BR102016000838B1 - Conversor elétrico para uma subestação, subestação e sistem para alimentar uma rede e/ou recuperar energia de frenagem de veículos ferroviários - Google Patents

Abstract

CONVERSOR PARA ALIMENTADOR ELÉTRICO E/OU SUBESTAÇÃO PARA RECUPERAR A ENERGIA DE FRENAGEM A invenção diz respeito a um conversor elétrico (30) para uma subestação que alimenta uma rede elétrica e/ou para recuperar a energia de frenagem de veículos ferroviários que deslocam em uma estrada de ferro, a subestação sendo conectada em uma linha de alimentação capaz de suprir uma tensão CC nos veículos ferroviários que deslocam na estrada de ferro, a subestação compreendendo uma rede de distribuição de eletricidade capaz de entregar uma tensão trifásica correspondente com três fases, o conversor (30) compreendendo um transformador (306) capaz de inspecionar o valor da tensão trifásica entregue pela rede de distribuição de eletricidade, um dispositivo de filtro (304) capaz de filtrar a tensão trifásica do transformador (306), e um inversor (302) conectado no filtro (304).

Description

[0001] A presente invenção diz respeito a um conversor para uma subestação de alimentação da rede elétrica e/ou para recuperar a energia de frenagem de veículos ferroviários. A invenção também diz respeito a uma subestação equipada com um conversor como este. A invenção também diz respeito a um sistema para recuperar energia de frenagem incluindo tais subestações.

[0002] Subestações de estradas de ferro que entregam uma tensão CC nas catenárias geralmente incluem uma ponte de diodo. Uma ponte de diodo como esta inclui seis diodos para retificar três fases e doze diodos para retificar seis fases.

[0003] Por causa de sua simplicidade, tais subestações são consideradas a única alternativa para criar tensão CC para acionar os trens.

[0004] Entretanto, tais subestações não possibilitam recuperar a energia de frenagem produzida durante uma desaceleração de um trem, uma vez que os trens são geralmente equipados com um sistema de alto desempenho para recuperar energia cinética. Tais subestações também não possibilitam corrigir o cos(Φ) na entrada de tal subestação e geram muitos harmônicos na rede CC na entrada da subestação e na rede CC na saída da subestação.

[0005] A fim de resolver o inconveniente supramencionado, é conhecido recuperar a energia de frenagem do veículo ferroviário usando um retificador de tiristor. O retificador é capaz de regular a tensão de saída CC. A tensão CC é a tensão retificada. A recuperação é feita por meio de um inversor que recupera a energia em excesso da rede CC. O inversor transmite um excesso como este de volta para a rede trifásica. Em um caso desses, o inversor é provido com seu próprio transformador.

[0006] Entretanto, tais subestações não possibilitam manter o nível da tensão entregue em um valor aceitável em vácuo e sob uma carga.

[0007] Além disso, tais subestações são geralmente uma significante fonte de poluição para a rede CA.

[0008] Existe portanto uma necessidade de uma subestação que proporcione boa eficiência da rede elétrica com baixa poluição.

[0009] Com essa finalidade, é proposto um conversor elétrico para uma subestação que alimenta uma rede elétrica e/ou para recuperar a energia de frenagem de veículos ferroviários que deslocam em uma estrada de ferro, a subestação sendo conectada em uma linha de alimentação capaz de suprir uma tensão CC nos veículos ferroviários que deslocam na estrada de ferro, a subestação compreendendo uma rede distribuição de eletricidade capaz de entregar uma tensão trifásica correspondente com três fases, o conversor compreendendo um transformador capaz de inspecionar o valor da tensão trifásica entregue pela rede distribuição de eletricidade, um dispositivo de filtragem capaz de filtrar a tensão trifásica do transformador, e um inversor conectado no filtro.

[0010] De acordo com modalidades específicas, o conversor compreende um ou mais dos seguintes recursos, considerado sozinhos ou de acordo com qualquer combinação tecnicamente possível: • para cada fase gerada, o inversor inclui dois conjuntos em série, cada conjunto incluindo um diodo e um transistor em paralelo. • cada transistor é um transistor bipolar de porta isolada. • o dispositivo de filtragem é um circuito LC. • o transformador inclui cada dos dipolos capazes de gerar uma indutância do dispositivo de filtragem. • o dispositivo de filtragem é um filtro que reduz harmônicos de corrente que podem ser reinjetados na rede de distribuição de eletricidade.

[0011] Além disso, é proposta uma subestação para alimentar uma rede e/ou recuperar energia de frenagem de veículos ferroviários que deslocam em uma estrada de ferro, a subestação sendo conectada em uma linha de alimentação capaz de suprir uma tensão CC nos veículos ferroviários que deslocam na estrada de ferro, a subestação compreendendo uma rede de distribuição de eletricidade capaz de entregar uma tensão trifásica correspondente com três fases, e um único conversor como previamente descrito.

[0012] É também proposto um sistema para alimentar uma rede e/ou para recuperar a energia de frenagem de veículos ferroviários, o sistema incluindo uma pluralidade de subestações como previamente descrito.

[0013] É também proposto um sistema para alimentar uma rede e/ou para recuperar a energia de frenagem de veículos ferroviários, o sistema incluindo pelo menos uma linha de alimentação que se estende ao longo de uma estrada de ferro para suprir os veículos ferroviários que deslocam na estrada de ferro. A pluralidade de subestações é espaçada umas das outras por uma distância superior a 100 metros, cada subestação sendo eletricamente conectada na linha de alimentação em um ponto de conexão e equipada com um sensor ou um estimador de uma tensão Ussk no ponto de conexão, e um módulo de controle do conversor capaz de comutar automaticamente o conversor para um modo de regeneração no qual o conversor transfere continuamente eletricidade da linha de alimentação para a rede de distribuição de eletricidade para recuperar a energia de frenagem dos veículos ferroviários, uma vez que a tensão medida ou estimada Ussk está acima de um limite UC3k, de maneira tal que cada subestação é associada com sua própria zona de recuperação de energia de frenagem Zfk na qual, independentemente da posição do veículo ferroviário dentro dessa zona Zfk, a subestação Sk é capaz de recuperar pelo menos parte da energia de frenagem desse veículo ferroviário, uma zona de recuperação de energia de frenagem Zfk sendo um segmento da linha de alimentação centrado no ponto Pk e os limites dos quais são espaçados em qualquer lado do ponto Pk por uma distância Fk igual a (UCmax-UC3mink)/(pImax) onde UCmax é uma máxima tensão admissível não permanente na linha de alimentação, UC3mink é o mínimo valor que pode ser assumido pelo limite UC3k durante a operação da subestação, p é a resistência linear da linha de alimentação, e Imax é a máxima intensidade admissível para a corrente que circula na linha de alimentação. O valor do limite UC3mink é de maneira tal que a distância Fk é maior ou igual a Dk/2.

[0014] De acordo com modalidades específicas, o sistema compreende um ou mais dos seguintes recursos, considerados sozinhos ou de acordo com qualquer combinação tecnicamente possível: as subestações (Sk) são equidistantes uma da outra. • o valor do limite UC3mink é de maneira tal que a distância Fk é maior ou igual à distância Dk. • o conversor elétrico é capaz de transferir a eletricidade da rede de distribuição de eletricidade para a linha de alimentação para suprir tração ao(s) veículo(s) ferroviário(s), de maneira tal que a subestação Sk é também associada com uma zona Ztk para suprir tração dos veículos ferroviários nos qual, independentemente da posição do veículo ferroviário dentro da zona Ztk, a subestação Sk é capaz de alimentar os motores de tração elétrica do veículo ferroviário, • uma zona de alimentação de tração Ztk sendo um segmento [LGtk; LDtk] da linha de alimentação centrada no ponto Pk cujos limites LGtk, LDtk são espaçados em qualquer lado do ponto Pk por uma distância Tk igual a (Ussmaxk-Ucmin)/( P Imax), onde: o Ussmaxk é a máxima tensão que pode ser gerada pelo conversor elétrico da subestação Sk no ponto Pk para suprir tração a um veículo ferroviário, o UCmin é a mínima tensão admissível não permanente na linha de alimentação, o o valor do limite Ussmaxk sendo de maneira tal que a distância Tk é maior ou igual a Dk/2 ou Dk. • o módulo de controle é capaz de comutar automaticamente o conversor elétrico para um modo de suprimento de tração no qual o conversor elétrico transfere continuamente eletricidade da rede de distribuição de eletricidade para a linha de alimentação quando a tensão medida ou estimada Ussk é abaixo de um limite Udk. • o limite UC3mink é estritamente abaixo do limite Udk. • quando a tensão medida ou estimada Ussk é compreendida entre o limite UC3mink e o limite Udk, o módulo de controle é capaz de comutar o conversor elétrico tanto para o modo de regeneração quanto para o modo de suprimento de tração dependendo do modo no qual o conversor foi encontrado antes que a tensão Ussk fosse compreendida entre o limite UC3mink e o limite Udk. • a subestação Sk inclui um módulo para ajustar o valor do limite UC3k capaz de variar o valor do limite do limite inferior UC3mink até um limite superior UC3maxk maior ou igual a 90% de uma tensão máxima UCmax autorizada na linha de alimentação, este módulo de ajuste sendo capaz de manter o valor do limite UC3k estritamente maior que a tensão medida ou estimada Ussk desde que o aumento da tensão medida ou estimada Ussk permaneça abaixo de um limite predeterminado assk. • quando a intensidade da corrente que cruza o conversor elétrico é nula, o módulo de ajuste é capaz de diminuir o valor do limite UC3k até o limite UC3mink se o aumento na tensão Ussk for maior ou igual ao limite predeterminado assk. • o módulo de controle é capaz de comandar o conversor elétrico de forma que o conversor elétrico transfira a maior quantidade possível de eletricidade por unidade de tempo da linha de alimentação para a rede de distribuição de eletricidade, uma vez que a tensão medida ou estimada Ussk excede um limite Ucmax2k maior ou igual ao limite UC3maxk. • o conversor elétrico é um conversor controlado com pelo menos dois quadrantes feitos usando tiristores ou transistores de potência, o módulo de controle sendo capaz de comandar o conversor para manter a tensão Ussk constante, desde que potência elétrica gerada na linha de alimentação ou absorvida da linha de alimentação não varie mais que 50%.

[0015] Outros recursos e vantagens da invenção surgirão mediante leitura da descrição seguinte de modalidades da invenção, providas apenas como um exemplo e em referência aos desenhos, que são: • figura 1, um ilustração diagramática da arquitetura de uma rede ferroviária equipada com um sistema de subestações reversíveis para recuperar energia de frenagem, • figura 2, uma vista de um conversor da subestação de recuperação de acordo com a invenção, e • figura 3, uma vista de um outro conversor da subestação de recuperação de acordo com a invenção.

[0016] Nessas figuras, as mesmas referências são usadas para designar os mesmos elementos.

[0017] Figura 1 mostra uma rede ferroviária 2 equipada com um sistema 4 para recuperar energia de frenagem.

[0018] O sistema 4 compreende uma ou mais linhas de alimentação e muitas subestações distribuídas em intervalos regulares ao longo dessas linhas de alimentação. A fim de simplificar a figura 1, somente uma linha de alimentação 6 e três subestações Sk-1, Sk e Sk+1 foram mostradas.

[0019] A linha de alimentação é capaz de suprir uma tensão CC nos veículos ferroviários que deslocam na estrada de ferro.

[0020] A expressão "linha de alimentação" se refere tanto a um fio em catenária suspenso no qual um pantógrafo de um veículo ferroviário fricciona para ser suprido com eletricidade, e um terceiro trilho posicionado ao longo dos trilhos das estradas de ferro. No caso de um terceiro trilho, o pantógrafo é mais bem conhecido como "sapata do coletor".

[0021] O índice k representa o número de ordem de cada subestação começando de uma subestação S0 situada em uma extremidade da linha de alimentação 6 e movendo na direção indicada na figura 1.

[0022] A tensão na linha de alimentação 6 pode variar entre uma tensão máxima não permanente UCmax e uma tensão mínima não permanente UCmin. Esses limites máximo e mínimo são tipicamente definidos por normais tais como a norma européia EN 50 163 ou CEI 60850. Por exemplo, aqui, o limite UCmax é igual a 1000 VCC e o limite UCmin é igual a 500 VCC para uma linha de alimentação cuja tensão nominal UCnom é igual a 750 VCC.

[0023] Cada subestação Sk é eletricamente conectada na linha de alimentação 6 em um ponto de conexão Pk. O ponto Pk é separado do ponto Pk+1 por uma distância Dk e do ponto Pk-1 por uma distância Dk-1. A distância Dk é também conhecida como distância interestação. Preferivelmente, a distância Dk é a mesma para todos os índices k, de maneira tal que cada das subestações é equidistantes das outras.

[0024] A distância interestação Dk é maior que centenas de metros. A distância Dk é também pequena o bastante de forma que a subestação Sk pode suprir tração a um veículo ferroviário cujo pantógrafo está situado no ponto Pk+1. Aqui, a distância Dk é compreendida entre 1.000 m e 2.000 m para uma tensão nominal de 750 VCC e pode chegar a 20 km para uma tensão nominal de 3.000 VCC.

[0025] Aqui, suprir tração se refere ao fato de que a subestação gera, na linha de alimentação 6, potência bastante para alimentar os motores de tração do veículo ferroviário e, portanto, permite que o veículo ferroviário mova nas condições de tensão anteriormente apresentadas.

[0026] Cada subestação Sk é associada com uma zona de suprimento de tração Ztk. A zona Ztk é um segmento [LGtk; LDtk] da linha de alimentação 6 centrado no ponto Pk. Os limites esquerdo e direito LGtk e LDtk são espaçados do ponto Pk por uma distância Tk. A distância Tk é definida pelo relacionamento seguinte:

Onde: • Uss max k é a máxima tensão de tração que pode ser gerada pela subestação Skno ponto Pk para suprir tração a um veículo ferroviário, • UCmin é a mínima tensão permissível não temporária na linha de alimentação 6, • p é a resistência linear da linha de alimentação 6 e seus alimentadores, e • Imax é a máxima intensidade permissível para a corrente que circula na linha de alimentação 6. Resistência linear aqui se refere ao valor da resistência por unidade de comprimento.

[0027] A zona Ztk portanto corresponde ao segmento da linha de alimentação 6 no qual, independentemente da posição do veículo ferroviário dentro dessa zona, a subestação Sk é capaz de suprir tração ao veículo ferroviário. Além dos limites LGtk e LDtk, a queda de tensão por causa da resistência linear da linha de alimentação 6 é de maneira tal que, mesmo se a subestação Sk gerar a tensão Uss max k no ponto Pk, a tensão do pantógrafo do veículo ferroviário pode ser abaixo da tensão UCmin. Os veículos ferroviários portanto não podem ser sistematicamente supridos com tração além desses limites LGtk e LDtk pela subestação Sk.

[0028] Como uma ilustração, Uss max ké maior ou igual a UCnom. Essas escolhas são feitas durante o projeto da rede 2 e, portanto, impõem a distância Tk. Em seguida, a distância Dk é escolhida igual a ou ligeiramente menor que a distância Tk, de maneira tal que, independentemente da posição do veículo ferroviário ao longo da linha de alimentação 6, está fica sempre simultaneamente em duas zonas Ztk e Ztk+i. Uma escolha como esta da distância Dk possibilita garantir que o veículo ferroviário pode ser alimentado independente de sua posição ao longo da linha de alimentação 6, mesmo no caso de falha de uma das subestações Sk.

[0029] A subestação Sk é também associada com uma zona de recuperação de energia de frenagem Zfk. Esta zona Zfk é um segmento [LGfk; LDfk] da linha de alimentação 6 centrado no ponto Pk. Os limites LGfk e LDfk são espaçados do ponto Pk por uma distância Fk. A distância Fk é definida pelo relacionamento seguinte:

Onde: • UCmax é a máxima tensão permissível não permanente na linha de alimentação 6, • UC3min k é um limite inferior para o valor de um limite UC3k que será definido posteriormente. Aqui, UC3mink é escolhido para ser menor ou igual a UCnom. Assim, a distância Fk é maior ou igual à distância Dk. Por exemplo, o limite UC3min k é escolhido para ser igual a 700 VCC.

[0030] A zona Zfk é uma zona na qual, independentemente da posição do veículo ferroviário que freia dentro dessa zona Zfk, a subestação Sk pode recuperar toda ou parte da energia de frenagem desse veículo ferroviário.

[0031] Dado que a distância Fk é maior ou igual à distância Dk, é, portanto, possível recuperar a energia de frenagem de um veículo ferroviário tanto no ponto Pk-1, quanto no ponto Pk+1. Assim, mesmo se a subestação Sk estiver fora de serviço, as subestações Sk-1 e Sk+1 possibilitam recuperar a energia de frenagem do veículo ferroviário, independentemente da posição do veículo ferroviário entre os pontos Pk-1 e Pk+1. É portanto possível garantir que toda a energia de frenagem do veículo ferroviário será recuperada, mesmo se a subestação estiver fora de serviço.

[0032] Todas as subestações Sk são conectadas em uma mesma rede de distribuição de eletricidade de longa distância 20. Aqui, a rede 20 é uma rede de tensão CA trifásica com uma tensão na categoria A ou B. Uma alta tensão CA na categoria A ou B aqui se refere a uma tensão CA compreendida entre 1.000 e 50.000 VCA. De acordo com o preceito do pedido de patente FR 2.873.332, esta rede 20 pode também ser uma rede de baixa tensão alternada trifásica. Aqui, baixa tensão alternada trifásica se refere a uma tensão abaixo de 1.000 VCA. Tipicamente, esta rede de baixa tensão alternada trifásica então será uma rede de baixa tensão na categoria B ou BTB, isto é, da qual a tensão CA é compreendida entre 500 e 1.000 VCA.

[0033] Aqui, todas as subestações Sk são idênticas entre si, e somente a subestação Sk é mostrada com detalhes na figura 1.

[0034] A subestação Sk inclui um conversor de quatro quadrantes 30 conectado, por um lado, na rede 20 e, por outro lado, no ponto Pk na linha de alimentação 6.

[0035] Este conversor 30 é capaz de retificar a tensão trifásica da rede 20 para entregar, na linha de alimentação 6, uma tensão retificada CC compreendida entre Ussmaxk e UCmin. O conversor 30 é também capaz de inverter a tensão CC presente na linha de alimentação 6 para entregar, na rede 20, uma tensão trifásica construída dessa tensão CC compreendida entre UC3mink e UCmax. O conversor de duas vias 30 operando tanto como retificador quanto inversor.

[0036] Os diferentes componentes do conversor 30 são mais precisamente descritos em referência às figuras 2 e 3 a seguir.

[0037] O conversor 30 é um conversor controlável. Com esta finalidade, a subestação Sk inclui uma unidade de controle 32 capaz de controlar o conversor 30 para fazer com que ele opere como um retificador e, alternativamente, como um inversor. A unidade 32 também possibilita aprisionar a tensão Ussk entregue ou absorvida no ponto Pk em um ponto estabelecido Ussc. Com essa finalidade, a subestação Sk inclui um sensor 34 para a intensidade do corrente Ik e um sensor 36 para a tensão Ussk no ponto Pk.

[0038] Mais especificamente, a unidade 32 é capaz de comutar o conversor 30 para um modo de regeneração ou recuperação de eletricidade uma vez a que a tensão medida Ussk esteja acima de um limite UC3k. A unidade 32 é também capaz de comutar automaticamente o conversor 30 para o modo de suprimento de tração uma vez que a tensão Ussk esteja abaixo de um limite Udk. Por exemplo, o limite Udk é menor ou igual a UCnom.

[0039] A subestação Sk também inclui um módulo 40 para ajustar o valor do limite UC3k em função da tensão medida Ussk.

[0040] A unidade 32 e o módulo 40 são, por exemplo, feitos de um computador programável 42 capaz de executar instruções gravadas em uma memória 44 conectada no computador. Com esta finalidade, a memória 44 aqui inclui instruções para a execução do método da figura 2, bem como os diferentes valores dos limites e limites usados aqui.

[0041] O sistema 2 também compreende um veículo ferroviário 46 que deslocam em uma estrada de ferro 47. Este veículo 46 é eletricamente conectado na linha de alimentação 6 por um pantógrafo 48. O pantógrafo 48 possibilita capturar eletricidade da linha de alimentação 6 e entregá-la na entrada de um conversor elétrico 49 a bordo do veículo 46. O conversor 49 é capaz de converter a tensão contínua obtida por meio do pantógrafo 48 em uma tensão de alimentação trifásica para um motor de tração 50. O motor 50 é, por exemplo, um motor elétrico síncrono ou assíncrono. Este motor 50 é capaz de girar as rodas do veículo 46. O motor 50 é também capaz de operar como um gerador para frear o veículo 46. Neste caso, o conversor 49 é capaz de operar como retificador para retornar a energia de frenagem para a linha de alimentação 6.

[0042] O conversor 49 é um conversor controlável pela unidade de controle 51. Esta unidade de controle 51 é capaz de proteger o conversor 49 em função de uma tensão UT medida no pantógrafo 48 por meio de um sensor 52. Com esta finalidade, a unidade 51 é capaz de disparar o isolamento elétrico do veículo elétrico 46 da linha de alimentação 6 em função da tensão medida UT.

[0043] O veículo 46 não tem resistência a frenagem ou reostato a bordo capaz de dissipar, na forma de calor, toda a energia de frenagem produzida pelo motor 50 quando este funciona como um gerador.

[0044] De acordo com o exemplo da figura 2, um conversor particular 30 é proposto.

[0045] Como antes, o conversor 30 é inserido entre a rede de distribuição 20 e a linha de alimentação 6.

[0046] O conversor 30 inclui um inversor 302, um dispositivo de filtragem 304 e um transformador 306.

[0047] O inversor 302 é um conversor CC-CA.

[0048] O inversor 302 é conectado na linha de alimentação 6, entregando uma tensão de 750 V.

[0049] Desta alimentação CC, de acordo com o exemplo da figura 2, o primeiro inversor 302 é capaz de entregar três fases P1, P2 e P3 de uma corrente alternada trifásica no dispositivo de filtragem 304. Essas três fases P1, P2 e P3 são criadas usando, para cada fase, dois conjuntos transistor-diodo E1, E2, E3, E4, E5 e E6 colocados em série e submetidos ao potencial CC. Cada dos conjuntos transistor- diodo E1, E2, E3, E4, E5 e E6 inclui um transistor T1, T2, T3, T4, T5 e T6 em paralelo com o diodo D1, D2, D3, D4, D5 e D6.

[0050] Por exemplo, a primeira fase P1 corresponde ao potencial de um ponto entre o primeiro transistor T1 e o segundo transistor T2. O primeiro transistor T1 tem seu coletor T1C conectado no potencial de 750 V e seu transmissor T1E é conectado no coletor T2C do segundo transistor T2. O transmissor T2E do segundo transistor T2 é conectado no terra.

[0051] Similarmente, a segunda fase P2 corresponde ao potencial de um ponto entre dois transistores, o terceiro transistor T3 e o quarto transistor T4. O terceiro transistor T3 tem seu coletor T3C conectado no potencial de 750 V e seu transmissor T3E é conectado no coletor T4C do quarto transistor T4. O transmissor T4E do quarto transistor T4 é conectado no terra.

[0052] Similarmente, a terceira fase P3 corresponde ao potencial de um ponto entre dois transistores, o quinto transistor T5 e o sexto transistor T6. O quinto transistor T5 tem seu coletor T5C conectado no potencial de 750 V e seu transmissor T5E é conectado no coletor T6C do sexto transistor T6. O transmissor T6E do sexto transistor T6 é conectado no terra.

[0053] De acordo com o exemplo da figura 2, cada dos transistores T1, T2, T3, T4, T5 e T6 é um transistor IGBT que suporta 1.700 V. Um transistor bipolar de porta isolada (IGBT) é um dispositivo semicondutor da família de transistores usados como chaves eletrônicas, basicamente em conjuntos de potência eletrônicos. Um componente que suporta 1.700 V é tipicamente um componente específico, especialmente dedicado ao campo ferroviário.

[0054] O inversor 302 adicionalmente inclui uma capacitância de entrada 308.

[0055] A capacitância de entrada 308 é posicionada em paralelo com cada das linhas que possibilitam gerar as três fases P1, P2 e P3.

[0056] O dispositivo de filtragem 304 é capaz de filtrar cada das três fases P1, P2 e P3.

[0057] O dispositivo de filtragem 304 sendo um dispositivo de filtragem 304 para uma tensão trifásica, o dispositivo de filtragem 304 inclui três entradas 304E1, 304E2 e 304E3, para as três fases P1, P2, P3 do inversor 302 e três saídas correspondentes 304S1, 304S2 e 304S3, cada qual sendo conectada no transformador 306.

[0058] Cada das fases P1, P2 e P3 é filtrada por um filtro da mesma natureza do dispositivo de filtragem 304 da figura 2.

[0059] Preferivelmente, o filtro aplicado em cada fase é idêntico.

[0060] De acordo com o exemplo da figura 2, cada filtro do dispositivo de filtragem 304 é um circuito LC.

[0061] Um circuito LC é um circuito elétrico compreendendo pelo menos um dipolo que gera uma impedância indutiva e pelo menos um dipolo que gera uma impedância capacitiva.

[0062] Como um exemplo, o dipolo que gera a impedância indutiva é uma bobina. Uma bobina, solenóide, autoindutância ou algumas vezes auto, é um componente comum em engenharia elétrica e eletrônica. Uma bobina é constituída de um enrolamento de fio condutor opcionalmente em torno de um núcleo feito de material ferromagnético que pode ser um conjunto de chapas metálicas ou um bloco de ferrita (cerâmica ferromagnética). Físicos e engenheiros franceses geralmente chamam-no de uma "indutância” por sinédoque, este termo designando a propriedade característica da bobina, que é sua oposição à variação do corrente em suas espiras.

[0063] A seguir, por questão de simplificação, o termo "indutância" é usado para referir a um dipolo que gera uma impedância indutiva.

[0064] Consequentemente, no caso ilustrado, o dispositivo de filtragem 304 inclui três indutâncias L1, L2 e L3 e três capacitores C1, C2 e C3.

[0065] Cada componente do dispositivo de filtragem 304 inclui dois terminais.

[0066] Assim, a primeira indutância L1 inclui dois terminais, um primeiro terminal L1B1 e um segundo terminal L1B2. A segunda indutância L2 inclui dois terminais, um primeiro terminal L2B1 e um segundo terminal L2B2. A terceira indutância L3 inclui dois terminais, um primeiro terminal L3B1 e um segundo terminal L3B2. O primeiro capacitor C1 inclui dois terminais, um primeiro terminal C1B1 e um segundo terminal C1B2. O segundo capacitor C2 inclui dois terminais, um primeiro terminal C2B1 e um segundo terminal C2B2. O terceiro capacitor C3 inclui dois terminais, um primeiro terminal C3B1 e um segundo terminal C3B2.

[0067] O primeiro terminal L1B1 da primeira indutância L1 é conectado no primeiro terminal C3B1 do terceiro capacitor C3. O segundo terminal L1B2 da primeira indutância L1 é conectado na primeira entrada 304E1 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à primeira fase P1.

[0068] O primeiro terminal L2B1 da segunda indutância L2 é conectado no segundo terminal C1B2 do primeiro capacitor C1 e no primeiro terminal C2B1 do segundo capacitor C2. O segundo terminal L2B2 da segunda indutância L2 é conectado na segunda entrada 304E2 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à segunda fase P2.

[0069] O primeiro terminal L3B1 da terceira indutância L3 é conectado no segundo terminal C3B2 do terceiro capacitor C3. O segundo terminal L3B2 da terceira indutância L3 é conectado na terceira entrada 304E3 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à terceira fase P3.

[0070] O primeiro capacitor C1 é inserido entre a primeira saída 304S1 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à primeira fase P1 e a segunda saída 304S2 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à segunda fase P2. Isto significa que o primeiro terminal C1B1 do primeiro capacitor C1 é conectado na primeira saída 304S1 do dispositivo de filtragem 304, enquanto o segundo terminal C1B2 do primeiro capacitor C1 é conectado na segunda saída 304S2 do dispositivo de filtragem 304.

[0071] O segundo capacitor C2 é inserido entre a segunda saída 304S2 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à segunda fase P2 e a terceira saída 304S3 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à terceira fase P3. Isto significa que o primeiro terminal C2B1 do segundo capacitor C2 é conectado na segunda saída 304S2 do dispositivo de filtragem 304, enquanto o segundo terminal C2B2 do segundo capacitor C2 é conectado na terceira saída 304S3.

[0072] No exemplo da figura 2, o primeiro terminal C2B1 do segundo capacitor C2 é conectado no segundo terminal C1B2 do primeiro capacitor C1.

[0073] O terceiro capacitor C3 é inserido entre a primeira saída 304S1 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à primeira fase P1 e a terceira saída 304S3 do dispositivo de filtragem 304 correspondente à terceira fase P3. Isto significa que o primeiro terminal C3B1 do terceiro capacitor C3 é conectado na primeira saída 304S1 do dispositivo de filtragem 304, enquanto o segundo terminal C3B2 do terceiro capacitor C3 é conectado na terceira saída 304S3 do dispositivo de filtragem 304.

[0074] Assim, no exemplo da figura 2, o primeiro terminal C1B1 do primeiro capacitor C1 é conectado no primeiro terminal C3B1 do terceiro capacitor C3. Além disso, o segundo terminal C2B2 do segundo capacitor C3 é conectado no segundo terminal C3B2 do terceiro capacitor C3.

[0075] O transformador 306 é conectado por um lado nas saídas do dispositivo de filtragem 304 e por outro lado na rede de distribuição de eletricidade 20.

[0076] Um transformador elétrico (algumas vezes abreviado como transfo) é uma máquina elétrica que possibilita modificar os valores de tensão e intensidade de corrente entregues por uma fonte de eletricidade CA em um sistema de tensão e corrente com diferentes valores, mas com a mesma frequência e a mesma forma. Eles realizam esta conversão com uma excelente saída.

[0077] De acordo com o exemplo da figura 2, o transformador 306 inclui um enrolamento primário 310 e um enrolamento secundário 312, o enrolamento secundário 312 sendo capaz de entregar um sinal na sua saída 312S com uma tensão diferente da tensão do sinal injetado nas entradas 310E1, 310E2 e 310E3 do enrolamento primário 310.

[0078] No caso em mãos, o transformador 306 é capaz de gerar um sinal de saída cuja tensão atinge 15 kV quando a tensão do sinal injetado atinge 457 V.

[0079] A operação do dispositivo da figura 2 será agora descrita.

[0080] Em geral, o conversor elétrico 30 é capaz de transferir eletricidade da linha de alimentação 6 para a rede de distribuição de eletricidade 20 para recuperar a energia de frenagem de veículos ferroviários.

[0081] Mais especificamente, o conversor 30 é capaz de retificar a tensão trifásica entregue pela rede de distribuição 20 em uma tensão CC e entregar a tensão CC na linha de alimentação 6.

[0082] O conversor 30 é também capaz de converter a tensão CC da linha de alimentação 6 para entregar, na rede de distribuição 20, uma tensão trifásica construída a partir da tensão CC da linha de alimentação.

[0083] Em outras palavras, o conversor 30 é capaz de inverter a tensão CC presente na linha de alimentação 6 para entregar, na rede de distribuição 20, uma tensão trifásica construída a partir desta tensão CC.

[0084] A subestação equipada com um conversor como este 30 tem a vantagem de que a função de retificação e inversão do conversor 30 é realizada com um único inversor 302.

[0085] O circuito LC encontrado depois do transformador de alta tensão 306 associado com um controle apropriado do inversor de potência 302 permite filtração da tensão rejeitada na rede de distribuição trifásica 20.

[0086] O controle do inversor 302 também possibilita garantir um fator em unidade cos(Φ) observada pelo transformador 306 quer o conjunto esteja em tração ou frenagem. O fenômeno de invasão, isto é, deterioração do valor do fator em cos(Φ) em função da carga, é assim evitado.

[0087] Além disso, o inversor 302 inspeciona o trânsito de potência da linha de alimentação 6 para a rede de distribuição 30.

[0088] Além disso, a escolha dos ângulos de comutação, bem como os valores das indutâncias de dispersão do transformador 306 e das capacitâncias trifásicas possibilita atingir um nível de filtração bastante alto e de desempenho muito alto.

[0089] Embora a saída geral do conversor seja menor que na tecnologia de ponta, por causa das melhores qualidades do sinal elétrico produzido, considerando o sistema geral, a saída é melhor.

[0090] Assim, o conversor proposto 30 possibilita assegurar a reversibilidade do fluxo elétrico, uma regulagem da tensão CC e filtragem ativa da tensão da rede trifásica.

[0091] Em decorrência disto, a subestação assegura boa eficiência da rede elétrica com baixa poluição.

[0092] Figura 3 ilustra um conversor 30 de acordo com uma outra modalidade. Elementos idênticos aos da modalidade da figura 1 não são descritos novamente. Somente as diferenças são salientadas.

[0093] De uma perspectiva elétrica, o diagrama é tipicamente o mesmo do conversor 30 da figura 2.

[0094] O transformador 306 tem dois enrolamentos primários 314 e 316 e um enrolamento secundário 318.

[0095] Cada indutância L1, L2, L3 é conectada nos três conectores trifásicos de cada enrolamento 314, 316, 318.

[0096] Mais especificamente, para a primeira fase P1, a primeira indutância L1 é conectada na primeira saída 318S1 do enrolamento secundário 318 e na primeira saída 306S1 do transformador 306, a segunda indutância L2 é conectada na primeira saída 314S1 do primeiro enrolamento primário 314 e na primeira saída 306S1 do transformador 306, e a terceira indutância L3 é conectada na primeira saída 316S1 do enrolamento primário 316 e o segundo terminal C2B2 do segundo capacitor C2. Uma descrição similar pode ser feita para a segunda fase P2 e a terceira fase P3.

[0097] Em uma modalidade da figura 3, as indutâncias L1, L2 e L3 são integradas no transformador 306.

[0098] A operação do conversor 30 de acordo com a modalidade da figura 3 é idêntica à operação do conversor 30 de acordo com a modalidade da figura 2. A operação, portanto, não é descrita novamente, as mesmas observações se aplicando.

[0099] O conversor 30 de acordo com a modalidade da figura 3 tem as mesmas vantagens do conversor 30 de acordo com a modalidade da figura 1.

[0100] Além disso, na modalidade da figura 3, parece que as três indutâncias L1, L2 e L3 foram integradas no transformador 306.

[0101] Isto possibilita resfriar as indutâncias L1, L2 e L3 no transformador 306 com o mesmo circuito de resfriamento. O circuito de resfriamento específico para as indutâncias L1, L2 e L3 é portanto eliminado.

[0102] Além disso, o alojamento do transformador 306 também inclui as indutâncias L1, L2 e L3, que possibilita evitar usar um tubo de indutância.

[0103] Entende-se por dispositivo de filtragem a associação de pelo menos dois componentes físicos, como uma indutância e uma resistência, os componentes sendo ligados um no outro. Um elemento com um valor elétrico parasita como um fio não pode ser assimilado como um componente neste contexto.

Claims (10)

1. Conversor elétrico (30) para uma subestação (Sk) para alimentar uma rede elétrica e/ou recuperar energia de frenagem de veículos ferroviários que se deslocam em uma estrada de ferro, a subestação sendo conectada em uma linha de alimentação (6) capaz de suprir uma tensão CC aos veículos ferroviários que se deslocam na estrada de ferro, a subestação (Sk) compreendendo uma rede de distribuição de eletricidade (20) capaz de entregar uma tensão trifásica correspondente com três fases, o conversor (30) caracterizado por compreender: - um transformador (306) capaz de inspecionar o valor da tensão trifásica entregue pela rede de distribuição de eletricidade, - um dispositivo de filtragem (304) capaz de filtrar a tensão trifásica do transformador (306), e - um inversor (302) conectado ao dispositivo de filtragem (304), em que o dispositivo de filtragem (304) é um circuito LC e o transformador (306) inclui cada dos dipolos capazes de gerar uma indutância do dispositivo de filtragem (304), o conversor elétrico (30) compreendendo ainda um circuito de resfriamento, a indutância e o transformador (306) sendo resfriados com o mesmo circuito de resfriamento.

2. Conversor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que, para cada fase gerada, o inversor (302) inclui, em série, dois conjuntos (E1, E2, E3, E4, E5, E6), cada conjunto (E1, E2, E3, E4, E5, E6) incluindo um diodo (D1, D2, D3, D4, D5, D6) e um transistor (T1, T2, T3, T4, T5, T6) em paralelo.

3. Conversor, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que cada transistor (T1, T2, T3, T4, T5, T6) é um transistor bipolar de porta isolada.

4. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de filtragem (304) compreende uma primeira indutância (L1), uma segunda indutância (L2) e uma terceira indutância (L3), e um primeiro capacitor (C1), um segundo capacitor (C2) e um terceiro capacitor (C3), o primeiro capacitor (C1) estando conectado a primeira e segunda indutâncias (L1, L2), o segundo capacitor (C2) estando conectado a segunda e terceira indutâncias (L2, L3) e o terceiro capacitor (C3) estando conectado a terceira e primeira indutâncias (L3, L1).

5. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de filtragem (304) é um filtro que reduz os harmônicos de corrente que podem ser reinjetados na rede de distribuição de eletricidade (20).

6. Conversor elétrico (30) para uma subestação (Sk) para alimentar uma rede elétrica e/ou recuperar energia de frenagem de veículos ferroviários que se deslocam em uma estrada de ferro, a subestação sendo conectada em uma linha de alimentação (6) capaz de suprir uma tensão CC aos veículos ferroviários que se deslocam na estrada de ferro, a subestação (Sk) compreendendo uma rede de distribuição de eletricidade (20) capaz de entregar uma tensão trifásica correspondente com três fases, o conversor (30) caracterizado por compreender: - um transformador (306) capaz de inspecionar o valor da tensão trifásica entregue pela rede de distribuição de eletricidade, o transformador tendo dois enrolamentos primários (314) e um enrolamento secundário (318), - um dispositivo de filtragem (304) capaz de filtrar a tensão trifásica do transformador (306), e - um inversor (302) conectado ao dispositivo de filtragem (304), em que o dispositivo de filtragem (304) é um circuito LC, o dispositivo de filtragem (304) incluindo nove indutâncias e três capacitores (C1, C2 e C3), para a primeira fase (P1), a primeira indutância (L1) sendo conectada a uma primeira saída (318S1) do enrolamento secundário (318) e a primeira saída (306S1) do transformador (306), a segunda indutância (L2) sendo conectada na primeira saída (314S1) do primeiro enrolamento primário (314) e a primeira entrada (306E1) do transformador (306), a terceira indutância (L3) sendo conectada na primeira saída (316S1) do primeiro enrolamento primário (316) e um segundo terminal (C2B2) do segundo capacitor (C2); para a segunda fase (P2), a quarta indutância sendo conectada a uma segunda saída (318S2) do enrolamento secundário (318) e uma segunda saída (306S2) do transformador (306), a quinta indutância sendo conectada a uma segunda saída (314S2) do primeiro enrolamento primário (314) e uma segunda entrada (306E2) do transformador (306), a sexta indutância sendo conectada a uma segunda saída (316S2) do primeiro enrolamento primário (316) e um segundo terminal (C1B2) do primeiro capacitor (C1); para a terceira fase (P3), a sétima indutância sendo conectada a uma terceira saída (318S3) do enrolamento secundário (318) e uma terceira saída (306S3) do transformador (306), a oitava indutância sendo conectada a uma terceira saída (314S3) do primeiro enrolamento primário (314) e uma terceira entrada (306E3) do transformador (306), a nona indutância sendo conectada a uma terceira saída (316S3) do primeiro enrolamento primário (316) e um primeiro terminal (C3B1) do terceiro capacitor (C3); o primeiro terminal (C2B1) do segundo capacitor (C2) sendo conectado ao segundo terminal (C1B2) do primeiro capacitor (C1), o primeiro terminal (C1B1) do primeiro capacitor (c1) sendo conectado ao primeiro terminal (C3B1) do terceiro capacitor (C3), o segundo terminal (C2B2) do segundo capacitor (C2) sendo conectado ao segundo terminal (C3B2) do terceiro capacitor (C3).

7. Subestação (Sk) para alimentar uma rede e/ou recuperar energia de frenagem de veículos ferroviários que se deslocam em uma estrada de ferro, a subestação (Sk) sendo conectada a uma linha de alimentação (6) capaz de suprir uma tensão CC aos veículos ferroviários que se deslocam na estrada de ferro, a subestação (Sk) caracterizada por compreender: - uma rede de distribuição de eletricidade (20) capaz de entregar uma tensão trifásica correspondente com três fases, - um único conversor (30) definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 6.

8. Sistema para alimentar uma rede elétrica e/ou para recuperar energia de frenagem de veículos ferroviários, o sistema caracterizado pelo fato de incluir uma pluralidade de subestações (Sk) definida na reivindicação 7.

9. Sistema para alimentar uma rede elétrica e/ou para recuperar a energia de frenagem de veículos ferroviários, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por: a pluralidade de subestações (Sk) serem espaçadas umas das outras por uma distância (Dk) maior que 100 metros, cada subestação (Sk) é eletricamente conectada na linha de alimentação (6) em um ponto de conexão (Pk) e equipada com: - um sensor (36) ou um estimador de uma tensão Ussk no ponto de conexão (Pk), - um módulo de controle (32) do conversor (30) capaz de comutar automaticamente o conversor (30) para um modo de regeneração no qual o conversor (30) transfere continuamente eletricidade da linha de alimentação para a rede de distribuição de eletricidade para recuperar a energia de frenagem dos veículos ferroviários, uma vez que a tensão medida ou estimada Ussk está acima de um limite UC3k, de maneira tal que cada subestação é associada com sua própria zona de recuperação de energia de frenagem Zfk na qual, independente da posição do veículo ferroviário dentro dessa zona Zfk, a subestação Sk é capaz de recuperar pelo menos parte da energia de frenagem desse veículo ferroviário, uma zona de recuperação de energia de frenagem Zfk sendo um segmento [LGfk; LDfk] da linha de alimentação (6) centrado em torno do ponto Pk e cujos limites LGfk, LDfk são espaçados em qualquer lado do ponto Pk por uma distância Fk igual a (UCmax-UC3mink)/( P Imax), onde: - UCmax é uma tensão permissível não permanente máxima na linha de alimentação, - UC3mink é o mínimo valor que pode ser assumido pelo limite UC3k durante a operação da subestação, - p é a resistência linear da linha de alimentação, e - Imax é a máxima intensidade permissível para a corrente que circula na linha de alimentação, o valor do limite UC3mink é de maneira tal que a distância Fk é maior ou igual a Dk/2.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que as subestações (Sk) são equidistantes uma da outra.

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