ES2217109T3 - Transformador y circuito de alimentacion para vehiculos tractores de multiples sistemas. - Google Patents
Transformador y circuito de alimentacion para vehiculos tractores de multiples sistemas.Info
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Abstract
Circuito de alimentación para un funcionamiento de corriente continua de un vehículo tractor de múltiples sistemas que comprende un pantógrafo (2) para hacer contacto con un conductor (1) aéreo y un inductor (8) de filtro de red con una inductancia del filtro de red, con lo que para un funcionamiento de corriente alterna del vehículo tractor de múltiples sistemas está presente un transformador (3) con al menos un par de devanados que comprende un devanado (31) primario y un primer devanado (321) secundario dispuesto concéntrico al devanado (31) primario para la transformación de una primera tensión alterna que se presenta en el devanado (31) primario, caracterizado porque el primer devanado (321) secundario está dispuesto por fuera del devanado (31) primario, y porque el inductor (8) de filtro de red comprende el primer devanado (321) secundario.
Description
Transformador y circuito de alimentación para
vehículos tractores de múltiples sistemas.
La presente invención se refiere al sector de los
vehículos tractores de múltiples sistemas. Se refiere a un circuito
de alimentación según el preámbulo de la reivindicación 1, así como
a un uso de un primer devanado secundario de un transformador de la
tracción.
Los vehículos tractores de múltiples sistemas se
emplean allí donde durante la marcha se modifica la tensión y / o
la frecuencia del sistema. En el continente europeo coexisten
especialmente los sistemas de tensión alterna de 25 kV/50 Hz ó 15
kV/16,7 Hz, así como las redes de alimentación de tensión continua
de 3 kV ó 1,5 kV. En el funcionamiento de corriente alterna, la
tensión del conductor aéreo se transforma a un valor deseado por
medio de un transformador y se alimenta a un convertidor o
regulador de cuatro cuadrantes. Éste, a su vez, alimenta a un
circuito intermedio de tensión continua desde el que se accionan
los motores de accionamiento partiendo de un convertidor de carga o
convertidor indirecto de corriente alterna. En el funcionamiento de
corriente continua, la tensión continua del conductor aéreo se
alimenta directamente al circuito intermedio o a través de un
convertidor elevador o un convertidor reductor. El convertidor y el
regulador mencionado comprenden elementos de conexión en la base
del semiconductor, los cuales se accionan en determinados ciclos y
reciben corrientes en forma de impulsos de la red de alimentación.
Para evitar que por medio de estos procesos de conexión se originen
interferencias de conexión u oscilaciones demasiado grandes en la
corriente del conductor aéreo y, en el caso de vehículos guiados
sobre raíles, en la corriente de retorno por los raíles, en el
funcionamiento de corriente continua por regla general está previsto
un filtro de aplanamiento que comprende una bobina de aplanamiento
y un condensador de aplanamiento. Como bobina de aplanamiento se
conecta un denominado inductor de filtro de red entre el pantógrafo
y el convertidor o regulador. En este sentido, la magnitud del
inductor de filtro de red, es decir, su inductancia, se determina en
función de las oscilaciones perturbadoras generadas y las
corrientes perturbadoras admisibles por el lado de la red. En el
caso normal, el mencionado inductor de filtro de red se facilita
como unidad independiente con un peso y una necesidad de espacio
correspondiente.
A partir de la memoria de la patente DE 38 17 652
C 2 se conoce un vehículo tractor de múltiples sistemas en el que,
en el funcionamiento de corriente alterna, un regulador de cuatro
cuadrantes está conectado, por el lado de entrada, con un devanado
secundario del transformador principal y, por el lado de salida,
con un circuito de absorción que comprende un inductor del circuito
de absorción y un condensador del circuito de absorción. Se propone
emplear, en el funcionamiento de corriente continua, el circuito de
absorción como filtro de entrada, es decir, emplear el inductor del
circuito de absorción como inductor de filtro de red. Al mismo
tiempo, se utilizan devanados secundarios del transformador, con
cortocircuitado de los devanados primarios correspondientes, como
inductores para el regulador de tensión continua. Estos inductores
del regulador funcionan tras alimentar el ajuste alto de tensión y
también tienen importancia como inductancias longitudinales en el
funcionamiento de realimentación en el caso de un retardo de la
red.
Finalmente, en el documento EP 0 993 007 se
propone un transformador subterráneo para los trenes automotores en
el que se arrolla un devanado secundario de forma concéntrica
alrededor de un devanado primario, y que presenta canales de
refrigeración entre las capas individuales del devanado.
En el documento EP 1 052 136 A se muestra un
circuito de alimentación para trenes automotores de múltiples
sistemas con un inductor adicional. Este inductor adicional sirve
tanto como inductor de filtro de red en el funcionamiento de
corriente continua, así como también como inductancia de fuga en
serie respecto al devanado secundario del transformador en el
funcionamiento de corriente alterna. Como inductancia de fuga en el
funcionamiento de corriente alterna, el inductor adicional mantiene
alejados de la red de alimentación las interferencias o
cortocircuitos y permite diseñar el propio transformador con
pérdidas de fuga menores y, con ello, de forma más compacta.
La tarea de la presente invención es ahorrar
espacio y peso en los vehículos tractores de múltiples sistemas.
Esta tarea se soluciona mediante un circuito de alimentación para
vehículos tractores de múltiples sistemas con las características
de la reivindicación 1, así como un uso de un primer devanado
secundario de un transformador con las características de la
reivindicación 8. La idea central de la invención es permitir que
se aproveche como mínimo parcialmente el funcionamiento de un
inductor de filtro de red en el funcionamiento de corriente
continua por medio de uno o varios devanados secundarios del
transformador de la tracción. Con ello puede prescindirse de un
inductor independiente de filtro de red que facilita toda la
inductancia del filtro de red necesaria para una suavización eficaz
de las interferencias de conexión. Los devanados secundarios en
cuestión están diseñados de tal manera que su inductancia global
contribuye de forma significativa a la inductancia necesaria del
filtro de red especialmente cuando un núcleo del transformador está
saturado por una corriente continua de alimentación que fluye en los
devanados secundarios y, por consiguiente, los devanados
secundarios actúan como bobinas con núcleo de aire.
Un transformador según la invención se
caracteriza porque un primer devanado secundario implicado se
arrolla de forma concéntrica a un devanado primario y, considerado
en la dirección radial, como devanado externo. Con ello se maximiza
la sección transversal de la bobina formada por este primer devanado
secundario y, por tanto, su inductancia sin que se originen
inductancias de fuga innecesarias para el funcionamiento de
corriente alterna.
Si hay un segundo devanado secundario presente,
porque, por ejemplo, el vehículo tractor también está diseñado para
una segunda tensión alterna de alimentación, entonces este segundo
devanado secundario se arrolla sobre el primer devanado secundario
y se conecta en serie con este último. A su vez, esta conexión en
serie presenta, como consecuencia de los bobinados adicionales del
segundo devanado secundario, una inductancia aumentada
adicionalmente en el funcionamiento de corriente continua.
En caso de que el transformador esté saturado en
el funcionamiento de corriente continua, ya no se conducen
completamente los campos magnéticos a través del núcleo del
transformador, de tal manera que se presentan más campos de fuga,
especialmente en la dirección del eje del transformador. De forma
correspondiente a la nueva legislación y / o a las normativas
nacionales (tales como IEE (Federación Alemana de Electrotécnicos)
0848 parte 4 A3; OVE (Federación Austriaca de
Electrotecnia)1119; NISV (Normativa sobre protección frente
a las radiaciones no ionizantes) 814.710), este tipo de campos de
fuga para la protección de personas e instalaciones eléctricas a 1,5
m de separación sólo son aceptables hasta una intensidad de campo
de hasta 300 \muT (16,7 Hz), 100 \muT (50 Hz) y 1 mT en el caso
de corriente continua. El apantallamiento magnético necesario en el
presente caso por este motivo de un material de alta permeabilidad
es ventajosamente idéntico a la carcasa del transformador, además
éste último se fabrica de forma conveniente de acero.
En un procedimiento según la invención para la
fabricación del transformador se tiene en cuenta la inductancia
necesaria del filtro de red junto con otras condiciones límite al
dimensionar los devanados secundarios. La disposición y sucesión de
los bobinados conductores, así como la sección transversal de los
conductores de los devanados secundarios se optimizan en relación
con la corriente continua de alimentación que fluye a través de
ellas en el funcionamiento de corriente continua.
Según una forma de realización ventajosa del
procedimiento, la carcasa del transformador se emplea como
apantallamiento magnético y está diseñada de tal manera que los
campos magnéticos generados por la corriente continua de
alimentación por fuera de la carcasa no superan ningún valor
límite.
En el caso de un circuito de alimentación según
la invención, para el funcionamiento de corriente continua, el
devanado secundario mencionado está conectado en serie con un
pantógrafo y aporta su parte a la inductancia del filtro de red. El
núcleo del transformador se satura completamente preferiblemente
por medio de la corriente continua de alimentación, de tal manera
que para el devanado secundario se genera una inductancia realmente
reducida en comparación con el caso no saturado, aunque constante
para ello de forma correspondiente a una bobina con núcleo de aire
con las mismas medidas geométricas.
Si el transformador comprende varios pares de
devanados o si por cada par de devanados están previstos varios
devanados secundarios que pueden conectarse adicionalmente de forma
independiente, o están presentes devanados auxiliares adicionales,
pueden combinarse de cualquier manera las inductancias de todos los
devanados disponibles para lograr una determinada inductancia del
filtro de red necesaria para el funcionamiento en cuestión de
corriente continua. En caso de que estén disponibles dos tensiones
continuas de alimentación diferentes, han de considerarse
especialmente dos posibilidades de combinación que se basan
exclusivamente en devanados secundarios.
A partir de las reivindicaciones dependientes se
deducen otras formas de realización ventajosas.
A continuación se explica detalladamente la
invención basándose en ejemplos de realización en relación con los
dibujos. Muestran:
la figura 1, de forma esquemática, tres posibles
circuitos de alimentación para vehículos tractores de múltiples
sistemas,
la figura 2, un transformador de la tracción
según la invención,
la figura 3, la inductancia de un devanado
secundario en función de la corriente de la bobina, y
la figura 4, tres posibles conexiones de los
devanados del transformador en el funcionamiento de corriente
alterna y de corriente continua.
Los caracteres de referencia empleados en los
dibujos se agrupan en la lista de caracteres de referencia.
Básicamente, las partes iguales están dotadas de los mismos
caracteres de referencia.
En la figura 1 se muestra un circuito de
alimentación para vehículos tractores de múltiples sistemas, así
como una red 1 de alimentación que comprende un conductor 11 aéreo
y raíl 12. En el funcionamiento monofase de corriente alterna
(figura 1a), un devanado 31 primario de un transformador 3 de la
tracción está unido por medio de un pantógrafo 2 con el conductor11
aéreo y, por medio de una rueda, con el raíl 12. Por el lado
secundario el transformador 3 está conectado a un regulador 4 de
cuatro cuadrantes, el cual alimenta a un circuito intermedio de
tensión continua con un condensador 5 indirecto y lo mantiene a una
tensión U_{Z} indirecta de, por ejemplo, 2,8 kV. Un convertidor 6
de carga acciona los accionamientos 7 del vehículo tractor. En el
funcionamiento de corriente continua (figura 1b), un inductor 8 de
filtro de red está conectado al conductor 11 aéreo por medio de un
pantógrafo y, por medio de un condensador 9 de aplanamiento, con el
raíl 12. En paralelo al condensador 9 de aplanamiento está
conectado un regulador 10 de tensión continua que eleva o hace
descender una tensión U_{DC} continua de alimentación que se
desvía de forma demasiado intensa de la tensión U_{Z} indirecta,
por ejemplo, 1,5 kV, al valor del circuito intermedio, por tanto,
trabaja como convertidor elevador o reductor. Si la tensión
U_{DC} continua de alimentación y la tensión U_{Z} indirecta
son aproximadamente iguales, entonces el inductor 8 de filtro de red
también puede conectarse directamente con el circuito intermedio
(figura 1c).
En la figura 2 se muestra de forma esquemática un
transformador 3 de la tracción según la invención. En una carcasa
33 del transformador se encuentra un núcleo 34 del transformador
que está arrollado alrededor por cuatro pares de devanados que
comprenden en cada caso un devanado primario y uno o varios
devanados secundarios de tracción asociados. La conexión de los
devanados primarios unos bajo otros ha de elegirse en
correspondencia con la tensión alterna de alimentación. En el caso
de determinados reguladores de cuatro cuadrantes, en cada caso dos
pares de devanados alimentan juntos a un circuito intermedio. Se
muestra seccionado un par de devanados, pueden observarse los
diferentes devanados, se suceden de dentro a fuera, separadas en
cada caso por una capa de aislamiento, una bobina 35 secundaria
auxiliar para funcionamientos auxiliar, un devanado 31 primario o
devanado de alta tensión, y un devanado 32 secundario o devanado de
baja tensión. La carcasa 33 del transformador está fabricada de
acero, de tal manera que se apantallan los campos de fuga. Por este
motivo las carcasas de acero inoxidable o aluminio son menos
adecuadas, salvo que estén dotadas de un apantallamiento magnético
independiente adicional en el espacio interior del transformador. A
causa de la considerable intensidad del campo de fuga perpendicular
al eje del transformador, los devanados planos (alternated pancake
windings) son menos apropiados que los devanados en capas
concéntricos mostrados.
En la figura 3 se muestra de forma esquemática la
trayectoria de la inductancia de una bobina secundaria. En el caso
de corrientes I_{DC} muy pequeñas de las bobinas, esta
inductancia es alta pero, a partir de una determinada corriente de
saturación de la bobina, el núcleo del transformador está
completamente saturado, y la inductancia L_{S} de la bobina
secundaria adopta un valor L_{DC} constante. Esta inductancia se
opone a las oscilaciones de la corriente generadas en los
convertidores por los procesos de conexión.
En la figura 4 se muestran finalmente de forma
esquemática dos pares de devanados de un transformador según la
invención. Como puede observarse a partir de la figura 4, en este
caso los devanados 31, 31' primarios de los dos pares de devanados
están conectados en paralelo, aunque en otros casos también pueden
estar conectados en serie o estar agrupados para dar lugar a un
único devanado primario, es decir, la tensión alterna que se
presenta en un devanado 31, 31' primario puede, aunque no es
obligatorio, ser igual a la tensión de alimentación de la red de
alimentación. Por el lado secundario se presentan primeros
devanados 321, 321' secundarios y segundos devanados 322, 322'
secundarios. En el funcionamiento de corriente alterna (figura 4a),
a 50 Hz sólo se emplean los primeros devanados 321, 321'
secundarios, es decir, la tensión secundaria se toma en las
conexiones 2U1 y 2V1 (50Hz) ó 2U2 y 2V2 (50Hz). En el caso de una
frecuencia de red de 16,7 Hz, los dos devanados 321, 322; 321', 322'
secundarios de cada uno de los pares de devanados están conectados
en serie y aprovechan las conexiones 2U1 y 2V1 (16,7Hz) ó 2U2 y 2V2
(16,7Hz). En el funcionamiento de corriente continua con una
tensión de alimentación de 3 kV (figura 4b, ya no se muestran los
devanados primarios), los dos devanados secundarios de los dos
pares de devanados están conectados en serie. Con ello puede
alcanzarse una inductancia máxima del filtro de red entre las
conexiones X11 y X12. En el caso de una tensión continua de
alimentación de 1,5 kV (figura 4c, nuevamente sólo mostrado el lado
secundario), una conexión paralela de los devanados 321, 322; 321',
322' secundarios conectados en serie dentro de un par de devanados
forma la inductancia. Los conmutadores, no mostrados y dispuestos
por fuera del transformador, permiten una conmutación sencilla
entre las dos configuraciones de corriente continua.
Los valores requeridos para la inductancia
L_{F} del filtro de red se sitúan en 10 - 30 mH para una tensión
continua de alimentación de 3 kV y en 3-25 mH para
una tensión de este tipo de 1,5 kV. Por medio de una conexión
adecuada en serie y / o en paralelo de dos o más de los devanados
secundarios citados, teniendo en cuenta en caso necesario otros
devanados tales como la bobina secundaria auxiliar, pueden
facilitarse inductancias de 6-40 mH y, con ello, se
consiguen los valores requeridos para L_{F}. En caso necesario,
para complementar hay que prever una bobina auxiliar sin uso en el
funcionamiento de corriente alterna y con una inductancia que sólo
es una fracción de L_{F}. En el caso de potencias de corriente
continua de 0,8 a 8 MVA, la corriente continua de alimentación
total es de 500 A o superior. Asimismo, en el caso de una conexión
en paralelo de dos devanados secundarios (figura 4c), la corriente
I_{DC} de las bobinas se sitúa claramente por encima de la
corriente de saturación de las bobinas de un único devanado
secundario.
Ha de tenerse en cuenta que la inductancia
L_{F} del filtro de red está dimensionada a una determinada
frecuencia de temporización de los procesos de conexión. Para
amortiguar también otras oscilaciones armónicas, pueden estar
previstos otros filtros con bobinas de inductor correspondientes.
Dado que éstos trabajan en su totalidad con múltiplos de la
frecuencia de temporización mencionada, los requisitos respecto a
su inductancia son naturalmente menores y, con ello, su volumen a
priori no es tan importante como el de un inductor de filtro de red
independiente.
El procedimiento para la fabricación o diseño de
un transformador de la tracción apropiado comienza con el requisito
de la inductancia L_{F} requerida del filtro de red, bajo la
condición límite de una masa mínima del transformador con pérdidas
aceptables. Una condición límite alternativa equivalente es el
requisito de un determinado volumen del transformador. Se determina
cuántos y cuáles de los devanados secundarios de tracción se
necesitan para conseguir la inductancia L_{F} del filtro de red,
y cómo hay que asignar los devanados bajo este punto de vista y
deben elegirse sus secciones transversales de los conductores. La
separación entre el devanado más externo y la carcasa del
transformador se determina preferiblemente a continuación por medio
de simulaciones numéricas, es decir, conociendo las intensidades de
corriente continua de alimentación y los campos magnéticos que se
esperan en caso de la caída de corriente continua.
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
1 \+ Red de alimentación\cr 11 \+ Conductor aéreo\cr 12 \+
Raíl\cr 2 \+ Pantógrafo\cr 3 \+ Transformador\cr 31, 31' \+
Devanado primario\cr 32, 32' \+ Devanado secundario\cr 33 \+
Carcasa del transformador\cr 34 \+ Núcleo del transformador\cr 35
\+ Bobina secundaria auxiliar\cr 4 \+ Convertidor, regulador de
cuatro cuadrantes\cr 5 \+ Condensador indirecto\cr 6 \+
Convertidor de carga\cr 7 \+ Accionamiento\cr 8 \+ Inductor de
filtro de red\cr 9 \+ Condensador de aplanamiento\cr 10 \+
Regulador de tensión continua\cr U _{Z} \+ Tensión indirecta\cr
L _{F} \+ Inductancia del filtro de red\cr L _{S} \+ Inductancia
de la bobina
secundaria\cr}
Claims (10)
1. Circuito de alimentación para un
funcionamiento de corriente continua de un vehículo tractor de
múltiples sistemas que comprende un pantógrafo (2) para hacer
contacto con un conductor (1) aéreo y un inductor (8) de filtro de
red con una inductancia del filtro de red, con lo que para un
funcionamiento de corriente alterna del vehículo tractor de
múltiples sistemas está presente un transformador (3) con al menos
un par de devanados que comprende un devanado (31) primario y un
primer devanado (321) secundario dispuesto concéntrico al devanado
(31) primario para la transformación de una primera tensión alterna
que se presenta en el devanado (31) primario, caracterizado
porque el primer devanado (321) secundario está dispuesto por fuera
del devanado (31) primario, y porque el inductor (8) de filtro de
red comprende el primer devanado (321) secundario.
2. Circuito de alimentación según la
reivindicación 1, caracterizado porque el inductor (8) de
filtro de red comprende una conexión en serie del primer devanado
(321) secundario y otro devanado (35, 322) dispuesto concéntrico al
devanado (31) primario y que pertenece al como mínimo un par de
devanados del transformador (3).
3. Circuito de alimentación según la
reivindicación 2, caracterizado porque el otro devanado es
un segundo devanado (322) secundario para la transformación de una
segunda tensión alterna que se presenta en el devanado (31)
primario en el funcionamiento de corriente alterna del vehículo
tractor de múltiples sistemas.
4. Circuito de alimentación según la
reivindicación 2, caracterizado porque el otro devanado es
un devanado (35) secundario auxiliar.
5. Circuito de alimentación según una de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que a través del primer devanado
(321) secundario fluye una corriente continua de alimentación,
caracterizado porque un núcleo (34) del transformador (3)
está saturado por la corriente continua de alimentación.
6. Circuito de alimentación según la
reivindicación 5, caracterizado porque un apantallamiento
magnético de un material altamente permeable rodea a los devanados
(31, 32) y al núcleo (34) del transformador.
7. Circuito de alimentación según la
reivindicación 6, caracterizado porque el material altamente
permeable comprende acero y el apantallamiento magnético es la
carcasa (33) del transformador.
8. Empleo de un primer devanado (321) secundario
como parte de un inductor (8) de filtro de red para un
funcionamiento de corriente continua de un vehículo tractor de
múltiples sistemas, con lo que el primer devanado (321) secundario
está dispuesto concéntrico a un devanado (31) primario y por fuera
de éste, y forma con éste un primer par de devanados de un
transformador (3) para la transformación de una primera tensión
alterna que se presenta en el devanado (31) primario para un
funcionamiento de corriente alterna del vehículo tractor de
múltiples sistemas.
9. Empleo según la reivindicación 8,
caracterizado porque al primer par de devanados pertenece
otro devanado (35, 322), dispuesto concéntrico al devanado (31)
primario, el cual está conectado en serie como parte del inductor
(8) de filtro de red con el primer devanado (321) secundario.
10. Empleo según una de las reivindicaciones 8 ó
9, caracterizado porque un núcleo (34) del transformador (3)
está saturado por una corriente continua de alimentación que fluye
a través del primer devanado (321) secundario y un apantallamiento
magnético de un material altamente permeable rodea a los devanados
(31, 32) y al núcleo (34) del transformador.
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| EP01811097A EP1315180B1 (de) | 2001-11-14 | 2001-11-14 | Transformator und Einspeiseschaltung für Mehrsystem-Triebfahrzeuge |
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