Diseño de sistemas de control activo basados en inteligencia artificial para la mejora de la captación de corriente en pantógrafos ferroviarios

Abstract

[ES] En la actualidad, el cambio climático obliga a buscar formas alternativas de consumir energía. En este sentido, los medios de transporte deben evolucionar hacia sistemas menos contaminantes. Los ferrocarriles eléctricos son una contribución importante a la descarbonización del transporte, apoyando directamente los ODS 9, 11 y 13. El vehículo ferroviario obtiene suministro eléctrico mediante el contacto del frotador del pantógrafo con la catenaria por donde circula la energía de la red. Es importante conocer las características de este contacto, ya que se debe limitar la velocidad máxima del ferrocarril para evitar despegues entre el pantógrafo y la catenaria que produzcan interrupciones del suministro. También es crucial en el fenómeno del desgaste del material del frotador y del hilo de contacto. Además, el efecto del viento puede poner en riesgo la seguridad del sistema si el contacto desaparece hacia el exterior del frotador. La calidad de la captación de corriente mejora conforme menor es la desviación típica de la fuerza de contacto entre el pantógrafo y la catenaria. En este trabajo se propone el uso de pantógrafos activos para estabilizar la fuerza de contacto, mejorando así la captación de energía. Para ello, se desarrollan dos controladores obtenidos por técnicas de inteligencia artificial: control mediante redes neuronales y control PID. Con ellas se elaborarán los sistemas que se implementarán en un banco de ensayos de pantógrafos para su futura validación experimental. El presente TFM se enmarca en el proyecto VirtualCat del Ministerio de Ciencia y Educación. Una de las contribuciones de este Trabajo es la obtención del modelo de control interno del que disponen los motores del banco de ensayos del proyecto. La principal contribución es la nueva propuesta de diseño de control aplicable a pantógrafos para mejorar la captación de corriente.

[EN] Nowadays, climate change imposes the need to look for alternatives on power consumption. In that sense, means of transportation must evolve towards less polluting systems. Electric railways are an important contribution to the decarbonization of transport, directly supporting ODS number 9, 11 and 13. Current collection in railway vehicles is done through the contact between the pantograph shoe with the catenary through which the energy from the grid is flowing. It is important to know well the characteristics of this contact, as it is considered one of the limiting factor of the maximum velocity of the railway because detachments between the pantograph and the catenary produce interruptions on the electric supply of the train. If the effect of the wind is added, security could be at risk if the contact disappears towards the exterior of the pantograph shoe. Furthermore, wear of the material of the pantograph shoe and the catenary is also crucial. The quality of the current collection process is greater as the typical deviation of the pantograph-catenary contact force is smaller. This work proposes a system to obtain a more stable pantograph-catenary contact force by means of the active control of the pantograph, thus improving the electric current collection. With this purpose, two controllers are developed by means of artificial intelligence techniques: a neural network controller and a PID controller. The control systems that are developed with them will be later implemented in a test bench for their future experimental validation. This work is framed in the VirtualCat project of the Science and Education Ministry. One of the contributions of this Work is obtaining the internal control model of the motors of the test bench used by the project. The main contribution is the new control design proposal for pantographs to improve the current collection.

[CAT] En l’actualitat, el canvi climàtic obliga a buscar formes alternatives de consumir energia. En aquest sentit, els mitjans de transport han d’evolucionar cap a sistemes menys contaminants. Els ferrocarrils elèctrics són una contribució important contribució a la descarbonització del transport, donant suport als ODS 9, 11 i 13. El vehicle ferroviari obté el subministrament elèctric mitjançant el contacte del fregador del pantògraf amb la catenària per on circula l’energia de la xarxa. És important conèixer les característiques d’aquest contacte, ja que s’ha de limitar la velocitat màxima del ferrocarril per a evitar desenganxaments entre el pantògraf i la catenària que produeixin interrupcions del subministrament. També es crucial el fenomen del desgast del material del fregador i del fil de contacte. A més, el efecte del vent pot posar en risc la seguretat del sistema si el contacte desapareix cap a l’exterior del fregador. La qualitat de la captació de corrents serà superior conforme la desviació típica de la força de contacte entre el pantògraf i la catenària sigui menor. En aquest Treball es proposa l’ús de pantògrafs actius per a estabilitzar la força de contacte, millorant així la captació d’energia. Amb aquest fi, se desenvolupen dos controladors obtinguts amb tècniques d’intel·ligència artificial: control mitjançant xarxes neuronals i control PID. Amb aquestes s’elaboraran els sistemes de control que s’implementaran en un banc d’assajos de pantògrafs per a la seua validació experimental. El present TFM s’emmarca en el projecte VirtualCAT del Ministeri de Ciència i Educació. Una de les contribucions d’aquest Treball és l’obtenció del model de control intern del que disposen els motors del banc d’assajos del projecte. La principal contribució és la nova proposta de disseny de control aplicable als pantògrafs per a millorar la captació de corrent.