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Pruebas de pantógrafo y catenaria con Dewesoft y CETEST
En el dinámico mundo de las pruebas ferroviarias, la innovación prospera gracias a la colaboración. Durante más de una década, CETEST y Dewesoft han ejemplificado el poder de la asociación, trabajando mano a mano para ampliar los límites de las pruebas ferroviarias—ya sea en las vías o en el laboratorio. Su compromiso compartido con la precisión, la adaptabilidad y la excelencia ha transformado los desafíos en hitos, elevando los estándares de las pruebas ferroviarias en toda la industria. Las pruebas y el monitoreo ferroviario multiatributo están evolucionando más allá de la simple medición. El objetivo es obtener conocimientos más profundos y acelerar la innovación, ya sea para desarrollar nuevos productos o lograr la excelencia operativa.
Introducción
CETEST es un centro de pruebas y análisis con sede en España. Está acreditado según la norma ISO/IEC 17025 y cuenta con más de 30 años de experiencia en tecnología ferroviaria. Ha trabajado con los principales fabricantes de material rodante a nivel mundial, incluyendo Alstom, CAF, Hitachi, Stadler y Siemens. CETEST tiene una experiencia líder en la interacción entre pantógrafos y líneas aéreas. Además de ser fundamental para suministrar energía al vehículo, la interacción entre el pantógrafo y la línea aérea también afecta a los costes de mantenimiento.
Carlos Carmuega Tena, jefe de Pruebas y Medición en CETEST, desempeña un papel central en estos esfuerzos. Él y su equipo han desarrollado un sistema de instrumentación de alta precisión para mediciones de fuerza de contacto y aceleración. Esta solución ha sido probada con cientos de variables en numerosos sistemas ferroviarios.
Dewesoft es uno de nuestros principales proveedores, proporcionándonos software y hardware que nos permiten realizar pruebas en plazos muy cortos y ofrecer una gran flexibilidad en la instrumentación, gracias a la modularidad de sus productos, que nos permite ampliar o reducir fácilmente el número de canales.
Gracias a Dewesoft, podemos realizar configuraciones e instrumentación complejas en tiempos reducidos, sincronizando múltiples canales y colocando el equipo en entornos hostiles, como áreas de alto voltaje, mientras seguimos obteniendo todos los datos de manera sincronizada, como en el caso de las pruebas de pantógrafos, donde aislamos los datos mediante fibra óptica.
El software nos permite visualizar los datos en tiempo real y realizar análisis rápidos mientras se prueba el vehículo.
Dewesoft es una empresa tecnológica que diseña y fabrica sistemas avanzados DAQ (adquisición de datos) para diversas aplicaciones de I+D y monitoreo en las industrias ferroviaria, ingeniería civil, energía y potencia, automoción y vehículos comerciales, y aeroespacial. Dewesoft apoya a CETEST en la resolución de numerosas aplicaciones de prueba y monitoreo ferroviario eléctrico. Esta colaboración permite a los operadores ferroviarios y fabricantes de vehículos pasar sin problemas de entornos de laboratorio controlados a pruebas en vía real, ofreciendo una seguridad, fiabilidad y eficiencia inigualables, y ayudándoles a ganar más proyectos gracias a un rendimiento comprobado.
El desafío
Los desafíos en la medición de la interacción entre el pantógrafo y la línea de catenaria en vehículos ferroviarios son múltiples. El pantógrafo es un componente que conecta un tren con la línea aérea (OHL), extrayendo energía de 15,000 V o incluso 25,000 V para alimentar el motor eléctrico del vehículo. Independientemente de la velocidad del tren, debe mantener una conexión eléctrica segura, estable y fiable. El entorno ferroviario de alta velocidad es el más dinámico, caracterizado por alta interferencia electromagnética (EMI y RFI), factores mecánicos dinámicos y desgaste. Los trenes operan en todas las condiciones meteorológicas posibles, incluyendo viento, lluvia, nieve, hielo, humedad y temperaturas extremas. Superar estos desafíos requiere tecnología avanzada de sensores y medición, interpretación precisa de datos y sistemas y sensores robustos diseñados para afrontar las complejidades del entorno ferroviario real.
Con instrumentos DAQ de Dewesoft y varios sensores especializados, CETEST ha desarrollado una solución para pruebas y monitoreo de pantógrafos y líneas aéreas. Este artículo explica los principales subsistemas ferroviarios involucrados y cómo se prueban.
¿Qué es un pantógrafo?
Los trenes suelen utilizar sistemas aéreos para conectarse a la energía eléctrica. Estos sistemas incluyen un pantógrafo, un mecanismo articulado con resorte montado en el techo del tren que recoge la energía eléctrica de las líneas aéreas (OHL). La interacción suave y constante entre el pantógrafo y la OHL es fundamental en los trenes convencionales, pero se vuelve aún más crítica en trenes de alta velocidad que circulan a 350 km/h (~217 mph).
Generalmente se construyen con materiales ligeros pero robustos, como polímeros reforzados con fibra de carbono y aleaciones de aluminio. Suelen incluir un brazo inferior, un brazo superior y una tira de contacto, a menudo hecha de carbono o de un compuesto de carbono-cobre, para minimizar el arco eléctrico y el desgaste. Los ajustes en tiempo real de la fuerza de contacto se controlan mediante sistemas neumáticos o actuados electrónicamente para compensar la sustentación aerodinámica, la presión del viento y las variaciones en la altura del cable. La precisión en el diseño y control del pantógrafo es fundamental para minimizar la pérdida de contacto y evitar daños en el pantógrafo y en el sistema de catenaria.
¿Qué es el sistema de catenaria?
Este artículo se centra en la prueba de pantógrafos, pero es esencial entender qué es el sistema de catenaria y cómo interactúa.
Un sistema de catenaria aérea (OCS) consiste en cables tensados que son algo flexibles y una línea aérea principal (OHL) que suministra electricidad a locomotoras eléctricas, tranvías o vehículos de tren ligero. Está compuesto por uno o más conductores no aislados (o hilos de contacto) suspendidos sobre las vías ferroviarias y soportados por estructuras como postes, mástiles o puentes. El hilo de contacto suele estar hecho de una aleación de cobre trefilado en frío, lo que proporciona alta conductividad y resistencia al desgaste. Un sistema de pesos o resortes lo mantiene a tensión constante para asegurar un buen contacto con el pantógrafo del vehículo eléctrico.
En algunos sistemas de catenaria, un segundo cable, llamado cable mensajero o de catenaria, se suspende por encima y en paralelo al hilo de contacto. El hilo de contacto se suspende entonces del cable mensajero mediante una serie de cables verticales, conocidos como péndolas o colgadores. Este diseño permite una mayor distancia entre las estructuras de soporte. Proporciona una mejor captación de corriente a altas velocidades al reducir la flecha del hilo de contacto y mejorar su elasticidad vertical.
Los sistemas de catenaria son esenciales para los ferrocarriles eléctricos, proporcionando un medio fiable y eficiente de transmisión de energía a los trenes. El diseño y mantenimiento de estos sistemas son fundamentales para garantizar operaciones ferroviarias seguras e ininterrumpidas. Factores como el voltaje, la capacidad de corriente, la velocidad del tren y las condiciones ambientales se tienen en cuenta en el diseño de estos sistemas.
¿Por qué es crucial una conexión óptima entre el pantógrafo y la OHL para la operación ferroviaria?
Una conexión fiable entre el pantógrafo y el sistema de catenaria garantiza un suministro eléctrico continuo y estable al tren. Una interacción deficiente puede provocar arcos eléctricos, pérdidas de energía o incluso desconexiones completas, causando retrasos y fallos operativos. Una buena conexión también evita daños en la infraestructura y en el equipo.
El desgaste excesivo, el estrés mecánico o fuerzas de contacto irregulares pueden dañar tanto las tiras de carbono del pantógrafo como los cables aéreos. Esto conduce a mayores costes de mantenimiento, reparaciones frecuentes y posibles interrupciones del servicio. Una buena conexión también mejora la seguridad y la fiabilidad al minimizar el riesgo de “desenganche” del cable, cuando el pantógrafo se separa de la línea. Esto puede provocar accidentes graves o daños en la infraestructura. Un rendimiento constante también garantiza operaciones fiables a altas velocidades, reduciendo la probabilidad de interrupciones del servicio.
Problemas eléctricos
Arco eléctrico y chispas
El contacto intermitente provoca arcos eléctricos, dañando las tiras del pantógrafo y los cables OCS.
Genera interferencia electromagnética (EMI), afectando la electrónica a bordo.
Caídas de tensión e interrupciones de energía
La captación inconsistente de corriente provoca pérdida de potencia de tracción, reduciendo la velocidad o incluso deteniendo el tren.
Puede activar el frenado de emergencia, causando retrasos.
Desgaste mecánico y daños
Desgaste acelerado de las tiras de carbono del pantógrafo
Abrasión o fragmentación debido a fuerzas de contacto desiguales
Aumenta la frecuencia y los costes de mantenimiento.
Daños en el cable de catenaria
Surcos, cortes o roturas en los cables aéreos requieren reparaciones costosas.
Riesgos de seguridad
Riesgo de incendio
Arcos eléctricos sostenidos pueden encender materiales inflamables cerca de las vías (por ejemplo, vegetación seca).
Enredo o rotura del pantógrafo
Casos graves pueden causar fallos del pantógrafo, lo que puede provocar el colapso o descarrilamiento del sistema OCS.
Pérdida de rendimiento y eficiencia
Restricciones de velocidad
Un mal contacto obliga a los trenes a reducir la velocidad, afectando los horarios.
Ineficiencia energética
Las fluctuaciones de energía aumentan el consumo (por ejemplo, fallos en el frenado regenerativo).
Impacto financiero y operativo
Mayores costes de mantenimiento
Reemplazo frecuente de pantógrafos y cables de catenaria.
Interrupciones del servicio
Las desconexiones causan retrasos y fallos operativos.
El tiempo de inactividad no planificado afecta a operadores ferroviarios y logística de carga.
Sanciones regulatorias
Incumplimiento de normas de seguridad (por ejemplo, EN 50367, UIC 794).
Estos factores impactan colectivamente la eficiencia, los costes y la seguridad de los pasajeros, haciendo que la interacción óptima entre pantógrafo y catenaria sea vital para los sistemas ferroviarios modernos.
Pruebas de pantógrafos y monitoreo de la red de catenaria
Probar el rendimiento y la fiabilidad de los pantógrafos ferroviarios que operan a 15 kV y 25 kV AC requiere instrumentación robusta con convertidores analógico-digitales (ADC) de alta resolución. Se colocan varios sensores estratégicamente para medir parámetros críticos relacionados con la interacción del pantógrafo con la línea aérea.
El objetivo principal es garantizar una fuerza de contacto constante, minimizar el desgaste del pantógrafo y de la OHL, y prevenir interrupciones en el suministro eléctrico del tren. Las normas relacionadas con estas pruebas incluyen EN 50317 y EN 50367.
Sensores utilizados para pruebas de pantógrafos y análisis de la red de catenaria
Acelerómetros
Los acelerómetros son fundamentales para medir la vibración y la aceleración en todos los puntos del cabezal del pantógrafo. Los ingenieros miden el comportamiento dinámico bajo diferentes condiciones de operación, como la velocidad y la geometría de la vía, y luego analizan la frecuencia y amplitud de la vibración para identificar rebotes excesivos, inestabilidad dinámica o resonancias estructurales.
Los datos de los acelerómetros ayudan a evaluar la capacidad del pantógrafo para mantener un contacto estable con el OCS e identificar áreas propensas a fatiga o daño.
Sensores de fuerza
Los sensores de fuerza se instalan en cada punto del pantógrafo para cuantificar la fuerza de contacto vertical entre el cabezal del pantógrafo y el hilo de catenaria. Mantener una fuerza de contacto óptima es esencial: una fuerza insuficiente puede provocar arcos eléctricos y pérdida de contacto, mientras que una fuerza excesiva puede causar desgaste innecesario tanto en el pantógrafo como en la catenaria.
La cadena de medición de fuerza proporciona datos en tiempo real sobre la fuerza de contacto, lo que permite a los ingenieros evaluar el rendimiento del pantógrafo en condiciones dinámicas y verificar la eficacia de sus sistemas de control de fuerza activos o pasivos.
Sensores de desplazamiento
El monitoreo del desplazamiento vertical y la altura del pantógrafo en relación con la vía y la OHL es vital para comprender su movimiento dinámico y garantizar que opere dentro de límites seguros. Para pasar de aceleración a velocidad y desplazamiento, la función de aceleración se integra con respecto al tiempo.
Mucho más directos son los sensores de desplazamiento, como potenciómetros o encoders de cable, ya que pueden utilizarse para medir la posición vertical del cabezal del pantógrafo. Estos datos ayudan a evaluar la capacidad del pantógrafo para seguir las ondulaciones del hilo de catenaria e identificar cualquier movimiento vertical excesivo que pueda provocar pérdida de contacto o estrés mecánico. Además de las fuerzas de contacto y aceleraciones generales, comprender la distribución de la fuerza a lo largo de la tira de contacto es esencial para optimizar el desgaste y la captación de corriente.
Además, medir la altura total del pantógrafo proporciona información crítica para una operación segura, asegurando que se mantenga dentro de los límites de despeje permitidos bajo puentes y túneles.
Cámaras infrarrojas (IR)
Las cámaras IR pueden, por ejemplo, medir la temperatura del cabezal del pantógrafo, en particular la tira de contacto y el área de contacto con el hilo de catenaria. Las temperaturas elevadas pueden indicar fricción excesiva debido a una alta fuerza de contacto, mala lubricación o arcos eléctricos causados por contacto intermitente.
El monitoreo de la temperatura en tiempo real permite a los ingenieros detectar posibles problemas de sobrecalentamiento que podrían provocar desgaste prematuro, daños en el pantógrafo o la catenaria, e incluso interrupciones de energía. Las imágenes térmicas capturadas por la cámara IR pueden proporcionar información valiosa sobre el estado y el rendimiento de la interfaz de contacto del pantógrafo.
Las cámaras de la marca OPTRIS son ideales para esta aplicación y son totalmente compatibles con los sistemas DAQ de Dewesoft. A diferencia de los sensores de temperatura convencionales, como termopares, RTD y termistores, las cámaras IR pueden medir sin contacto con el elemento bajo prueba.
Sonda UV
Las sondas UV son útiles para la detección de arcos. Por ejemplo, el sensor UV-Arc mide la intensidad y la duración de un evento de arco UV. Medir la calidad del contacto entre un pantógrafo y el hilo de contacto permite localizar defectos en el cable. Cumple con la norma EN 50317. El sensor UV-Arc contiene un fotodiodo con un filtro adicional para suprimir la radiación UV solar.
Los datos recogidos de estos sensores se envían normalmente a un sistema DAQ de Dewesoft para su monitoreo, registro y análisis en tiempo real. Esta instrumentación integral permite a los ingenieros evaluar a fondo el rendimiento de los pantógrafos ferroviarios de 15 kV y 25 kV bajo una amplia gama de condiciones de operación, contribuyendo así a mejorar la fiabilidad, reducir los costes de mantenimiento y aumentar la seguridad en las operaciones ferroviarias. El análisis de estos datos puede informar mejoras de diseño, optimizar los programas de mantenimiento y proporcionar información valiosa sobre el comportamiento a largo plazo de los pantógrafos y su interacción con el sistema de catenaria aérea.
Topología DAQ en red de Dewesoft
El sistema DAQ se centra en los modelos OBSIDIAN de Dewesoft, que están configurados tanto para mediciones de pantógrafos (orientadas hacia la parte superior) como para mediciones a bordo (orientadas al ferrocarril). Se utilizan modelos OBSIDIAN reforzados debido a su resistencia a golpes, vibraciones y temperaturas extremas. Admiten tarjetas modulares de acondicionamiento de señal aisladas con la conversión analógico-digital adecuada para analizar el comportamiento global. Además, cuentan con las interfaces digitales necesarias para conectar cámaras, interfaces GNSS de posición y velocidad, unidades de medición inercial (IMU) y datos de bus de MVB, CAN o incluso Ethernet.
En el corazón de OBSIDIAN se encuentra un procesador ARM integrado que ejecuta un sistema operativo LINUX altamente estable y el software DAQ embebido DewesoftRT. El sistema está diseñado para máxima estabilidad en aplicaciones de medición a largo plazo y puede cargar datos a la nube o a un servidor SFTP tradicional.
Un router de red móvil conecta la unidad DAQ central y el registrador con el mundo exterior, compatible con 5G, 4G LTE, 3G y WiFi 5 (802.11b/g/n/ac).
Descarga y visualización de datos
El software DewesoftX se utiliza para reproducir, validar y analizar archivos de datos cargados desde el instrumento Dewesoft OBSIDIAN. DewesoftX se proporciona sin coste con todos los instrumentos Dewesoft. No se requieren licencias ni tarifas de mantenimiento durante toda la vida útil del sistema. Algunas funciones avanzadas de análisis son opciones de pago, pero el paquete básico está incluido con el sistema. DewesoftX puede instalarse en múltiples computadoras con Windows, lo que permite a cada ingeniero acceder a los datos.
Visualiza datos en cualquier lugar y en cualquier momento
El software Dewesoft Historian permite la visualización de todos los datos desde un servidor y una plataforma web desde cualquier lugar.
Resumen de los beneficios de la solución escalable de CETEST y Dewesoft
Medir la interacción entre un pantógrafo y la línea aérea, así como toda la catenaria, a altos niveles de tensión permite analizar el comportamiento en operación y la infraestructura de catenaria, incluyendo:
Medición de fuerza para el análisis de la posición de contacto y la resistencia a la fatiga
(lista para utilizarse también en el control del pantógrafo)Medición de desplazamiento y movimiento
(lista para complementarse con medición y análisis de potencia eléctrica en el vehículo),Medición de vibraciones para el análisis de oscilaciones y frecuencias
(lista para complementarse con medición del bastidor del bogie o ruedas instrumentadas),Medición de temperatura en el punto de contacto mediante cámaras IR.
Además, el compromiso de CETEST con la precisión y exactitud se extiende a la calibración meticulosa y la trazabilidad de los datos de medición. En su laboratorio certificado según ISO 17025 calibran el pantógrafo instrumentado completo.
Al combinar una metodología experta, equipos de última generación y el cumplimiento de normas internacionales como la EN 50317, el estándar europeo para aplicaciones ferroviarias que especifica los requisitos para medir y validar la interacción dinámica entre un pantógrafo y la línea de contacto aérea, CETEST desempeña un papel clave en la mejora de la seguridad ferroviaria.
También se puede añadir el analizador de potencia Dewesoft, que proporciona una medición precisa de la potencia eléctrica en transformadores y maquinaria eléctrica.
El registro de datos autónomo en red para pruebas y monitoreo a largo plazo proporciona:
Carga automática de archivos de datos a la nube (SFTP) y análisis de infraestructura
Flujo continuo de datos a software de monitoreo web en tiempo real
Análisis de datos basado en mapas geográficos, localizando secciones críticas
Conclusión
La colaboración entre CETEST y Dewesoft ofrece una solución de medición escalable para ingenieros ferroviarios, permitiendo la adquisición integral de señales multifísicas. Esta capacidad proporciona información precisa sobre la infraestructura ferroviaria, los elementos individuales del sistema (como bogies y motores de tracción), componentes críticos (como pantógrafos y ruedas) y el comportamiento global del vehículo. Al escalar esta solución integrada, los ingenieros ferroviarios pueden tomar decisiones basadas en datos para mejorar la seguridad, la eficiencia operativa y prolongar la vida útil de los activos ferroviarios, contribuyendo en última instancia a una red ferroviaria más fiable y eficiente.
Por favor, contacte con CETEST o Dewesoft para avanzar en su próximo proyecto ferroviario.
