ES2269867T3 - Procedimiento y dispositivo para detectar los fallos de alineacion de un sistema de arbol cardan. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para detectar los fallos de alineación entre el árbol de accionamiento (3.1; 3.1'') y el árbol secundario (3.2; 3.2'') de un sistema de árbol cardan (3; 3''), en particular en la zona del tren de accionamiento de un vehículo sobre raíles, que está acoplado con una máquina de inducción (2; 2''), caracterizado porque una señal de fallo de alineación representativa del grado del fallo de alineación se determina por la correlación de una primera señal, característica del campo rotatorio de la máquina de inducción (2; 2''), con una segunda señal, característica del movimiento de rotación del sistema de árbol cardan (3; 3'').
Description
Procedimiento y dispositivo para detectar los
fallos de alineación de un sistema de árbol cardan.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para detectar fallos de alineación entre el árbol de
accionamiento y el árbol secundario de un sistema de árbol cardan,
en particular en la zona del tren de accionamiento de un vehículo
sobre raíl, que está acoplado con una máquina de inducción. Además,
se refiere a un dispositivo correspondiente para efectuar el
procedimiento.
En los accionamientos para vehículos hoy
habituales, en particular en accionamientos para vehículos sobre
raíl, se emplean frecuentemente los sistemas de árbol cardan
acoplados en el tren de accionamiento con el rotor de la máquina de
inducción, en general así en forma de un, nombrado, árbol de
transmisión con junta cardan, para poder compensar entre sí los
cambios de posición, que se producen en funcionamiento, de los
elementos del tren de accionamiento, y así reducir, al menos a corto
plazo, las cargas del tren de accionamiento, que se producen por los
cambios de posición.
Normalmente, deberían discurrir en paralelo uno
respecto a otro los ejes del árbol de accionamiento y del árbol
secundario del sistema de árbol cardan, por ejemplo, un árbol de
transmisión con junta cardan. En el caso de un árbol cardan sencillo
deberían alinearse uno con otro. Sin embargo, la compensación de los
cambios de posición a través de un árbol cardan semejante, designado
habitualmente también como árbol de transmisión, generalmente
debería representar solo el caso de excepción.
Si en funcionamiento se produce una desviación
de ángulo que permanece a lo largo de recorridos más largos entre el
árbol de accionamiento y el árbol secundario del sistema de árbol
cardan, se producen vibraciones en el sistema de árbol cardan con
una frecuencia que corresponde a dos veces la velocidad actual de
rotación del sistema de árbol cardan. Además, la amplitud de estas
vibraciones depende del grado de la desviación de ángulo, designada
a continuación como fallo de alineación, entre el árbol de
\hbox{accionamiento y el árbol secundario del sistema de árbol
cardan.}
Si la amplitud de estas vibraciones sobrepasa un
valor permitido determinado, o la frecuencia de vibración se sitúa
en el rango de resonancia de las partes individuales del mismo
sistema de árbol cardan, o del tren de accionamiento, puede llegarse
a un deterioso duradera del sistema de árbol cardan o componentes
colindantes del tren de accionamiento hasta su fallo.
Una situación comparable se produce naturalmente
también por el accionamiento de una máquina de inducción que trabaja
como generador a través de un sistema semejante de árbol cardan.
Por consiguiente, para evitar las
deterioraciones mencionadas, existe básicamente la necesidad de
reconocer tempranamente fallos semejantes de alineación de un
sistema de árbol cardan para poder introducir medidas preventivas
correspondientes, por ejemplo, una desconexión del accionamiento o
similares.
Para detectar fallos semejantes de alineación
del sistema de árbol cardan, básicamente existe la posibilidad de
separar filtrando la frecuencia de la vibración a la velocidad de
rotación, superpuesta a causa de los fallos de alineación, que
corresponde a dos veces la velocidad actual de rotación, mediante un
filtro pasabanda, y a continuación evaluar, por ejemplo, por la
supervisión de un valor determinado elegido apropiadamente. Sin
embargo, en este caso existe el problema de que la frecuencia del
filtro pasabanda debe seguirse conforme a la velocidad de rotación
del sistema de árbol cardan, por lo que se genera un sistema de
medida comparablemente costoso.
Por lo tanto, la presente invención tiene el
objetivo de poner a disposición un procedimiento o un dispositivo
del tipo mencionado al inicio, que no presenten las desventajas
mencionadas arriba o al menos solo en pequeña medida, y en
particular, hagan posible una detección fácil y segura de los fallos
de alineación del sistema de árbol cardan.
La presente invención resuelve este objetivo
partiendo de un procedimiento según el preámbulo de la
reivindicación 1 por las características dadas en la parte
caracterizadora de la reivindicación 1. Además, la invención
resuelve este objetivo partiendo de un dispositivo según el
preámbulo de la reivindicación 10 por las características dadas en
la parte caracterizadora de la reivindicación 10.
La presente invención se basa en la enseñanza
técnica de que puede conseguirse una detección especialmente
sencilla y segura de fallos de alineación del sistema de árbol
cardan, cuando se determina una señal de fallo de alineación,
representativa del grado de un fallo de alineación, por la
correlación de una primera señal, característica de la velocidad de
rotación de la máquina de inducción, con una segunda señal,
característica del movimiento de rotación del sistema de árbol
cardan.
Mediante una correlación apropiada entre la
velocidad de rotación, como una variable de entrada de la máquina de
inducción, y el movimiento de rotación del sistema de árbol cardan,
como una variable de salida del conjunto máquina de inducción -
sistema de árbol cardan, pueden sacarse conclusiones, de forma
ventajosa, de la correspondiente función de transmisión o la función
de descripción del conjunto máquina de inducción - sistema de árbol
cardan. Esta función de transferencia o función de descripción
depende de nuevo decisivamente del grado de fallo de alineación del
sistema de árbol cardan, de forma que pueden sacarse conclusiones
del grado de fallo de posición, de forma sencilla, a través del
conocimiento mediante la función de transferencia.
Además, la invención presenta la ventaja de que,
en la técnica de mando de operaciones industriales de accionamientos
modernos, en general están a disposición tanto señales
características de la velocidad de rotación de la máquina de
inducción, como también señales características del movimiento de
rotación del sistema de árbol cardan, de forma que también la
primera y la segunda señal están a disposición directamente o pueden
obtenerse de forma fácil de las señales disponibles.
Además, la correlación entre la primera y la
segunda señal puede realizarse de manera diferente. Una variante,
especialmente sencilla y poco propensa a fallos, del procedimiento
según la invención se caracteriza porque la correlación se efectúa
a la manera de una correlación ortogonal conocida en sí. Mediante
una correlación ortogonal semejante de una señal característica de
una señal de entrada del sistema, y una señal característica de una
señal de salida del sistema, puede sacarse conclusiones, de forma
sencilla, de la correspondiente función de transferencia o función
de descripción del sistema. Además sobra en este caso un seguimiento
de la detección dependiente de la velocidad de rotación, ya que se
consideran automáticamente, en el procedimiento propuesto, los
cambios de la velocidad de rotación a base del empleo de las
primeras y segundas señales, que esencialmente están relacionadas
directamente con la velocidad de rotación.
Un procedimiento semejante a la manera de una
correlación ortogonal trae consigo además la ventaja de que fallos
sin parte periódica de la frecuencia a examinar, por ejemplo, fallos
de tipo estático, pueden suprimirse casi a voluntad por la elección
apropiada de los parámetros del procedimiento, y por tanto, aparecen
en el resultado en una medida correspondientemente pequeña.
En un primer paso se forman preferiblemente una
primera componente de la primera señal y una segunda componente
ortogonal a esta. En un segundo paso se correlacionan luego la
primera y la segunda componente de la primera señal a la manera de
una correlación ortogonal con la segunda señal para detectar la
señal de fallo de alineación.
A este respecto, el segundo paso contiene
preferiblemente el siguiente proceso. Primero la primera componente
se multiplica con la segunda señal para formar un primer producto,
así como la segunda componente con la segunda señal para formar un
segundo producto. A continuación, el primer producto se integra para
formar una primera integral. Igualmente el segundo producto se
integra para formar una segunda integral. La primera integral se
eleva al cuadrado luego para formar el primer cuadrado. Lo mismo se
efectúa con la segunda integral para formar un segundo cuadrado.
Finalmente, el primer y el segundo cuadrado se adicionan en una
primera suma y se genera la primera raíz cuadrad de la primera suma
para formar la señal de fallo de alineación.
Esta raíz cuadrada representa por último un
valor representativo para la cantidad de la función de transferencia
o función de descripción, representada como número complejo, del
conjunto máquina de inducción - sistema de árbol cardan. Este valor
puede compararse luego para detectar la presencia de un fallo de
alineación no aceptable, por ejemplo, con un valor umbral
determinado. Si se supera este valor umbral, puede emitir, por
ejemplo, una señal correspondiente de aviso, o puede emitirse una
señal al control de la máquina de inducción, que inicia entonces,
dependiendo de esta señal, medidas preventivas correspondientes
hasta la desconexión de la máquina de
inducción.
inducción.
Para la primera señal se trata preferiblemente
de una señal cuya frecuencia es directamente proporcional a la
frecuencia del campo rotatorio, por lo que de forma ventajosa se
realiza la mencionada relación directa respecto a la velocidad de
rotación. Preferiblemente se emplea como primera señal una señal
característica del campo rotatorio, adaptada a la frecuencia de
deterioso que aparece en caso de fallo de alineación en el sistema
de árbol cardan. En este caso puede tratarse, por ejemplo, de una
señal característica del flujo.
Esta frecuencia de deterioso f_{S}, como se ha
mencionado, se sitúa en dos veces la velocidad actual de rotación
n_{KW} del sistema de árbol cardan.
(1)f_{S} = 2\
n_{KW}.
En una máquina de inducción con el número de
pares de polos N, el campo rotatorio, según la forma constructiva y
la carga adjunta, rota esencialmente a N veces la velocidad de
rotación n_{L} del rotor de la máquina de inducción. Las
desviaciones de esta relación, que se producen según la carga
adjunta, por ejemplo, para máquinas asíncronas - de otra forma que
para máquinas síncronas - se sitúan habitualmente en el rango de
pocos puntos porcentuales. No son impeditivos para la aplicación de
la invención. Por consiguiente, la frecuencia de rotación f_{F} es
N veces la velocidad de rotación n_{L} del rotor:
(2)f_{F} = N\
n_{L}
Para una relación de conversión i entre la
velocidad de rotación n_{KW} del sistema de árbol cardan y la
velocidad de rotación n_{L} del rotor de la máquina de inducción
con
(3)n_{KW} = i\
n_{L}
se produce por consiguiente, para
la frecuencia de deterioso f_{S} y con ello también para la
frecuencia f_{1} de la primera señal, la
ecuación
(4)f_{1} =
f_{S} = 2\ i\ n_{L} = (2\ i/N)
f_{P}.
Con otras palabras, para una máquina de
inducción con un número de pares de polos N y una relación de
conversión i entre la velocidad de rotación n_{KW} del sistema de
árbol cardan y la velocidad de rotación n_{L} del rotor de la
máquina de inducción, la primera señal está generada preferiblemente
por una señal cuya frecuencia corresponde esencialmente a 2i/N veces
la frecuencia del campo rotatorio.
En el caso más sencillo de una máquina de
inducción con el número de pares de polos 2 y una relación de
conversión i = 1 entre la velocidad de rotación n_{KW} del sistema
de árbol cardan y la velocidad de rotación n_{L} del rotor de la
máquina de inducción, es decir, un sistema de árbol cardan unido
directamente con el rotor, la frecuencia f_{1} de la primera señal
es por consiguiente igual a la frecuencia del campo rotatorio
f_{F}. En este caso puede emplearse entonces directamente con la
frecuencia correspondiente una señal representativa del campo
rotatorio, disponible de todos modos en la técnica de mando de
operaciones industriales.
Para variantes preferidas del procedimiento
según la invención, la primera señal es proporcional, de la forma
indicada, a una variable de evaluación para el campo rotatorio, por
ejemplo, a una variable de evaluación para el flujo. En el caso más
sencillo descrito arriba (N = 2, i = 1), la variable de evaluación
puede usarse luego directamente como primera señal.
Alternativamente, la primera señal, de la forma descrita, puede ser
también proporcional a una variable acoplada con el campo rotatorio.
Para una variable semejante acoplada con el campo rotatorio, puede
tratarse, por ejemplo, de las tensiones y/o intensidades
correspondientes, medidas en los devanados de la máquina de
inducción durante la generación del campo rotatorio.
Para la segunda señal característica del
movimiento de rotación del sistema de árbol cardan puede tratarse,
por ejemplo, de una señal proporcional a la velocidad de rotación
del sistema de árbol cardan y con ello a la velocidad de rotación
del rotor de la máquina de inducción. Así, para la segunda señal
puede tratarse, por ejemplo, directamente de la velocidad de
rotación, captada mediante un correspondiente sensor de velocidad de
rotación, del sistema de árbol cardan o del rotor de la máquina de
inducción. Alternativamente puede tratarse también de una señal
proporcional al par de giro del sistema de árbol cardan y con ello
al par de giro del rotor de la máquina de inducción. En el caso más
sencillo con la relación de conversión i = 1, son idénticas la
velocidad de rotación del sistema de árbol cardan y la velocidad de
rotación del rotor, o el par de giro del sistema de árbol cardan y
el par de giro del rotor.
La presente invención se refiere además a un
dispositivo correspondiente para detectar los fallos de alineación
entre el árbol de accionamiento y el árbol secundario de un sistema
de árbol cardan, en particular en la zona del tren de accionamiento
de un vehículo sobre raíl, que está acoplado con la máquina de
inducción. Según la invención, este dispositivo comprende un
dispositivo de determinación para determinar una señal de fallo de
alineación representativa del grado de un fallo de alineación,
mediante la correlación de una primera señal, característica para la
velocidad de rotación de la máquina de inducción, con una segunda
señal, característica para el movimiento de rotación del sistema de
árbol cardan.
Un dispositivo semejante es apropiado para
efectuar el procedimiento según la invención. Las características y
ventajas de un dispositivo semejante ya han sido descritas, citadas
anteriormente, mediante el procedimiento según la invención.
El dispositivo de determinación trabajar según
el procedimiento de correlación descrito arriba. Preferiblemente
está configurado para efectuar la correlación a la manera de una
correlación ortogonal, por lo que pueden obtenerse resultados
especialmente estables y seguros.
Para generar las componentes ortogonales entre
sí de la primera señal, que se emplean para la correlación, que se
efectúa a la manera de una correlación ortogonal, el dispositivo de
determinación comprende para una variante preferida del dispositivo
según la invención, un dispositivo de ortogonalización unido con el
primer dispositivo transmisor, para descomponer la primera señal en
una primera componente y una segunda componente ortogonal a esta.
Sin embargo se entiende que un dispositivo semejante de
ortogonalización puede suprimirse frecuentemente, ya que las
componentes ortogonales están presentes frecuentemente de todos
modos en la técnica de mando de operaciones industriales del
accionamiento, por ejemplo, están calculados de forma
correspondiente. Además, está previsto un dispositivo
correspondiente de correlación, para correlacionar la primera y la
segunda componente a la manera de una correlación ortogonal con la
segunda señal para determinar la señal de fallo de alineación.
En variantes especialmente ventajosas,
construidas sencillamente del dispositivo según la invención, el
dispositivo de correlación comprende los siguientes componentes:
- -
- un primer dispositivo de multiplicación unido con el dispositivo de ortogonalización para formar un primer producto de la primera componente y la segunda señal, así como un segundo dispositivo de multiplicación unido con el dispositivo de ortogonalización para formar un segundo producto de la segunda componente y la segunda señal.
- -
- un primer dispositivo de integración unido con el primer dispositivo de multiplicación para formar una primera integral a través del primer producto, así como un segundo dispositivo de integración unido con el segundo dispositivo de multiplicación para formar una segunda integral a través del segundo producto.
- -
- un primer dispositivo de elevación al cuadrado unido con el primer dispositivo de integración para formar un primer cuadrado de la primera integral, así como un segundo dispositivo de elevación al cuadrado unido con el segundo dispositivo de integración para formar un segundo cuadrado de la segunda integral.
- -
- un dispositivo de adición unido con el primer y el segundo dispositivo de elevación al cuadrado para formar una primera suma del primer y el segundo cuadrado, así como
- -
- un dispositivo de raíz cuadrada unido con el dispositivo de adición para formar la señal de fallo de alineación en forma de la raíz cuadrada de la primera suma.
El dispositivo de ortogonalización, el
dispositivo de multiplicación, el dispositivo de integración, el
dispositivo de elevación al cuadrado, el dispositivo de adición y el
dispositivo de raíz cuadrada pueden estar formados además cada vez
por componentes electrónicos sencillos. Los dispositivos de
integración pueden estar formados, por ejemplo, cada vez por filtros
pasobajo sencillos.
Preferiblemente está previsto un primer
dispositivo transmisor unido con el dispositivo de determinación,
para la transferencia de una señal en forma de una señal cuya
frecuencia es directamente proporcional a la frecuencia del campo
rotatorio, por lo que de forma sencilla se realiza la relación
directa arriba mencionada respecto a la velocidad de rotación.
Preferiblemente se emplea como primera señal una
señal característica del campo rotatorio, adaptada a la frecuencia
de deterioso que aparece en caso de fallo de alineación en el
sistema de árbol cardan, por lo que el primer dispositivo transmisor
está configurado para emitir una primera señal en forma de una señal
característica para el campo rotatorio, adaptada a la frecuencia de
deterioso que aparece en caso de fallo de alineación en el sistema
de árbol cardan.
En los casos de una máquina de inducción con un
número de pares de polos N y una relación de conversión i entre la
velocidad de rotación n_{KW} del sistema de árbol cardan y la
velocidad de rotación n_{L} del rotor de la máquina de inducción,
el primer dispositivo transmisor está configurado preferiblemente
para emitir una primera señal cuya frecuencia corresponde
esencialmente a 2i/N veces la frecuencia del campo rotatorio.
Variantes especialmente ventajosas del
dispositivo según la invención se destacan porque el primer
dispositivo transmisor está configurado para emitir una primera
señal que es proporcional a la variable de evaluación del campo
rotatorio o proporcional a una variable acoplada con el campo
rotatorio.
En variantes apropiadas, en el dispositivo según
la invención está previsto un segundo dispositivo transmisor, unido
con el dispositivo de determinación, que está configurado para
emitir una segunda señal, que es proporcional a la velocidad de
rotación del rotor de la máquina de inducción o proporcional a la
velocidad de rotación del sistema de árbol cardan. Alternativamente,
el segundo dispositivo puede estar configurado para emitir una
segunda señal que es proporcional al par de giro del rotor de la
máquina de inducción o que es proporcional al par de giro del
sistema de árbol cardan.
La presente invención se refiere además a un
vehículo sobre raíl con un dispositivo de accionamiento, que
comprende una máquina de inducción y un sistema de árbol cardan
acoplado con ella, y con un dispositivo según la invención para
detectar los fallos de alineación entre el árbol de accionamiento y
el árbol secundario del sistema de árbol cardan. El dispositivo
según la invención para detectar los fallos de alineación del
sistema de árbol cardan está unido luego preferiblemente con el
dispositivo de control para la máquina de inducción, que actúa en
función de la señal determinada de fallo de alineación sobre la
máquina de inducción u otros dispositivos del vehículo sobre
raíl.
raíl.
Se entiende que para la máquina de inducción
descrita anteriormente puede tratarse tanto de un generador como
también de un motor, que se acciona a través del sistema de árbol
cardan o mueve el sistema de árbol cardan.
Otras formas de realización preferidas de la
invención resultan de las reivindicaciones dependientes o de la
descripción posterior de ejemplos preferidos de realización, que se
refieren a los dibujos adjuntos. Muestran:
Figura 1 una representación esquemática de un
dispositivo de accionamiento con una realización preferida del
dispositivo según la invención para detectar fallos de alineación de
un sistema de árbol cardan;
Figura 2 una imagen de diagrama de bloques del
dispositivo de la figura 1;
Figura 3 una representación esquemática de otro
dispositivo de accionamiento con una realización preferida del
dispositivo según la invención para detectar los fallos de
alineación del sistema de árbol cardan.
La figura 1 muestra una representación
esquemática del dispositivo eléctrico de accionamiento 1 de un
vehículo sobre raíl con un dispositivo convertidor de potencia 1.1,
que alimenta a una máquina de inducción 2, y un sistema de árbol
cardan directamente acoplado con el rotor 2.1 de la máquina de
inducción 2, en forma de un árbol de transmisión de junta cardan 3.
el dispositivo convertidor de potencia 1.1 se alimenta además a
través de un suministro apropiado de energía - no representado.
Los ejes de rotación del árbol de accionamiento
3.1 y del árbol secundario 3.2 del sistema de árbol cardan 3, que
están unidos a través de un árbol intermedio 3.3, discurren en
funcionamiento normal en paralelo uno respecto a otro. Si se produce
en el funcionamiento una desviación de ángulo que permanece al menos
sobre un recorrido más largo entre el árbol de accionamiento 3.1 y
el árbol secundario 3.2 del sistema de árbol cardan 3, en el sistema
de árbol cardan 3 se generan vibraciones con una frecuencia f_{S},
que corresponde a dos veces la velocidad actual de rotación n_{KW}
del sistema de árbol cardan 3. Una desviación semejante de ángulo o
fallo de alineación del sistema de árbol cardan 3 está indicado -
por motivos de claridad en forma extrema - en la figura 2 por la
línea 4 a trazos, que debe representar el eje de rotación del árbol
secundario con fallo de alineación. La amplitud de estas vibraciones
depende del grado de la desviación de ángulo, señalada como fallo de
alineación, entre el árbol de accionamiento 3.1 y el árbol
secundario 3.2 del sistema de árbol cardan 3.
Si la amplitud de estas vibraciones sobrepasa un
valor permitido determinado, o la frecuencia f_{S} de las
vibraciones se sitúa en el rango de resonancia de las piezas
individuales del mismo sistema de árbol cardan 3 o del tren de
accionamiento, así puede llegarse a un deterioro duradero del
sistema de árbol cardan o componentes colindantes del tren de
accionamiento hasta su fallo.
Para detectar a tiempo y con fiabilidad un fallo
semejante de alineación está previsto un dispositivo 5 según la
invención para detectar los fallos de alineación del sistema de
árbol cardan 3. Este dispositivo 5 sirve para efectuar el
procedimiento según la invención y comprende un dispositivo de
determinación 6.
Este dispositivo de determinación 6 sirve para
determinar una señal de fallo de alineación S_{F}, representativa
del grado de un fallo de alineación para el sistema de árbol cardan
3, por correlación de una primera señal S_{1}, característica del
campo rotatorio de la máquina de inducción, con una segunda señal
S_{2}, característica del movimiento de rotación del sistema de
árbol cardan.
La primera señal S_{1} se envía por un primer
dispositivo transmisor 7, dispuesto en la zona de la máquina de
inducción 2, mientras que la segunda señal S_{2} se envía por un
segundo dispositivo transmisor, dispuesto en la zona del sistema de
árbol cardan 3.
El dispositivo de determinación 6 realiza una
correlación a la manera de una correlación ortogonal. Mediante esta
correlación entre el campo rotatorio, como variable de entrada del
conjunto máquina de rotación - sistema de árbol cardan, y el
movimiento de rotación del sistema de árbol cardan 3, como variable
de salida del conjunto máquina de inducción - sistema de árbol de
inducción, de forma ventajosa pueden obtenerse, de la señal obtenida
de fallo de alineación S_{F}, conclusiones sencillas de la función
de transmisión o función de descripción, que dependen decisivamente
del grado de fallo de alineación del sistema de árbol cardan 3. A
través de los conocimientos mediante la función de transmisión, es
decir, de la señal de fallo de alineación S_{F}, pueden sacarse
correspondientemente conclusiones del grado de fallo de alineación
del sistema de árbol cardan 3.
A este respecto, sobra un seguimiento de la
detección dependiendo de la velocidad actual de rotación n_{KW}
del sistema de árbol cardan 3, ya que consideran automáticamente, en
el procedimiento propuesto, los cambios de la velocidad de rotación
a base del empleo de las primeras y las segundas señales S_{1} y
S_{2}, que esencialmente están relacionadas directamente con la
velocidad de rotación n_{KW}. Los fallos sin parte periódica de
la frecuencia a examinar, por ejemplo, fallos de tipo estático,
pueden suprimirse casi a voluntad por la elección apropiada de los
parámetros del procedimiento, y por tanto, aparecen en el resultado
en una medida correspondientemente pequeña.
La figura 2 muestra una imagen de diagrama de
bloques del dispositivo 5, mediante el que debe describirse el
procedimiento según la invención.
Para la primera señal S_{1} se trata de una
señal cuya frecuencia es directamente proporcional a la frecuencia
del campo rotatorio f_{F}. Además, su frecuencia f_{1} está
adaptada a la frecuencia de deterioso f_{S} que aparece en caso de
fallo de alineación en el sistema de árbol cardan, que es de dos
veces la velocidad actual de rotación n_{KW} del sistema de árbol
de rotación. Para conseguir esta adaptación, el transmisor 7.1 del
primer dispositivo transmisor 7 envía al principio una variable de
evaluación S_{1} del campo rotatorio de la máquina de inducción 2
con la frecuencia f_{1}', que corresponde a aquella del campo
rotatorio. La frecuencia f_{1}' se transforma luego por el
dispositivo de adaptación 7.2 según la ecuación
f_{1} =
f_{1}{}' (2\
i/N)
en la frecuencia f_{1}, donde N
es el número de pares de polos y i es la relación de conversión
entre la velocidad de rotación n_{KW} del sistema de árbol cardan
3 y la velocidad de rotación n_{L} del rotor
2.1.
En el ejemplo mostrado es N = 2 e i = 1, de
forma que la primera señal S_{1} = S_{1}' es una variable de
evaluación del campo rotatorio de la máquina de inducción 2 con la
frecuencia f_{1} = f_{1}' = f_{f} del campo rotatorio. Por
ello se entiende que también puede faltar un dispositivo especial de
adaptación 7.2 en otras variantes de la invención con este número de
pares de polos N = 2 y la relación de compensación i = 1.
La segunda señal S_{2} enviada por el
dispositivo transmisor 8 corresponde a la velocidad de rotación
n_{KW} del sistema de árbol cardan 3. En la figura 1 está
dispuesto el segundo dispositivo transmisor 8 en la zona del árbol
de accionamiento 3.1 del sistema de árbol cardan 3. Sin embargo se
entiende que puede estar dispuesto en otras variantes también en la
zona del árbol secundario del sistema de árbol cardan. Además se
entiende que en otras variantes de la invención puede emplearse, por
ejemplo, también la velocidad de rotación n_{L} del rotor de la
máquina de inducción.
Las señales S_{1} y S_{2} se correlacionan
entre sí en el dispositivo y a la manera de una correlación
ortogonal para determinar una señal de fallo de alineación S_{F},
que se transfiere luego a un dispositivo de control 9, unido con el
dispositivo convertidor de potencia 1.1 para el procesamiento
ulterior.
En un primer paso se genera además en el
dispositivo de ortogonalización 10 del dispositivo de determinación
6 una primera componente K_{1} de la primera señal S_{1} y una
segunda componente K_{2} ortogonal a esta de la primera señal
S_{1}. En este caso se entiende que en otras variantes, en las que
están presentes ya de todos modos las correspondientes componentes
ortogonales de la primera señal, por ejemplo, por cálculo, puede
faltar también un correspondiente dispositivo de ortogonalización.
Las componentes ortogonales pueden cargarse luego, por ejemplo, de
la técnica de mando de operaciones industriales, para otro empleo.
Este es frecuentemente el caso, en particular para técnicas
correspondientemente modernas de mando de operaciones
industriales.
En un segundo paso se correlacionan luego la
primera y la segunda componente de la primera señal S_{1} a la
manera de una correlación ortogonal con la segunda señal S_{2}
para determinar la señal de fallo de alineación S_{F}.
A este respecto, el segundo paso contiene
preferiblemente el siguiente proceso. Primero se multiplica la
primera componente K_{1} en un primer dispositivo de
multiplicación 11.1 con la segunda señal S_{2} para formar un
primer producto P_{1}, así como la segunda componente K_{2} se
multiplica en un segundo dispositivo de multiplicación 11.2 con la
segunda señal S_{2} para formar un segundo producto.
A continuación se integra el primer producto
P_{1} disponible a la salida del primer dispositivo de
multiplicación 11.1, en un primer dispositivo de integración en
forma de un primer filtro pasobajo 12.1, para formar una primera
integral. Igualmente se integra el segundo producto P_{2}
disponible a la salida del segundo dispositivo de multiplicación
11.2, en un segundo dispositivo de integración en forma de un
segundo filtro pasobajo, para formar una segunda integral
I_{2}.
La primera integral I_{1}, disponible en la
salida del primer filtro pasobajo 12.1, se integra luego en un
primer dispositivo de elevación al cuadrado 13.1 para formar un
primer cuadrado Q_{1}. Lo mismo se realiza para la segunda
integral I_{2}, colocada a la salida del segundo filtro pasobajo
12.2, que se eleva al cuadrado en un segundo dispositivo de
elevación al cuadrado 13.2 para formar un segundo cuadrado
Q_{2}.
Finalmente, el primer y el segundo cuadrado
Q_{1} o Q_{2}, disponibles a la salida correspondiente del
primer o segundo dispositivo de elevación al cuadrado, se adicionan
en un dispositivo de adición 14 en una primera suma SUM_{1}.
Para formar la señal de fallo de alineación
S_{F} se forma luego de la primera suma SUM_{1}, disponible en
la salida del dispositivo de adición 14, en un dispositivo de raíz
cuadrada 15, la raíz cuadrada de la primera suma SUM_{1}, que
forma la señal de fallo de alineación S_{F}.
Esta raíz cuadrada o la señal de fallo de
alineación S_{F} representa por último un valor, representativo
para la cantidad de la función de transferencia o función de
descripción, representada como número complejo, del conjunto máquina
de inducción - sistema de árbol cardan. Este valor se transfiere al
dispositivo de control 9, donde se compara con un valor umbral
S_{FS} determinado para detectar la existencia de un fallo de
alineación no aceptable del sistema de árbol cardan.
Si se sobrepasa este valor umbral S_{FS},
puede emitirse por el dispositivo de control 9, por ejemplo, una
señal correspondiente de aviso mediante la excitación apropiada de
un dispositivo correspondiente. Alternativa o adicionalmente puede
dirigirse el dispositivo convertidor de potencia 1.1 según las
especificaciones correspondientes en el dispositivo de control 9.
Esto puede llegar hasta la desconexión de la máquina de inducción
2.
La figura 3 muestra, como modificación del
ejemplo de la figura 1, una representación esquemática del
dispositivo eléctrico de accionamiento 1' de un vehículo sobre raíl,
con un dispositivo convertidor de potencia 1.1', que alimenta a una
máquina de inducción 2, y con un sistema de árbol cardan, acoplado
directamente con el rotor 2.1' de la máquina de inducción 2', en
forma de un árbol cardan 3'. El dispositivo convertidor de potencia
1.1' se alimenta además a través de un suministro apropiado de
energía - no representado.
El árbol de accionamiento 3.1' y el árbol
secundario 3.2' del árbol cardan 3' se alinean uno con otro durante
el funcionamiento normal. Si en funcionamiento se produce una
desviación de ángulo que permanece al menos durante un recorrido más
largo, entre el árbol de accionamiento 3.1' y el árbol secundario
3.2' del árbol cardan 3', en el árbol cardan 3', se generan
vibraciones con una frecuencia f_{S}, que corresponde a dos veces
la velocidad actual de rotación n_{KW} del árbol cardan 3'. Una
desviación semejante de ángulo o fallo de alineación del árbol
cardan 3' está indicado - por motivos de claridad en forma extrema -
en la figura 3 por la línea 4' a trazos, que debe representar el eje
de rotación del árbol secundario con fallo de alineación. La
amplitud de estas vibraciones depende del grado de la desviación de
ángulo, señalada como fallo de alineación, entre el árbol de
accionamiento 3.1' y el árbol secundario 3.2' del sistema de árbol
cardan 3'.
Si la amplitud de estas vibraciones sobrepasa un
valor permitido determinado, o la frecuencia f_{S} de las
vibraciones se sitúa en el rango de resonancia de las piezas
individuales del mismo sistema de árbol cardan 3' o del tren de
accionamiento, así puede llegarse a un deterioro duradero del
sistema de árbol cardan o componentes colindantes del tren de
accionamiento hasta su fallo.
Para detectar a tiempo y con fiabilidad un fallo
semejante de alineación está previsto un dispositivo 5' según la
invención para detectar los fallos de alineación del sistema de
árbol cardan 3'. Este dispositivo 5' sirve para efectuar el
procedimiento según la invención y corresponde en su construcción y
su función a aquel de la figura 1, de forma que en este punto sólo
debe remitirse a las realizaciones arriba situadas. Además,
componentes idénticos o que actúan igualmente están señalados en la
figura 3 con la misma cifra de referencia complementados con una
raya.
Se entiende que la presente invención puede
emplearse no solo en relación con vehículos sobre raíl, sino también
en relación con cualquier otro vehículo. Además se entiende que la
máquina de inducción descrita anteriormente, en otras realizaciones
de la invención, también puede ser un generador, que se mueve a
través de un sistema de árbol cardan.
La presente invención presenta la ventaja de que
en la técnica de mando de operaciones industriales de modernos
accionamientos o generadores, en general están a disposición
directamente tanto señales S_{1}, características del campo
rotatorio de la máquina de inducción, como también señales S_{2},
características del movimiento de rotación del sistema de árbol
cardan, de forma que también la primera y la segunda señal S_{1} o
S_{2} directamente están a disposición o de forma sencilla pueden
obtenerse de las señales disponibles.
Claims (19)
1. Procedimiento para detectar los fallos de
alineación entre el árbol de accionamiento (3.1; 3.1') y el árbol
secundario (3.2; 3.2') de un sistema de árbol cardan (3; 3'), en
particular en la zona del tren de accionamiento de un vehículo sobre
raíles, que está acoplado con una máquina de inducción (2; 2'),
caracterizado porque una señal de fallo de alineación
representativa del grado del fallo de alineación se determina por la
correlación de una primera señal, característica del campo rotatorio
de la máquina de inducción (2; 2'), con una segunda señal,
característica del movimiento de rotación del sistema de árbol
cardan (3; 3').
2. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la correlación se efectúa a la manera de
una correlación ortogonal.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque, en un primer paso, se forman una
primera componente de la primera señal y una segunda componente de
la primera señal, ortogonal a esta, y en un segundo paso, la primera
y la segunda componente se correlacionan a la manera de una
correlación ortogonal con la segunda señal para determinar la señal
de fallo de alineación.
4. Procedimiento según la reivindicación 3,
caracterizado porque en el segundo paso
- -
- la primera componente se multiplica con la segunda señal para formar un primer producto, así como la segunda componente se multiplica con la segunda señal para formar un segundo producto,
- -
- el primer producto se integra para formar una primera integral, así como el segundo producto se integra para formar una segunda integral,
- -
- la primera integral se eleva al cuadrado para formar un primer cuadrado, así como la segunda integral se eleva al cuadrado para formar un segundo cuadrado,
- -
- el primer y el segundo cuadrado se adicionan para formar una primera suma y
- -
- se genera la raíz cuadrada de la primera suma para formar la señal de fallo de alineación.
5. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera
señal es una señal cuya frecuencia es proporcional a la frecuencia
del campo rotatorio.
6. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una señal
característica del campo rotatorio, adaptada a la frecuencia de
deterioso que aparece en caso de fallo de alineación en el sistema
de árbol cardan (3; 3') se utiliza como primera señal.
7. Procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque en una máquina de inducción (2; 2') con
número de pares de polos N y una relación de conversión i entre la
velocidad de rotación n_{kw} del sistema de árbol cardan y la
velocidad de rotación n_{L} del rotor (2.1; 2.1') de la máquina de
inducción (2; 2'), la primera señal está formada por una señal cuya
frecuencia corresponde esencialmente a 2i/N veces la frecuencia del
campo rotatorio.
8. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la primera
señal es proporcional a una variable de evaluación del campo
rotatorio o proporcional a una variable acoplada con el campo
rotatorio.
rotatorio.
9. Procedimiento según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la segunda
señal es proporcional a la velocidad de rotación del rotor (2.1;
2.1') de la máquina de inducción (2; 2') o a la velocidad de
rotación del sistema de árbol cardan (3; 3'), o es proporcional al
par de giro del rotor (2.1; 2.1') de la máquina de inducción (2; 2')
o al par de giro del sistema de árbol cardan (3; 3').
10. Dispositivo para detectar fallos de
alineación entre el árbol de accionamiento (3.1; 3.1') y el árbol
secundario (3.2; 3.2') de un sistema de árbol cardan (3; 3'), en
particular en la zona del tren de accionamiento de un vehículo sobre
raíles, que está acoplado con una máquina de inducción (2; 2'),
caracterizado porque un dispositivo de determinación está
previsto para determinar una señal de fallo de alineación,
representativa del grado de fallo de alineación, por correlación de
una primera señal, característica del campo rotatorio de la máquina
de inducción (2; 2'), con una segunda señal, característica del
movimiento de rotación del sistema de árbol cardan (3; 3').
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque el dispositivo de determinación (6; 6')
está configurado para efectuar la correlación a la manera de una
correlación ortogonal.
12. Dispositivo según la reivindicación 10 ó 11,
caracterizado porque el dispositivo de determinación (6; 6')
comprende un dispositivo de ortogonalización (10), unido con un
primer dispositivo transmisor (7; 7') para la emisión de la primera
señal, diseñado para la descomposición de la primera señal en una
primera componente y en una segunda componente ortogonal a esta, así
como un dispositivo de correlación (6.1) para la correlación de la
primera y la segunda componente a la manera de una correlación
ortogonal con la segunda señal para determinar la señal de fallo de
alineación.
13. Dispositivo según la reivindicación 12,
caracterizado porque el dispositivo de correlación (6.1)
comprende
- -
- un primer dispositivo de multiplicación (11.1) unido con el dispositivo de ortogonalización (10) para formar un primer producto de la primera componente y la segunda señal, así como un dispositivo de multiplicación (11.2) unido con el dispositivo de ortogonalización (10) para formar un segundo producto de la segunda componente y la segunda señal,
- -
- un segundo dispositivo de integración (12.1) unido con el primer dispositivo de multiplicación (11.1) para formar una primera integral a través del primer producto, así como un segundo dispositivo de integración (12.2) unido con el segundo dispositivo de multiplicación (11.2) para formar una segunda integral a través del segundo producto,
- -
- un primer dispositivo de elevación al cuadrado (13.1) unido con el primer dispositivo de integración (12.1) para formar un primer cuadrado de la primera integral, así como un segundo dispositivo de elevación al cuadrado (13.2) unido con el segundo dispositivo de integración (12.2) para formar un segundo cuadrado de la segunda integral,
- -
- un dispositivo de adición (14) unido con el primer y con el segundo dispositivo de elevación al cuadrado (13.1, 13.2) para formar una primera suma del primer y del segundo cuadrado, y
- -
- un dispositivo de raíz cuadrada (15) unido con el dispositivo de adición (14) para formar la señal de fallo de alineación en forma de raíz cuadrada de la primera suma.
14. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10 a 13, caracterizado porque está previsto
un primer dispositivo transmisor (7), unido con el dispositivo de
determinación (6), que está configurado para transferir una primera
señal en forma de una señal cuya frecuencia es proporcional a la
frecuencia del campo rotatorio.
15. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10 a 14, caracterizado porque el primer
dispositivo transmisor (7; 7') está configurado para emitir una
primera señal en forma de una señal, característica del campo
rotatorio, adaptada a la frecuencia de deterioso que aparece en caso
de fallo de alineación en el sistema de árbol cardan.
16. Dispositivo según la reivindicación 15,
caracterizado porque el primer dispositivo transmisor (7; 7')
en una máquina de inducción (2, 2') está configurado con un número
de pares de polos N y una relación de conversión i entre la
velocidad de rotación n_{KW} del sistema de árbol cardan (3; 3') y
la velocidad de rotación n_{L} del rotor (2.1; 2.1') de la máquina
de inducción (2; 2'), para emitir una primera señal cuya frecuencia
corresponde esencialmente a 2i/N veces la frecuencia de campo
rotatorio.
17. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10 a 16, caracterizado porque el primer
dispositivo transmisor (7; 7') está configurado para emitir una
primera señal que es proporcional a una variable de evaluación del
campo rotatorio o proporcional a una variable acoplada con el campo
rotatorio.
18. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 10 a 17, caracterizado porque está previsto
un segundo dispositivo transmisor (8; 8'), unido con el dispositivo
de determinación (6; 6'), que está configurado para emitir una
segunda señal, que es proporcional a la velocidad de rotación del
rotor (2.1; 2.1') de la máquina de inducción (2; 2') o a la
velocidad de rotación del sistema de árbol cardan (3; 3'), o es
proporcional al par de giro del rotor (2.1; 2.1') de la máquina de
inducción (2; 2') o al par de giro del sistema de árbol cardan (3;
3').
19. Vehículo sobre raíles con un dispositivo de
accionamiento (1; 1'), que comprende una máquina de inducción (2;
2') y un sistema de árbol cardan (3; 3') acoplado con ella, y un
dispositivo (5; 5') para la detección de los fallos de alineación
entre el árbol de accionamiento (3.1; 3.1') y el árbol secundario
(3.2; 3.2') del sistema de árbol cardan (3) según una de las
reivindicaciones 10 a 18.
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