ES2296605T3 - Procedimiento y dispositivo de proteccion de convertidores. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la alimentación de un motor de propulsión que se presenta bajo la forma de una carga (M) al comienzo de una red continua que constituye la fuente por medio de un convertidor (E), de medios de protección de las sobre-tensiones por descrestado (B) que comprende unas resistencias destinadas a derivar el exceso de tensión y de un troceador de frenado (C) que comprende unas resistencias de frenado destinadas a derivar la corriente de frenado, estando cada resistencia conectada en serie con un semiconductor distinto y en el cual se utilizan las mismas resistencias (11+, 12+, 11- y 12-) como medios de protección de las sobretensiones por descrestado y como resistencias de frenado caracterizado porque las resistencias están dispuestas en circuitos separados montados en paralelo, y porque se gobierna los semiconductores de control (13+, 14+, 13- y 14-) de dichas resistencias (11+, 12+, 11- y 12-) de manera alternada a raíz del frenado y de manera simultánea a raíz del descrestado.
Description
Procedimiento y dispositivo de protección de
convertidores.
La presente invención se refiere en primer lugar
a un procedimiento que presenta una función de protección en
tensión de un convertidor y una función de troceado de frenado en
una cadena de propulsión.
La presente invención se refiere igualmente al
dispositivo para la puesta en práctica de ese procedimiento.
De manera clásica, los motores eléctricos de
propulsión tales como los motores síncronos, asíncronos e incluso
continuos están provistos de un convertidor. Un ejemplo de
convertidor es un ondulador de tensión, que permite proporcionar
una tensión alterna a partir de una tensión continua tomada de la
catenaria. En efecto, para suministrar energía a la carga
constituida por los motores eléctricos de propulsión que
generalmente son trifásicos es preciso proponer un sistema
trifásico en tensión lo más próximo posible a un sistema trifásico
senoidal equilibrado, variable en frecuencia y en amplitud. El
ondulador es un dispositivo que permite alcanzar ese objeto y que
utiliza en general componentes de potencia, tales como tiristores,
GTO, etc.
Hasta la fecha, los semiconductores que se
emplean como interruptores en los convertidores y en particular en
los onduladores permiten una tensión de magnitud importante frente a
la tensión de la red catenaria.
En el caso particular de una tensión catenaria
de 3 kV continua nominal se propone utilizar, por ejemplo, dos GTO
de 4,5 kV en serie. Se obtiene así un margen de seguridad importante
que permite sostener la tensión en bornes del ondulador en todos
los casos de funcionamiento.
Además, si se produce un bloqueo del
convertidor, debido, por ejemplo, a una sobretensión catenaria, se
observa una sobretensión momentánea particularmente importante a la
entrada del convertidor. Esa sobretensión depende esencialmente de
los parámetros del convertidor en sí, del filtro de entrada, del
corte eventual de la corriente y de la propia línea catenaria.
Desde hace algún tiempo han aparecido nuevos
tipos de interruptores estáticos. Entre éstos se pueden citar los
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) o transistores bipolares de
puerta aislada, los MGT, los IGCT, ... De manera general, estos
dispositivos pueden evitar la utilización de dispositivos de ayuda a
la conmutación (snubber), dado que el mando se efectúa por el
disparador.
En particular, desde que se utiliza
semiconductores de esa nueva generación y en particular en el caso
de los IGGBT, se puede permitir una magnitud de tensión máxima
reducida. En efecto, basta con colocar dos IGBT de 3,3 kV en serie
en el caso de una tensión catenaria de 3 kV continua nominal. Esto
significa que el margen de seguridad en tensión es desde entonces
también reducida, y por este hecho es preciso utilizar un
dispositivo de protección que permita descrestar la tensión del
filtro de entrada del convertidor a fin de garantizar que la
tensión máxima en los bornes de los semiconductores no supere nunca
su valor máximo. El principio de tales sistemas de protección es
particularmente sencillo, y prevé que cuando la tensión supere un
umbral máximo, el dispositivo de protección se conecte y sólo se
desconectará cuando la tensión volverá a estar por debajo de un
umbral mínimo. No obstante, la necesidad de colocar un dispositivo
de protección por descrestado de la tensión comporta igualmente la
utilización de un dispositivo de consumo de potencia en la entrada
del convertidor y, en la práctica, de resistencias.
Habitualmente, los convertidores de propulsión
van provistos, además del filtro dispuesto más arriba del
convertidor, en ciertos casos particulares, de un troceador de
frenado.
El documento "IGBT inverter system for rolling
stock", a nombre de Horie A. y otro describe el funcionamiento
clásico de un troceador de frenado que sirve asimismo de dispositivo
de protección de sobretensión.
El documento "Elektrische Ausrüstung der
Triebzüge Baureihe 481/482 für die S-Bahn
Berlin'elektrische Bahnen", a nombre de Ernst G. y otro no
describe el funcionamiento de protección contra las sobretensiones
que proceden de la red. En esa aplicación, es muy probable que la
sobretensión sea asumida por los semiconductores, dado que se trata
de semiconductores de tipo GTO.
La presente invención contempla proponer la
utilización de interruptores de la nueva generación tales como IGBT
para los convertidores, a la vez que prevé un dispositivo de
protección.
Además, la presente invención contempla
igualmente proponer una instalación destinada a poner en práctica
el procedimiento, que permite una utilización racional de los
equipos de control de frenado y de protección contra las
sobretensiones a la entrada del convertidor que alimenta los
motores.
La presente invención se refiere a una
instalación destinada a permitir la alimentación de un motor de
propulsión según la reivindicación 3.
En las reivindicaciones 4 a 9 se exponen otras
características.
La presente invención se refiere igualmente al
procedimiento de alimentación de un motor de propulsión según la
reivindicación 1.
En la reivindicación 2 se exponen otras
características.
La figura 1 representa el esquema de principio
de la cadena de propulsión que comprende los diferentes módulos y
circuitos de potencia tales como el circuito de entrada, el filtro
de entrada, el troceador de frenado, el ondulador y el motor
eléctrico de propulsión en el caso de una utilización de
interruptores según el estado de la técnica.
La figura 2 representa el esquema de principio
de un troceador de frenado en el caso de una utilización de
interruptores de la nueva generación, tales como los IGBT.
La figura 3 representa el esquema de principio
de un dispositivo de protección que funciona por descrestado
necesario a raíz de una utilización de interruptores de la nueva
generación, tales como los IGBT, en la cadena de propulsión como la
representada en la figura 1.
La figura 4 representa el esquema de principio
de la solución propuesta según la presente invención que combina
las funciones de troceador de frenado y de descrestador de la
tensión.
Las figuras 5 y 6 representan los principios de
mando, respectivamente del troceador de frenado y del descrestador
de la tensión.
En la figura 1 se ha representado la cadena
completa de propulsión de dos motores de propulsión M1 y M2. Según
la forma de propulsión representada en la figura 1, más arriba de
estos motores trifásicos de propulsión M1 y M2 se ha dispuesto un
ondulador clásico E de tres niveles y tres ramas para alimentar las
tres fases R, S, T de dichos motores, un troceador de frenado C y
un filtro de entrada A en sí mismo directamente acoplado, por medio
de un circuito de entrada O a la catenaria 15 de 3000 V y al carril
16. De manera clásica los diferentes compuestos de los dispositivos
de potencia son GTO que no requieren el empleo de un dispositivo
suplementario de protección de tensión (descrestador).
En el caso de una utilización de interruptores
de la nueva generación como los IGBT, es preciso utilizar, en el
caso de una catenaria a 3000 V en cada una de las ramas, dos
transistores IGBT a fin de mantener la potencia. En este caso los
dos transistores IGBT se disponen en paralelo y están en serie sobre
una resistencia de frenado. Como se ha mencionado ya anteriormente,
es preciso añadir un dispositivo de protección como el representado
en la figura 3, que permita el descrestado de la tensión del filtro
de entrada y del convertidor. De manera clásica, cada rama se
compone de un interruptor IGBT puesto en serie con un diodo y una
resistencia de descrestado en paralelo.
En la práctica se observa que en el caso de
frenado, cuando la tensión entre los puntos L1 (conectado a la
catenaria por medio del filtro de entrada) y L2 (en conexión con los
raíles) se hace superior a un umbral, lo que significa que la línea
no puede recuperar la energía de frenado, se limita la tensión en
los condensadores 3 y 4 activando los semiconductores de control 5
y 6. Éstos derivan la corriente hacia las resistencias de troceado
7 y 8.
El punto intermedio L3 entre los semiconductores
5 y 6 se conecta al punto intermedio L4 entre los condensadores 3 y
4 del filtro de entrada A.
El troceador de frenado B que equipa la mayoría
de los convertidores de tracción se dimensiona para una potencia
importante.
Con el fin de disminuir los costes, se propone
una solución tal como la representada en la figura 4, que combina
las funciones de troceador de frenado y de descrestador de tensión
en el seno de un umbral y el mismo dispositivo de potencia.
A este fin, las resistencias 7 y 8 se desdoblan
en 11+, 12+, 11- y 12-. Los semiconductores IGTB que alimentan las
resistencias, en serie con éstas, se desdoblan igualmente: 13+, 14+,
13- y 14-. Lamentablemente, el dimensionado del dispositivo que
debe actuar como descrestador impone una resistencia de descrestado
débil para generar una corriente bastante importante en orden a una
buena protección en tensión de los semiconductores del descrestador
y del ondulador (no representada en las figuras y 4), que debe
acoplarse a los bornes L5 y L6.
Ahora bien, el empleo de una resistencia débil
que convenga al descrestado conduciría a una corriente demasiado
importante, y por ello a pérdidas exageradas en el dispositivo
cuando éste funciona como troceador de frenado.
Según la presente invención, la solución
consiste en accionar en alternancia la corriente que recorre las
resistencias cuando éstas se utilizan para la función de troceado de
frenado.
Cuando el troceador de frenado C funciona como
descrestador de tensión, la potencia térmica a disipar a nivel de
las resistencias es menos grande, porque el tiempo de funcionamiento
es corto. En este caso, los pares de semiconductores de control 13+
y 14+, y 13- y 14- son gobernados simultáneamente y las resistencias
11+ y 12+, y 11- y 12- son alimentadas en paralelo, si bien la
resistencia equivalente entre los puntos L1 y L2 es la mitad de la
resistencia equivalente obtenida a raíz del funcionamiento como
troceador de frenado.
Conviene destacar que, para un efecto dado como
troceador de frenado, la resistencia no está
sobre-dimensionada. Está simplemente constituida
por dos partes separadas.
La invención permite reducir la frecuencia de
conmutación de los semiconductores que funcionan como troceador de
frenado sin modificar la frecuencia en los condensadores del filtro
de entrada. Se reducen así las pérdidas por conmutación como
troceador de frecuencia.
Esto permite, pues, beneficiarse de las ventajas
del modo de funcionamiento alternado (por entrelazado).
Además, no se aumentan las pérdidas por
conducción: como resultado del doblamiento de la resistencia
alimentada por cada semiconductor de control, la corriente que
conduce se reduce a la mitad, pero esa corriente es conducida dos
veces en razón de la alternancia del funcionamiento de los
semiconductores de control.
Por el contrario, a raíz del funcionamiento como
descrestador de tensión, la resistencia equivalente se reduce a la
mitad, lo cual permite tener una protección en tensión eficaz
gracias a una corriente doble.
El principio de funcionamiento como troceador de
frenado se describe en el diagrama de la figura 5 relativa (a
título de ejemplo) a los semiconductores de control 13+ y 14+ que
actúan en alternancia. Durante un periodo de tiempo T, 13+ actúa
durante un tiempo \deltaT/2 comenzando en el tiempo 0, y 14+ actúa
durante el mismo tiempo \deltaT/2 que comienza en el momento T/2.
La duración \deltaT/2 se determina según la importancia del
efecto de troceado a realizar, es decir, de la potencia a
disipar.
Por el contrario, el diagrama de la figura 6
muestra la acción simultánea, en cada periodo T, de los
semiconductores 13+ y 14+ durante un tiempo \deltaT cuando
funcionan como descrestadores de tensión.
Según la presente invención, el descrestado debe
intervenir cuando la tensión supera el umbral máximo de valor de
los semiconductores del troceador de frenado C y/o del ondulador E,
a causa de una sobretensión en la catenaria 15 o de un bloqueo del
ondulador, principalmente.
En este caso, el dispositivo electrónico de
mando bloquea el ondulador de tracción E y activa el funcionamiento
como descrestador, incluso si no existe demanda de intervención como
troceador de frenado.
El descrestador deriva la corriente a las
resistencias dispuestas entonces en paralelo, encendiéndose en un
umbral alto y extinguiéndose en un umbral bajo de manera que
mantiene la tensión por debajo de un valor máximo, tensión de valor
con seguridad de los semiconductores. El tiempo transcurrido entre
los pasos por estos dos umbrales es lo que determina la duración
\deltaT (ver figura 6). Si ese funcionamiento supera una duración
determinada, una seguridad suplementaria asegura la apertura del
disyuntor catenaria inserto en el circuito de entrada D.
De manera ventajosa, se ha previsto utilizar
unos dispositivos que no necesitan una reconfiguración por
contactor, permitiendo la electrónica esa reconfiguración
automática.
El ejemplo de ejecución descrito anteriormente
se basa en la utilización de un ondulador de tres niveles. Debe
entenderse que la aplicación del procedimiento a un ondulador de dos
niveles podría efectuarse sin dificultad por un experto en la
materia y no se excluye de la presente invención.
Claims (9)
1. Procedimiento para la alimentación de un
motor de propulsión que se presenta bajo la forma de una carga (M)
al comienzo de una red continua que constituye la fuente por medio
de un convertidor (E), de medios de protección de las
sobre-tensiones por descrestado (B) que comprende
unas resistencias destinadas a derivar el exceso de tensión y de un
troceador de frenado (C) que comprende unas resistencias de frenado
destinadas a derivar la corriente de frenado, estando cada
resistencia conectada en serie con un semiconductor distinto y en el
cual se utilizan las mismas resistencias (11+, 12+, 11- y 12-) como
medios de protección de las sobretensiones por descrestado y como
resistencias de frenado caracterizado porque las resistencias
están dispuestas en circuitos separados montados en paralelo, y
porque se gobierna los semiconductores de control (13+, 14+, 13- y
14-) de dichas resistencias (11+, 12+, 11- y 12-) de manera
alternada a raíz del frenado y de manera simultánea a raíz del
descrestado.
2. Procedimiento de alimentación según la
reivindicación 1, caracterizado porque se gobierna los
citados semiconductores de control (13+, 14+, 13- y 14-) de las
citadas resistencias (11+, 12+, 11- y 12-) en el modo de
funcionamiento alternado por entrelazado.
3. Instalación destinada a permitir la
alimentación de un motor de propulsión que se presenta bajo la forma
de una carga (M) al comienzo de una red continua que constituye la
fuente por medio de un convertidor (E), de medios de protección de
las sobretensiones por descrestado (B) que comprenden unas
resistencias destinadas a derivar el exceso de tensión y de un
troceador de frenado (C) que comprende unas resistencias de frenado
destinadas a derivar la corriente de frenado, estando conectada cada
resistencia (11+, 12+, 11- y 12-) en serie con un semiconductor de
control (13+, 14+, 13- y 14-) distinto, siendo las resistencias de
los medios de protección de las sobretensiones por descrestado y
las resistencias de frenado las mismas resistencias (11+, 12+, 11-
y 12-), caracterizada porque las resistencias están
dispuestas en circuitos separados montados en paralelo, y porque
los semiconductores de control (13+, 14+, 13- y 14-) de dichas
resistencias actúan sobre las propias resistencias de manera que se
alimentan de manera alternada a raíz del frenado y de manera
simultánea a raíz del descrestado.
4. Instalación según la reivindicación 3,
caracterizada porque las resistencias (11+, 12+, 11- y 12-)
están conectadas en serie con unos semiconductores (13+, 14+, 13- y
14-) que controlan la corriente en el sentido directo, es decir,
del polo positivo (L1) al polo negativo (L2).
5. Instalación según una de las reivindicaciones
3 o 4, caracterizada porque cada una de las resistencias
(11+, 12+, 11- y 12-) está conectada en paralelo con un diodo (9 o
10) que impide el paso de la corriente directa, es decir, del polo
positivo (L1) al polo negativo (L2).
6. Instalación según una de las reivindicaciones
3 a 5, caracterizada porque el convertidor (E) es un
convertidor de dos niveles.
7. Instalación según una de las reivindicaciones
3 a 5, caracterizada porque el convertidor (E) es un
convertidor de tres niveles, con un nivel unido a un punto
intermedio (23) de la red continua.
8. Instalación según la reivindicación 7,
caracterizada porque las resistencias (11+, 12+, 11- y 12-)
comprenden un primer grupo de resistencias (11+, 12+) entre el polo
positivo (L1) de la red y el punto intermedio (L3) de la red, y un
segundo grupo de resistencias (11-, 12-) entre el polo negativo (L2)
y el punto intermedio (L3) de la red.
9. Instalación según la reivindicación 1,
caracterizada porque en el punto intermedio (L3) de la red
continua van unidos por lo menos dos semiconductores de control
(13+, 14+, 13- y 14-) conectados cada uno a por lo menos una
resistencia (11+, 12+, 11- y 12-), estando las resistencias
acopladas por pares a los dos polos de la red (L1 y L2).
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