ES2921062T3 - Vehículo ferroviario con un sistema de accionamiento - Google Patents

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Abstract

Un sistema de transmisión (6) para un vehículo ferroviario (1) con la mayoría de los motores de transmisión (7a, 7b, 7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11e, 11f, 11f, 12a, 12b, 12c, 15a, 15b, 15c, 15d). El sistema de accionamiento (6) se caracteriza por el hecho de que es al menos un motor magnético permanente (7C, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 12a, 12b, 15c, 15d) y al menos un motor asíncrono y/o al menos un motor de reticencia (7a, 7b, 11e, 11f, 12c, 12d, 15a, 15b) como motores de accionamiento (7a, 7b, 7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 12a, 12b, 12c, 12d, 15a, 15b, 15c, 15d). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Vehículo ferroviario con un sistema de accionamiento
La presente invención hace referencia a un vehículo ferroviario con un sistema de accionamiento con una pluralidad de motores de accionamiento, según la reivindicación 1.
Para la realización de un accionamiento para vehículos ferroviarios es conocido el hecho de utilizar motores de tracción excitados mediante imanes permanentes (motores PM), máquinas de reluctancia síncronas o máquinas asíncronas. Los motores de tracción PM en general son más eficientes en cuanto a la energía que las máquinas asíncronas, puesto que con pérdidas del estátor casi idénticas en ambas máquinas, en los motores de tracción PM las pérdidas del rotor se suprimen casi por completo. Las pérdidas del rotor contribuyen aproximadamente con 25 a 30 puntos porcentuales a las pérdidas totales de las máquinas asíncronas.
Al operar vehículos ferroviarios, en particular en los trenes de transporte de corta distancia y transporte regional, las fases de movimiento entre dos estaciones se dividen en cuatro etapas de movimiento: aceleración, marcha normal, rodado/marcha en inercia y frenado.
El rango de aceleración está marcado por una potencia de accionamiento del vehículo ferroviario y una transmisión de las fuerzas de accionamiento hacia las ruedas del vehículo ferroviario. El vehículo ferroviario acelera en tanto una fuerza de tracción del accionamiento del vehículo ferroviario sea mayor que una resistencia al avance que se le presenta al mismo. La etapa de marcha normal se alcanza cuando la fuerza de tracción y la resistencia al avance (con mayor precisión: la fuerza de resistencia al avance) se corresponden (con signos opuestos).
En una fase de rodado o en la etapa de marcha en inercia la fuerza de tracción se reduce hasta que el vehículo ferroviario, debido a la resistencia al avance, disminuye su velocidad de marcha. Si adicionalmente se introducen fuerzas de frenado, entonces la etapa de marcha en inercia se convierte en la etapa de frenado.
La interacción de las etapas o fases de una marcha del vehículo ferroviario, antes mencionadas, se denominan también como secuencia de movimientos del vehículo.
En las secuencias de movimientos del vehículo, entre las estaciones individuales, en las fases de la marcha normal, del rodado/marcha en inercia y del frenado, para el o los motores de accionamiento se produce un funcionamiento de carga parcial o incluso fases de rodado sin accionamiento. De este modo, tiene lugar un funcionamiento con 0 a 50 puntos porcentuales de la potencia de accionamiento total instalada por parte del vehículo, durante una parte de tiempo relativamente grande de la duración de marcha total, entre dos estaciones. Desde las estaciones, sin embargo, en la fase de la aceleración se necesita una fuerza de tracción y una potencia de accionamiento elevadas. Esa fuerza de tracción y esa potencia de accionamiento elevadas determinan el número total de ejes montados accionados y la potencia de accionamiento instalada (a corto plazo). Esa potencia de accionamiento elevada, sin embargo, ya no se necesita más durante las fases restantes de las secuencias de movimientos del vehículo, a excepción de un eventual frenado regenerativo.
En el caso de una utilización de máquinas asíncronas como motores de accionamiento, mediante bloqueos del ciclo de convertidores individuales que suministran potencia eléctrica a los motores, pueden desconectarse motores de accionamiento individuales y, con ello, ejes montados accionados. En las máquinas asíncronas desconectadas ya no se presentan más pérdidas electromagnéticas. El bloqueo del ciclo del convertidor evita también pérdidas en los semiconductores de potencia utilizados (pérdidas por conmutación y pérdidas por conducción en el funcionamiento de carga parcial). Los motores de accionamiento activos restantes funcionan cerca de un punto de plena carga, debido a lo cual pueden alcanzarse grados de efectividad más elevados.
Un bloqueo del ciclo no es posible en los motores PM o al menos no conduce a una máquina sin pérdidas de forma electromagnética (en el caso de un número de vueltas del estátor reducido, con una tensión en circuito abierto inducida reducida y casi sin shuntado del campo) ya que el flujo del imán permanente rotativo provoca además pérdidas por corrientes de Foucault y por histéresis en el núcleo de hierro utilizado en la máquina.
Por los motivos mencionados, de una comparación del consumo de energía entre las máquinas asíncronas y los motores PM, en las secuencias de movimientos del vehículo con etapas prolongadas de rodado o marcha en inercia, resulta que los motores PM no pueden lograr un ahorro de energía o incluso alcanzan un balance energético peor. En el caso de una utilización estricta de máquinas asíncronas, sin embargo, las pérdidas antes mencionadas se presentan en los rotores de las máquinas.
Por la solicitud JP 2005073314 A se conoce una disposición eléctrica de frenado de emergencia para un vehículo ferroviario, en donde un motor síncrono y tres motores asíncronos están conectados de forma paralela y, en el caso de un frenado de emergencia, respectivamente se conectan a una carga de frenado en común.
El objeto de la presente invención, por lo tanto, consiste en proporcionar un vehículo ferroviario con un sistema de accionamiento que supere las desventajas antes mencionadas y presente una eficiencia energética más elevada. Dicho objeto se soluciona mediante un vehículo ferroviario con las características de la reivindicación 1.
En las reivindicaciones dependientes se indican perfeccionamientos ventajosos.
El vehículo ferroviario según la invención presenta ejes montados, que respectivamente comprenden dos ruedas dispuestas de forma opuesta que, al menos de forma parcial, son accionadas por un sistema de accionamiento con una pluralidad de motores de accionamiento, donde el sistema de accionamiento comprende al menos un motor excitado mediante imanes permanentes y al menos un motor asíncrono y/o al menos un motor de reluctancia como motores de accionamiento. De manera significativa, un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores excitados mediante imanes permanentes, es el doble que un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores asíncronos y/o motores de reluctancia, o un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores excitados mediante imanes permanentes es idéntico a un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores asíncronos y/o motores de reluctancia.
El vehículo ferroviario, por ejemplo, puede tratarse de un tren de transporte de corta distancia o de transporte regional, o de una locomotora de pasajeros o de mercancías.
En el caso de un funcionamiento con carga parcial del vehículo ferroviario que debe accionarse, el sistema de accionamiento según la invención, de manera ventajosa, puede desconectar los motores asíncronos y/o de reluctancia más afectados por pérdidas en esa carga parcial. La excitación mediante imanes permanentes, a diferencia del motor asíncrono o del motor de reluctancia, permite grados de efectividad y factores de potencia elevados, también en el caso de rangos de potencia más reducidos, o puede funcionar con una carga elevada (dependiendo de la proporción de los tipos de máquinas y de la potencia de accionamiento total requerida).
Mediante la combinación de motores excitados mediante imanes permanentes con motores asíncronos y/o motores de reluctancia como motores de accionamiento, para rangos de carga pico durante la fase de aceleración, los motores asíncronos y/o los motores de reluctancia pueden conectarse adicionalmente con respecto a los motores excitados mediante imanes permanentes, para posibilitar una fuerza de tracción y una potencia de accionamiento máximas.
Por ese motivo, la invención posibilita combinar las ventajas de los motores excitados mediante imanes permanentes (grado de efectividad elevado también en el funcionamiento de carga parcial) y motores asíncronos y/o motores de reluctancia (posibilidad de desconexión sencilla, sin pérdidas), proporcionando un sistema de accionamiento eficiente en cuanto al consumo de energía.
Preferentemente, la pluralidad de motores de accionamiento del sistema de accionamiento presentan elementos del estátor esencialmente idénticos. Por ejemplo, para los motores de accionamiento puede estar proporcionado un estátor de seis polos del motor de tracción, que respectivamente, de modo correspondiente, está combinado con un rotor que pertenece a un motor excitado mediante imanes permanentes, con un rotor de jaula diseñado para un motor asíncrono, o con un rotor para un motor de reluctancia. Debido a esto, un mantenimiento del sistema de accionamiento puede realizarse de forma especialmente sencilla y conveniente en cuanto a los costes.
Si está proporcionado un motor excitado de forma permanente, en combinación con un motor de reluctancia diseñado como un motor de reluctancia síncrono, para el sistema de accionamiento pueden utilizarse una topología del convertidor y una regulación del accionamiento esencialmente idénticas para la activación de los tipos de motor, lo cual simplifica aún más el funcionamiento y el mantenimiento/conservación del sistema de accionamiento. Un motor de reluctancia síncrono, en este caso, es un motor síncrono de corriente trifásica con un rotor (componente rotativo), que presenta una así llamada sección de bloqueo de flujo o polos salientes.
Según la invención, un número de ejes montados que son accionados por un motor excitado mediante imanes permanentes es el doble que un número de ejes montados que son accionados por un motor asíncrono y/o por un motor de reluctancia.
De manera alternativa, un número de ejes montados que son accionados por un motor excitado mediante imanes permanentes, según la invención, es tan elevado como un número de ejes montados que son accionados por un motor asíncrono y/o por un motor de reluctancia. Expresado de otro modo, el número de ejes montados que son accionados por un motor excitado mediante imanes permanentes es idéntico al número de ejes montados que son accionados por un motor asíncrono y/o por un motor de reluctancia.
Las propiedades, características y ventajas de esta invención, descritas anteriormente, así como el modo de alcanzar las mismas, se aclaran y se vuelven más compresibles con relación a la siguiente descripción de los ejemplos de ejecución que se explican con mayor detalle en combinación con los dibujos.
Muestran:
Figura 1 un tren articulado urbano con bogies Jakobs, en una vista lateral;
Figura 2 un tren regional con vagones centrales de dos pisos, según una primera variante, en una vista lateral;
Figura 3 un tren regional con vagones centrales de dos pisos, según una segunda variante, en una vista lateral; y
Figura 4 una locomotora de mercancías, en una vista lateral.
La figura 1 muestra un tren articulado 1 urbano según la invención, con cuatro secciones del tren 2a, 2b, 2c, 2d. Una primera sección del tren 2a y una segunda sección del tren 2b (dispuesta al lado a la derecha en la figura 1), se apoyan sobre un primer bogie en común 3a. La segunda sección del tren 2b y una tercera sección del tren 2c (dispuesta al lado a la derecha en la figura 1), se apoyan sobre un segundo bogie en común 3b. La tercera sección del tren 2b y una cuarta sección del tren 2d (dispuesta al lado a la derecha en la figura 1), se apoyan sobre un tercer bogie en común 3c. Los bogies 3a, 3b, 3c también se denominan como bogies Jakobs.
La primera sección del tren 2a (dispuesta en el extremo izquierdo en la figura 1), en un primer lado frontal 4a del tren articulado 1, se apoya sobre un primer bogie 5a separado. La cuarta sección del tren 2d (dispuesta en el extremo derecho en la figura 1), en un segundo lado frontal 4b del tren articulado 1, se apoya sobre un segundo bogie 5b separado. Cada bogie 3a, 3b, 3c, 5a, 5b comprende un par de ejes montados. De este modo, cada eje montado comprende dos ruedas opuestas una con respecto a otra, que pueden moverse a lo largo de raíl (representado). Cada bogie 3a, 3b, 3c, 5a, 5b, por consiguiente, comprende cuatro ruedas. En el marco de la invención también pueden proporcionarse bogies/chasis 3a, 3b, 3c, 5a, 5b que respectivamente presenten más o menos ruedas o ejes montados.
Un sistema de accionamiento 6 del tren articulado 1 comprende motores asíncronos y/o motores de reluctancia 7a, 7b que están dispuestos en un área de los dos bogies 5a, 5b separados de la primera, así como de la cuarta sección del tren 2a, 2d, y que accionan las ruedas correspondientes.
Además, el sistema de accionamiento 6 del tren articulado 1 comprende motores excitados mediante imanes permanentes 7c, 7d, que están dispuestos en un área del primer bogie 3a en común, entre la primera sección del tren 2a y la segunda sección del tren 2b, y un área del tercer bogie 3c en común, entre la tercera sección del tren 2c y la cuarta sección del tren 2d. En el segundo bogie 3b en común no está dispuesto ningún motor de accionamiento. La figura 2 muestra una primera variante de un tren regional 1 según la invención con cuatro vagones 8a, 8b, 8c, 8d. El primer vagón 8a (en el extremo izquierdo en la figura 2) y el cuarto vagón 8d representan vagones convencionales, mientras que el segundo vagón 8b y el tercer vagón 8cm que se encuentran entre el primer vagón 8a y el cuarto vagón 8d, están diseñados como vagones centrales 8b, 8c de dos pisos. El segundo vagón 8b y el tercer vagón 8c también pueden estar diseñados como vagones convencionales (sin una realización de dos pisos). Todos los cuatro vagones 8a, 8b, 8c, 8d, respectivamente en sus áreas del extremo 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h, se apoyan sobre un bogie 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h. Cada bogie 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h comprende un par de ejes montados. De este modo, cada eje montado comprende dos ruedas opuestas una con respecto a otra, que pueden moverse a lo largo de un raíl (representado). Por consiguiente, cada bogie 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h comprende cuatro ruedas. En el marco de la invención también pueden proporcionarse bogies/chasis 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h que respectivamente presenten más o menos ruedas o ejes montados.
Un sistema de accionamiento 6 del tren regional 1 comprende motores excitados mediante imanes permanentes 11a, 11b, 11c, 11d, que están dispuestos en un área de los bogies 10a, 10b, 10g, 10h del primer vagón 8a y del cuarto vagón 8d.
El sistema de accionamiento 6 del tren regional 1 comprende además motores asíncronos y/o motores de reluctancia 11e, 11f que están dispuestos en un área del extremo 9c (que se encuentra a la izquierda en la figura 2) del segundo vagón 8b y un área del extremo 9f (que se encuentra a la derecha en la figura 2) del tercer vagón 8c, en un área del bogie 10c, 10f correspondiente, y que accionan las ruedas correspondientes.
En un área del extremo 9d (que se encuentra a la derecha en la figura 2) del segundo vagón 8b y un área del extremo 9e (que se encuentra a la izquierda en la figura 2) del tercer vagón 8c, en un área del bogie 10d, 10e correspondiente, no se encuentra dispuesto ningún motor de accionamiento.
La figura 3 muestra una segunda variante de un tren regional 1 según la invención con cuatro vagones 8a, 8b, 8c, 8d. El primer vagón 8a (en el extremo izquierdo en la figura 2) y el cuarto vagón 8d representan vagones convencionales, mientras que el segundo vagón 8b y el tercer vagón 8c, que se encuentran entre el primer vagón 8a y el cuarto vagón 8d, están diseñados como vagones centrales de dos pisos 8b, 8c. El segundo vagón 8b y el tercer vagón 8c también pueden estar diseñados como vagones convencionales (sin una realización de dos pisos).
Todos los cuatro vagones 8a, 8b, 8c, 8d, respectivamente en sus áreas del extremo 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h, se apoyan sobre un bogie 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h. Cada bogie 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h comprende un par de ejes montados. De este modo, cada eje montado comprende dos ruedas opuestas una con respecto a otra, que pueden moverse a lo largo de un raíl (representado). Por consiguiente, cada bogie 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h comprende cuatro ruedas. En el marco de la invención también pueden proporcionarse bogies/chasis 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, 10f, 10g, 10h que respectivamente presenten más o menos ruedas o ejes montados.
Un sistema de accionamiento 6 del tren regional 1 comprende motores excitados mediante imanes permanentes 12a, 12b, que están dispuestos en un área del bogie 10a (que se encuentra a la izquierda en la figura 3), del primer vagón 8a, y en un área del bogie 10h (que se encuentra a la derecha en la figura 3), del cuarto vagón 8d.
El sistema de accionamiento 6 del tren regional 1 comprende además motores asíncronos y/o motores de reluctancia 12c, 12d que están dispuestos en un área del extremo 9b (que se encuentra a la derecha en la figura 2) del primer vagón 8a y un área del extremo 9g (que se encuentra a la izquierda en la figura 2) del cuarto vagón 8d, en un área del bogie 10b, 10g correspondiente, y que accionan las ruedas correspondientes.
El segundo vagón 8b y el tercer vagón 8c no presentan motores de accionamiento.
La figura 4 muestra una locomotora de mercancías 1 según la invención.
La locomotora de mercancías 1, en un primer lado frontal 13a, se apoya sobre un primer bogie 14a. En un segundo lado frontal 13b, la misma se apoya sobre un segundo bogie 14b.
Cada bogie 14a, 14b comprende tres ejes montados. De este modo, cada eje montado comprende dos ruedas opuestas una con respecto a otra, que pueden moverse a lo largo de un raíl (representado). Por consiguiente, cada bogie 14a, 14b comprende seis ruedas. En el marco de la invención también pueden proporcionarse bogies 14a, 14b que respectivamente presenten más o menos ruedas o ejes montados.
Un sistema de accionamiento 6 de la locomotora de mercancías 1 comprende motores asíncronos y/o motores de reluctancia 15a, 15b, que respectivamente accionan un eje montado central de los dos bogies 14a, 14b.
El sistema de accionamiento 6 de la locomotora de mercancías 1 comprende además motores excitados mediante imanes permanentes 15c, 15d, que accionan los ejes montados restantes de los dos bogies 14a, 14b.
Si bien la invención fue ilustrada y descrita en detalle mediante el ejemplo de ejecución preferente, la invención no está limitada por los ejemplos descritos, y el experto puede deducir de éstos otras variaciones en el marco de las reivindicaciones, sin abandonar el alcance de protección de la invención.

Claims (3)

REIVINDICACIONES
1. Vehículo ferroviario (1) con ejes montados, que respectivamente comprenden dos ruedas dispuestas de forma opuesta que, al menos de forma parcial, son accionadas por un sistema de accionamiento (6) con una pluralidad de motores de accionamiento (7a, 7b, 7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 12a, 12b, 12c, 12d, 15a, 15b, 15c, 15d), donde
el sistema de accionamiento (6) comprende al menos un motor excitado mediante imanes permanentes (7 c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 12a, 12b, 15c, 15d) y al menos un motor asíncrono y/o al menos un motor de reluctancia (7a, 7b, 11e, 11f, 12c, 12d, 15a, 15b), como motores de accionamiento (7a, 7b, 7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 12a, 12b, 12c, 12d, 15a, 15b, 15c, 15d),
caracterizado porque un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores excitados mediante imanes permanentes (7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 12a, 12b, 15c, 15d) es el doble que un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores asíncronos y/o motores de reluctancia (7a, 7b, 11e, 11f, 12c, 12d, 15a, 15b), o un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores excitados mediante imanes permanentes (7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 12a, 12b, 15c, 15d) es idéntico a un número de ejes montados que son accionados por uno o varios motores asíncronos y/o motores de reluctancia (7a, 7b, 11e, 11f, 12c, 12d, 15a, 15b).
2. Vehículo ferroviario (1) según la reivindicación 1, en el cual la pluralidad de motores de accionamiento (7a, 7b, 7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 12a, 12b, 12c, 12d, 15a, 15b, 15c, 15d) presenta elementos del estátor esencialmente idénticos.
3. Vehículo ferroviario (1) según la reivindicación 1 ó 2, que comprende al menos un motor excitado de forma permanente (7c, 7d, 11a, 11b, 11c, 11d, 12a, 12b, 15c, 15d) y un motor de reluctancia (7a, 7b, 11e, 11f, 12c, 12d, 15a, 15b) diseñado como un motor de reluctancia síncrono.
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