ITRM20100510A1 - VOLTAGE LIMITER SYSTEM FOR PROTECTION EARTH CIRCUITS IN ELECTRIC TRACTION WITH SELF-DIAGNOSTIC CAPACITY SELF-SUPPLY AND REMOTE TRANSMISSION OF COLLECTED INFORMATION AND RELATIVE METHOD - Google Patents
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- B60M1/04—Mechanical protection of line; Protection against contact by living beings
Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
a corredo di una domanda di Brevetto d'Invenzione avente per TITOLO: accompanying an application for an Invention Patent having as TITLE:
"Sistema limitatore di tensione per circuiti di terra di protezione nella trazione elettrica con capacità di autodiagnosi, autoalimentazione e trasmissione a distanza delle informazioni raccolte e relativo metodo" "Voltage limiting system for protective earth circuits in electric traction with self-diagnosis, self-powering and remote transmission of the information collected and related method"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un sistema limitatore di tensione per circuiti di terra di protezione per trazione elettrica con capacità di autodiagnosi, autoalimentazione e trasmissione a distanza delle informazioni raccolte e relativo metodo, che risulta estremamente preciso, rapido nella rilevazione, affidabile, semplice, efficiente, ed economico. The present invention refers to a voltage limiting system for protective earth circuits for electric traction with self-diagnosis, self-powering and remote transmission capabilities of the information collected and relative method, which is extremely precise, rapid in detection, reliable, simple, efficient, and economical.
Preferibilmente, il sistema secondo l'invenzione consente altresì di verificare lo stato di funzionamento dei dispositivi di potenza interni al limitatore permettendone la sostituzione tempestiva prima che si verifichino danni a persone cose o animali in prossimità della sede ferroviaria. Preferably, the system according to the invention also makes it possible to check the operating status of the power devices inside the limiter, allowing them to be replaced promptly before damage to persons, property or animals occurs in the vicinity of the railway site.
La presente invenzione si riferisce altresì al relativo procedimento di rilevazione. The present invention also refers to the relative detection procedure.
Il sistema secondo 1'invenzione sarà illustrato con riferimento, ma solo a titolo esemplificativo e non limitativo, ad una sua applicazione per il controllo della limitazione in tensione per circuiti di terra di protezione nella trazione elettrica con possibilità di verifica continua del funzionamento. Si deve, tuttavia, tenere presente che il sistema secondo l'invenzione può essere utilizzato anche per effettuare operazioni di controllo attivo della prote zione tramite induzione di condizioni artificiali di intervento, rimanendo sempre nell'ambito della presente invenzione. The system according to the invention will be illustrated with reference, but only by way of non-limiting example, to an application thereof for controlling the voltage limitation for protective earth circuits in electric traction with the possibility of continuous verification of operation. However, it must be kept in mind that the system according to the invention can also be used to carry out active control operations of the protection by inducing artificial intervention conditions, always remaining within the scope of the present invention.
E' noto che molti gestori di reti ferrotranviarie in tutto il mondo hanno già installato o stanno attualmente installando dispositivi di protezione il cui scopo è quello di evitare che i binari, che agiscono come circuito di ritorno per la corrente di trazione elettrica, in alcuni punti raggiungano tensioni troppo elevate rispetto alla terra locale (per esempio 160 Volt) tali da presentare rischi per la salute di persone ed animali che si trovino in prossimità della sede ferroviaria o da indurre danni in cose e oggetti adiacenti; oppure che, a causa di correnti di perdita attraverso gli isolatori che sono interposti tra il palo di sostegno e il cavo sospeso di alimentazione delle elettromotrici, il palo stesso si porti a tensioni verso la terra locale tanto elevate da costituire minaccia. It is well known that many railway and tram network operators around the world have already installed or are currently installing protective devices whose purpose is to prevent the tracks, which act as a return circuit for the electric traction current, in some points they reach too high voltages with respect to the local earth (for example 160 Volts) such as to present risks for the health of people and animals that are near the railway site or to induce damage to adjacent things and objects; or that, due to leakage currents through the insulators that are interposed between the support pole and the suspended power supply cable of the electromotive, the pole itself leads to voltages towards the local earth so high as to constitute a threat.
La soluzione apparentemente ovvia, di connettere binari e pali o altri oggetti metallici alla terra locale, non è da desiderare in quanto darebbe vita a correnti di dispersione nel terreno, con possibile corrosione rapida e profonda degli oggetti metallici nelle vicinanze. The apparently obvious solution, of connecting tracks and poles or other metal objects to the local earth, is not to be desired as it would give rise to leakage currents in the ground, with possible rapid and deep corrosion of nearby metal objects.
La protezione è allora ottenuta in genere per mezzo di diodi per alte correnti opportunamente polarizzati o per mezzo di diodi rettificatori SCR (Silicon Controlled Rectifier) innescati da un opportuno circuito elettronico ogni volta che un predefinito livello di tensione di soglia viene superato. Protection is then generally obtained by means of suitably biased high-current diodes or by means of SCR (Silicon Controlled Rectifier) rectifier diodes triggered by an appropriate electronic circuit each time a predefined threshold voltage level is exceeded.
Una combinazione diodo a semiconduttore-diodo SCR-varistore può essere usata all'interno dello stesso dispositivo di protezione per proteggere oltre che dai due meccanismi precedenti anche dalle scariche atmosferiche. A semiconductor diode-SCR diode-varistor combination can be used inside the same protection device to protect not only from the two previous mechanisms but also from atmospheric discharges.
Le massime tensioni consentite e le massime durate sono state definite, per esempio, nelle Norme Tecniche Europee EN 50122-1 e EN50122-2. The maximum allowed voltages and the maximum durations have been defined, for example, in the European Technical Standards EN 50122-1 and EN50122-2.
Risulta chiaro dalla descrizione precedente che i dispositivi per la limitazione di tensione devono essere estremamente affidabili e sicuri, dal momento che guasti nel meccanismo di protezione possono essere estremamente pericolosi per persone animali e cose e possono produrre un interruzione del servizio ferroviario. It is clear from the foregoing description that voltage limiting devices must be extremely reliable and safe, since failures in the protection mechanism can be extremely dangerous for people, animals and property and can lead to an interruption of the railway service.
Anche se i dispositivi limitatori di tensione sono stati già introdotti dagli operatori nelle loro reti ferroviarie, di fatto il funzionamento affidabi le non è garantito in quanto i guasti si possono verificare sia nei circuiti di pilotaggio del limitatore sia nei componenti di potenza all'interno (diodi e raddrizzatori controllati al silicio per alte correnti) : alcuni meccanismi rudimentali di controllo in verità sono già stati applicati ma richiedono una ispezione manuale dell'apparato da parte di personale tecnico che deve verificare a vista ogni singolo limitatore muovendosi lungo linea. Even if the voltage limiting devices have already been introduced by the operators in their railway networks, in fact reliable operation is not guaranteed as faults can occur both in the driver circuits of the limiter and in the power components inside ( silicon controlled diodes and rectifiers for high currents): some rudimentary control mechanisms have actually already been applied but require a manual inspection of the apparatus by technical personnel who must visually check each individual limiter moving along the line.
Onde verificare il funzionamento corretto, possono essere introdotti nel limitatore opportuni circuiti di controllo di modo che, per esempio, se il circuito primario di innesco del diodo SCR si guasta o è difettoso, viene attivato un circuito secondario, il diodo SCR è innescato in ritardo e l'evento di guasto o il difetto sono registrati localmente, per mezzo, ad esempio, di un componente bistabile quale un relè. In order to verify correct operation, suitable control circuits can be introduced into the limiter so that, for example, if the primary trigger circuit of the SCR diode fails or is defective, a secondary circuit is activated, the SCR diode is triggered with a delay. and the fault event or fault is recorded locally, by means of, for example, a bistable component such as a relay.
Il mancato funzionamento del circuito di innesco primario può essere rivelato leggendo localmente lo stato del relè bistabile e il dispositivo di limitazione della tensione può essere riparato o sostituito. Failure of the primary trigger circuit can be revealed by reading the status of the bistable relay locally and the voltage limiting device can be repaired or replaced.
Questa procedura richiede un'ispezione periodica manuale eseguita, normalmente, da personale tecnico che si muove lungo linea e prova ogni limitatore, operazione questa che si rivela dispendiosa in termini di tempi e di costi di esercizio. This procedure requires a periodic manual inspection normally carried out by technical personnel who move along the line and test each limiter, an operation which turns out to be expensive in terms of time and operating costs.
Inoltre, il controllo è puramente passivo, ciò a significare che il personale tecnico verrà a conoscenza del solo fatto che il circuito di innesco primario non è riuscito ad innescare il diodo SCR: un diodo SCR difettoso non sarà in genere identificabile né potrà il personale tecnico procedere in loco ad una attività di prova volta a verificare lo stato di funzionamento dell'apparato. Furthermore, the control is purely passive, which means that the technical staff will only be aware of the fact that the primary trigger circuit has failed to trigger the SCR diode: a defective SCR diode will generally not be identifiable nor will the technical personnel carry out on site a test activity aimed at verifying the operating status of the apparatus.
Potrebbero immaginarsi circuiti di controllo più sofisticati ma limitatori di tensione con tali caratteristiche non sono mai stati prodotti in quanto dovrebbero recare bordo una batteria per l'alimentazione cosa che implicherebbe una sostituzione periodica, cosa anche questa dispendiosa in termini di tempi e di costi di esercizio. More sophisticated control circuits could be imagined but voltage limiters with these characteristics have never been produced as they would have to carry a battery for power supply which would imply a periodic replacement, something also expensive in terms of time and operating costs. .
Lo scopo della presente invenzione è, pertanto, quello di avere un dispositivo di limitazione della tensione dotato internamente di un sistema di controllo attivo e passivo del funzionamento complessivo del limitatore attraverso una rilevazione dei parametri generali di funzionamento estremamente precisa, rapida da eseguire, affidabile, semplice, efficiente, ed economica . The object of the present invention is, therefore, to have a voltage limiting device internally equipped with an active and passive control system of the overall operation of the limiter through an extremely precise, quick to perform, reliable detection of the general operating parameters. simple, efficient, and economical.
Ancora scopo dell'invenzione è quello di consentire altresì di procedere ad un controllo attivo dello stato di funzionamento dei circuiti di pilotaggio dei componenti di potenza e dei componenti di potenza medesimi in condizioni predeterminabili. Another object of the invention is to also allow to proceed with an active control of the operating state of the driving circuits of the power components and of the power components themselves in predeterminable conditions.
Ancora scopo dell'invenzione è quello di immagazzinare i dati di funzionamento misurati e di trasferirli all'esterno per mezzo di dispositivi di comunicazione mobili o fissi verso postazioni fisse centrali o locali o mezzi mobili di raccolta ospitati su treni convenzionali o su convogli di misura adibiti allo scopo. Another object of the invention is to store the measured operating data and to transfer them outside by means of mobile or fixed communication devices to central or local fixed stations or mobile collection means hosted on conventional trains or on measurement trains purpose.
Ancora scopo dell'invenzione è quello di eseguire sequenze di prove dell'efficienza del limitatore, programmate o a richiesta, disponendo di una propria sorgente interna di energia rinnovabile, che non richiede interventi di sostituzione, costituita da un sistema di raccolta di energia che immagazzina per uso successivo l'energia che si può prelevare dai binari ogni volta che un treno passa nelle vicinanze del dispositivo costituito dalla presente invenzione. Another object of the invention is to perform sequences of tests of the limiter efficiency, either programmed or on request, having its own internal source of renewable energy, which does not require replacement interventions, consisting of an energy collection system that stores for subsequent use of the energy that can be taken from the tracks every time a train passes in the vicinity of the device constituted by the present invention.
Forma oggetto specifico della presente invenzione un sistema di limitazione della tensione avente al suo interno un sistema di controllo attivo e passivo del regolare funzionamento dotato di propria fonte di energia, come definito dalla rivendicazione 1. The specific object of the present invention is a voltage limiting system having inside it an active and passive control system for regular operation equipped with its own energy source, as defined in claim 1.
Ulteriori forme di realizzazione del sistema secondo l'invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti 2-9. Further embodiments of the system according to the invention are defined in the dependent claims 2-9.
Forma oggetto specifico della presente invenzione un procedimento di rilevazione delle informazioni di guasto o di-malfunzionamento del limitatore, come definito dalla rivendicazione 10. The specific object of the present invention is a method for detecting the failure or malfunction information of the limiter, as defined in claim 10.
Ulteriori forme di realizzazione del procedimento secondo l'invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti 11-12. Further embodiments of the method according to the invention are defined in the dependent claims 11-12.
La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle Figure dei disegni allegati, in cui: la Figura 1 mostra un diagramma a blocchi schematico di una preferita forma di realizzazione del sistema secondo l'invenzione; The present invention will now be described, for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, with particular reference to the Figures of the attached drawings, in which: Figure 1 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the system according to the invention;
la Figura 2 mostra un diagramma a blocchi schematico di una preferita forma di realizzazione del dispositivo di limitazione della tensione secondo 1'invenzione; Figure 2 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the voltage limiting device according to the invention;
la Figura 3 mostra un diagramma a blocchi schematico di una preferita forma di realizzazione del sistema di gestione della potenza secondo l'invenzione; la Figura 4 mostra un diagramma a blocchi schematico di una preferita forma di realizzazione del sistema di controllo a microprocessore secondo 1'invenzione; Figure 3 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the power management system according to the invention; Figure 4 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the microprocessor control system according to the invention;
la Figura 5 mostra un diagramma a blocchi schematico di una preferita forma di realizzazione del sistema di comunicazione secondo l'invenzione; Figure 5 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the communication system according to the invention;
la Figura 6 mostra un diagramma a blocchi schematico di una preferita forma di realizzazione del sistema attivo di prova secondo l'invenzione; Figure 6 shows a schematic block diagram of a preferred embodiment of the active test system according to the invention;
Nelle Figure, elementi analoghi vengono indicati con numeri di riferimento uguali. In the Figures, similar elements are indicated with the same reference numbers.
La Figura 1 mostra uno schema a blocchi generale del sistema di limitazione della tensione con capacità di autodiagnosi e di comunicazione dei dati secondo l'invenzione, comprendente un dispositivo 101 di limitazione di tensione, che è connesso tra il binario 104 e il palo 105 di supporto della linea aerea o altro oggetto protetto e può essere pilotato da un sottosistema di prova attiva 103, il cui scopo è quello di verificare il corretto funzionamento del dispositivo di limitazione della tensione 101. Un sottosottosistema di acquisizione dati 106 è interconnesso col dispositivo di limitazione della tensione 101 per effettuare la misura dei parametri di fun zionamento maggiormente rilevanti. Un sottosistema di raccolta e gestione dell'energia 102 immagazzina internamente l'energia che sarà utilizzata per l'alimentazione dell'intero apparato, preferibilmente prelevandola dai binari quando il potenziale verso terra cresce al passaggio del treno in ragione del flusso di corrente che si crea verso la sottostazione di alimentazione nel circuito di ritorno costituito dai binari medesimi. L'energia può essere, inoltre, preferibilmente trasferita al sottosistema di raccolta e gestione dell'energia 102 per mezzo di una presa per energia 113 consentendo in tal modo l'alimentazione elettrica diretta del sistema secondo l'invenzione sia durante le fasi di collaudo e messa a punto del sistema prima dell'installazione, sia durante l'esercizio quando si verifichi la necessità, ricevuta una segnalazione di guasto, che il personale tecnico proceda ad una diagnosi preferibilmente sul sistema installato ma anche sul sistema portato in officina per la possibile riparazione. In altre forme di realizzazione dell'invenzione l'energia può essere accumulata utilizzando altri mezzi ed altre procedure, preferibilmente sfruttando l'energia solare, quella vibrazionale, quella termica o quella eolica. Preferibilmente un microcontrollore 107 o altro dispositivo intelligente è interfacciato al sottosistema di raccolta e gestione dell'energia 102, al sottosottosistema di acquisizione dati 106, al sottosistema di prova attiva 103 e al dispositivo di comunicazione 108; il microcontrollore interagisce con ciascuno di questi dispostivi e sottosistemi per controllare ogni singola fase della procedura seguita per sorvegliare, eseguire le prove e comunicare i valori risultanti per i vari parametri al mondo esterno. Il dispositivo di comunicazione 108, pilotato dal microcontrollore 107, si interfaccia, attraverso una rete 109 di telecomunicazioni che può essere preferibilmente wireless o più preferibilmente GSM-R, da intendersi come rete radiomobile GSM per uso ferroviario, o ancora rete fissa cablata, ad un sistema esterno di raccolta dati 110 che può essere preferibilmente fisso o più preferibilmente mobile, che è oggetto della presente invenzione e che può essere ospitato preferibilmente su vagoni per trasporto passeggeri o merci o più preferìbilmente su treni di misura detti pure treni diagnostici. Il dispositivo di comunicazione 108 è preferibilmente bidirezionale ed è capace di trasmettere informazioni sia in base ad orari predisposti sia su richiesta che ad esso pervenga dal sistema esterno di raccolta dati 110 o da sistema esterno di raccolta dati similare. Il protocollo per lo scambio dei dati può essere preferibilmente un protocollo proprietario appositamente sviluppato o un protocollo normalizzato usato per lo scambio dei dati. Il dispositivo di comunicazione 108 può essere interconnesso ad una varietà di sistemi di raccolta di-dati anche per mezzo di rete Ethernet cablata, o altra rete similare basata secondo un esempio non limitativo su altro bus per uso industriale o ferroviario, tramite una presa 112 opportuna collocata sull'armadietto che racchiude l'apparato. Tale presa 112 può essere preferibilmente utilizzata sia durante le fasi di collaudo e messa a punto del sistema prima dell'installazione, sia durante l'esercizio quando si verifichi la necessità, ricevuta una segnalazione di guasto, che il personale tecnico proceda ad una diagnosi preferibilmente sul si÷-stema installato ma anche sul sistema portato in officina per la possibile riparazione. In una realizzazione preferita differente, il dispositivo di comunicazione 108 può essere connesso remotamente alla rete GSM-R o ad altra rete mobile di ogni generazione per trasmettere le informazioni su base oraria o dietro richiesta da parte di un server centrale. Essendo ogni apparato realizzato in accordo alla presente invenzione preferibilmente dotato di un identificatore unico ID, un server informatico centrale preferibilmente singolo connesso alla rete GSM-R o rete similare può raccogliere i dati dell'intera rete ferroviaria . Figure 1 shows a general block diagram of the voltage limiting system with self-diagnosis and data communication capabilities according to the invention, comprising a voltage limiting device 101, which is connected between the track 104 and the pole 105 of support of the overhead line or other protected object and can be driven by an active test subsystem 103, the purpose of which is to verify the correct operation of the voltage limiting device 101. A data acquisition subsystem 106 is interconnected with the limiting device voltage 101 to measure the most relevant operating parameters. An energy collection and management subsystem 102 internally stores the energy that will be used to power the entire apparatus, preferably taking it from the tracks when the ground potential increases as the train passes by due to the current flow that is created towards the power supply substation in the return circuit consisting of the tracks themselves. The energy can also be preferably transferred to the energy collection and management subsystem 102 by means of an energy socket 113 thus allowing the direct electrical supply of the system according to the invention both during the testing and fine-tuning of the system before installation, both during operation when the need arises, upon receipt of a fault signal, that the technical staff proceeds to a diagnosis preferably on the installed system but also on the system brought to the workshop for possible repair . In other embodiments of the invention the energy can be accumulated using other means and other procedures, preferably by exploiting solar, vibrational, thermal or wind energy. Preferably a microcontroller 107 or other intelligent device is interfaced to the energy collection and management subsystem 102, to the data acquisition subsystem 106, to the active test subsystem 103 and to the communication device 108; the microcontroller interacts with each of these devices and subsystems to control every single phase of the procedure followed to monitor, perform the tests and communicate the resulting values for the various parameters to the outside world. The communication device 108, driven by the microcontroller 107, interfaces, through a telecommunications network 109 which can be preferably wireless or more preferably GSM-R, to be understood as a GSM mobile network for railway use, or even a wired fixed network, to a external data collection system 110 which can be preferably fixed or more preferably mobile, which is the object of the present invention and which can be preferably housed on passenger or freight carriages or more preferably on measurement trains, also known as diagnostic trains. The communication device 108 is preferably bidirectional and is capable of transmitting information both on the basis of preset times and upon request received from the external data collection system 110 or from a similar external data collection system. The protocol for data exchange can preferably be a specially developed proprietary protocol or a standardized protocol used for data exchange. The communication device 108 can be interconnected to a variety of data collection systems also by means of a wired Ethernet network, or other similar network based according to a non-limiting example on another bus for industrial or railway use, through a suitable socket 112 placed on the cabinet that encloses the apparatus. This socket 112 can preferably be used both during the testing and tuning phases of the system before installation, and during operation when the need arises, having received a fault signal, for the technical staff to proceed with a diagnosis preferably on the installed system but also on the system brought to the workshop for possible repair. In a different preferred embodiment, the communication device 108 can be connected remotely to the GSM-R network or to another mobile network of each generation to transmit the information on an hourly basis or upon request by a central server. Since each apparatus made according to the present invention preferably equipped with a unique identifier ID, a preferably single central computer server connected to the GSM-R network or similar network can collect the data of the entire railway network.
Come mostrato in Figura 2,dove si riporta un disegno schematico del dispositivo di limitazione della tensione secondo una realizzazione preferita, una unità elettronica per la generazione dell'innesco 200 controlla la differenza di tensione tra il binario 104 e il palo o altro oggetto protetto 105 e innesca il diodo SCR 201 ogni volta che tale differenza di tensione supera i limiti fissati dalle norme rilevanti. La protezione contro la sovratensione del binario 104, del palo 105, o contro le fulminazioni è assicurata rispettivamente dal diodo SCR 201, dal diodo per alte correnti 202 e dal varistore 203. Schemi differenti, che incorporino, ad esempio non esclusivo, due diodi SCR in antiparallelo invece di una coppia costituita da un diodo e un diodo SCR costituiscono altra realizzazione preferenziale compatibile con la presente invenzione. Come miglioria essenziale nel confronti di dispositivi di limitazione della tensione già esistenti, la presente invenzione incorpora un sensore per la misura della corrente 111, corrente che fluisce dal binario 104 al palo 105 o viceversa, un diodo di disaccoppiamento 204, un altro diodo di disaccoppiamento 205, un dispositivo 208 di misura dell'innesco del diodo SCR 201 e un punto di connessione 210 per l'alimentazione del sottosistema di raccolta e gestione dell'energia 102 in Figura 1. As shown in Figure 2, where a schematic drawing of the voltage limiting device according to a preferred embodiment is reported, an electronic unit for generating the trigger 200 controls the voltage difference between the track 104 and the pole or other protected object 105 and triggers the SCR 201 diode whenever this voltage difference exceeds the limits set by the relevant standards. The protection against overvoltage of the track 104, of the pole 105, or against lightning strikes is ensured respectively by the SCR diode 201, by the diode for high currents 202 and by the varistor 203. Different schemes, which incorporate, for example not exclusive, two SCR diodes in antiparallel instead of a pair consisting of a diode and an SCR diode constitute another preferential embodiment compatible with the present invention. As an essential improvement over existing voltage limiting devices, the present invention incorporates a sensor for measuring current 111, current flowing from track 104 to pole 105 or vice versa, a decoupling diode 204, another decoupling diode 205, a device 208 for measuring the ignition of the SCR diode 201 and a connection point 210 for powering the energy collection and management subsystem 102 in Figure 1.
La Figura 3 mostra uno schema a blocchi per la realizzazione preferenziale del sottosottosistema di raccolta e gestione dell'energia 102 dove un raccoglitore di energia 300 raccoglie l'energia che, come esempio nella realizzazione preferenziale non esclusivo di altri sistemi, si rende disponibile per un certo intervallo di tempo quando un treno passa in vicinanza dell'apparato descritto dalla presente invenzione. Il raccoglitore di energia 300 è connesso tra il binario 104 e il palo o altro oggetto protetto 105 che si trovano, nelle condizioni di esempio ma non solo, a potenziali elettrici differenti e di conseguenza, all'interno del raccoglitore di energia 300 scorre corrente e l'energia relativa è raccolta. L'energia raccolta è immagazzinata in un deposito di energia 301 che può essere costituito preferibilmente da un supercondensatore, più preferibilmente da una batteria ricaricabile ad alta densità di potenza e lunga durata o in alternativa da altro mezzo adatto ad immagazzinare energia elettrica a bassa tensione. Un controllore della potenza 302 connesso al microcontrollore 107 di Figura 1 attraverso l'interfaccia 303 si incarica del condizionamento della potenza, del controllo della potenza e delle altre funzioni presenti per innalzare l'efficienza complessiva del sottosìstema di raccolta e gestione dell'energia. Poiché al passaggio del treno deve essere massimizzata l'energia raccolta, il controllore della potenza 302 è incaricato altresì di rilevare la minima tensione necessaria affinché la raccolta dell'energia avvenga in maniera efficiente e estenderà la raccolta su tutto l'intervallo corrispondente al superamento di tale soglia di tensione. Inoltre, il controllore della potenza 302 ha preferibilmente la funzione di limitare la raccolta dell'energia alla sola quantità richiesta per ricaricare a fondo la batteria o il supercondensatore di modo che le correnti di dispersione vengano limitate. Preferibilmente, il controllore della potenza 302 e assieme il microcontrollore 107 di Figura 1 tengono traccia storica dei cicli di carica e scarica del deposito di energia 301 per calcolare il valore dell'energia immagazzinata e dell'energia disponibile per la prova attiva del dispositivo di limitazione della tensione 101 in Figura Come mostrato in Figura 4 che riporta lo schema a blocchi in una realizzazione preferenziale del microcontrollore 107 di Figura 1, l'unità centrale di processo (CPU) 400 è interfacciata in maniera bidirezionale a una memoria di lettura e scrittura 401 preferibilmente non volatile, che può risiedere anche all'interno della CPU 400 medesima, utilizzata per immagazzinare i dati rilevanti per il funzionamento dell'intero apparato di cui alla presente invenzione. La CPU 400 è altresì interfacciata al dispositivo di comunicazione 108 in Figura 1 per lo scambio bidirezionale dei dati con l'esterno. La CPU 400 ottiene le informazioni temporali dall'orologio in tempo reale 402 (Reai Time Clock, RTC) in modo da poter predisporre temporalmente lo scambio di dati con l'esterno o programmare le prove interne per il controllo del dispositivo di limitazione della tensione 101 in Figura 1 o degli altri sottosistemi che compongono l'apparecchiatura oggetto della presente invenzione. La prova di funzionamento è comandata dalla CPU 400 tramite interfacciamento con il sottosistema di prova attiva 103 in Figura 1. Inoltre, la CPU 400 pilota il sottosistema di acguisizione dati 106 in Figura 1 per acquisire ed elaborare tutti i parametri rilevanti per il corretto funzionamento del dispositivo di limitazione della tensione 101 in Figura 1 e per rivelare guasti e malfunzionamenti. Figure 3 shows a block diagram for the preferential implementation of the energy collection and management subsystem 102 where an energy collector 300 collects the energy which, as an example in the preferential implementation not exclusive to other systems, becomes available for a certain time interval when a train passes in the vicinity of the apparatus described by the present invention. The energy collector 300 is connected between the track 104 and the pole or other protected object 105 which are, in the example conditions but not only, at different electrical potentials and consequently, current flows inside the energy collector 300 and relative energy is collected. The collected energy is stored in an energy deposit 301 which can be preferably constituted by a supercapacitor, more preferably by a high power density and long life rechargeable battery or alternatively by other means suitable for storing low voltage electrical energy. A power controller 302 connected to the microcontroller 107 of Figure 1 through the interface 303 is in charge of power conditioning, power control and other functions present to increase the overall efficiency of the energy collection and management subsystem. Since the energy collected must be maximized when the train passes, the power controller 302 is also responsible for detecting the minimum voltage necessary for energy collection to take place efficiently and will extend the collection over the entire interval corresponding to the exceeding of this voltage threshold. Furthermore, the power controller 302 preferably has the function of limiting the collection of energy to the quantity required to fully recharge the battery or the supercapacitor so that the leakage currents are limited. Preferably, the power controller 302 and together with the microcontroller 107 of Figure 1 keep historical track of the charge and discharge cycles of the energy store 301 to calculate the value of the stored energy and the energy available for the active test of the limiting device. voltage 101 in Figure As shown in Figure 4 which shows the block diagram in a preferential embodiment of the microcontroller 107 of Figure 1, the central processing unit (CPU) 400 is bidirectionally interfaced to a read and write memory 401 preferably non-volatile, which can also reside inside the CPU 400 itself, used to store the relevant data for the operation of the entire apparatus of the present invention. The CPU 400 is also interfaced with the communication device 108 in Figure 1 for the bidirectional exchange of data with the outside. The CPU 400 obtains the time information from the real time clock 402 (Reai Time Clock, RTC) in order to be able to temporally arrange the exchange of data with the outside or to program the internal tests for the control of the voltage limiting device 101 in Figure 1 or of the other subsystems which make up the apparatus object of the present invention. The test run is controlled by the CPU 400 through interfacing with the active test subsystem 103 in Figure 1. Furthermore, the CPU 400 drives the data acquisition subsystem 106 in Figure 1 to acquire and process all the relevant parameters for the correct operation of the voltage limiting device 101 in Figure 1 and for detecting faults and malfunctions.
Come mostrato in Figura 5 che riporta lo schema a blocchi in una realizzazione preferenziale del dispositivo di comunicazione 108 di Figura 1, il modulo a radiofreguenza 500 comunica in maniera bidirezionale con il microcontrollore 107 in Figura 1 per ricevere i dati da trasmettersi al mondo esterno per il tramite dell'antenna a radiofrequenza 501 e nel contempo riceve da detta antenna a radiofrequenza 501 le richieste e i comandi provenienti dalla rete 109 esterna. Preferibilmente nella realizzazione l'interfaccia verso la rete 109 esterna può essere ogni tipo di IE-EE WiFi standard, ogni tipo di interfaccia alla rete radiomobile 2G/3G o preferibilmente una connessione Ethernet su rete fissa tramite una presa Ethernet preferibilmente standard o più preferibilmente per uso industriale o ferroviario. Ogni altra nuova interfaccia wireless o di telefonia mobile può essere preferibilmente incorporata nella presente invenzione non appena si renda disponibile. Al pari l'interconnessione verso l'esterno può avvenire preferibilmente tramite altro bus per uso industriale o ferroviario o con tecnologia passiva o attiva RF-ID (identificatore a radiofrequenza) . As shown in Figure 5 which shows the block diagram in a preferential embodiment of the communication device 108 of Figure 1, the radio frequency module 500 communicates bidirectionally with the microcontroller 107 in Figure 1 to receive the data to be transmitted to the outside world for through the radio frequency antenna 501 and at the same time receives from said radio frequency antenna 501 the requests and commands coming from the external network 109. Preferably, in the implementation, the interface to the external 109 network can be any type of standard IE-EE WiFi, any type of interface to the 2G / 3G mobile radio network or preferably an Ethernet connection on a fixed network via a preferably standard Ethernet socket or more preferably for industrial or railway use. Any other new wireless or mobile phone interface may preferably be incorporated into the present invention as it becomes available. Likewise, the interconnection to the outside can preferably take place via another bus for industrial or railway use or with passive or active RF-ID technology (radiofrequency identifier).
La Figura 6 mostra uno schema a blocchi per la realizzazione preferenziale del sottosistema di prova attiva 103 del funzionamento del dispositivo di limitazione della tensione 101 in cui un convertitore ad alta tensione e micro potenza 600 immagazzina energia in un deposito di energia ad alta tensione 601 perché possa essere usata per indurre l'unità elettronica per la generazione dell'innesco 200 in Figura 2 a portare in conduzione il diodo SCR 201 in Figura 2 anche se la tensione di soglia tra il binario 104 e il palo o altro oggetto protetto 105 non viene superata. Quando il microcontrollore 107 in Figura 1 decide, preferibilmente in accordo con un opportuno algoritmo all'uopo sviluppato per la presente invenzione, che il diodo SCR 201 in Figura 2 deve e può essere sottoposto a prova di funzionamento, esso comanda, tramite l'interfaccia 603 il commutatore di uscita 602 e un impulso di alta tensione viene inviato all'unità elettronica per la generazione dell'innesco 200 in Figura 2. Preferibilmente il corretto funzionamento del diodo SCR 201 in Figura 1 può quindi essere determinato dal flusso di corrente attraverso il sensore per la misura della corrente 111. Figure 6 shows a block diagram for the preferential embodiment of the active test subsystem 103 of the operation of the voltage limiting device 101 in which a high voltage and micro power converter 600 stores energy in a high voltage energy store 601 because can be used to induce the electronic unit for generating the trigger 200 in Figure 2 to conduct the SCR diode 201 in Figure 2 even if the threshold voltage between the track 104 and the pole or other protected object 105 is not exceeded. When the microcontroller 107 in Figure 1 decides, preferably in accordance with an appropriate algorithm developed for this purpose for the present invention, that the SCR diode 201 in Figure 2 must and can be tested for operation, it controls, via the interface 603 the output switch 602 and a high voltage pulse is sent to the electronic unit for generating the trigger 200 in Figure 2. Preferably the correct operation of the SCR diode 201 in Figure 1 can therefore be determined by the flow of current through the current measurement sensor 111.
Ulteriormente, il sistema secondo l'invenzione consente di controllare l'evoluzione temporale dei parametri sotto misura in modo da poter stabilire con esattezza e tempestività se si è in presenza di degrado lungo linea dei sistemi di isolamento e protezione . Furthermore, the system according to the invention allows to control the temporal evolution of the parameters under measurement so as to be able to establish precisely and promptly if there is a degradation along the line of the insulation and protection systems.
I vantaggi offerti dal sistema secondo l'invenzione sono evidenti e significativi. The advantages offered by the system according to the invention are evident and significant.
II sistema secondo l'invenzione è in grado di eseguire il controllo continuo nel tempo dei principali parametri di funzionamento del dispositivo dì limitazione della tensione in tensione in modo esatto e tempestivo . The system according to the invention is capable of carrying out continuous control over time of the main operating parameters of the voltage limiting device in an exact and timely manner.
Il sistema secondo l'invenzione è in grado di comunicare detti parametri di funzionamento e di segnalare eventuali malfunzionamenti senza intervento umano diretto, ma in maniera .completamente automatica sia inviando i dati a sistemi di raccolta mobili trasportati su convoglio ferroviario sia inviando i dati su rete mobile di telecomunicazioni o rete fissa di telecomunicazioni, nel contempo inviando anche l'informazione sulla propria identità ID in tal modo consentendo una rapida ed efficace localizzazione di eventuali guasti o malfunzionamenti. The system according to the invention is able to communicate said operating parameters and to signal any malfunctions without direct human intervention, but in a fully automatic manner both by sending the data to mobile collection systems transported on a railway train and by sending the data over the network. telecommunications mobile or fixed telecommunications network, at the same time also sending information on its identity ID thus allowing a rapid and effective localization of any faults or malfunctions.
Il sistema secondo l'invenzione, dopo aver inviato a distanza una segnalazione dì guasto, è in grado di comunicare, tramite apposita presa di interfaccia, col personale tecnico che si rechi in loco per effettuarne la manutenzione potendo essere alimentato elettricamente anche a mezzo apposita presa di energia; tale regime può utilizzarsi anche per la fase di collaudo o la fase di riparazione in officina. The system according to the invention, after sending a fault signal remotely, is able to communicate, through a special interface socket, with the technical personnel who go on site to carry out maintenance, being able to be electrically powered also by means of a special socket. of energy; this regime can also be used for the testing phase or the repair phase in the workshop.
Inoltre; il sistema secondo l'invenzione è altresì in grado di ricavare autonomamente l'energia necessaria per la propria alimentazione elettrica sollevando l'operatore della rete ferroviaria dalla necessità di provvedere al periodico rimpiazzo di batterie di pile o batterie di accumulatori che si dovrebbero impiegate per l'alimentazione qualora si volessero realizzare dispostivi limitatori di tensione di caratteristiche paragonabili alla presente invenzione. Furthermore; the system according to the invention is also capable of autonomously obtaining the energy necessary for its own electrical supply, relieving the operator of the railway network from the need to periodically replace primary batteries or accumulator batteries that should be used for the power supply if it is desired to realize voltage limiting devices having characteristics comparable to the present invention.
Pertanto, il sistema secondo l'invenzione permette di gestire la sicurezza ferroviaria nei confronti del pericolo di sovratensioni in maniera efficiente ed economica permettendo di disporre in anticipo di informazioni sul degrado delle caratteristiche di intervento dei dispositivi limitatori di tensione Therefore, the system according to the invention makes it possible to manage railway safety against the danger of overvoltages in an efficient and economical way, allowing information on the degradation of the intervention characteristics of the voltage limiting devices to be available in advance.
In quel che precede sono state descritte le preferite forme di realizzazione e sono state suggerite delle varianti della presente invenzione, ma è da intendersi che gli esperti del ramo potranno apportare modificazioni e cambiamenti senza con ciò uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. In the foregoing, the preferred embodiments have been described and variants of the present invention have been suggested, but it is to be understood that those skilled in the art will be able to make modifications and changes without thereby departing from the relative scope of protection, as defined by the claims attached.
Claims (12)
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- 2010-10-01 IT IT000510A patent/ITRM20100510A1/en unknown
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