervalo de tiempo comprendido
entre 0.05 segundos y 0.5 segundos.
B. Recuperación lineal del par de tracción hasta
alcanzar el par de tracción demandado (T_ref) o la detección de un
nuevo deslizamiento.
Una vez después de haber transcurrido el tiempo
de reducción (t_red), se recupera linealmente el par de tracción,
esta recuperación lineal del par de tracción se realiza según una
recta cuya pendiente está comprendida entre 100 Nm/s y 500 Nm/s.
Esta recuperación lineal se mantiene hasta
alcanzar el par de tracción demandado (T_ref), o hasta que se
produzca una nueva detección de un deslizamiento, en cuyo caso se
vuelve a producir la reducción del par de tracción según la etapa 3
del método.
Los pasos 1 y 2 del método, asignación de
variables y detección del deslizamiento se realizan de forma
continua y en tiempo real durante todo el tiempo que el vehículo se
encuentre en funcionamiento, mientras que el etapa3 de actuación
sobre el par de tracción sólo se realiza cuando se detecta un
deslizamiento.
En la figura 1 se muestra una gráfica de la
evolución del par de tracción, en donde se produce la detección de
un deslizamiento en un punto designado como (D), y cómo se produce
una reducción exponencial durante un tiempo de reducción (t_red)
desde un valor inicial del par de tracción (T_ini) hasta alcanzar un
valor final de par de tracción (T_fin), para a partir de esta
reducción exponencial producirse una recuperación lineal del par de
tracción hasta alcanzar el par de tracción demandado (T_ref).
El método objeto de la invención es aplicable
para limitar el patinaje, o deslizamiento, de las ruedas del
vehículo ferroviario sobre el carril tanto en condiciones de
tracción como en condiciones de frenado del vehículo, en donde se
producen bloqueos en las ruedas.
Claims (6)
1. Método de control del patinaje de ruedas de
vehículos de tracción eléctrica, que actúa sobre el par de tracción
de un motor eléctrico que transmite un movimiento de giro a un eje
motriz al que van asociadas las ruedas del vehículo,
caracterizado porque cuando se detecta el patinaje de la
rueda se actúa sobre el par de tracción del motor eléctrico según
dos fases consecutivas:
- A.
- Reducción exponencial del par de tracción durante un tiempo de reducción (t_red) predefinido.
- B.
- Recuperación lineal del par de tracción hasta alcanzar un par de tracción (T_ref) demandado o la detección de un nuevo deslizamiento.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método de control del patinaje de ruedas de
vehículos de tracción eléctrica, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque la reducción exponencial
del par de tracción durante el tiempo de reducción (t_red)
predefinido se calcula según:
en donde T_fin es el valor del par
de tracción en la reducción exponencial, Jeq es la inercia
equivalente que relaciona el par de tracción expresado en giro del
motor eléctrico con la aceleración lineal de la rueda, a_{max} es
la aceleración angular del eje motriz y T_ini el valor inicial del
par de
tracción.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Método de control del patinaje de ruedas de
vehículos de tracción eléctrica, de acuerdo con la primera y segunda
reivindicaciones, caracterizado porque el valor inicial del
par de tracción T_ini se calcula según:
en donde T_ref es el par de
tracción demandado al motor de tracción, y C es una constante
comprendida en el intervalo
[0.85-0.95].
\vskip1.000000\baselineskip
4. Método de control del patinaje de ruedas de
vehículos de tracción eléctrica, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque la detección del
patinaje de la rueda se produce si se cumple alguna de las
siguientes condiciones:
- \bullet
- Si la aceleración angular del eje motriz que acciona las ruedas es superior a un valor umbral de aceleración lineal. Estando comprendido el valor umbral de aceleración lineal entre 2 m/s^{2} y 6 m/s^{2}.
- \bullet
- Si la diferencia entre la velocidad lineal de la rueda y la velocidad lineal del tren es superior a un valor umbral de velocidad lineal. Estando comprendido el valor umbral de velocidad lineal entre 0.5 m/s y 2 m/s.
5. Método de control del patinaje de ruedas de
vehículos de tracción eléctrica, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque el tiempo de reducción
t_red toma valores en el intervalo de tiempo comprendido entre 0.05
s y 0.5 s.
6. Método de control del patinaje de ruedas de
vehículos de tracción eléctrica, de acuerdo con la primera
reivindicación, caracterizado porque la recuperación lineal
del par de tracción se produce según una pendiente de recta
comprendida entre 100 Nm/s y 500 Nm/s.
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