BR9903975B1

BR9903975B1 - Dispositivo de alimentação com corrente elétrica para motores de tração de um veículo

Info

Publication number: BR9903975B1
Application number: BRPI9903975-3A
Authority: BR
Inventors: Pierre Decottignies
Original assignee: Alstom france
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1999-08-30
Publication date: 2015-02-10
Also published as: US6268707B1; CA2280987A1; CZ305399A3; FR2782858B1; EP0982174A1; ZA995490B; FR2782858A1; CA2280987C; PL193057B1; BR9903975A; PL335148A1; BRPI9903975B8; CZ296668B6; AR020341A1; EP0982174B1

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO DE ALIMENTAÇÃO COM CORRENTE ELÉTRICA PARA MOTORES DE TRAÇÃO DE UM VEÍCULO". [001] A presente invenção refere-se aos dispositivos de alimentação em corrente elétrica de motores de tração de veículos urbanos ou suburbanos e refere-se mais especialmente aos dispositivos com conversor abaixador de corrente. [002] Nos dispositivos desse tipo, para fazer os motores elétricos funcionarem ou em tração, ou em frenagem, recorre-se a interruptores eletromecânicos tais como contatares ou a interruptores estáticos tais como tiristores, a utilização de todos esses meios de comutação necessitando o emprego de circuitos de comutação forçada ou então no caso dos circuitos de tiristores, o comando dos mesmos estando subordinado à espera que a corrente dos tiristores seja inferior a corrente hipostática de manutenção desses circuitos. [003] Em todos os casos, há descontinuidade de corrente, o que constitui um inconveniente não desprezível dos dispositivos conhecidos. [004] A invenção visa criar um dispositivo de alimentação de motores elétricos de tração comutáveis em tração e em frenagem que permita uma comutação tração-frenagem dos motores de excitação em série de modo integralmente estático e natural. [005] Ela tem, portanto como objetivo um dispositivo de alimentação com corrente elétrica de pelo menos um motor de excitação em série, caracterizado pelo fato de que ele possui um conversor abaixador que compreende um ponto médio ligado ao induzido do presente motor e ao qual é conectado pelo menos um primeiro interruptor estático comandado conectado por outro lado a uma fonte de tensão, de aplicação ao motor elétrico de uma corrente de alimentação em tração e pelo menos um segundo interruptor estático comandado, ligado por outro lado à massa, de fechamento de um circuito de ligação com uma carga para o motor que funciona em modo gerador por ocasião de uma frenagem e meios de comutação de diodos polarizados em sentido inverso para permitir respectivamente a passagem em um primeiro sentido da corrente de alimentação do motor fornecida pelo primeiro interruptor estático comandado, por ocasião da condução do mesmo e a passagem em um segundo sentido da corrente fornecida ao circuito de ligação com a carga pelo motor que funciona em gerador através do dito segundo interruptor estático comandado por ocasião da condução do mesmo. [006] O dispositivo de alimentação de acordo com a invenção pode por outro lado possuir uma ou várias características seguintes, tomadas isoladamente ou de acordo com todas as combinações tecnicamente possíveis: [007] - os ditos primeiro e segundo interruptores estáticos comandados são interruptores formados por transistores bipolares de porta isolada IGBT, [008] - o ponto comum do conversor abaixador é conectado a pelo menos um motor de excitação em série montado em um primeiro ramo, que compreende um induzido e um indutor do dito motor e os meios de comutação de diodos associados e a pelo menos um motor de excitação em série montado em um segundo ramo conectado em paralelo com o primeiro ramo e que compreende um induzido e um indutor do dito motor e os meios de comutação de diodos associados, a carga para os ditos motores que funcionam em modo gerador sendo comum ao primeiro e ao segundo ramos, [009] - os meios de comutação de diodos polarizados em um primeiro sentido compreendem um primeiro diodo conectado entre o induzido e o indutor associado do motor e um segundo diodo conectado entre o dito indutor e a massa, os ditos primeiro e segundo diodos sendo polarizados para conduzir a corrente de alimentação do dito motor fornecida pelo dito primeiro interruptor estático comandado por o-casião de sua condução, o segundo interruptor estático comandado estando bloqueado, [0010] - os meios de comutação de diodos polarizados em um segundo sentido compreendem um terceiro diodo conectado entre o induzido e o indutor associado e um quarto diodo interposto entre o indutor e a carga, os ditos terceiro e quarto diodos sendo polarizados para conduzir a corrente de frenagem fornecida pelo motor que funciona em modo gerador por ocasião da condução do segundo interruptor estático comandado, o primeiro interruptor estático comandado estando bloqueado, [0011] - os meios de comutação de diodos polarizados em um segundo sentido compreendem um terceiro diodo conectado entre o induzido do motor disposto no dito primeiro ramo e o indutor do motor disposto no dito segundo ramo e um quarto diodo interposto entre o indutor e a carga (40), os ditos terceiro e quarto diodos sendo polarizados para conduzir a corrente de frenagem fornecida pelo motor que funciona em modo gerador por ocasião da condução do segundo interruptor estático comandado, o primeiro interruptor estático comandado estando bloqueado, [0012] - o conversor abaixador possui conectados a seu ponto médio, vários primeiros interruptores estáticos comandados de aplicação ao dito pelo menos um motor elétrico da corrente de alimentação em tração e o mesmo número de segundos interruptores estáticos comandados de fechamento do circuito de ligação com a carga para o motor que funciona em modo gerador por ocasião de uma frenagem. [0013] A invenção será melhor compreendida com o auxílio da descrição que se seguirá, dada unicamente a título de exemplo e feita referindo-se aos desenhos anexos, nos quais: [0014] - a Fig. 1 é um esquema elétrico de um dispositivo de alimentação de motores elétricos de excitação em série do tipo conversor abaixador de corrente bidirecional de acordo com a invenção; [0015] - a Fig. 2 é um esquema elétrico do dispositivo de alimentação da figura 1 que funciona em tração; e [0016] - a Fig. 3 é um esquema elétrico do dispositivo de alimentação da figura 1 que funciona em frenagem. [0017] O dispositivo de alimentação representado na figura 1 possui uma indutância 1 conectada em série com um capacitor 2 nos terminais de uma fonte de tensão contínua de alimentação UL por intermédio de um circuito paralelo 3 que compreende um disjuntor 4 nos terminais do qual são conectados em série um fusível 5, um interruptor de proteção 6 e uma resistência 7. [0018] Nos terminais do condensador 2 são conectados em série um interruptor de transistor bipolar de porta isolada ou IGBT 8 e um diodo 9 ligado ao trajeto emissor-coletor do interruptor IGBT 8. [0019] Em paralelo, com o diodo 9 é conectado um reostato 10. [0020] Nos terminais do capacitor 2 são por outro lado conectados em paralelo três grupos de dois interruptores IGBT 11,12,13,14,15 e 16, os trajetos coletor-emissor dos transistores de cada grupo sendo conectados em série. [0021] Em paralelo, nos trajetos emissor-coletor dos transistores IGBT são conectados diodos respectivos 19, 20, 21, 22, 23, 24, os ca-todos dos ditos diodos sendo conectados aos coletores dos transistores associados. [0022] Os pontos de junção dos emissores dos interruptores 19, 21, 23 com os coletores dos interruptores 20, 22, 24 formam o ponto médio do conversor abaixador e são conectados juntos a primeiros terminais de dois induzidos 25, 27 de um primeiro e de um terceiro motores elétricos M1, M3. [0023] Os induzidos 25, 27 são ligados cada um deles em série com um induzido respectivo 26, 28 de um segundo e de um quarto motores elétricos M2, M4. O circuito constituído pelos interruptores 11, 13, 15 e seus diodos 19, 21, 23 associados e pelos interruptores 12, 14, 16 e seus diodos 20, 22, 24 associados, os interruptores 11,13,15 e 12, 14, 16 tendo terminais comuns conectados aos induzidos 25, 26 e 27, 28 dos motores elétricos M1 a M4, formam um conversor abai-xador com ponto médio M de alimentação dos ditos motores. [0024] De acordo com a potência requerida ao conversor abaixa-dor, o mesmo pode possuir só dois ou um interruptor IGBT conectado de cada lado do ponto médio M. [0025] O terminal do induzido 26 do motor M2 oposto ao induzido 25 do motor M1 é conectado por intermédio de um contator de isolamento 30 ao catodo de um diodo 31 e ao anodo de um diodo 32. [0026] Do mesmo modo, o terminal do induzido 28 do motor M4 oposto ao induzido 27 do motor M3 é conectado por intermédio de um contator de isolamento 33 ao catodo de um diodo 34 e ao anodo de um diodo 35. [0027] O catodo do diodo 32 é conectado por um lado, aos indutores 37, 38 dos motores M1, M2 ligados em série e por outro lado, ao catodo de um diodo 39 ligado por seu anodo a uma resistência 40 de limitação da corrente nominal em frenagem. [0028] O catodo do diodo 35 é conectado por um lado aos indutores 41, 42 dos motores M3, M4 ligados em série e por outro lado, ao catodo de um diodo 43 ligado por seu anodo à resistência 40 de limitação da corrente nominal em frenagem. [0029] O terminal do indutor 38 do motor M2 oposto ao indutor 37 do motor M1 é conectado ao anodo de um diodo 44 cujo catodo é ligado à massa assim como ao anodo do diodo 34 cujo catodo é ligado ao contator de isolamento 33 dos induzidos 27 e 28 dos motores M3 e Μ4. [0030] O terminal do indutor 42 do motor M4 oposto ao indutor 41 do motor M3 é conectado ao anodo de um diodo 45 cujo catodo é ligado à massa assim como ao anodo do diodo 31 ligado por seu catodo ao contator de isolamento 30 dos induzidos 25 e 26 dos motores M1 e M2. [0031] Vê-se, portanto que os diodos 32 e 44 que ligam os induzidos 25, 26 dos motores M1, M2 a seus indutores 37, 38 e os diodos 35 e 45 que ligam os induzidos 27, 28 dos motores M3, M4 a seus indutores 41, 42, esses diodos sendo polarizados em um primeiro sentido, asseguram o funcionamento dos motores em tração quando os interruptores IGBT 11, 13, 15 são condutores e os interruptores IGBT 12, 14, 16 estão bloqueados. [0032] Por outro lado, os diodos 31 e 43 que ligam os induzidos 25 e 26 dos motores M1, M2 aos indutores 41, 42 dos motores M3, M4 e os diodos 34 e 39 que ligam os induzidos 27, 28 dos motores M3, M4 aos indutores 37, 38 dos motores M1, M2 e à resistência de limitação 40, esses diodos sendo polarizados em um sentido oposto ao sentido de polarização dos diodos 32, 44, 35, 45, asseguram o funcionamento dos motores em frenagem quando os interruptores IGBT 12, 14, 16 são condutores e os interruptores IGBT 11,13,15 estão bloqueados. [0033] O funcionamento do conversor abaixador bidirecional descrito em referência à figura 1 vai ser descrito em referência às figuras 2 e 3 nas quais só estão representados os componentes que intervém respectivamente no funcionamento em tração e em frenagem. [0034] Os interruptores IGBT 11, 13, 15 são comandados em modo tração. A relação cíclica da condução desses interruptores varia entre 0 e 1. [0035] Os interruptores IGBT 12, 14, 16 são comandados em modo frenagem. A relação cíclica da condução desses interruptores varia entre 0 e 1. [0036] Os motores M1, M2, M3, M4 são conectados em série-paralelo e supõe-se que eles equipam dois a dois os truques de dois motores de uma máquina motriz de veículo urbano ou suburbano. [0037] No caso de uma utilização de truques de um motor, o esquema possuiría dois motores comutados em paralelo. Será igualmente notado que a invenção se aplica também para a alimentação de um motor único. [0038] Em função dos interruptores IGBT 11, 13, 15 ou 12, 14, 16 comandados, os motores são conectados naturalmente em tração ou em frenagem graças aos diodos 32, 44, 35, 45 e 31, 34, 43, 39 respectivamente. [0039] Quando o conversor abaixador funciona em tração, seu esquema é o da figura 2. [0040] Os interruptores IGBT 11, 13 e 15 são tornados condutores enquanto os interruptores IGBT 12, 14, 16 são bloqueados como o mostra a figura 2 na qual os interruptores 12, 14, 16 estão representados em traços descontínuos. [0041] Os diodos 20, 22, 24 conectados aos terminais dos trajetos emissor-coletor dos interruptores 12, 14, 16 desempenham a função de diodos de roda livre. Os diodos 19, 21, 23 associados aos interruptores 11, 13, 15 condutores não intervém e estão devido a isso representados em pontilhados. [0042] O conversor abaixador assim configurado alimenta os motores de tração M1 a M4. [0043] Os induzidos 25, 26 dos motores M1, M2 são conectados naturalmente em série com seus indutores 37, 38 por intermédio dos diodos 32 e 44. [0044] Os induzidos 27, 28 dos motores M3, M4 são conectados naturalmente em série com seus indutores 41, 42 por intermédio dos diodos 35, 45. [0045] Quando o conversor abaixador funciona em frenagem, seu esquema é o da figura 3. [0046] Os interruptores IGBT 12,14,16 são tornados condutores e os diodos 19, 21, 23 associados aos interruptores 11, 13, 15 bloqueados, representados em traço descontínuo desempenham a função de diodos de roda livre. [0047] Os diodos 20, 22, 24 associados aos interruptores 12, 14, 16 são inoperantes e estão devido a esse fato, representados em pontilhados. [0048] O conversor abaixador assim configurado alimenta os motores de tração M1 a M4 para fazê-los funcionar em modo gerador. Os induzidos 25, 26 dos motores M1, M2 são conectados naturalmente em série com os indutores 41, 42 dos motores M3, M4 por intermédio dos diodos 31, 43 e com a resistência 40 de limitação de corrente nominal em frenagem que desempenha o papel de carga para os motores que funcionam em modo gerador. [0049] Os induzidos 27, 28 dos motores M3, M4 são conectados naturalmente em série com os indutores 37, 38 dos motores M1, M2 por intermédio dos diodos 34, 39 e com a resistência 40 de limitação de corrente nominal em frenagem. [0050] O cruzamento dos indutores em relação aos induzidos dos motores M1, M2 e M3, M4 se torna necessário para assegurar a estabilidade do funcionamento em frenagem dos ramos dos motores conectados em paralelo. [0051] Os contatores de isolamento 30, 33 estão sempre fechados qualquer que seja o modo de funcionamento em tração ou em frenagem, assim como durante as transições entre esses dois modos. [0052] O papel desses contatores é controlar a corrente nominal em frenagem em associação com a resistência 40 de limitação da cor- rente nominal em frenagem. [0053] Esses contatores isolam também os induzidos dos indutores dos motores M1 a M4, em caso de colocação fora de serviço da máquina motriz equipada com um tal sistema e de seu reboque. [0054] A disposição que acaba de ser descrita permite uma comutação do modo de tração para o modo de frenagem dos motores de excitação em série que é integralmente estática e natural. [0055] Basta comutar o conversor abaixador de alimentação ou em tração, ou em frenagem. [0056] Por outro lado, o conversor abaixador de acordo com a invenção oferece um certo número de vantagens. [0057] No domínio da renovação dos equipamentos de tração, ele explora de uma maneira ótima, as características dos motores de excitação em série. [0058] De um ponto de vista industrial, a vantagem principal de um dispositivo conversor abaixador de corrente de acordo com a invenção é permitir a reutilização de modo idêntico de montagens de inversores de potência MLI padrão para realizar a função de conversor abaixador de corrente. [0059] Para isso, curtocircuita-se as três fases de saída e comanda-se os três interruptores 11, 13, 15 em tração e os três interruptores 12, 14, 16 em frenagem e associa-se aos interruptores de tração e de frenagem, o dispositivo de comutação tração-frenagem com diodos. [0060] Finalmente, o dispositivo de alimentação com conversor abaixador de corrente bidirecional de acordo com a invenção possui uma só resistência 40 de limitação da corrente nominal na frenagem para os dois grupos de motores elétricos M1, M2 e M3, M4. [0061] Essa resistência é comutada naturalmente no circuito de frenagem pelos diodos 39 e 43.

Claims

1. Dispositivo de alimentação com corrente elétrica de motores (M1, M2, M3, M4) de excitação em série de tração de um veículo, que compreende: um conversor abaixador (11, 13, 15, 12, 14, 16) que compreende um ponto médio (M); pelo menos um primeiro interruptor estático comandado (11, 13, 15) conectado ainda a uma fonte de tensão para aplicação de uma corrente de alimentação aos motores (M1, M2, M3, M4) funcionando em tração; e pelo menos um segundo interruptor estático comandado (12, 14, 16), ligado à massa, de fechamento de um circuito de ligação entre uma carga (40) e os motores (M1, M2, M3, M4) que funcionam em modo gerador por ocasião de uma frenagem; e meios de comutação de diodos (32, 44, 35, 45, 31, 43, 34, 39) para permitir respectivamente: - a passagem em um primeiro sentido da corrente de alimentação dos motores (M1, M2, M3, M4), fornecida pelo primeiro interruptor estático comandado (11, 13, 15), por ocasião da condução do mesmo; e - a passagem em um segundo sentido da corrente fornecida ao circuito de ligação pelos motores que funcionam em modo gerador, através do dito segundo interruptor estático comandado (12, 14, 16) por ocasião da condução do mesmo, caracterizado pelo fato de que o ponto comum (M) do conversor abaixador é conectado a: - pelo menos um motor de excitação em série (M1, M2), montado em um primeiro ramo, que compreende um induzido (25, 26) e um indutor (37, 38) do dito motor e os meios de comutação de diodos (32, 44, 31, 43) associados, e - a pelo menos um motor de excitação em série (M3, M4) montado em um segundo ramo conectado em paralelo com o primeiro ramo e que compreende um induzido (27, 28) e um indutor (41, 42) do dito motor e os meios de comutação de diodos (35, 45, 34, 39) associados, a carga (40) para os ditos motores que funcionam em modo gerador sendo comum ao primeiro e ao segundo ramos.

2. Dispositivo de alimentação de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os ditos primeiro e segundo interruptores estáticos comandados (11, 13 15, 12, 14, 16) são interruptores formados por transistores bipolares de porta isolada IGBT.

3. Dispositivo de alimentação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os meios de comutação de diodos polarizados em um primeiro sentido compreendem um primeiro diodo (32, 35) conectado entre o induzido (25, 26, 27, 28) e o indutor (37, 41,42) associado do motor (M1, M2, M3, M4) e um segundo diodo (44, 45) conectado entre o dito indutor (38, 42) e a massa, os ditos primeiro e segundo diodos (32, 35, 44,45) sendo polarizados para conduzir a corrente de alimentação do dito motor fornecida pelo dito primeiro interruptor estático comandado (11, 13, 15) por ocasião de sua condução, o segundo interruptor estático comandado (12, 14, 16) estando bloqueado.

4. Dispositivo de alimentação de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que os meios de comutação de diodos polarizados em um segundo sentido compreendem um terceiro diodo (31, 34) conectado entre o induzido (25, 26, 27, 28) e o indutor (37, 38, 41, 42) associado e um quarto (43, 39) diodo interposto entre o indutor e a carga (40), os ditos terceiro e quarto diodos (31, 34, 43, 39) sendo polarizados para conduzir a corrente de frenagem fornecida pelo motor que funciona em modo gerador por ocasião da condução do segundo interruptor estático comandado (12, 14, 16), o primeiro interruptor estático comandado (11,13,15) estando bloqueado.

5. Dispositivo de alimentação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 3, caracterizado pelo fato de que os meios de comutação de diodos polarizados em um segundo sentido compreendem um terceiro diodo (31, 34) conectado entre o induzido (25, 26, 27, 28) do motor (M1, M2) disposto no dito primeiro ramo e o indutor (41, 42, 37, 38) do motor (M2, M3) disposto no dito segundo ramo e um quarto diodo (43, 39) interposto entre o indutor e a carga (40), os ditos terceiro e quarto diodos (31, 34, 43, 39) sendo polarizados para conduzir a corrente de frenagem fornecida pelo motor que funciona em modo gerador por ocasião da condução do segundo interruptor estático comandado (12, 14, 16), o primeiro interruptor estático comandado (11, 13, 15) estando bloqueado.

6. Dispositivo de alimentação de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que o conversor abaixador possui conectados a seu ponto médio (M), vários primeiros interruptores estáticos comandados (11, 13, 15) de aplicação ao dito pelo menos um motor elétrico (M1, M2, M3, M4) da corrente de alimentação em tração e o mesmo número de segundos interruptores estáticos comandados (12, 14, 16) de fechamento do circuito de ligação com a carga (40) para o motor (M1,M2,M3,M4) que funciona em modo gerador por ocasião de uma frenagem.