ES2548634A1

ES2548634A1 - Dispositivo y método de control de una subestación de tracción reversible

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Publication number: ES2548634A1
Application number: ES201430568A
Authority: ES
Inventors: Jesus Montesinos Ortuño; Alberto TEBAR CEBRIAN; Abraham CASTRO BALLESTEROS
Original assignee: Electrificacion Y Estudios Ferroviarios S L; Electrificacion Y Estudios Ferroviarios Sl
Current assignee: Electrificacion Y Estudios Ferroviarios S L; Electrificacion Y Estudios Ferroviarios Sl
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-10-19
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: ES2548634B1

Abstract

Dispositivo y método de control de una subestación de tracción reversible en un tramo de vía entre dicha subestación de tracción y las subestaciones adyacentes, donde dicha subestación de tracción comprende, al menos, un convertidor de potencia reversible capaz de cambiar de modo rectificador a modo inversor y viceversa para el aprovechamiento de la energía regenerada por los trenes circulantes y el calentamiento de la catenaria para evitar la presencia de hielo.

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo y método de control de una subestación de tracción reversible.

El objeto de la presente invención es un dispositivo y un método de control que permita adaptar 5 y transformar la energía generada en el frenado del ferrocarril de corriente continua a corriente alterna para su posterior inyección en los sistemas de la compañía suministradora, en un único equipo. Por otro lado, la invención tiene por objeto ofrecer el medio de transporte de la energía generada en el frenado hacia una unidad de almacenamiento para su posterior reutilización en unidades auxiliares integrantes en el equipo de funcionamiento o mantenimiento del ferrocarril. 10 Finalmente, la invención puede ser utilizada para evitar la formación de hielo en la catenaria que garantiza el suministro eléctrico del tren.

Estado de la técnica

15

Actualmente, una de las vías de innovación en el ámbito ferroviario es la eficiencia energética, teniendo como objeto la mejora de la gestión de la energía utilizada por los ferrocarriles actuales. Dicha innovación parte de la capacidad que tiene un ferrocarril para producir energía aprovechando la frenada en los trenes. Es decir, que en el frenado de los trenes una parte considerable de la energía destinada a tal fin la genera la propia locomotora o unidad tractora, 20 haciendo que la inercia del tren mantenga a los motores trabajando, en este caso como generadores. La energía que estos motores generan durante el proceso de frenado se puede utilizar para diversos usos, como traccionar otros trenes, almacenarla o convertirla en otra forma de energía. Sin embargo, actualmente, en caso de no ser utilizada en otra aplicación, esta energía se tiene que disipar en forma de calor mediante un reóstato, desperdiciando toda 25 la energía generada. Para evitar este problema, actualmente se está trabajando en distintas líneas de investigación que se pueden resumir en acumuladores de la energía del reóstato para su reutilización y en la reinyección de la energía del reóstato a la catenaria.

Los acumuladores de energía están basados en el almacenamiento de la energía convertida en 30 calor en las resistencias de frenado de un tren. Actualmente la firma SIEMENS® ha desarrollado su sistema SITRAS®SES:

[
http://w3.siemens.com/smartgrid/global/en/products-systems-solutions/rail-electrification/dc-traction-power-supply/pages/stationary-energy-storage.aspx] 35

Este sistema utiliza tecnología de condensadores de doble capa, capaces de recuperar la energía de frenado que puede llegar a ser el 40% de la energía absorbida para su funcionamiento normal. Este sistema ha sido desarrollado para crear el entorno para la recuperación de la energía, mejorando los vehículos actuales dotados de sistema de 40 regeneración que pueden aprovechar únicamente la energía de frenado para la propulsión de otros trenes que estén acelerando en el mismo instante del frenado regenerativo. Entre las ventajas de los acumuladores de energía destaca la posibilidad de almacenar la energía para su uso posterior, eliminando la restricción de uso simultáneo. Con este equipo se garantiza la seguridad del suministro, reduciendo la demanda de energía primaria, contribuyendo incluso a 45 la estabilización de la tensión. La dinámica de este acumulador de energía se basa en su regulación automática, es decir, el proceso de acumulación de energía viene controlado por la variación de la tensión de la subestación transformadora.

Por otro lado, uno de los problemas más importantes que se presentan en la circulación de 50 todo tren es la aparición de hielo en los hilos de contacto. Se ha comprobado que estas condiciones meteorológicas adversas producen la formación de arcos eléctricos entre el pantógrafo y el hilo de contacto como consecuencia de la formación de hielo. Este hielo dificulta la captación de corriente por parte del pantógrafo, reduciendo notablemente la potencia

suministrada y la velocidad del vehículo, produciendo retrasos en los trenes y disminuyendo la fiabilidad del servicio.

Para evitar este último problema, las técnicas que han sido desarrolladas hasta la fecha están orientadas tanto a la eliminación de hielo formado en la catenaria, como de la prevención y 5 preparación de la misma para evitar dicha formación. Actualmente existen varias soluciones, como por ejemplo:

a) Los métodos basados en el calentamiento eléctrico de la catenaria por efecto Joule mediante: 10

a. Conductores aislados eléctricamente de la catenaria. Esta técnica consiste en montar hilos formados por un alma de material conductor y con un recubrimiento aislante eléctrico pero que sea conductor del calor. Este cable adicional se monta sujeto por grapas de un material que no provoque corrosión galvánica, como el fósforo-bronce, sobre el hilo de contacto. Sistemas de este tipo son 15 comercializados por las firmas NIBE RAILWAYS COMPONENTS (

http://www.niberailway.com/

) , TYCO THERMAL CONTROLS LLC (

http://www.pentairthermal.com/

), el sistema CAT HEAT® de RTR TECHNOLOGIES (

http://www.rtrtechnologies.com/

) y el sistema BLUEWIRE® de la firma SAN RAILWAY SYSTEMS (

http://www.san-as.com/en/SAN-

20

pages/Products/Products/

)

b. Conductores convencionales de la catenaria. Esta técnica emplea el calentamiento mediante la conducción eléctrica por ráfagas a través de la catenaria en horas nocturnas, como el empleado en la línea Colonia – Frankfurt 25 en Alemania.

b) Métodos por choque mecánico, donde se emplea un tren con dos pantógrafos elevados donde el segundo pantógrafo es el encargado de la captación de energía mientras que el primero choca con los bloques de hielo y los desprende del hilo. Adicionalmente podrían incorporar una llama para retirar el hielo en situaciones muy adversas. 30

c) Métodos por fusión química que se centran en la aplicación de diferentes sustancias en el hilo de contacto de la catenaria para para evitar la aparición de hielo mediante:

a. Rociamiento con líquidos anticongelantes. 35

b. Aplicación de glicerina desde el pantógrafo, como el sistema de STEMMANN TECHNIK (

http://www.stemmann.de/en

).

No obstante, estos métodos presentan problemas debidos a que la velocidad del tren está limitada a valores próximos a los 30 Km/h y, por otro lado, a que su carácter es 40 exclusivamente preventivo, no actuando sobre hielo ya formado. Por el contrario, es el más persistente y económico de los descritos.

Descripción de la invención

45

El dispositivo y método de la invención parte del hecho de que, actualmente, las subestaciones de tracción de corriente continua, que están formadas por uno o varios rectificadores formados por diodos de silicio de alta potencia, que tienen como función rectificar la corriente alterna para convertirla en corriente continua y alimentar con este tipo de corriente las catenarias para la tracción de los trenes. Del mismo modo, también en algunos casos se han planteado y 50 desarrollado equipos que, alimentándose en corriente continua desde la catenaria convierten dicha corriente en alterna de frecuencia industrial. No obstante, hasta la fecha estos equipos son independientes.

La presente invención, por tanto, implementa un método en un único dispositivo inversor para hacerle funcionar unas veces como rectificador (CA a CC) y otras veces como inversor (CC a CA) en función de las necesidades de cada momento.

El método de control objeto de la presente invención se implementa como un programa de 5 control que está almacenado en una memoria de un dispositivo de control y que comprende una serie de instrucciones que, cuando son ejecutadas por un procesador, hacen que el dispositivo realice unas determinadas acciones, tal y como se describe a continuación. En la presente descripción, el método de control y el programa de control se refieren a la misma secuencia de instrucciones lógicas ejecutables por un procesador. Del mismo modo, el 10 dispositivo de control es un dispositivo electrónico programable conectado con la electrónica de potencia de una subestación de tracción ferroviaria, cuyos dispositivos de potencia (por ejemplo, de tipo IGBT) tienen capacidad para pasar de modo inversor a modo rectificador y viceversa.

15

Así, el método ejecutado por el dispositivo tiene las siguientes etapas en su funcionamiento:

a) Una primera etapa como rectificador, que realiza todas las funciones características de una subestación de tracción actual, garantizando la fiabilidad y continuidad en su funcionamiento, así como la seguridad y protección, tanto de las instalaciones eléctricas 20 de la compañía suministradora, como de las propias de la vía.

b) Una segunda etapa como inversor, donde en función de una serie de características de la instalación y, de forma automática, provoca que el dispositivo trabaje como inversor, convirtiendo la corriente continua que tomará de la catenaria en corriente alterna.

25

Dentro de la funcionalidad como inversor, el método implementado en el dispositivo de la invención, esto es, en el propio inversor, sirva para las siguientes aplicaciones de tipo general:

i) Evitar la formación de hielo. Dicha subestación reducirá su tensión nominal y se comportará como un sumidero para habilitar el paso de corriente por el hilo de 30 contacto proveniente de otras subestaciones colaterales y así producir un aumento de temperatura del hilo de acuerdo con el efecto Joule. La energía recogida en la subestación reversible se devolverá a la compañía suministradora.

ii) Aprovechamiento energético. Gestionar la potencia que actualmente es disipada en 35 el reóstato durante el frenado ferroviario, de modo que pueda ser absorbida por la subestación e inyectada, bien a otra instalación para su aplicación, como los sistemas de señalización, sistemas de calentamiento de agujas o sistemas de almacenamiento, o bien a la instalación eléctrica propia de la compañía suministradora. 40

La ventaja fundamental del método objeto de la presente invención es que, ejecutado en un único equipo, se realizan las funciones anteriores de forma automática, tal y como actualmente lo hacen dos equipos separados (rectificador e inversor) con la particularidad de que, además, incorpora nuevas aplicaciones, como el calentamiento de los hilos de contacto para evitar la 45 formación de hielo, sin necesidad de equipamientos adicionales como los descritos en el estado de la técnica.

El método implementado por la invención controla una subestación de tracción con un convertidor de potencia que comprende los dispositivos de potencia necesarios para alternar su 50 funcionamiento entre rectificador e inversor. El método basa su funcionamiento en la evaluación continua de distintos parámetros que definen el funcionamiento del convertidor. Todos los parámetros evaluados convergen en dos premisas básicas:

a) Es necesario transportar la energía de un punto de la línea hasta la subestación controlada por el software que implementa el método de la invención a través de la catenaria. Los parámetros implementados en el citado software de control para asegurar dicho transporte de energía serán parámetros eléctricos, tales como la tensión en la subestación controlada. 5

b) Es necesario adaptar la energía recibida en la subestación controlada con el software para su posterior inyección en los equipos de la compañía suministrador. Actualmente, la distribución de energía eléctrica se realiza en corriente alterna con unos valores de tensión por encima de los recibidos en la subestación controlada, siendo esta última en 10 corriente continua. Debido a esto, el software dispone de los parámetros eléctricos necesarios para su correcta inversión CC/CA, así como de su adaptación de fase, niveles de tensión y frecuencia para su correcta inyección a la compañía suministradora.

15

Por otra parte, para la aplicación específica de la invención relacionada con la solución al problema del hielo en el hilo de contacto de la catenaria, se incluyen en los parámetros a tener en cuenta por el método de la invención, ciertos parámetros ambientales, tales como la temperatura ambiental, la velocidad del viento, la humedad, la temperatura del hilo de contacto y la radicación solar, que son necesarios para tener una lectura completa de la situación real en 20 la que se encuentra el hilo de contacto en todo momento. En esta aplicación concreta, el método controla la corriente que circula por el conductor, en este caso el hilo de contacto, siendo esta corriente la que calienta el hilo, derritiendo el hielo y evitando la nueva formación del mismo.

25

A lo largo de la descripción y las reivindicaciones la palabra "comprende" y sus variantes no pretenden excluir otras características técnicas, aditivos, componentes o pasos. Para los expertos en la materia, otros objetos, ventajas y características de la invención se desprenderán en parte de la descripción y en parte de la práctica de la invención. Los siguientes ejemplos y dibujos se proporcionan a modo de ilustración, y no se pretende que 30 restrinjan la presente invención. Además, la presente invención cubre todas las posibles combinaciones de realizaciones particulares y preferidas aquí indicadas.

Breve descripción de las figuras

35

A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

FIG 1 - Muestra el diagrama del funcionamiento del método de control de una 40 subestación de tracción reversible, objeto de la presente invención.

FIG 2 - Muestra el diagrama del funcionamiento del subproceso de calentamiento de la catenaria sin trenes en el trayecto.

45

FIG 3 - Muestra el diagrama del funcionamiento del subproceso de calentamiento en la catenaria cuando existen trenes en el trayecto.

Exposición de un modo detallado de realización de la invención

50

Tal y como se ha comentado con anterioridad, el método de control de una subestación de tracción reversible, objeto de la presente invención, está implementado como un programa de ordenador que cuando es ejecutado por un procesador integrado en el dispositivo de la invención, ejecuta las instrucciones necesarias para que este dispositivo de control actúe sobre

un convertidor de potencia en una subestación de tracción ferroviaria, cambiando su modo de funcionamiento como rectificador o como inversor de forma automática y en función de las necesidades de tracción y ambientales.

En la figura 1 se muestra el funcionamiento general de la invención. El dispositivo de control de 5 una subestación de tracción reversible comprende un uno o más procesadores, una memoria y uno o más programas en el que el o los programas están almacenados en la memoria y configurados para ejecutarse mediante el o los procesadores; donde los programas incluyen instrucciones para ejecutar los siguientes modos de funcionamiento, en función de una pluralidad de parámetros ambientales capturados por el propio dispositivo: 10

- Modo de funcionamiento para calentamiento de catenaria (mostrado con más detalle en las figuras 2 y 3).

- Modo de funcionamiento sin calentamiento de catenaria. 15

Además, en cada uno de los dos modos de funcionamiento anterior, y en función de una serie de parámetros eléctricos capturados por el dispositivo, éste puede funcionar con la siguiente operativa:

20

- Modo de funcionamiento como rectificador.

- Modo de funcionamiento como inversor.

Más concretamente, y en referencia a la figura 1, tras el inicio (100) del proceso, se ejecuta una 25 primera etapa de obtención de parámetros (101). Los parámetros se clasifican en estables (102) y variables (103).

Los parámetros estables (102) se calculan en función de las características de la catenaria (102b) y de las subestaciones (102a) existentes en el entorno. A modo de ejemplo no limitativo, 30 los parámetros de las subestaciones (102a) pueden ser: el punto kilométrico donde se localiza la subestación, el número de transformadores, la potencia de cortocircuito, el tipo de línea de acometida, el número de subestaciones o la longitud de la línea de acometida.

Del mismo modo, los parámetros de la catenaria (102b) están relacionados con el trazado de la 35 misma, como por ejemplo: la altura de los conductores, el tipo de catenaria, el hilo de contacto, el sustentador, la posición de los conductores, el tipo de carril, el tipo de alimentador, el ancho de vía o el trazado de la vía.

Los parámetros variables (103) son capturados mediante una pluralidad de captadores 40 conectados con el dispositivo de control. Estos captadores pueden ser, de modo no limitativo, una estación meteorológica para la captura de los parámetros medioambientales (103B) o sistemas de captación de variables eléctricas, como medidores de tensión y corriente, para los parámetros de circulación de trenes (103A).

45

A modo de ejemplo no limitativo, los parámetros de circulación de trenes (103A) se circunscriben a una malla de circulación de trenes, mientras que los parámetros medioambientales (103B) son la humedad, la temperatura del hilo de contacto, la radiación solar, la temperatura ambiente, la velocidad del viento o la temperatura de referencia.

50

Tras la lectura de los parámetros (101) se ejecuta una etapa de evaluación del riesgo de aparición del hielo (104). Si la evaluación es negativa, se evalúa la existencia de trenes regenerando (105). Es decir, si se evalúa que las condiciones medioambientales no son adecuadas para la aparición de hielo, tal y como se ha predefinido, bien porque no se ha

alcanzado la temperatura de consigna (por ejemplo 5ºC) o los valores de umbral para otros condicionantes, como la humedad relativa o la velocidad del viento, entonces el convertidor de la subestación de tracción sigue funcionando como rectificador (106).

No obstante, si se aprecia la presencia de trenes regenerando, es decir, devolviendo energía, 5 se ha de gestionar dicha energía regenerada (107) por los propios trenes, existiendo dos posibilidades:

a) El convertidor de potencia de la subestación trabaja como rectificador (108) reutilizando la potencia generada por los trenes. 10

b) El convertidor de potencia de la subestación funciona como inversor (109) cuando la potencia regenerada por los trenes no es reutilizada.

En este último caso, tal y como se ha indicado, existen trenes entre la subestación controlada y 15 las subestaciones adyacentes. Por otro lado, se asume que la temperatura del hilo conductor está por encima de la temperatura de riesgo de aparición de hielo, estando dicha temperatura ponderada por otros factores relevantes para la formación de hielo, como la humedad relativa o la presencia de viento.

20

Durante la regeneración de energía, la tensión en el pantógrafo es superior a la existente en las subestaciones adyacentes, y es de esta forma como se conoce que hay un tren circulando entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes. Por tanto, existe una corriente eléctrica circulando entre el tren regenerando y las subestaciones adyacentes.

25

La subestación controlada cambiará su modo de funcionamiento a inversor (109) siempre y cuando la energía regenerada no sea reutilizada por trenes cercanos que soliciten potencia para su tracción o sea necesaria para subsistemas auxiliares (como, por ejemplo, la señalización viaria). La tensión de consigna de la subestación controlada podrá mantenerse o adaptarse para obtener unas condiciones de corriente aceptables para su posterior 30 transformación mediante el control de los elementos semiconductores (esto es, de los dispositivos de potencia, tipo IGBT o similares, presentes en el convertidor o convertidores de las subestaciones de tracción) y devolución a la red suministradora.

Este modo de funcionamiento se corresponde con aquellas situaciones en que no existe riesgo 35 de formación de hielo en la catenaria, como puede ser el verano y, en general, en aquellas situaciones en que la temperatura ambiente se encuentra por encima de un determinado valor, que puede establecerse, a modo de ejemplo, en los 5ºC, ya que este valor también previene la formación de escarcha.

40

En estas condiciones, y a modo de resumen, el programa de control hace funcionar al sistema de potencia, bien como rectificador (108), cuando exista circulación de trenes en el trayecto o bien como inversor (109) cuando se produzca un frenado regenerativo que no pueda ser aprovechado por otros trenes que se encuentren consumiendo en sus inmediaciones.

45

En este modo de funcionamiento hay que tener en cuenta que el valor de tensión de consigna de funcionamiento como rectificador está por encima del valor de tensión nominal de vacío en la instalación cuando funcione como rectificador. De esta forma sólo se pasará al modo de funcionamiento como inversor (109) cuando un tren se encuentre frenando y la energía de dicho frenado sea superior a la que consume el propio tren por medio de sus servicios 50 auxiliares o bien la que puedan consumir otros trenes situados en sus inmediaciones.

Finalmente, cuando la tensión baje por debajo del valor de consigna establecido, el programa de control cambiará al equipamiento de potencia a modo de funcionamiento como rectificador

(108).

En el caso de aparición de riesgo de hielo en la catenaria del trayecto controlado se evalúa la simple existencia de trenes (110) en dicho trayecto, optando entonces por uno de los siguientes subprocesos: 5

a) Modo de funcionamiento para calentamiento de catenaria sin trenes en el trayecto (figura 2).

b) Modo de funcionamiento para calentamiento de catenaria con trenes en el trayecto 10 (figura 3).

El dispositivo de control, a través de la estación meteorológica, detecta la temperatura ambiente de forma permanente y, cuando dicha temperatura alcanza un valor de consigna donde se considera que el hielo comienza a formarse en los hilos de contacto, basándose en 15 los parámetros temperatura ambiente, humedad relativa y velocidad del viento, se establecerán dos subprocesos en función de si existen o no existen trenes en el trayecto controlado. Nótese que la presencia o riesgo de hielo se establece, al menos, respecto de los parámetros de temperatura, humedad relativa y velocidad del viento, no descartándose otros parámetros adicionales que pudieran ser de ayuda para la correcta distinción de la presencia de hielo en la 20 catenaria.

En la figura 2 se muestra en detalle el subproceso de calentamiento sin trenes en el trayecto, que se inicia con la medición de la temperatura del conductor (201), de tal forma que si la temperatura medida es mayor que la temperatura de consigna (202), que a modo de ejemplo 25 está establecida en 5ºC, el dispositivo de control hará que el convertidor de la subestación funcione en modo rectificador (203).

Por otro lado, si la temperatura de consigna es mayor que la temperatura del conductor, esto es, que hay o puede existir hielo en el hilo conductor, entonces el dispositivo de control hace 30 que el convertidor de la subestación controlada trabaje como inversor (204).

Así pues, en este modo de funcionamiento, en el caso de no existir trenes en el trayecto controlado, el programa de control implementado en el dispositivo detecta que se alcanzan los parámetros de humedad, temperatura y velocidad del viento establecidos para determinar la 35 posible formación de hielo o que, directamente, se ha formado hielo sobre la catenaria. Si, por otra parte, no se ha detectado un consumo de corriente dentro de los parámetros adecuados definidos en el propio programa, esto asegura que en los trayectos colaterales respecto de donde se encuentra ubicado el equipamiento de potencia no existe ningún tren circulando.

40

En este caso, el dispositivo pasará directamente al modo de calentamiento de la catenaria, estableciendo una tensión de consigna, regulable a voluntad como parámetro de entrada, de tal forma que ponga el equipamiento de potencia en modo de inversor (204). Mediante este parámetro de tensión de consigna se consigue que las subestaciones colaterales aporten mayor o menor corriente a la subestación cuyo equipamiento de potencia funciona como 45 inversor y, por tanto, producirá un mayor o menor calentamiento en función de dicha intensidad.

Más concretamente, la tensión de consigna se disminuye en la subestación controlada, con el fin de hacer circular una corriente eléctrica a través de los hilos de contacto desde las 50 subestaciones adyacentes hasta la subestación controlada, lo que permite calentar los cables por efecto Joule. Así, cuando la temperatura del hilo alcance las condiciones óptimas y el riesgo de hielo haya desaparecido, la tensión de consigna volverá a tener el mismo valor que las subestaciones adyacentes, eliminando el suministro de corriente.

Para ello, la tensión de las subestaciones adyacentes ha de ser fija, mientras que la de la subestación controlada es variable (tensión de consigna) y es asignada en función de los parámetros obtenidos, tales como la temperatura ambiente y la propia del conductor, radiación solar, características del hilo de contacto, potencia máxima de las subestaciones adyacentes, u 5 otras que se quieran establecer.

La subestación controlada recibe la corriente procedente de las subestaciones adyacentes. Mediante el control de los elementos semiconductores del convertidor de potencia de la subestación se realiza una transformación de corriente continua a corriente alterna (modo 10 inversor 204) con las características solicitadas por la compañía suministradora para su devolución a la red. No obstante, si dicha energía puede ser reutilizada en sistemas auxiliares, los elementos semiconductores del convertidor de la subestación adaptan dicha corriente para su reutilización.

15

Dentro de este modo de funcionamiento se establecen distintos grados de severidad, asociados cada uno de ellos a un valor de tensión de consigna que permite el aumento de temperatura de los hilos de contacto, con mayor o menor rapidez en función de los parámetros ambientales. Sin embargo, cuando la temperatura de los hilos de contacto se encuentra dentro de los parámetros establecidos en que no exista riesgo de hielo, el programa de control pondrá 20 la subestación en modo rectificador (203).

En la figura 3 se muestra el modo de funcionamiento con calentamiento de catenaria cuando si existen trenes en el trayecto controlado. Esto se verifica mediante el consumo de intensidad en los alimentadores de la subestación a la catenaria, lo que permitirá mediante la medida de 25 dicha corriente y de los intervalos de duración de la misma, evaluar la temperatura que tienen los hilos de contacto a lo largo del trayecto controlado.

Más concretamente, con riesgo de hielo en la catenaria y habiendo detectado la presencia de trenes en el trayecto controlado, se calcula la temperatura del conductor de acuerdo con las 30 condiciones ambientales y la corriente en los alimentadores (301), existiendo una medición continua de la temperatura del conductor (302).

Esta evaluación de la temperatura (302), realizada por el propio programa de control, será confirmada mediante una sonda de temperatura instalada en los propios conductores, de 35 manera que se permita una retroalimentación y ajuste del funcionamiento del dispositivo de control, ajustando a la realidad los valores de la temperatura obtenida mediante el cálculo.

Después de evaluar si la temperatura del conductor es superior a la temperatura de consigna (303), se evalúa si existen o no trenes regenerando (304,309). 40

En el caso de que la temperatura en el conductor sea mayor que la de consigna y existan trenes regenerando (304), entonces se evalúa la gestión de la energía (305), de tal forma que si la potencia regenerada es reutilizada, el convertidor funciona en modo rectificador (306). Si por el contrario, la potencia regenerada no es reutilizada, el convertidor funciona en modo 45 inversor (307).

Durante la regeneración de energía, la tensión en el pantógrafo es superior a la existente en las subestaciones adyacentes, y es de esta forma como se conoce que hay un tren circulando entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes. Por tanto, existe una corriente 50 eléctrica circulando entre el tren regenerando y las subestaciones adyacentes.

La subestación controlada cambiará su modo de funcionamiento a inversor (307) siempre y cuando la energía regenerada no sea reutilizada por trenes cercanos que soliciten potencia

para su tracción o sea necesaria para subsistemas auxiliares (como, por ejemplo, la señalización viaria). La tensión de consigna de la subestación controlada podrá mantenerse o adaptarse para obtener unas condiciones de corriente aceptables para su posterior transformación mediante el control de los elementos semiconductores (esto es, de los dispositivos de potencia, tipo IGBT o similares, presentes en el convertidor o convertidores de 5 las subestaciones de tracción) y devolución a la red suministradora.

En el caso de que la temperatura del conductor sea mayor que la de consigna y además no existan trenes regenerando, el convertidor siempre funciona en modo rectificador (308).

10

Cuando hay hielo en la catenaria, es decir, cuando la temperatura del conductor es inferior a la temperatura de consigna, se evalúa si existen trenes regenerando (309).

Cuando hay trenes regenerando, se evalúa la potencia necesaria para el calentamiento de la red (310). Si la potencia regenerada es suficiente para calentar el conductor, el dispositivo de 15 control hace que el convertidor trabaje como rectificador (311). No obstante, si la potencia necesaria es mayor que la regenerada, el dispositivo de control hace que el convertidor trabaje en modo inversor (312), al igual que si no hubiese trenes regenerando (313), hasta que la temperatura del conductor aumente (314), evaluándose la temperatura (315) de forma continua, entrando en bucle hasta que la temperatura del conductor es superior a la de 20 consigna, donde vuelve a la evaluación inicial (100).

En general, el programa de control ajusta el funcionamiento del equipo de potencia como inversor (307, 312, 313) a un nuevo valor de consigna de tensión, obteniéndose en función de la misma un determinado valor de corriente, de tal forma que cuanto más bajo sea dicho valor 25 de consigna mayor será la corriente que desde las subestaciones colaterales se canalizará hacia la subestación en que el equipo de potencia esté funcionando como inversor (307, 312, 313).

La mayor o menor circulación de corriente actúa como si dicha subestación funcionando como 30 inversor (307, 312, 313) fuese otro tren que estuviera consumiendo energía. El aumento de la corriente por la catenaria provoca el aumento de la temperatura en los conductores debido al efecto Joule, evitando la formación de hielo sobre los citados conductores.

El programa de control recibe una realimentación (302) del nuevo valor de temperatura que 35 alcanzan los conductores, así como del valor de intensidad que circula (301), reajustando los nuevos valores de consigna de la subestación, hasta conseguir que se incremente la temperatura de los hilos de contacto sin alcanzar el máximo de potencia de funcionamiento permitido en la subestación, aunque dichos valores pueden ser reajustados a voluntad para producir una variación de temperatura más o menos rápida en el tiempo. 40

El incremento de corriente eléctrica para evitar la formación de hielo queda limitado a la máxima potencia susceptible de suministrar por cada una de las subestaciones colaterales, de tal forma que dicha potencia será convertida o “trasladada” a la compañía suministradora en la subestación que funciona como inversor (307, 312, 313), esto es, la subestación reversible 45 objeto de la invención.

Es decir, que en este caso, se lleva corriente eléctrica de una subestación que trabaja como rectificador a otra subestación, normalmente la colateral, que trabaja como inversor para, en esta última subestación, transformarla para otros usos o bien enviarla de nuevo a la compañía 50 suministradora, volcándola de nuevo a la red eléctrica.

Las pérdidas que se producen en dicho transporte son las que se utilizan para elevar la temperatura de los hilos de contacto y evitar de esta forma la formación de hielo sobre los

mismos, luego el rendimiento del sistema queda optimizado al máximo, ya que solamente se producen como pérdidas las relacionadas con el proceso de inversión. De acuerdo con los resultados de simulación practicados, el rendimiento del proceso de inversión está comprendido entre el 94-96%, permitiendo además el funcionamiento simultáneo de los trenes con el calentamiento de los hilos de contacto. 5

El proceso anteriormente descrito es idéntico cuando se produce el frenado de recuperación de los trenes circulantes, con un aprovechamiento integral de la energía, ya que las pérdidas que se producen en el transporte son utilizadas para elevar la temperatura de los conductores por efecto Joule y, después, al estar funcionando la subestación como inversor (307), la energía de 10 dicho frenado se transforma para ser utilizada en otros usos de tracción o bien para la entrega a la compañía suministradora.

Cuando la temperatura de los hilos de contacto ha superado el nivel de riesgo del hielo de acuerdo con los parámetros establecidos en el programa de control, el dispositivo de control 15 hace pasar la subestación de modo inversor (307, 312, 313) a modo rectificador (306, 308, 311) nuevamente y empieza a aportar corriente a la catenaria, de acuerdo con las características eléctricas de la demanda de los trenes existentes en el trayecto.

Si en este funcionamiento se detecta que la tensión de catenaria supera el valor de la tensión 20 de consigna para el funcionamiento como inversor, entonces el dispositivo de control cambia de modo de funcionamiento a la subestación, pasando a modo inversor y convirtiendo la energía de corriente continua a corriente alterna, mientras que el valor de la tensión de catenaria esté por encima del valor de consigna para inversión. Es decir, en este caso, la subestación está convirtiendo la energía que generan los trenes en el proceso de frenado para 25 otros usos o bien para su devolución a la red eléctrica.

Claims

REIVINDICACIONES

1 – Método de control de una subestación de tracción reversible en un tramo de vía entre dicha subestación de tracción y las subestaciones adyacentes; dicha subestación de tracción comprendiendo, al menos, un convertidor de potencia reversible capaz de cambiar de 5 modo rectificador a modo inversor y viceversa; donde dicho método comprende las etapas de:

i) Captura (101) de una pluralidad de parámetros de funcionamiento estables (102) invariantes y característicos en el tramo de vía controlado; así como una pluralidad de parámetros de funcionamiento variables (103) con el tiempo incluyendo unos 10 parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y los parámetros característicos de tensión y corriente durante la circulación de trenes (103a) en dicho tramo de vía controlado;

ii) Establecer si existe riesgo de hielo (104) cuando los parámetros medioambientales 15 y meteorológicos (103b) superan un umbral predefinido; y

iii) Establecer la presencia de trenes en el tramo de controlado;

caracterizado porque comprende una de las siguientes etapas de cambio de modo de 20 función del convertidor de potencia de la subestación de tracción:

a. cambio de modo rectificador (106) a modo inversor (109) cuando existen trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes, no existe riesgo de hielo (104) y existen trenes regenerando (105); 25

b. cambio de modo rectificador (203) a modo inversor (204) cuando no existen trenes entre la subestación controlada (110) y las subestaciones adyacentes y existe riesgo de hielo (104), siendo la temperatura del conductor de la catenaria inferior a una temperatura de consigna (202); 30

c. cambio de modo rectificador (308) a modo inversor (307) cuando existen trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110), existe riesgo de hielo (104), hay trenes regenerando (304) pero la temperatura del conductor de la catenaria es superior a una temperatura de consigna (303); y 35

d. cambio de modo rectificador (311) a modo inversor (312,313) cuando existen trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110), existe riesgo de hielo (104) y, además, la temperatura del conductor de la catenaria es inferior a una temperatura de consigna (303), de tal forma que: 40

i. un primer cambio a modo inversor (312) se establece cuando hay trenes regenerando (309) y es necesaria una potencia mayor a la regenerada; y

ii. un segundo cambio a modo inversor (313) se establece cuando no hay 45 trenes regenerando (309).

2 – El método de la reivindicación 1 donde los parámetros estables (102) son parámetros invariantes y característicos de la catenaria (102b) y de las subestaciones (102a) adyacentes la subestación de tracción reversible controlada, mientras que los parámetros 50 variables (103) son parámetros capturados por una estación meteorológica configurada para la captura de parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y una pluralidad de sensores de tensión y de corriente para los parámetros de circulación de trenes (103a).

3 – El método de la reivindicación 2 donde los parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) son, al menos uno seleccionado entre la humedad, la temperatura del hilo de contacto, la radiación solar, la temperatura ambiente, la velocidad del viento o la temperatura de consigna.

5

4 – El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la temperatura de consigna (202, 206, 303 ,315) es de 5ºC.

5 – El método de una cualquiera de las reivindicaciones 1-4 donde en el modo inversor (204,313) cuando no hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado se disminuye la 10 tensión de la subestación controlada para hacer circular una corriente eléctrica a través de los hilos de contacto de la catenaria desde las subestaciones adyacentes hasta la subestación controlada, calentando los cables de la catenaria por efecto Joule, hasta que la temperatura del cable de contacto de la catenaria alcanza o supera la temperatura de consigna, tras lo cual se igualan las tensiones de las subestaciones controladas y adyacentes. 15

6 – El método de las reivindicaciones 1-4 donde en el modo inversor (109, 307, 312) cuando hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado, durante la regeneración de energía, la tensión del pantógrafo es superior a la existente en las subestaciones adyacentes, existiendo una corriente eléctrica entre el tren regenerando y las subestaciones adyacentes; y 20 donde el cambio de modo rectificador a modo inversor (109, 307, 312) se produce siempre y cuando la energía regenerada por los trenes no sea utilizada por trenes cercanos solicitando potencia para su tracción o sea necesaria para sistemas auxiliares.

7 – Dispositivo de control de una subestación de tracción reversible en un tramo de vía 25 entre dicha subestación de tracción y las subestaciones adyacentes; dicha subestación de tracción comprendiendo, al menos, un convertidor de potencia reversible conectado con el dispositivo de control y capaz de cambiar de modo rectificador a modo inversor y viceversa; donde dicho dispositivo está conectado con una estación meteorológica y medioambiental y con una pluralidad de captadores de señales eléctricas del tramo controlado de vía; 30

y donde dicho dispositivo comprende, al menos, un procesador, una memoria de datos, y un programa o programas almacenados en la memoria y configurados para ejecutarse por el procesador estando caracterizado por que dicho programa o programas incluyen instrucciones para:

35

- capturar (101) una pluralidad de parámetros de funcionamiento estables (102) invariantes y característicos en el tramo de vía controlado; así como una pluralidad de parámetros de funcionamiento variables (103) con el tiempo incluyendo unos parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y los parámetros característicos de tensión y corriente durante la circulación de trenes (103a) en dicho tramo de vía 40 controlado;

- establecer si existe riesgo de hielo (104) cuando los parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) superan un umbral predefinido;

45

- establecer la presencia de trenes en el tramo de controlado; y

- cambiar la función del convertidor según:

a. cambio de modo rectificador (106) a modo inversor (109) cuando existen trenes 50 entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes, no existe riesgo de hielo (104) y existen trenes regenerando (105);

b. cambio de modo rectificador (203) a modo inversor (204) cuando no existen

trenes entre la subestación controlada (110) y las subestaciones adyacentes y existe riesgo de hielo (104), siendo la temperatura del conductor de la catenaria inferior a una temperatura de consigna (202);

c. cambio de modo rectificador (308) a modo inversor (307) cuando existen trenes 5 entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110), existe riesgo de hielo (104), hay trenes regenerando (304) pero la temperatura del conductor de la catenaria es superior a una temperatura de consigna (303); y

d. cambio de modo rectificador (311) a modo inversor (312,313) cuando existen 10 trenes entre la subestación controlada y las subestaciones adyacentes (110), existe riesgo de hielo (104) y, además, la temperatura del conductor de la catenaria es inferior a una temperatura de consigna (303), de tal forma que:

i. un primer cambio a modo inversor (312) se establece cuando hay 15 trenes regenerando (309) y es necesaria una potencia mayor a la regenerada; y

ii. un segundo cambio a modo inversor (313) se establece cuando no hay trenes regenerando (309). 20

8 – El dispositivo de la reivindicación 7 donde los parámetros estables (102) son parámetros invariantes y característicos de la catenaria (102b) y de las subestaciones (102a) adyacentes la subestación de tracción reversible controlada, mientras que los parámetros variables (103) son parámetros capturados por una estación meteorológica configurada para la 25 captura de parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) y una pluralidad de sensores de tensión y de corriente para los parámetros de circulación de trenes (103a).

9 – El dispositivo de la reivindicación 8 donde los parámetros medioambientales y meteorológicos (103b) son, al menos uno seleccionado entre la humedad, la temperatura del 30 hilo de contacto, la radiación solar, la temperatura ambiente, la velocidad del viento o la temperatura de consigna.

10 – El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde la temperatura de consigna (202, 206, 303 ,315) es de 5ºC. 35

11 – El dispositivo de una cualquiera de las reivindicaciones 7-10 donde en el modo inversor (204,313) cuando no hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado, se disminuye la tensión de la subestación controlada para hacer circular una corriente eléctrica a través de los hilos de contacto de la catenaria desde las subestaciones adyacentes hasta la 40 subestación controlada, calentando los cables de la catenaria por efecto Joule, hasta que la temperatura del cable de contacto de la catenaria alcanza o supera la temperatura de consigna, tras lo cual se igualan las tensiones de las subestaciones controladas y adyacentes.

12 – El dispositivo de las reivindicaciones 7-10 donde en el modo inversor (109, 307, 45 312) cuando hay trenes regenerando en el tramo de vía controlado, durante la regeneración de energía, la tensión del pantógrafo es superior a la existente en las subestaciones adyacentes, existiendo una corriente eléctrica entre el tren regenerando y las subestaciones adyacentes; y donde el cambio de modo rectificador a modo inversor (109, 307, 312) se produce siempre y cuando la energía regenerada por los trenes no sea utilizada por trenes cercanos solicitando 50 potencia para su tracción o sea necesaria para sistemas auxiliares.

13 – Subestación de tracción reversible caracterizada porque comprende un dispositivo de control de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7-12.

14 – Un producto de programa informático con instrucciones configuradas para su ejecución por uno o más procesadores que, cuando son ejecutadas por un dispositivo de control de una subestación de tracción reversible de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 7-12 hacen que una subestación de tracción reversible de acuerdo con la 5 reivindicación 13 ejecute el método de las reivindicaciones 1-6.