ES2229334T3 - Procedimiento y circuito para la transformacion de energia electrica. - Google Patents
Procedimiento y circuito para la transformacion de energia electrica.Info
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Abstract
LOS VEHICULOS SOBRE RAILES QUE CRUZAN VARIOS PAISES DEBEN EXTRAER SU ENERGIA DE ACCIONAMIENTO DE REDES DE TENSION CONTINUA (1) Y ALTERNA (12) CON UNA TENSION DE RED DIFERENTE. SE DESCRIBE UN CONCEPTO MULTISISTEMA QUE, CON EL MENOR NUMERO POSIBLE DE CONMUTACIONES CRITICAS Y SIN PERDIDAS DE POTENCIA EN EL ACCIONAMIENTO, SEA ADECUADO TANTO PARA UNA TENSION ALTERNA PREFIJABLE DE, P.EJ., 15 KV COMO PARA LAS TENSIONES CONTINUAS NORMALES EN LOS FERROCARRILES DE 1,5 KV Y 3 KV. PARA ELLO SE ACTIVAN EN PARALELO LOS DEVANADOS DE MOTOR DE CORRIENTE ALTERNA (11, 11''), QUE SE HAN ESTRUCTURADO A PARTIR DE VARIOS DEVANADOS PARCIALES (MW1, MW2), CON INDEPENDENCIA DE LA RED DE ENERGIA DE ALIMENTACION.
Description
Procedimiento y circuito para la transformación
de energía eléctrica.
La invención se basa en un procedimiento y un
circuito para la transformación de energía eléctrica de acuerdo con
los preámbulos de las reivindicaciones 1 y 3.
La invención se refiere, conforme a los
preámbulos de las reivindicaciones 1 y 3, a un estado de la técnica
como el que se conoce del documento DE 41 38 256.
En este documento se especifica un concepto de
sistema bicorriente para accionamientos de tracción ferroviaria,
dimensionados para una tensión alterna de la red de 15 kV, 16 2/3 Hz
y una tensión de corriente continua de la red de 3 kV. Las máquinas
de accionamiento se alimentan a través de uno o dos onduladores
desde un circuito intermedio de corriente continua. En el caso de la
red de corriente alterna, el circuito intermedio de corriente
continua se alimenta a través de dos convertidores de cuatro
cuadrantes conectados en paralelo y, en el caso de la red de
corriente continua, a través de dos convertidores de corriente
continua conectados en serie.
La invención, como está definida en las
reivindicaciones 1 y 3, logra el objetivo de perfeccionar un
procedimiento y un esquema de conexión para la transformación de
energía eléctrica del tipo inicialmente mencionado de tal manera que
la transformación pueda llevarse a cabo con menos medios técnicos.
El objetivo consiste tanto en simplificar el tipo de instalación del
sistema eléctrico como en reducir las masas transportadas, en
especial en un bogie de un accionamiento de tracción
ferroviaria.
La idea central de la invención consiste por lo
tanto en que, en servicio con una primera fuente de energía con
tensión continua, una primera bobina parcial de un motor está
conectada a un segundo convertidor de corriente, mientras que una
segunda bobina parcial del motor se conecta a un primer convertidor
de corriente, y que, en servicio con una segunda fuente de energía
con una tensión alterna, ambas bobinas parciales, es decir, la
primera y la segunda bobina parcial, están conectadas en paralelo al
segundo convertidor de corriente.
Una forma de realización preferida de la
invención debe verse en que, en el caso de suministro de energía
desde una fuente de corriente continua, se logra una reducción de
las armónicas de la corriente de la red mediante un desplazamiento
de la fase de las tensiones de salida de ambos convertidores de
corriente y, como consecuencia, se consigue una reducción de las
pérdidas adicionales y de los momentos oscilantes en el motor.
Una ventaja esencial de la invención consiste en
la reducción del número de cables del motor utilizados y del número
de conmutadores de corriente trifásica utilizados. Se reduce tanto
la complejidad de los procesos de conmutación entre las fuentes de
energía con diferentes tensiones como la masa de los cables
instalados en un bogie.
Se requieren sólo pocos pasos de conmutación
críticos. En este contexto, pasos de conmutación críticos son
operaciones de conmutación en el circuito intermedio de tensión
continua del ondulador, ya que los conmutadores en este circuito
intermedio deben estar montados con una inductividad muy baja.
La invención se basa en una técnica de
conmutación de dos puntos y no requiere convertidores directos ni
convertidores de transferencia inversa con los estranguladores
correspondientes.
En el caso de una transformación de la energía
eléctrica procedente de fuentes de tensión continua sólo se requiere
una única transformación de energía.
La invención se explica a continuación con
referencia a un ejemplo de realización. En las figuras se
muestra:
Fig. 1 Circuito de un accionamiento
multicorriente con un convertidor y dos máquinas con dos bobinas
parciales por cada fase de corriente alterna en conexión en estrella
en servicio en una red de corriente continua.
Fig. 2 Circuito de un accionamiento
multicorriente en servicio en una red de corriente alterna.
Las mismas piezas llevan en las figuras los
mismos símbolos de referencia, y sólo se muestran los elementos
esenciales para la comprensión.
En la figura 1 se denomina con 1 una fuente de
energía o una red de corriente continua con una tensión continua U1
de 3 kV, que alimenta a través de un pantógrafo un circuito
intermedio ZK de tensión continua de un ondulador 2, ZK, 8.
El primer convertidor de corriente 2 se compone
de cuatro convertidores parciales de corriente, conectados en
paralelo en el lado de corriente continua. Los dos convertidores
superiores pueden conectarse a través de un primer interruptor S1 a
una primera bobina secundaria SW1 de un transformador de red T,
conectado en su lado primario a una red 12 de corriente alterna con
una tensión alterna U2 de 15 kV, 16 2/3 Hz. Los dos convertidores
parciales inferiores del primer convertidor de corriente 2 pueden
conectarse a través de un segundo interruptor S2 a una segunda
bobina secundaria SW2 del transformador de red T. El convertidor
parcial superior, señalado con 2.1, del primer convertidor de
corriente 2 se utiliza en el modo de frenado de un consumidor de
corriente alterna, o de un motor o de una máquina eléctrica 11, 11',
respectivamente, en combinación con un interruptor S11 y una
resistencia de frenado R1 como convertidor de energía de frenado, o
como limitador de la tensión momentánea para evitar posibles
sobretensiones no deseadas. En el circuito intermedio ZK de
corriente continua, un primer condensador C1 del circuito intermedio
está conectado en paralelo al primer convertidor de corriente 2.
El primer convertidor de corriente 2 está
conectado en serie a través del circuito intermedio ZK de corriente
continua, con un ondulador o segundo convertidor de corriente 8,
donde un polo positivo 3 del primer convertidor de corriente 2 está
conectado a la red de corriente continua U1, un polo negativo 4 del
primer convertidor de corriente 2 está unido a través de un quinto
interruptor S5 con un polo positivo 5 del segundo convertidor de
corriente 8, y un polo negativo 6 del segundo convertidor de
corriente 8 está conectado a través de un estrangulador de
filtración L, un noveno interruptor S9 y por lo menos un eje 9 del
vehículo con el carril 10 y está puesto a tierra. En paralelo al
segundo convertidor de corriente 8 están conectados, en el circuito
intermedio ZK, un segundo condensador C2 del circuito intermedio y
un controlador del frenado con una resistencia de frenado R2, o un
limitador 7 de la tensión momentánea, a fin de evitar posibles
sobretensiones no deseadas y de eliminarlas a través de la
resistencia de frenado R2.
Cada una de las máquinas eléctricas 11, 11'
dispone de una bobina trifásica del motor, o del estator,
distribuida en dos sistemas de bobinas trifásicas simétricas, o en
una primera y una segunda bobina parcial MW1, MW2 con el mismo
número de espiras. Las dos bobinas parciales MW1, MW2 están
instaladas en una conexión en estrella y están separadas entre sí a
través de un séptimo interruptor S7. Los extremos de las segundas
bobinas parciales MW2, unidas con el séptimo interruptor S7, están
conectadas a través de un octavo interruptor S8 y cables R', S', T'
de corriente trifásica con las salidas de corriente alterna de los
tres convertidores parciales inferiores del primer convertidor de
corriente 2. Los extremos de las primeras bobinas parciales MW1,
unidos con el séptimo interruptor S7, están conectados a través de
cables R, S, T de corriente trifásica a las salidas de corriente
alterna del segundo convertidor de corriente 8.
Las posiciones de conmutación representadas, con
el primer convertidor de corriente 2 y el convertidor de corriente 8
conectados en serie en el lado de corriente continua, corresponden a
una alimentación de las máquinas 11, 11' eléctricas, conectadas en
estrella, desde la red 1 de corriente continua. Si la red 1 de
corriente continua no es capaz de absorber la energía de frenado
retroalimentada, es preciso convertir esta energía en calor en las
resistencias de frenado R1, R2. Los condensadores C1 y C2 del
circuito intermedio, conectados en paralelo, sirven en este esquema
de conexión como condensadores de filtro para aplanar la tensión en
el circuito intermedio (ZK) de corriente continua. Asimismo, un
condensador C3, conectado también en paralelo a los condensadores C1
y C2 a través de un conmutador S6, sirve al mismo fin de aplanar la
tensión.
En la figura 2 se muestra el esquema de conexión
para el servicio en una red 12 de corriente alterna. La conmutación
de la red 1 de corriente continua a la red 12 de corriente alterna
se lleva a cabo en estado sin corriente, se cierran los
interruptores S1, S2, S3, S4, S7 y S10 y se abren los interruptores
S5, S8, S9 y S11. El conmutador S6 debe conmutarse de tal manera que
el condensador C3 y el estrangulador L estén conectados en serie. El
pantógrafo para la red 1 de corriente continua está bajado. Las
bobinas parciales MW1, MW2 de las máquinas eléctricas 11, 11' están
conectadas en paralelo. El primer convertidor de corriente 2,
utilizado en el modo de servicio con corriente continua como
convertidor para el consumidor, o como ondulador, se utiliza ahora
como convertidor de red o como rectificador. El estrangulador L de
filtración actúa junto con el condensador C3, conectado en serie,
como circuito de absorción para compensar la potencia de red
pulsante. El circuito de absorción está dimensionado preferentemente
para el doble de la frecuencia de la red y se requiere únicamente en
una red de corriente alterna monofásica.
En el caso de una alimentación de las máquinas
eléctricas 11, 11' desde una red de corriente alterna, normalmente
es posible retroalimentar la energía de frenado a la red de
corriente alterna, el segundo convertidor de corriente 8 funciona
como rectificador y el primer convertidor de corriente 2 se utiliza
como ondulador.
Todos los interruptores instalados pueden estar
accionados de forma manual, motórica, neumática o hidráulica.
Como válvulas controlables en los convertidores
estáticos 2, 8 y 7 se utilizan interruptores semiconductorizados. De
acuerdo con el estado actual de la técnica pueden utilizarse por
ejemplo tiristores GTO o transistores.
Lo esencial es que las bobinas MW1, MW2 del motor
se utilizan en conexión en paralelo, tanto en servicio en una red de
corriente alterna como en una red de corriente continua. Por este
motivo es posible limitar a seis el número de cables de alimentación
del motor, esto significa para una alimentación con corriente
trifásica tres cables de alimentación del motor para cada bobina
MW1, MW2 del motor. Se ahorran un interruptor trifásico y tres
cables de alimentación adicionales del motor para una posible
conexión en serie de las bobinas parciales MW1, MW2, ya que no
existe ninguna diferencia significante de la tensión en las bobinas
parciales MW1, MW2 en servicio en una red de corriente continua y en
servicio en una red de corriente alterna.
La tensión del circuito intermedio es de
aproximadamente 2 kV en el modo de servicio con corriente alterna.
De esta tensión se obtiene una determinada tensión máxima de la
oscilación fundamental en los bornes para la cual debe estar
dimensionado un motor 11, 11'. Con esta tensión estabilizada de 2 kV
en el circuito intermedio es posible conseguir ahorros en el modo de
servicio con corriente alterna con respecto al tamaño de
construcción, el peso y los gastos, sobre todo debido a la
utilización de componentes de esta clase de tensión.
La tensión del circuito intermedio para los
convertidores estáticos 2 y 8, conectados en serie, es de 1,5 kV
hasta 2,1 kV como máximo en el modo de servicio con corriente
continua. De esta manera está garantizado que la inducción del campo
base en el entrehierro de un motor 11, 11', conseguida mediante las
bobinas del motor, sea aproximadamente igual en servicio con
corriente continua y con corriente alterna.
Los dos sistemas de bobinas pueden desplazarse en
el motor 11, 11' en 30º/p y realizarse como bobinas de 2p polos,
donde p es el número de pares de polos. Gracias a la disposición
desplazada de dos bobinas MW1, MW2 trifásicas se reducen
considerablemente los momentos oscilantes en el motor.
Naturalmente, cada bobina parcial MW1, MW2 de una
máquina eléctrica 11, 11' se puede instalar y utilizar en conexión
en triángulo en vez de en conexión en estrella.
Mediante un desplazamiento entre los impulsos de
reloj de los onduladores se logra, en servicio con corriente
continua, en el circuito intermedio ZK de corriente continua una
reducción de los efectos retroactivos en la red.
Naturalmente, las bobinas del motor 11, 11'
pueden dividirse también en más de dos sistemas de bobinas MW1, MW2.
Como consecuencia deberían utilizarse más de dos convertidores
estáticos para el accionamiento. De esta manera es posible extender
la aptitud multicorriente a redes de corriente continua con
tensiones inferiores.
Si la capacidad multicorriente debe extenderse a
otras tensiones alternas de la red, por ejemplo 25 kV, deben
seleccionarse transformadores de alimentación con otras relaciones
de transformación. También es imaginable una utilización en una red
de corriente continua con una tensión de 1,5 kV.
En vez de una máquina eléctrica 11, 11' podría
estar previsto también otro transformador no representado, conectado
por ejemplo a otra red de corriente alterna que sirve como
consumidor de corriente alterna en la transmisión de energía.
| 1 | Red de corriente continua, fuente de energía |
| 2 | 1^{er} convertidor de corriente, rectificador, convertidor de corriente de la red |
| 2.1 | Convertidor de frenado, convertidor parcial de 2 |
| 3 | Polo positivo de 2 |
| 4 | Polo negativo de 2 |
| 5 | Polo positivo de 8 |
| 6 | Polo negativo de 8 |
| 7 | Convertidor de frenado o limitador de la tensión momentánea |
| 8 | 2º convertidor de corriente o ondulador, convertidor de corriente del consumidor |
| 9 | Eje del vehículo |
| 10 | Carril |
| 11, 11' | Máquina eléctrica, motor, consumidor de corriente alterna |
| 12 | Red de corriente alterna, fuente de energía |
| C1, C2 | Condensadores del circuito intermedio |
| C3 | Condensador |
| L | Estrangulador del filtro, estrangulador del circuito de absorción |
| MW1 | 1ª bobina parcial de 11, 11' |
| MW2 | 2ª bobina parcial de 11, 11' |
| R1, R2 | Resistencias de frenado |
| R, S, T; R', S',T' | Cables de corriente trifásica, fases de corriente alterna |
| S1 – S11 | Interruptores, conmutadores, dispositivos de conmutación |
| SW1, SW2 | Bobinas secundarias de T |
| T | Transformadores de red |
| U1 | Tensión continua |
| U2 | Tensión alterna |
| ZK | Circuito intermedio de corriente continua |
| º | Ángulo de fase, desplazamiento de la fase |
Claims (3)
1. Procedimiento para la transformación de
energía eléctrica,
- a)
- según el cual la energía eléctrica de por lo menos una primera fuente (1) de energía con una tensión continua (U1), que se puede especificar, y de una segunda fuente (12) de energía con una tensión alterna (U 2), que se puede especificar,
- b)
- se transforma a través de por lo menos un convertidor de corriente de red, o primer convertidor de corriente (2), y por lo menos un convertidor de corriente del consumidor, o segundo convertidor de corriente (8),
- c)
- en energía eléctrica para un sistema eléctrico o un consumidor (11, 11') de corriente alterna, que dispone en cada fase (R, S, T) de corriente alterna de por lo menos una primera bobina parcial (MW1) y de una segunda bobina parcial (MW2), donde estas bobinas parciales (MW1, MW2) son bobinas separadas entre sí que conducen corriente,
- caracterizado porque
- d)
- antes de la conmutación desde la segunda fuente (12) de energía con una tensión alterna (U2), que se puede especificar, a una primera fuente (1) de energía, con una tensión continua (U1), que se puede especificar, se separan entre sí las bobinas parciales (MW1, MW2), conectadas en paralelo al segundo convertidor de corriente (8), donde la segunda bobina parcial (MW2) se conecta al primer convertidor de corriente (2) y la primera bobina parcial se mantiene conectada al segundo convertidor de corriente (8), de modo que distintos convertidores estáticos (2, 8) alimentan las diferentes bobinas parciales (MW1, MW2),
- e)
- antes de una conmutación desde la primera fuente (1) de energía con una tensión continua (U1), que se puede especificar, a la segunda fuente (12) de energía con una tensión alterna (U2), que se puede especificar, las bobinas parciales (MW1, MW2) separadas del consumidor (11, 11') de corriente alterna se conectan en cada fase (R, S, T) de corriente alterna eléctricamente en paralelo al segundo convertidor de corriente (8), donde la segunda bobina parcial (MW2) se separa del primer convertidor de corriente (2), y porque el primer convertidor de corriente (2) se conmuta desde el servicio de convertidor de corriente del consumidor a un servicio como convertidor de corriente de la red.
2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación
1 caracterizado porque las bobinas parciales (MW1, MW2)
distintas funcionan, en el caso de suministro de energía desde una
fuente (1) de corriente continua, con un desplazamiento de fase
entre las tensiones de salida de los diferentes convertidores de
corriente (2, 8) a fin de reducir los efectos retroactivos en la
red.
3. Circuito para la transformación de energía
eléctrica
- a)
- donde un primer convertidor de corriente (2) y un segundo convertidor de corriente (8) están conectados a una primera fuente (1) de energía con una tensión continua (U1), o con una segunda fuente (12) de energía con una tensión alterna (U2),
- b)
- donde el segundo convertidor de corriente (8) está unido en el lado de corriente alterna con un sistema eléctrico o con por lo menos un consumidor (11, 11') de corriente alterna,
- c)
- y el consumidor (11, 11') de corriente alterna dispone en cada fase (R, S, T) de corriente alterna por lo menos de una primera bobina parcial (MW1) y de una segunda bobina parcial (MW2),
- caracterizado porque
- d)
- al alimentar el primer convertidor de corriente (2) y el segundo convertidor de corriente (8) desde la primera fuente (1) de energía, con una tensión continua (U1), la primera bobina parcial (MW1) está conectada con el segundo convertidor de corriente (8) y la segunda bobina parcial (MW2) está conectada con el primer convertidor de corriente (2), donde los convertidores de corriente (2, 8) se utilizan como onduladores,
- e)
- al alimentar el primer convertidor de corriente (2) desde la segunda fuente (12) de energía, con una tensión alterna (U2), las bobinas parciales (MW1, MW2) están conectadas en paralelo al segundo convertidor de corriente (8), donde el primer convertidor de corriente (2) funciona como rectificador y el segundo convertidor de corriente (8) como ondulador.
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