BR112015028247B1

BR112015028247B1 - Unidade de acionamento para controlar um motor e veículo

Info

Publication number: BR112015028247B1
Application number: BR112015028247-4A
Authority: BR
Inventors: Christoph Stemmler; Thomas von Hoff; Urs Ehrler
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2021-11-23
Also published as: BR112015028247A2; RU2015154200A; BR112015028247A8; RU2657103C2; JP2016526368A; ES2642206T3; EP2996898A2; US9573475B2; CN105209285A; DE102013008420A1; JP6149155B2; CN105209285B; WO2014184336A2; US20160068068A1; EP2996898B1; WO2014184336A3

Abstract

unidade de acionamento para controlar um motor. unidade de acionamento (100) para controlar um motor compreendendo: um conversor de corrente (20), que pode ser conectado a uma máquina de trabalho (50) compreendendo um circuito intermediário (6) que pode ser acoplado a um primeiro inversor (2) e a um segundo inversor (4), em que o primeiro inversor (2) é projetado para ser conectável, no lado de corrente alternada, a um motor (54) e é conectado, no lado de corrente contínua, ao circuito intermediário (6) e em que o segundo inversor (4) é conectado, no lado de corrente contínua, ao circuito intermediário (6) e pode ser conectado, no lado de corrente alternada, à máquina de trabalho (50) e em que o segundo inversor (4) é projetado para controlar a máquina de trabalho (50); uma conexão a um armazenamento de energia (10); uma unidade de comutação (8, 13), que é conectada ao conversor de corrente (20) em que a unidade de comutação (8, 13) é operada em um primeiro modo de operação ou em um segundo modo de operação, em que, no primeiro modo de operação, a unidade de comutação (8, 13) é projetada para acoplar o conversor de corrente (20) ao armazenamento de energia (10) para permitir um fluxo de energia do armazenamento de energia (10) via a unidade de comutação (8, 13) ao circuito intermediário do conversor de corrente (20) e em que, no segundo modo de operação, a unidade de comutação (8, 13) é projetada para isolar o conversor de corrente (20) do armazenamento de energia (10).

Description

Campo técnico

[0001] A presente invenção refere-se a uma unidade deacionamento para acionar uma máquina. Em particular, a presente invenção se refere a um acionamento aperfeiçoado para dar partida em um motor na forma de um motor de combustão interna projetado para acionamento de um gerador de tração acoplado ao motor.

Técnica Anterior

[0002] É conhecido da técnica anterior que a partida de um motorpoderoso, na forma de um motor de combustão interna, tal como um motor diesel, por exemplo, que é usado para acionar uma máquina, tal como, por exemplo, em aplicações de tração, para trens ou máquinas agrícolas, frequentemente, é realizada usando um motor adicional, quer dizer, um motor auxiliar, menos poderoso, mas, em troca, significativamente menor, que obtém sua energia de partida via uma bateria adicional conectada ao motor auxiliar, uma chamada bateria de arranque. Essa disposição é encontrada em veículos motorizados, por exemplo. Naquele caso, uma bateria de arranque, concretizada como um acumulador, fornece a corrente elétrica para o arranque do motor na forma do motor de combustão interna do veículo motorizado. Além da tarefa de fornecimento de um potencial específico de energia ou nível de tensão para dar partida em um motor, porém, a bateria de arranque, com frequência, é usada suplementarmente para apoiar a alimentação da rede elétrica on-board e diversas cargas - conectadas à mesma - do veículo.

[0003] Um método similar para dar partida em um motor é descritoem WO 2012/091831. Naquele caso, um motor é conectado a um alternador e a um motor auxiliar adicional. O alternador gera a energia de tração necessária para o acionamento do veículo. O motor auxiliar adicional é alimentado por uma bateria a fim de proporcionar o torque requerido para a inicialização e partida do motor.

Desvantagens da Técnica Anterior

[0004] Os métodos conhecidos da técnica anterior para dar partidano motor, com uma bateria de arranque, têm várias desvantagens, porém. Com frequência, o potencial de energia proporcionado pela batera é insuficiente durante o processo de partida do motor, se a bateria for projetada, por exemplo, apenas paras proporcionar uma tensão de alimentação relativamente baixa de 24 volts. Nesse caso, uma parte componente adicional, tal como um conversor step-up, por exemplo, tem que assegurar que o potencial de energia proporcionado pela bateria é elevado para um potencial de energia mais alto. Além disso, a tensão relativamente baixa proporcionada pela bateria provoca altas correntes de bateria durante o processo de partida do motor.

[0005] Uma outra desvantagem referente ao uso de uma bateria dearranque consiste no seu desempenho dependente da temperatura. Contudo, essa desvantagem, em geral, é compartilhada por todas as baterias. O rendimento de uma bateria diminui ainda mais aqui, quanto menor a temperatura ambiente à qual a bateria é exposta.

Problema Técnico Objetivo

[0006] O problema técnico objetivo endereçado pela presenteinvenção consiste no fornecimento de uma unidade de acionamento aperfeiçoada e mais simples para acionamento e partida de um motor, o que evita ou pelo menos minimiza as desvantagens da técnica anterior mencionadas acima. Em particular, o problema endereçado pela presente invenção é aquele do fornecimento de uma unidade de acionamento aperfeiçoada que permite a partida segura de um motor e, neste caso, necessita apenas de uma adaptação mínima de circuito no motor e unidade de acionamento existentes de um veículo. Um outro problema endereçado pela presente invenção consiste na realização do processo de partida de um motor, independente de um potencial de energia presente de uma bateria, a chamada bateria de veículo, que, normalmente, suporta a partida do motor e reduz a carga sobre a rede elétrica on-board do veículo presa à bateria do veículo.

[0007] Em particular, o problema é resolvido por uma unidade deacionamento, compreendendo um conversor de energia, que é conectável a uma máquina de trabalho, compreendendo um circuito intermediário, que é acoplável, primeiramente, a um primeiro inversor e, em segundo lugar, a um segundo inversor, em que o primeiro inversor é projetado para ser conectável a um motor no lado de tensão de CA e é conectado ao circuito intermediário no lado de tensão de CC e é conectável à máquina de trabalho no lado de saída e em que o segundo inversor é projetado para acionar a máquina de trabalho de tal maneira que a máquina de trabalho é operável como um motor ou como um gerador.

[0008] Além disso, unidade de acionamento compreende umaligação a pelo menos um armazenamento de energia e uma unidade de comutação conectada ao conversor de energia, em que a unidade de comutação é operável em um primeiro modo de operação ou segundo modo de operação, em que, no primeiro modo de operação, a unidade de comutação é projetada para acoplar o conversor de energia ao pelo menos um armazenamento de energia, a fim de permitir um fluxo de energia do pelo menos um armazenamento de energia via a unidade de comutação para o circuito intermediário do conversor de energia e em que, no segundo modo de operação, a unidade de comutação é projetada para desconectar o conversor de energia do pelo menos um armazenamento de energia. Além disso, a unidade de acionamento compreende uma unidade de carregamento de armazenamento de energia, que é conectável ao conversor de energia para proporcionar energia para o armazenamento de energia. Um ponto essencial da presente invenção é o da partida de um motor, de preferência, de um motor de combustão interna, tal como um motor a diesel, por exemplo, que é usado, por exemplo, em aplicações de tração para veículos ferroviários, tais como unidades motoras ferroviárias e locomotivas, mas também em campos de uso estreitamente relacionados com a tração, tais como ônibus, por exemplo, que podem, adicionalmente, ser equipados com um acionamento híbrido, é realizado por meio de uma máquina de trabalho, que já está presente e que é acoplável ao motor. Nesse caso, a máquina de trabalho é operável com um motor ou como um gerador. A fim de dar partida no motor, a máquina de trabalho é acionada em operação de motor, a referida máquina de trabalho proporcionando o torque de partida requerido para dar partida no motor diesel. Por conta do duplo modo de operação da máquina de trabalho, é possível, vantajosamente, omitir um motor auxiliar adicional, o qual, em aplicações similares conhecidas da técnica anterior serão usados para proporcionar a partida necessária para o motor na forma de um motor de combustão interna.

[0009] A máquina de trabalho pode ser iniciada com o auxílio de umarmazenamento de energia, que proporciona um potencial de energia requerido. O armazenamento de energia está acoplado através de uma unidade de comutação ao circuito intermédio de uma unidade de conversor de potência que alimenta a máquina de trabalho com energia. Neste caso, a unidade de comutação pode compreender meios de comutação mecânicos e/ou elétricos. A unidade de conversor de energia compreende um primeiro inversor e um segundo inversor, em que os primeiro e segundo inversores estão eletricamente acoplados um ao outro por meio de um circuito intermédio. O circuito intermédio pode, preferencialmente, ser concretizado como um circuito intermediário de tensão de CC, que tem um elemento capacitivo. Neste caso, a unidade de acionamento de acordo com a invenção pode ser concebida para o processamento de tensões do circuito intermediário na faixa de baixa tensão e na faia de média tensão com valores de tensão característicos de mais de 1000 volts. O primeiro inversor é preferivelmente concretizado como um conversor de energia e pode ser ligado a um motor no lado de tensão de CA, motor que pode constituir, de preferência, um motor elétrico que pode ser acionado. O segundo inversor da unidade de conversor de energia está acoplado à máquina de trabalho no lado de saída.

[00010] A unidade de comutação pode ser operada de tal forma que o armazenamento de energia é ligado à unidade de conversor de energia ou desligado da mesma. A unidade de comutação pode, vantajosamente, ser concretizada como um conversor auxiliar que efetua a comutação para o respectivo modo de operação. A comutação pode, portanto, ser realizada por um conversor auxiliar que, em determinadas circunstâncias, já está presente. Isto tem a vantagem de que o número de componentes necessários para a comutação é reduzido a um mínimo, o que pode resultar em uma economia de custos e de peso para a unidade de acionamento. Além disso, tal disposição de comutação faz com que seja possível usar componentes de comutação menores, com menor consumo de energia e, portanto, menos caros uma vez que as correntes de carga necessárias do armazenamento de energia podem ser dimensionadas para serem muito menores em comparação com uma partida direta sem um armazenamento de energia.

[00011] A unidade de comutação pode, adicionalmente, ser operada de tal forma que, em operação de deslocamento, o armazenamento de energia é desacoplado da unidade de conversor de energia, a fim de fornecer, em vez disso, por exemplo, outras cargas ligadas à unidade de comutação com energia. Isto quer dizer que um fluxo de energia pode ter lugar a partir da unidade de conversor de energia através da unidade de comutação até as cargas ligadas à unidade de comutação, tal como uma rede eléctrica on-board, por exemplo.

[00012] Um outro aspecto da presente invenção é que o armazenamento de energia não precisa ser uma parte integrante da unidade de acionamento. A unidade de acionamento também pode apenas ter interfaces para acoplar um ou uma pluralidade de armazenamentos de energia que estão situados fora da unidade de acionamento.

[00013] O armazenamento de energia que pode ser concretizado na forma de uma bateria, por exemplo, um acumulador de chumbo-ácido, disponibiliza o potencial de energia necessário para iniciar o funcionamento da máquina, sob a forma de uma tensão nominal definida. Esta última pode ser de 24 volts, 36 volts ou 110 volts, por exemplo. O armazenamento de energia é comutado pela unidade de comutação de tal maneira que um fluxo de energia ocorre do armazenamento de energia através da unidade de comutação para a unidade de conversor de energia e o lado de entrada do segundo conversor. Se a tensão nominal fornecida pelo armazenamento de energia não é suficiente para o processo de partida, no entanto, em seguida, sob certas circunstâncias, um conversor step-up tem que ser, adicionalmente, conectado ao armazenamento de energia, a fim de fornecer o potencial de energia necessário para o arranque da máquina de trabalho.

Modalidades Preferidas da Invenção

[00014] Em uma primeira modalidade preferida da presente invenção, a unidade de acionamento compreende uma unidade de carregamento de energia, que é conectável ao conversor de energia para proporcionar a energia, que é conectável ao conversor de energia para proporcionar energia para o armazenamento de energia dessa maneira. Com essa finalidade, o armazenamento de energia é acoplado a uma unidade de carregamento de energia, assim, permitindo um fluxo de energia do primeiro inversor da unidade de conversor de energia para a unidade de carregamento de energia. Contudo, o uso de uma chamada unidade de carregamento de energia reversível também será concebível. Esta última, então, terá a função de alimentar energia via o armazenamento de energia na unidade conversora de energia ou no conversor de energia.

[00015] Durante a operação da unidade de acionamento, isto é, por exemplo, durante o deslocamento do veículo que é operado, a unidade de carregamento de energia garante que o armazenamento de energia é carregado. Isso, vantajosamente faz com que seja possível assegurar que a energia necessária está sempre disponível para o processo de partida do motor a diesel, a fim de que a máquina de trabalho acoplada à unidade de conversor de potência possa ser operada, que por sua vez fornece o torque de partida necessário para o motor diesel ligado a ela.

[00016] Em uma outra modalidade preferida, a unidade de comutação está adaptada para acoplar o conversor de energia a um terminal de uma rede de alimentação, a fim de permitir um fluxo de energia do circuito intermédio do conversor de corrente elétrica através da unidade de comutação em direção ao terminal de rede de alimentação. A unidade de comutação é preferivelmente concretizada como um conversor auxiliar tendo um interruptor correspondente. Para este efeito, apenas é necessário fazer adaptações mínimas ao hardware já existente, tais como, por exemplo, em um conversor auxiliar que, em determinadas circunstâncias, já está presente.

[00017] A respectiva comutação pela unidade de comutação, portanto, determina a direção dos fluxos de energia que passam na direção da unidade conversora de energia ou para longe da unidade conversora de energia. Isto quer dizer que a posição do interruptor define se um fluxo de energia ocorre a partir da unidade conversora de energia através da unidade de comutação para o terminal de rede de alimentação ou se um fluxo de energia ocorre a partir de um armazenamento de energia através da unidade de comutação para a unidade conversora de energia. O fato de que a comutação pode ser realizada em um conversor auxiliar proporciona a vantagem de menor consumo de energia e, assim, comutadores menores podem ser utilizados, o que reduz os custos e a necessidade de espaço.

[00018] Em uma outra modalidade preferida da invenção, a unidade de acionamento compreende um armazenamento de energia auxiliar, que é conectável ao circuito intermediário do conversor de energia. O armazenamento de energia auxiliar pode ser concretizado como um supercapacitor, por exemplo, que pode fornecer um maior potencial de energia sob a forma de um potencial de energia em lugar do armazenamento de energia. A unidade de acionamento pode, além disso, também compreender uma ligação semelhante à interface com um armazenamento de energia auxiliar, de tal forma que o armazenamento de energia auxiliar pode ser posicionado em um local diferente que não a unidade de acionamento. O uso de um armazenamento de energia auxiliar torna possível proporcionar, para a partida do motor diesel, um potencial de energia que é independente do potencial de energia fornecido do armazenamento de energia. Isto é vantajoso, se o desempenho do armazenamento de energia for dependente de flutuações de temperatura. Este é o caso para as baterias, em particular. É conhecido da técnica anterior que o desempenho das baterias tais como acumuladores de chumbo-ácido, por exemplo, e, assim, o fornecimento de um potencial de energia constante é prejudicado, se eles estiverem expostos à baixas temperaturas ambiente.

[00019] Em uma modalidade preferida da invenção, o armazenamento de energia auxiliar é carregado através do armazenamento de energia. Com essa finalidade, o armazenamento de energia auxiliar é ligado ao circuito intermediário da unidade conversora de energia através de uma unidade conversora. Uma carga não permissível de uma rede de energia on-board para o fornecimento de energia em um veículo, em que a unidade de acionamento é utilizada, é evitada desta maneira. Neste caso, a unidade conversora pode ser concretizada como um conversor IGBT que, adicionalmente, tem um resistor de frenagem. O resistor de frenagem, adicionalmente, faz com que seja possível dissipar o excesso de energia de frenagem.

[00020] Em particular, a unidade conversora é acoplada à entrada do lado da tensão de CC do segundo inversor da unidade conversora de energia. Uma vez que o armazenamento de energia é acoplado ao conversor de energia através da unidade de comutação, o armazenamento de energia auxiliar é assim carregado. Se um fluxo de energia flui do armazenamento de energia através da unidade de comutação para a unidade conversora de energia e a partir daí através da unidade conversora para o armazenamento de energia auxiliar. A unidade de comutação tem de ser correspondentemente comutada para esse fim, para permitir esse fluxo de energia. Essa carga do armazenamento de energia auxiliar é particularmente vantajosa durante a operação de deslocamento do veículo.

[00021] Deve ser notado que o excesso de energia de frenagem também pode ser alimentado diretamente no armazenamento de energia auxiliar.

[00022] A unidade conversora é adicionalmente concebida para elevar um primeiro potencial de energia armazenado no armazenamento de energia auxiliar para um segundo potencial de energia que é proporcionável para o circuito intermediário do conversor de energia, se o processo de partida do motor a diesel se destina a ser iniciado. Nesse caso, o conversor tem uma unidade conversora step-up que aumenta o potencial de tensão disponível do armazenamento de energia auxiliar.

[00023] O armazenamento de energia auxiliar é adicionalmente concebido para ser operável em operação de carregamento ou descarregamento. No modo de carregamento, o armazenamento de energia auxiliar é carregado pelo armazenamento de energia. Isso é geralmente realizado antes do processo de partida do motor de combustão interna. Com essa finalidade, a unidade de comutação é operada no primeiro modo de operação, em que o armazenamento de energia está acoplado ao circuito intermediário do conversor de energia através da unidade de comutação. A energia é então alimentada do armazenamento de energia através da unidade de comutação no circuito intermediário. A referida energia é, então, conduzida do circuito intermediário através da unidade conversora para o armazenamento de energia auxiliar. O carregamento do armazenamento de energia auxiliar com a energia do armazenamento de energia pode, por exemplo, também acontecer durante o deslocamento do veículo.

[00024] Se o armazenamento de energia auxiliar for operado no modo de descarga, então o armazenamento de energia auxiliar é acoplado ao circuito intermediário do conversor de energia através da unidade conversora. A energia do armazenamento de energia auxiliar é, então, fornecida ao circuito intermediário do conversor de energia. O fluxo da energia a partir do armazenamento de energia auxiliar para a unidade conversora de energia faz com que seja possível proporcionar um potencial de energia para a partida do motor a diesel que é independente do potencial de energia do armazenamento de energia. O potencial de energia aqui é entendido como o potencial de tensão disponível do armazenamento de energia. Desse modo, por conseguinte, é possível reduzir a carga sobre a rede on-board de um veículo, que de outra forma seria alimentada principalmente através de uma bateria de veículo. Além disso, a influência da dependência da temperatura de uma bateria de arranque para a partida de um motor de combustão interna pode ser minimizada como resultado.

[00025] Em uma outra modalidade preferida da presente invenção, a unidade de comutação tem um elemento de proteção da carga. Neste caso, o referido elemento de proteção de carga pode ser concretizado como um díodo, a fim de proteger o armazenamento de energia contra sobrecarga elétrica.

[00026] Em uma modalidade preferida da presente invenção, a unidade de acionamento compreende uma unidade de controle. A unidade de controle é concebida para controlar um acoplamento entre a unidade conversora de energia, a unidade de comutação, o armazenamento de energia, o armazenamento de energia auxiliar e o terminal de rede de alimentação de acordo com um modo de operação da unidade de acionamento. Em particular, a unidade de controle pode ser operada de tal forma que ela fornece a unidade de comutação com os comandos de controle correspondente, a fim de, por exemplo, comutar entre um modo de carga e um de descarga para o armazenamento de energia auxiliar.

Descrição das Figuras

[00027] As modalidades da invenção são explicadas em detalhes abaixo com referência ao desenho, em que, esquematicamente:

[00028] A figura 1 mostra uma primeira modalidade da unidade de acionamento de acordo com a invenção;

[00029] A figura 2 mostra uma primeira modalidade da unidade de comutação;

[00030] A figura 3 mostra uma segunda modalidade da unidade de comutação;

[00031] A figura 4 mostra uma terceira modalidade da unidade de comutação;

[00032] A figura 5 mostra uma segunda modalidade da unidade de acionamento de acordo com a invenção;

[00033] A figura 6 mostra uma quarta modalidade da unidade decomutação;

[00034] A figura 7 mostra uma quinta modalidade da unidade decomutação.

[00035] Os símbolos de referência utilizados no desenho e seus significados estão listados em resumo na lista de símbolos de referência. Em princípio, as partes idênticas são fornecidas com os símbolos de referência idênticos na figura. A modalidade descrita representa o objeto da invenção a título de exemplo e não tem qualquer efeito limitativo.

[00036] A Figura 1 mostra uma primeira modalidade da unidade de acionamento 100 de acordo com a invenção. Nesta modalidade exemplificativa, a unidade de acionamento 100 consiste de uma unidade conversora de energia 20, uma unidade de controle 30, um armazenamento de energia 10, uma unidade de carregamento de armazenamento de energia 12 e uma unidade de comutação 13. A unidade conversora de energia 20 é composta por um primeiro inversor 2 e um segundo inversor 4, em que o primeiro inversor 2 é conectado eletricamente ao primeiro inversor 4 através de um circuito intermediário 6. O circuito intermediário 6 é preferivelmente realizado como um circuito intermediário de tensão de CC que tem um elemento capacitivo. Dependendo do campo de uso da unidade de acionamento 100 de acordo com a invenção, a invenção pode ser usada, por exemplo, como um gerador no intervalo de baixa tensão e/ou então na faixa de média tensão com valores de tensão acima de 1000 volts. O primeiro inversor 2 está conectado a um motor 54 no lado de tensão de corrente alternada e ao circuito intermediário 6 no lado de tensão de CC. O motor 54 pode ser concretizado como um motor elétrico, por exemplo. O motor elétrico pode ser utilizado para acionar uma unidade de tração, como, por exemplo, eixos de tração de um trem, como uma unidade motora ferroviária ou locomotiva, por exemplo.

[00037] No entanto, a presente invenção não se restringe à utilização em aplicações de tração. Um outro campo técnico para a presente invenção seria, por exemplo, o uso em veículos tais como ônibus híbridos. O segundo conversor 4 está conectado ao circuito intermediário 6 no lado de tensão de CC e é, de preferência, conectado a uma máquina de trabalho 50 no lado de saída, isto é, no lado de tensão de CA. Neste caso, a máquina de trabalho pode ser concretizada como uma máquina assíncrona, uma máquina síncrona ou então como um motor elétrico. A máquina de trabalho50 pode, adicionalmente, ser regulada, para ser precisa com um sensor, mas também, de preferência, sem a utilização de um sensor para a regulação da velocidade de rotação. A máquina de trabalho 50 está acoplada a um motor 52, de preferência, um motor de combustão interna, tal como um motor a diesel, por exemplo. A máquina de trabalho 50 pode ser operada como um motor ou um gerador. Na operação do gerador, a máquina de trabalho 50 e o motor 52 sob a forma de um motor de combustão interna fornecem a energia necessária para a condução de um veículo no qual a unidade de acionamento 100 está instalada. A fim de iniciar o motor 52, a máquina de trabalho 50 é operada como um motor que fornece o torque de partida necessário para a partida do motor 52.

[00038] O motor 52 é iniciado, por conseguinte, com o auxílio da máquina de trabalho 50, que também requer um potencial energético específico ou um potencial de voltagem para o arranque. Este potencial de energia é fornecido por um armazenamento de energia 10 acoplado ao conversor de energia 20, através de uma unidade de comutação 13. O armazenamento de energia 10 é acoplado a uma unidade de carga de armazenamento de energia 12, que proporciona o carregamento do armazenamento de energia 10. O carregamento do armazenamento de energia 10 pode, de preferência, ser realizado durante a operação de deslocamento do veículo, que é acionado pela unidade de acionamento 100. A unidade de carregamento de armazenamento de energia 12 está acoplada à saída do lado da tensão de CC do primeiro inversor 2 do conversor de energia 20, de tal modo que um fluxo de energia pode fluir do conversor de energia 20 por meio da unidade de carregamento de armazenamento de energia 12 de carregamento para o armazenamento de energia 10.

[00039] Neste caso, o armazenamento de energia 10 pode, de preferência, ser concretizado como uma bateria. A bateria pode fornecer tensões, de preferência, de 24 volts, 36 volts ou 110 volts, aproximadamente, o que é dependente da respectiva aplicação e modo de operação da unidade de acionamento 100. No entanto, o armazenamento de energia da mesma forma pode ser concretizado como uma bateria de arranque separada, tal como uma bateria de veículo presente em um veículo, como um supercapacitor com capacitor. Além disso, em uma modalidade particular, o armazenamento de energia 10 poderia ser alimentado com energia, por meio da chamada alimentação de depósito. A alimentação de depósito deve ser entendida no sentido de alimentação de energia, em que a fonte de energia é fornecida por uma rede de energia presente e instalada no lado de fora do veículo, que é operado com a unidade de acionamento 100.

[00040] A unidade de comutação 13 é responsável, conforme necessário, pelo acoplamento do armazenamento de energia 10 para ou a partir do conversor de energia 20. A este respeito, não é necessário, por exemplo, deixar o armazenamento de energia 10 acoplado ao conversor de energia 20, durante a operação de deslocamento. O carregamento do armazenamento de energia 10, por meio da unidade de carregamento de energia 12 é realizado se o armazenamento de energia 10 não estiver conectado eletricamente à unidade de comutação 13. Embora o armazenamento de energia 10 seja parte da unidade de acionamento 100 na modalidade ilustrada, esse não precisa, necessariamente, ser o caso. O armazenamento de energia 10 pode também ser instalado fora da unidade de acionamento 100, desde que a unidade de acionamento 100 proporcione as interfaces de conexão correspondentes. A unidade de comutação 13 acarreta conexão e desconexão alvejada do armazenamento de energia 10, mas também a partir de outras cargas ou terminais, tais como um terminal de uma rede de alimentação, por exemplo, dependendo do respectivo modo de funcionamento da unidade de acionamento 100.

[00041] Neste caso, a unidade de comutação pode ser concretizada como um conversor auxiliar que provoca a comutação. O comutador pode ser dimensionado com a potência correspondentemente baixa por conta das correntes de carga comparativamente baixas, o que poupa custos e espaço para a incorporação do conversor na unidade de acionamento 100, se a partida do motor 52 for dada exclusivamente por meio de uma bateria de arranque.

[00042] A unidade de controle 30 gera, dependendo do modo de operação da unidade de acionamento 100, um acoplamento na dependência de um modo de operação da unidade de acionamento 100, um acoplamento entre o conversor de energia 20, a unidade de comutação 13, o armazenamento de energia 10, a unidade de armazenamento de energia 12 e cargas ligadas à unidade de comutação 13, tais como, por exemplo, um terminal de uma rede de alimentação (não representada). Em geral, portanto, a unidade de controle 30 irá atuar sobre a unidade de comutação 13, a fim de acoplar os componentes da unidade de acionamento 10 uns aos outros, dependendo do modo de operação desejado.

[00043] No que diz respeito à unidade de carregamento 12, deve ser notado que esta última também pode ser concretizada como uma unidade de carregamento reversível. Tal unidade de carregamento tornaria possível que a energia também pudesse fluir a partir do armazenamento de energia 10 para o conversor de energia 20. Tal aplicação seria, de preferência, praticável se, por exemplo, nenhuma unidade de comutação 8, 13 estiver presente na unidade de acionamento 100.

[00044] A Figura 2 mostra uma primeira modalidade detalhada da unidade de comutação 13. A unidade de comutação 13 está acoplada ao armazenamento de energia 10, que fornece um potencial de energia definido para a partida do motor 52, e o circuito intermediário 6 do conversor de energia 20 (não ilustrado). Na modalidade mostrada, a unidade de comutação 13 tem uma bobina 31, um interruptor 32 e o dispositivo para a frenagem elétrica que, normalmente, está sempre presente na unidade conversora 20, o resistor de frenagem 33 e um adaptador de tensão 34. O interruptor 32 acopla, no primeiro caso, o armazenamento de energia 10 e a bobina 31 ou, no segundo caso, o resistor de frenagem 33 com o adaptador de tensão 34 ao circuito intermediário 6. Deve ser notado que o interruptor 32 pode também ser influenciado correspondentemente no seu comportamento operacional por sinais de controle alimentados externamente de uma unidade de controle (não ilustrada). No primeiro caso, o acoplamento da bobina 31 ao armazenamento de energia 10 tem o efeito de que o potencial de energia fornecido pelo armazenamento de energia 10 é aumentado por um valor específico para um potencial de energia mais elevado. A unidade de comutação 13 opera como um conversor step-up neste primeiro caso. Isso é necessário sempre que o potencial energético disponível do armazenamento de energia 10 for insuficiente para permitir que a máquina de trabalho 50 dê a partida. A bobina 31, adicionalmente, também tem uma função de filtro para o armazenamento de energia 10, a fim de minimizar a ondulação de corrente que, sob certas circunstâncias, iria danificar o armazenamento de energia 10. O adaptador de tensão 34 pode ser considerado como um conversor CC/CC que pode ser realizado como uma meia-ponte, por exemplo. No segundo caso, em que o comutador 32 liga o resistor 33 ao adaptador de tensão 34, o resistor 33 atua como um chamado resistor de frenagem. Essa configuração de comutação é utilizada preferivelmente em uma operação de frenagem. Se o veículo for freado, em seguida, o excesso de energia de frenagem é dissipado no resistor de frenagem 33.

[00045] Na configuração mostrada na figura 2, portanto, a unidade de comutação 13 pode ter a função de um conversor CC-CC, que transfere a tensão fornecida pelo armazenamento de energia 10 para um nível mais elevado. Particularmente em aplicações de tração, uma configuração de hardware já existente, tal como um circuito de frenagem elétrico, pode ser correspondentemente modificada por algumas adaptações, a fim de se obter a função descrita de uma forma simples.

[00046] A Figura 3 mostra uma segunda modalidade alternativa da unidade de comutação 13 sobre a forma como o armazenamento de energia 10 pode ser acoplado ao circuito intermediário 6 do conversor de energia 20 para o processo de partida do motor 52 de acordo com a figura 1 a fim de que um fluxo de energia possa fluir a partir do armazenamento de energia 10, através da unidade de comutação 13 para o circuito intermediário 6 do conversor de energia 20. Nesta variante de circuito, um interruptor mecânico ou elétrico 35 assegura que o armazenamento de energia 10 é acoplado ao circuito intermediário 6 do conversor de energia 20. Esta configuração muito simples e, por conseguinte, muito eficaz em termos de custos é, de preferência utilizada, se o armazenamento de energia 10, já está dimensionado de tal maneira que pode fornecer uma tensão suficiente que não necessitam ser primeiro transferidos para um nível de energia mais elevado antes de a energia ser transferida para o circuito intermediário 6 do conversor de energia 20.

[00047] A Figura 4 difere da modalidade alternativa da unidade de comutação 13 mostrada na figura 3, em que apenas um elemento de proteção de carga 36 como elemento de controle dinâmico está integrado no circuito elétrico entre o armazenamento de energia 10 e o comutador 35. Neste caso, o elemento de proteção de carga 36 pode ser concretizado, preferencialmente, como um díodo de polarização inversa. Este último destina-se a proteger o armazenamento de energia 10 contra sobrecarga.

[00048] A Figura 5 mostra uma segunda modalidade alternativa da unidade de acionamento 100 de acordo com a invenção. A modalidade mostrada difere da figura 1, em primeiro lugar pelo fato de a unidade de comutação 13 ser conectada à saída do lado de tensão de CC do primeiro inversor 2. Além disso, um terminal de cargas, tais como, por exemplo, uma rede de alimentação 14 de 400 V é acoplável à unidade de comutação 13. Além disso, a unidade de acionamento 100 tem agora uma unidade conversora 9 acoplada ao circuito intermediário 6 do conversor de energia 20. Um armazenamento de energia auxiliar 16, que pode ser concretizado como um supercapacitor, por exemplo, está conectado à unidade conversora 9. Um supercapacitor pode ser um armazenamento de energia, tal como um capacitor, por exemplo. Neste caso, o armazenamento de energia auxiliar 16 pode proporcionar, entre outros, a redução da carga na rede elétrica on-board de um veículo, uma vez que o carregamento de uma bateria de veículo já presente é assim reduzido, se a bateria do veículo não tem que fornecer a sua própria energia necessária para a partida do motor 52.

[00049] Nesta variante de circuito alternativa da unidade de acionamento 100, o potencial de energia necessário para a partida do motor 52 é fornecido pelo armazenamento de energia auxiliar 16. O armazenamento de energia auxiliar 16 não precisa fazer parte da unidade de acionamento 100 e pode também ser montado fora da unidade de acionamento 100.

[00050] A fim de que o armazenamento de energia auxiliar 16 seja carregado com energia, a unidade de comutação 13 conecta, complementarmente, o armazenamento de energia 10, que foi carregado pela unidade de carregamento de armazenamento de energia de carga 12 durante o deslocamento, por exemplo, para a unidade conversora de energia 20 e garante que um fluxo de energia ocorre a partir do armazenamento de energia 10 através da unidade de comutação 13 ao circuito intermediário 6 da unidade conversora de energia 20. A partir do circuito intermediário 6 da unidade conversora de energia 20, o fluxo de energia transferida é finalmente conduzido através da unidade conversora 9 para o armazenamento de energia auxiliar 16. Assim, no modo de carregamento, por meio do armazenamento de energia 10, um fluxo de energia para o armazenamento de energia auxiliar 16 é conduzido através da unidade de comutação 13. Em operação normal da unidade de acionamento, a unidade de comutação 13 desconecta o armazenamento de energia 10 e, em vez de acoplar uma carga 14 à unidade de comutação 13, de tal modo que um fluxo de energia pode ter lugar a partir do circuito intermediário 6 para a carga 14. Neste caso, a carga 14 pode ser concretizada como uma conexão de terminal a uma rede de tensão ou de eletricidade. No entanto, a carga 14 pode também ser concretizada como um terminal para um soquete de depósito para alimentação de depósito.

[00051] Se o armazenamento de energia auxiliar 16 estiver carregado, a sua energia pode, então, ser usada para o processo de partida do motor 52. Com essa finalidade, a unidade conversora 9 está correspondentemente conectada - por exemplo, pela unidade de controle 30, de tal modo que um fluxo de energia ocorre a partir do armazenamento de energia auxiliar 16 através da unidade conversora 9 para o circuito intermediário 6. O que é obtido dessa forma é que o processo de partida do motor 52 é realizado dando-se partida à máquina de trabalho 50, operada como um motor, de forma independente da energia potencial presente ou do potencial de tensão presente do armazenamento de energia 10. Isto pode ser particularmente um aspecto essencial, se o desempenho do armazenamento de energia 10 for prejudicada, por exemplo, através de baixas temperaturas ambiente a que o armazenamento de energia 10 é possivelmente exposto. Um processo de partida realizado sem um armazenamento de energia 10, usando apenas o armazenamento de energia auxiliar 16, seria também concebível.

[00052] A unidade conversora 9 pode ser concretizada como um conversor de IGBT tendo um resistor de frenagem, por exemplo, que simultaneamente captura a energia de frenagem gerada.

[00053] A configuração mostrada na Figura 5, também tem avantagem de que começa diretamente por meio de uma bateria de arranque, que pode, preferencialmente, ser concretizada como uma bateria de veículo, é evitada para a partida do motor 52. Grandes correntes de carregamento da bateria do veículo são evitadas dessa maneira e contribuem para um alívio da rede de energia on-board do veículo. Na configuração ilustrada na Figura 1, o motor 52 é iniciado através da máquina de trabalho 50 conectada entre o conversor de energia 20 e o motor 52.

[00054] A Figura 6 mostra uma quarta modalidade da unidade de comutação 13, como de um modo preferido pode ser utilizada na figura 5. A unidade de comutação 13 tem um interruptor 32, que acopla a carga 14 ou o armazenamento de energia 10 a uma bobina 31 e um adaptador de tensão 34, que também pode ser concretizado como um conversor CC-CC. Este último assegura que, quando um dispositivo de armazenamento de energia de baixa potência 10 é utilizado, o potencial da energia fornecido pelo armazenamento de energia 10 é aumentado antes de ser passado para o circuito intermediário 6. A unidade de comutação 13, por conseguinte, também tem a função de um conversor step-up. O interruptor 32 pode ser também, de preferência, um interruptor de três polos.

[00055] A bobina 31 como filtro proporciona amortecimento para os harmônicos, se uma carga 14 tal como uma rede de operação auxiliar, por exemplo, for acoplada ao adaptador de tensão 34. Se o adaptador de tensão 34 está acoplado ao armazenamento de energia 10, em seguida, a bobina 31, em associação com o adaptador de tensão 34, atua como um conversor step-up.

[00056] No que diz respeito à função de um conversor step-up, pode- se afirmar, em resumo para a presente invenção que a referida função pode ser proporcionada por um supercapacitor que pode ser previamente carregado através de um armazenamento de energia, tal como uma bateria, que pode ser concretizado como uma bateria de arranque ou de veículo. No entanto, seria concebível também proporcionar a função de um conversor step-up através do circuito intermediário, que é previamente carregado através de uma bateria. Dado o dimensionamento correspondente das partes de componentes individuais, no entanto, a presente invenção pode também administrar sem a utilização de um conversor step-up.

[00057] A Figura 7 mostra uma modalidade da unidade conversora 9, que, conforme mostrado na figura 5, é acoplada a um armazenamento de energia auxiliar 16 e ao circuito intermediário 6 da unidade conversora de energia 20. A unidade conversora 9 tem uma bobina 31, um resistor 33, que é utilizado como um resistor de frenagem e um conversor CC-CC 34, que pode ser realizada como uma meia- ponte. O conversor CC-CC 34 é acoplado em termos de transferência de sinal, em primeiro lugar, tanto com a bobina 31 quanto com o resistor 33 e em segundo lugar com o circuito intermediário 6.

[00058] Durante a partida do motor 52 (não ilustrado), a energia é transferida do armazenamento de energia auxiliar 16 através da unidade de comutação 13 para o circuito intermediário 6. Se o veículo freia, então, a energia é conduzida através do circuito intermediário 6 para o resistor de frenagem 33 da unidade conversora 9.Relação de Símbolos de Referência2 conversor de energia4 inversor6 circuito intermediário8 , 13 unidade de comutação9 unidade conversora10 armazenamento de energia12 unidade de carregamento de armazenamento de energia13 elemento de proteção de carga14 terminal de rede de alimentação16 armazenamento de energia auxiliar20 unidade conversora de energia30 unidade de controle31 bobina32 interruptor33 resistor34 conversor CC-CC35 interruptor36 elemento de proteção de carga50 máquina de trabalho52 motor (motor diesel)54 motor de acionamento (para tração)100 unidade de acionamento

Claims

1. Unidade de acionamento (100) para controlar um motor, caracterizada pelo fato de compreender,• um conversor de potência (20), que pode ser ligado a uma máquina de trabalho (50), compreendendo um circuito intermediário (6), que é acoplável em primeiro lugar a um primeiro conversor (2) e em segundo lugar a um segundo inversor (4), em que o primeiro conversor (2) é concebido para ser ligado a um motor (54) no lado de tensão de CA e é ligado ao circuito intermediário (6) no lado de tensão de CC, e em que o segundo inversor (4) está ligado ao circuito intermediário (6) no lado de tensão de CC e é conectável à máquina de trabalho (50) no lado de tensão de CA, e em que o segundo inversor (4) é concebido para conduzir a máquina de trabalho (50), de tal maneira que a máquina de trabalho (50) é operável, quer como um motor ou como um gerador;• uma ligação a pelo menos um armazenamento de energia (10);• uma unidade de comutação (8, 13) ligada ao conversor de energia (20), em que a unidade de comutação (8, 13) é operável em um primeiro modo de operação ou segundo modo de operação, em que, no primeiro modo de operação a unidade de comutação (8, 13) é concebida para acoplar o conversor de energia (20) ao pelo menos um armazenamento de energia (10), a fim de permitir um fluxo de energia a partir de pelo menos um armazenamento de energia (10) através da unidade de comutação (8, 13) para o circuito intermediário (6) doconversor de energia (20) e em que, no segundo modo de operação, a unidade de comutação (8, 13) é concebida para desligar o conversor de energia (20) do pelo menos um armazenamento de energia (10);em que a unidade de acionamento (100) compreende uma unidade de carregamento de armazenamento de energia (12), que é conectável ao conversor de energia (20) para proporcionar energia para o armazenamento de energia (10),em que o carregamento do armazenamento de energia (10) por meio da unidade de carregamento de energia (12) é realizado, se a unidade de comutação (8, 13) estiver em seu segundo modo deoperação eem que a unidade de comutação (8, 13) é projetada para acoplar o conversor de energia (20) a um terminal de rede de alimentação (14) a fim de permitir um fluxo de energia do circuito intermediário (6) do conversor de energia (20) via a unidade de comutação (8, 13) em direção ao terminal de rede de alimentação (14).

2. Unidade de acionamento (100), de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de a unidade de comutação (8, 13) estar no segundo modo de operação, se o armazenamento de energia (10) não estiver conectado eletricamente à unidade de comutação (8, 13).

3. Unidade de acionamento (100), de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de a unidade de acionamento (100) compreender um armazenamento de energia auxiliar (16), que é conectável ao circuito intermediário (6) do conversor de energia (20).

4. Unidade de acionamento (100), de acordo com a reivindicação 3, caracterizada pelo fato de a unidade conversora (9) ser conectada entre o armazenamento de energia auxiliar (16) e o circuito intermediário (6) do conversor de energia (20).

5. Unidade de acionamento (100), de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de o armazenamento de energia auxiliar (16) ser projetado para ser operável na operação de carregamento ou descarregamento, em que, no modo de carregamento, a unidade de comutação (8, 13) é operada no primeiro modo deoperação, em que o armazenamento de energia (10) é acoplado ao circuito intermediário (6) do conversor de energia (20) através da unidade de comutação (8, 13), de tal modo que a energia doarmazenamento de energia (10) é alimentável no circuito intermediário (6) através da unidade de comutação (8, 13), sendo a referida energia, em seguida, transferida do circuito intermediário (6) através da unidade conversora (9) para o armazenamento de energia auxiliar (16), e, se o armazenamento de energia auxiliar (16) é operado no modo de descarga, o armazenamento de energia auxiliar (16) é acoplado ao circuito intermediário (6) do conversor de energia (20) através da unidade conversora (9), a fim de que a energia do armazenamento de energia auxiliar (16) seja fornecida ao circuito intermediário (6) do conversor de energia (20).

6. Unidade de acionamento (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de a unidade de comutação (8, 13) ter um elemento de proteção de carga (13) projetado para proteger o armazenamento de energia (10) contra a sobrecarga elétrica.

7. Unidade de acionamento (100), de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de o elemento de proteção de carga (13) ser um diodo.

8. Unidade de acionamento (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de a unidade de acionamento (100) compreender uma unidade de controle (30), que é projetada para controlar o acoplamento entre o conversor de energia (20), a unidade de comutação (8, 13), o armazenamento de energia (10), o armazenamento de energia auxiliar (16) e o terminal de rede de alimentação (14), dependendo de um modo de operação da unidade de acionamento (100).

9. Unidade de acionamento (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o armazenamento de energia auxiliar (16) ser concretizado como um supercapacitor.

10. Unidade de acionamento (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o circuito intermediário (6) do conversor de energia (20) ser concretizado como um circuito intermediário de tensão de CC.

11. Unidade de acionamento (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de a unidade de comutação (8, 13) compreender meios de comutaçãoelétrica e/ou mecânica.

12. Unidade de acionamento (100), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizada pelo fato de o armazenamento de energia (16) ser uma bateria.

13. Veículo, caracterizado pelo fato de compreender uma unidade de acionamento (100), como definida em qualquer uma das reivindicações de 1 a 12.

14. Veículo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de o veículo ser um veículo ferroviário.

15. Veículo, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de o veículo ser dotado de um acionamento híbrido.