ES2334628B1 - Dispositivo y procedimiento de control para recuperacion de energia cinetica en sistemas ferroviarios. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y procedimiento de control para
recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios.
El sistema ferroviario cuenta con una catenaria
de tensión contínua (20) conectada a un bloque de puentes
rectificadores (40) que a su vez conecta con un transformador (30)
unido a una red de corriente alterna trifásica (10). El dispositivo
(50) presenta un primer bloque de elevación de tensión DC/DC (51)
conectado entre la catenaria (20) y un bus intermedio que conecta
con un segundo bloque de generación de corriente trifásica DC/AC
(52) unido al transformador (30). El primer bloque (51) permite
elevar la tensión DC de la catenaria (20) generando una tensión
controlada, a partir de la cual el segundo bloque (52) genera una
corriente trifásica de alta calidad que se entrega a la red
(10).
Description
Dispositivo y procedimiento de control para
recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios.
La presente invención, tal y como se expresa en
el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un
dispositivo y procedimiento de control para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, cuya finalidad consiste en
optimizar la recuperación de energía posibilitada en las frenadas
de los trenes, permitiendo inyectar en la correspondiente red de
tensión una corriente trifásica de alta calidad incluso en
situaciones de tensión de red elevadas y empleando el transformador
preexistente en la correspondiente acometida de la subestación.
Mediante la invención se produce una regeneración de energía en
sistemas de tracción durante los procesos de frenado de los trenes
asociados a una catenaria de corriente continua, de manera que
mediante el dispositivo de la invención cuando la tensión leída en
la catenaria supera un valor determinado se comienza a extraer
energía para inyectarla en la red de alterna correspondiente;
superando inconvenientes del estado de la técnica tales como el
escaso aprovechamiento respecto de toda la energía disponible que
se podría inyectar en la red y las fluctuaciones de tensión que se
producen en otros sistemas.
Son conocidos sistemas ferroviarios que cuentan
con una catenaria de tensión continua conectada a un bloque de
puentes rectificadores que a su vez conecta con el secundario de un
transformador existente en la acometida de la correspondiente
subestación y cuyo primario conecta con una red de corriente
alterna trifásica, conectándose un dispositivo de aprovechamiento
de energía entre la catenaria y el secundario del transformador, de
manera que en las frenadas de los trenes se entrega determinada
tensión a dicha red para facilitar un aprovechamiento de
energía.
La figura 12, correspondiente al estado de la
técnica muestra un esquema existente en subestaciones ferroviarias
con catenaria de tensión continua, donde la catenaria 20 se
alimenta a través de puentes rectificadores no controlados 40 que
no permiten el flujo de energía de esa catenaria 20 hacia la red de
alterna 10, de manera que la unidad ferroviaria o tren al efectuar
una frenada limita la tensión sobre la catenaria 20 y la energía
sobrante se quema en un sistema instalado para tal efecto en la
propia unidad ferroviaria.
Superando la situación descrita en el párrafo
anterior se han propuesto soluciones tales como la mostrada en la
figura 13, correspondiente también al estado de la técnica
permitiendo recuperar energía mediante un dispositivo 60a, que sin
embargo presenta inconvenientes relativos a que solo puede
recuperar energía cuando la tensión en la catenaria 20 es
suficientemente elevada para que el correspondiente circuito
inversor pueda regular la corriente que se entrega a la red 10.
Esta solución que se muestra en la figura 12 no es satisfactoria
porque no se aprovecha toda la energía disponible en la catenaria
20 y porque la calidad de la corriente entregada a la red 10 se
puede ver mermada por la falta de tensión suficiente.
Otra solución del estado de la técnica se
muestra en la figura 14, donde el correspondiente dispositivo 60b
emplea un transformador independiente 70 para elevar la tensión. En
este caso se presentan inconvenientes relativos a que la inversión
y el volumen de la instalación son mayores y aún así el sistema se
encuentra sujeto a fluctuaciones de tensión de la red 10, sin que
la tensión de trabajo sea la necesaria para optimizar la calidad de
la corriente entregada.
Para lograr los objetivos y evitar los
inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención
consiste en un dispositivo y procedimiento de control para
recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios donde el
sistema ferroviario cuenta con una catenaria de tensión continua
conectada a un bloque de puentes rectificadores que a su vez
conecta con el secundario de un transformador, existente en la
acometida de la correspondiente subestación, cuyo primario conecta
con una red de corriente alterna trifásica, conectándose el
dispositivo entre la catenaria y el secundario del
transformador.
Novedosamente, según la invención, el
dispositivo de la misma cuenta con un primer bloque de elevación de
tensión DC/DC, que aísla armónicos y fluctuaciones de la
catenaria, conectado entre la catenaria y un bus intermedio
provisto de condensador que a su vez conecta con un segundo bloque
de generación de corriente trifásica DC/AC unido al secundario del
transformador; de manera que en las frenadas del correspondiente
tren el aludido primer bloque permite elevar la tensión DC de la
catenaria generando una tensión controlada en el bus intermedio; en
tanto que el referido segundo bloque, a partir de dicha tensión
controlada, permite generar una corriente trifásica de alta calidad
que se entrega a la red trifásica a través del transformador.
Según las realizaciones preferentes de la
invención, el aludido dispositivo de la misma se dimensiona
inferior en capacidad de potencia y energía al sistema de
alimentación de la catenaria preexistente basado en los puentes
rectificadores; de manera que el transformador pueda soportar el
flujo de energía resultante.
En una realización preferente de la invención
para el aludido primer bloque éste se encuentra formado por al
menos una rama con al menos tres interruptores semiconductores donde
al menos el interruptor del medio es controlable en el encendido y
en el apagado; en tanto que el punto medio formado entre el
interruptor semiconductor superior y el del medio está conectado a
través de una bobina al polo positivo de la catenaria, y el punto
medio formado entre el interruptor semiconductor inferior y el del
medio está conectado a través de una bobina al polo negativo o
tierra de la catenaria.
Para dicha realización y en la aludida rama los
interruptores semiconductores superior e inferior son
unidireccionales en corriente y de tipo diodo, mientras que el
interruptor del medio es bidireccional en corriente y de tipo
IGBT.
En una segunda realización del referido primer
bloque éste se encuentra formado por dos ramas con al menos dos
interruptores semiconductores en cada una, de manera que el punto
medio de una de las ramas está conectado a través de una bobina al
polo positivo de la catenaria y el punto medio de la otra rama está
conectado a través de otra bobina a tierra o polo negativo de la
catenaria.
En una realización de esas dos ramas el
interruptor semiconductor superior de la rama asociada al polo
positivo de la catenaria y el interruptor semiconductor inferior de
la rama asociada al polo negativo de la catenaria son
unidireccionales en corriente y de tipo diodo, mientras que los
otros dos interruptores semiconductores son bidireccionales en
corriente y de tipo IGBT.
En otra realización de las referidas dos ramas
los mencionados interruptores semiconductores de cada una de las
dos ramas son bidireccionales en corriente y de tipo IGBT.
En una tercera realización del referido primer
bloque del dispositivo dicho primer bloque está formado por al
menos una rama con al menos cuatro interruptores semiconductores
donde al menos los dos interruptores del medio son controlables en
el encendido y en el apagado; y el punto medio formado entre los
dos interruptores semiconductores superiores está conectado a
través de una bobina al polo positivo de la catenaria; en tanto que
el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores
inferiores está conectado a través de una bobina al polo negativo de
la catenaria.
Para esa tercera realización del primer bloque
la aludida rama puede presentar los dos interruptores
semiconductores superior e inferior unidireccionales en corriente y
de tipo diodo y los dos interruptores semiconductores del medio
bidireccionales en corriente y de tipo IGBT; habiéndose previsto
además que en dicha tercera realización del primer bloque la
mencionada rama presente sus cuatro interruptores semiconductores
bidireccionales en corriente de tipo IGBT.
En una primera realización del aludido segundo
bloque del dispositivo de la invención, dicho segundo bloque está
formado por tres ramas con al menos dos interruptores
semiconductores bidireccionales en corriente en cada rama, de
manera que cada rama corresponde a una fase del sistema de tensión
trifásico de la red trifásica y presenta opcionalmente una
inductancia conectada entre el punto medio de la rama y la fase
correspondiente del transformador; pudiéndose prescindir de dichas
inductancias en caso de que la correspondiente inductancia de fugas
del transformador sea suficiente para asegurar la regulación de la
corriente.
En una segunda realización del referido segundo
bloque del dispositivo, prevista para aplicaciones de tensión
elevada, se utiliza un circuito de tipo trinivel NPC con
interruptores semiconductores unidireccinales en corriente de tipo
diodo unidos a un punto medio del bus intermedio, que limitan la
tensión soportado por otros interruptores semiconductores de tipo
IGBT; presentando en este caso el bus intermedio dos condensadores
entre los que se establece el referido punto medio.
Por otra parte, para ampliaciones de potencia
con corrientes elevadas, el dispositivo de la invención puede
presentar un primer bloque encargado de regular la tensión del bus
intermedio dimensionado con el número de ramas necesarias para
poder trabajar con la correspondiente corriente, a la vez que uno o
varios del referido segundo bloque son puestos en paralelo a partir
de ese único bus intermedio de continua provisto de un único
condensador.
Además, según otra realización de la invención,
entre la catenaria y el bloque de elevación de tensión DC/DC es
susceptible de interconectarse un bloque adicional optativo formado
por un diodo cuyo ánodo esté conectado al polo positivo de la
catenaria y cuyo cátodo se conecte al polo positivo del bloque de
elevación de tensión DC/DC, y por un condensador conectado entre el
cátodo del referido diodo y el polo negativo o tierra de la
catenaria; con la funcionalidad de aportar armónicos de la
corriente consumida por el bloque de elevación de tensión DC/DC de
manera que no se consuman de la catenaria y no se perturbe a la
misma, quedando desacoplado el referido condensador de las
perturbaciones existentes en la catenaria gracias al aludido
diodo.
Según el procedimiento de control de la presente
invención, que emplea el dispositivo que se ha descrito, para la
regulación de la potencia y calidad de corriente entregada a la red
de alterna, se presenta la acción de dos reguladores acoplados, de
los cuales uno regula la tensión del bus intermedio a un valor
determinado, controlando la corriente a través del bloque de
elevación de tensión DC/DC, quedando el bus intermedio desacoplado
de las variaciones y perturbaciones existentes en la catenaria;
mientras que el otro regula la potencia que el bloque de generación
de corriente trifásica DC/AC entrega a la red, establecida a partir
de la tensión medida en la catenaria siempre que ésta supere un
umbral determinado, optimizándose la dinámica del sistema con una
señal feedforward a través de la que el segundo regulador manda al
primero el valor de la potencia que entrega a la red.
Además, en el procedimiento de control que se ha
aludido se incluye una regulación por parte de un control asociado
al bloque de elevación de tensión DC/DC de una tensión del bus
intermedio superior a la tensión de catenaria, permitiendo la
recuperación de energía en situaciones de tensión de red elevadas y
cercanas a la tensión de catenaria, logrando así la optimización de
la energía total recuperada.
Según el procedimiento de control que se viene
describiendo, mediante el mismo se efectúa una minimización de la
componente armónica de la corriente entregada por el bloque de
generación de corriente trifásica DC/AC, estableciendo el valor de
tensión de bus intermedio óptimo para cada valor de tensión de
red.
Según el procedimiento de control de la
invención, se monitoriza la corriente circulante por el bloque de
puente rectificadores durante el proceso de regeneración y se
ajusta el valor de la tensión umbral a regular en la catenaria de
modo que el valor de la corriente recirculante entre el bloque de
puente rectificadores y el dispositivo de la invención sea mínimo o
igual a cero.
Con la estructura que se ha descrito, el
dispositivo de la invención presenta ventajas tales como que el
sistema inicial basado en diodos para la alimentación de la
catenaria permanece inalterado y con el dispositivo de la invención
se facilita un sistema de recuperación de energía transparente a su
funcionamiento, de manera que en caso de avería el dispositivo de
la invención se desconecta permaneciendo la subestación operativa.
Además, en el dispositivo de la invención, el paso previo de
conversión DC/DC aisla el condensador del bus intermedio de
fluctuaciones y armónicos existentes en la catenaria, de manera que
la generación de la corriente trifásica se realiza a partir de una
tensión de bus estabilizada y la vida útil del condensador del bus
no se ve reducida por armónicos existentes en la catenaria.
Asimismo, en caso de cortocircuito en la catenaria, el dispositivo
de la invención no se ve afectado y no aporta energía dicho corto
circuito ya que el bus intermedio permanece aislado de la
catenaria.
En el dispositivo de la invención, la estrategia
de control se basa en la medida y regulación de la tensión de
catenaria. En el proceso de frenado, los trenes elevan la tensión
de la catenaria para entregar energía a la misma. El control del
dispositivo trata de limitar la tensión máxima existente en la
catenaria extrayendo corriente de la misma.
El dispositivo de regeneración de energía de la
invención monitoriza en todo momento la tensión en la catenaria.
Cuando la tensión leída supera el valor de un umbral deseado se
comienza a extraer energía de la catenaria tratando que la tensión
en la misma no supere el umbral deseado.
La potencia máxima que se extrae de la catenaria
viene limitada por la potencia máxima para la que se ha diseñado
el dispositivo.
El dispositivo de la invención puede además
cumplir otras funciones. Así, en la parte de alterna, el
dispositivo de la invención puede funcionar como filtro activo y
mejorar la calidad de onda de la intensidad consumida por el puente
de diodos o compensar la energía reactiva para conseguir un valor
de cos(phi) cercano a 1.
Además, en el caso de que el referido primer
bloque del dispositivo de la invención sea bidireccional en
corriente, el dispositivo completo se puede utilizar durante las
aceleraciones del tren para aportar energía a la catenaria 20,
consumiendo corriente de alta calidad de la red de alterna. También
se puede utilizar el referido primer bloque o circuito chopper del
dispositivo de la invención para compensar armónicos en la
catenaria.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
del la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención.
Figura 1.- Representa esquemáticamente un
diagrama de bloques funcionales de un dispositivo para recuperación
de energía cinética en sistemas ferroviarios realizado según la
presente invención.
Figura 2.- Representa esquemáticamente una
primera realización de un primer bloque existente en la anterior
figura 1.
Figura 3.- Representa esquemáticamente una
segunda realización del primer bloque referido en la anterior
figura 2.
Figura 4.- Representa una variante de la segunda
realización referida en la anterior figura 3.
Figura 5.- Representa esquemáticamente al
circuito de una tercera realización del referido primer bloque de
la anterior figura 1.
Figura 6.- Representa una variante de esa
tercera realización que se aludió en la figura 5.
Figura 7.- Representa esquemáticamente al
circuito de una primera realización de un segundo bloque existente
en la anterior figura 1.
Figura 8.- Representa al circuito de una segunda
realización del referido segundo bloque aludido en la anterior
figura 7.
Figura 9.- Representa un diagrama de bloques
funcionales de un dispositivo para recuperación de energía cinética
en sistemas ferroviarios análogo al de la anterior figura 1 pero
según una segunda realización de la invención.
Figura 10.- Representa un diagrama de bloques
funcionales de un dispositivo para recuperación de energía cinética
en sistemas ferroviarios análogo al de las anteriores figuras 1 y 9
pero según una tercera realización de la invención.
Figura 11.- Representa un diagrama de tensiones
y corrientes facilitado con el diagrama de bloques de la anterior
figura 1.
Figura 12.- Representa esquemáticamente un
diagrama de bloques funcionales del estado de la técnica con
elementos empleados en la presente invención.
Figura 13.- Representa un diagrama de bloques
funcionales del estado de la técnica de un dispositivo para
recuperación de energía en sistemas ferroviarios que emplea una
solución distinta a las que se presentan en esta invención.
Figura 14.- Representa un diagrama de bloques
funcionales del estado de la técnica con una solución distinta de
la de la anterior figura 12 y de las presentadas en esta
invención.
Seguidamente se realiza una descripción de
varios ejemplos de la invención haciendo referencia a la
numeración adoptada en las figuras.
Así, en la figura 1 se muestra el esquema
general o diagrama de bloques funcionales de la realización
principal de la invención, donde el dispositivo de la misma
referenciado como 50 se conecta entre una catenaria de tensión
continua 20 y el secundario de un transformador 30 preexistente en
la subestación correspondiente y conectado a una red de
distribución de corriente alterna trifásica 10. Además, hay un
bloque de puentes rectificadores 40 conectado entre la catenaria 20
y el secundario del transformador 30. El dispositivo de la
invención 50 está formado por un segundo bloque 52 que tiene la
capacidad de generar tensión alterna trifásica a partir de la
tensión continua de un bus intermedio con condensador 53 que es
regulado por un primer bloque 51 del dispositivo y que está provisto
con interruptores semiconductores para intercambiar energía entre
dos fuentes de tensión continua Así, el primer bloque 51 es un
bloque de elevación de tensión DC/DC mientras que el segundo bloque
52 es un bloque de generación de corriente trifásica DC/AC.
En todas las realizaciones que se muestran en
este apartado, el dispositivo 50 se dimensiona inferior en
capacidad de potencia y energía al sistema de alimentación de la
catenaria 20 preexistente y basado en los puentes rectificadores
40, de manera que el transformador 30 pueda soportar el flujo de
energía resultante.
La configuración de elementos 51, 52 y 53 del
dispositivo 50 que se acaba de mencionar posibilita que en las
frenadas de un tren el primer bloque 51 eleve la tensión DC de la
catenaria 20 generando una tensión controlada en el bus intermedio
o bornas del condensador 53, en tanto que el segundo bloque 52, a
partir de dicha tensión controlada genera una corriente trifásica
de alta calidad que se entrega a la red trifásica 10 a través del
transformador 30.
En las figuras 2 a 6 se muestran varios
circuitos de realizaciones preferentes para la parte del
dispositivo 50 referida como primer bloque 51 de elevación de
tensión.
Así, en la figura 2 ese primer bloque
referenciado como 51a está formado por al menos una rama 55 con al
menos tres interruptores semiconductores donde al menos el
interruptor del medio es controlable en el encendido y en el
apagado, en tanto que el punto medio formado entre el interruptor
semiconductor superior y el del medio está conectado a través de
una bobina al polo positivo de la catenaria 20; y el punto medio
formado entre el interruptor semiconductor inferior y el del medio
está conectado a través de una bobina al polo negativo o tierra de
lag catenaria 20. Los interruptores semiconductores superior e
inferior de la referida rama 55 son unidireccionales en corriente y
de tipo diodo, referenciándose como 58; mientras que el interruptor
del medio es bidireccional en corriente de tipo IGBT y referenciado
como 59, según se aprecia en la aludida figura 2.
Por otra parte, en las figuras 3 y 4 ese primer
bloque del dispositivo 50 se referencia como 51b y muestra una
segunda realización del primer bloque en el que hay dos ramas, 56a
para la figura 3 y 56b para la figura 4. Estas dos ramas 56a ó 56b
cuentan con al menos dos interruptores semiconductores cada una de
ellas, de manera que el punto medio de una de las ramas está
conectado a través de una bobina al polo positivo de la catenaria
20 y el punto medio de la otra rama está conectado a través de otra
bobina a tierra o polo negativo de la catenaria 20.
En la figura 3, en esas dos ramas 56a el
interruptor semiconductor superior de la rama asociada al polo
positivo de la catenaria y el interruptor semiconductor inferior de
la rama asociada al polo negativo son unidireccionales en
corriente y de tipo diodo 58, mientras que los otros dos
interruptores semiconductores son bidireccionales en corriente y de
tipo IGBT 59.
En la variante de la segunda realización del
primer bloque del dispositivo 50, mostrada en la figura 4, esas
dos ramas 56b presentan los dos interruptores semiconductores de
cada una de las dos ramas bidireccionales y de tipo corriente IGBT
59, tal y como se aprecia en la figura 4.
En las figuras 5 y 6 se muestra una tercera
realización para el primer bloque del dispositivo 50 que está
especialmente diseñado para aplicaciones de mayor tensión y que se
ha referenciado como 51c. Así, en la figura 5 el primer bloque 51c
está formado por al menos una rama 57a con al menos cuatro
interruptores semiconductores donde al menos los dos interruptores
del medio son controlables en el encendido y en el apagado; y el
punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores
superiores está conectado a través de una bobina al polo positivo
de la catenaria, en tanto que el punto medio formado entre los dos
interruptores semiconductores inferiores está conectado a través de
una bobina al polo negativo de la catenaria. En dicha rama 57a los
dos interruptores semiconductores superior e inferior de la rama
son unidireccionales en corriente de tipo diodo 58 y los dos
interruptores semiconductores del medio son bidireccionales en
corriente de tipo IGBT 59.
La configuración de la figura 6 es análoga a la
anterior figura 5 pero en ella la rama correspondiente 57b del
bloque 51c presenta los cuatro interruptores semiconductores
bidireccionales en corriente de tipo IGBT 59.
En esta tercera realización del primer bloque
51c, tal y como puede verse en las figuras 5 y 6, el condensador 53
del dispositivo es sustituido por un bloque condensador 53' que
presenta dos condensadores con puntos de conexión al primer bloque
en los extremos y entre dichos condensadores.
En estas figuras que se han explicado 2 a 6 se
representa además con líneas discontinuas la posibilidad de
aumentar la capacidad de corriente y con ello la capacidad de
potencia del dispositivo 50, de manera que se aprecia la
posibilidad de conectar en paralelo las ramas o unidades que se
requieran para cada caso concreto de aplicación según las
corrientes que se vayan a emplear.
En la figura 7 se muestra una primera
realización para el segundo bloque del dispositivo 50 que se ha
referenciado como 52a, mostrando un circuito que está formado por
tres ramas con al menos dos interruptores semiconductores
bidireccionales en corriente 59 en cada rama; de manera que cada
rama corresponde a una fase del sistema de tensión trifásico de la
red trifásica 10 y presenta opcionalmente una inductancia 60 para
cada rama conectada entre el punto medio de la correspondiente rama
y la fase correspondiente del transformador 30; pudiéndose
prescindir de esas inductancias 60 en caso de que la
correspondiente inductancia de fugas del transformador 30 sea
suficiente para asegurar la regulación de la corriente.
En la figura 8 se muestra una segunda
realización del segundo bloque del dispositivo 50 para aplicaciones
de tensión elevada y referenciado como 52b, constituyendo un
circuito de tipo trinivel NPC con interruptores semiconductores
unidireccionales en corriente de tipo diodo 58 unidos a un punto
medio del bus intermedio, y que limitan la tensión soportada por
otros interruptores semiconductores de tipo IGBT 59, presentando en
este caso el bus intermedio dos condensadores 53' entre los que se
establece el referido punto medio, tal y como puede apreciarse en
la figura 8.
La figura 9 representa una segunda realización
del esquema general del dispositivo 50, mostrando la posibilidad
de ampliaciones de potencia con corrientes elevadas, para lo cual,
el referido primer bloque 51 se encarga de regular la tensión del
bus intermedio y se dimensiona con el número de ramas necesarias
para poder trabajar con la corriente correspondiente, al tiempo que
uno o varios del referido segundo bloque 52 son puestos en
paralelo a partir de ese único bus intermedio de continua provisto
de un único condensador 53, tal y como se representa en la figura
9. Hay que indicar que en esta figura 9 la topología del bloque 51
podría ser cualquiera de las mostradas en las figuras 2 a 6,
mientras que la topología de los bloques 52 podría ser cualquiera
de las mostradas en las figuras 7 y 8.
En la figura 10 se muestra una tercera
realización de la invención que presenta la opción de intercalar un
bloque adicional optativo 54 entre la catenaria 20 y el bloque de
elevación de tensión DC/DC 51, tal y como se representa en esa
figura 10.
Este bloque adicional optativo 54 cuenta con un
diodo 54.a cuyo ánodo está conectado al polo positivo de la
catenaria 20 y cuyo cátodo se conecta al polo positivo del bloque
de elevación de tensión DC/DC 51, presentando además un condensador
54.b conectado entre el cátodo del referido diodo y el polo
negativo o tierra de la catenaria 20, según se ha representado en
la figura 10.
La funcionalidad del condensador 54.b es la de
aportar los armónicos de la corriente consumida por el bloque de
elevación de tensión 51, de manera que no se consuman de la
catenaria 20 y no se perturbe a la misma. Por otra parte, el diodo
54.a lo que hace es desacoplar la tensión del condensador de las
perturbaciones existentes en la catenaria 20 en los períodos en los
que el conjunto de la invención o dispositivo 50 no esté
recuperando energía. Además, en caso de cortocircuito en la red,
dicho diodo 54.a impide que el condensador 54.b se descargue y por
tanto el equipo no se ve afectado por el cortocircuito.
Para la regulación de la potencia y calidad de
corriente entregada a la red de alterna 10 se emplea un
procedimiento de control utilizando el dispositivo que se ha
descrito y que presenta la acción de dos reguladores acoplados, de
los cuales uno regula la tensión del bus intermedio del condensador
53 a un valor determinado, controlando la corriente a través del
bloque de elevación de tensión 51, quedando ese bus intermedio
desacoplado de las variaciones y perturbaciones existentes en la
catenaria 20; mientras que el otro regula la potencia que el bloque
de generación de corriente trifásica 52 entrega a la red 10
establecida a partir de la tensión medida en la catenaria 20
siempre que ésta supere un umbral determinado, optimizándose la
dinámica del sistema con una señal feedforward a través de la que
el segundo regulador manda al primero el valor de la potencia que
entrega a la red 10. Esto es una estrategia de control que presenta
dos controles en paralelo; uno el asociado al bloque de elevación
de tensión 51 para controlar la tensión del bus intermedio y el
otro asociado al bloque de generación de corriente trifásica 52
para controlar la tensión en la catenaria 20 y que no pase de un
umbral determinado calculando la potencia que hay que sacar de la
catenaria 20. Para agilizar la dinámica del control, el control
asociado al bloque 52 manda el valor de la potencia extraído al
otro control.
Además, en el procedimiento de control que se ha
aludido se presenta una regulación por parte de un control
asociado al bloque de elevación de tensión 51 de una tensión del
bus intermedio del condensador 53, superior a la tensión de la
catenaria 20, permitiendo la recuperación de energía en situaciones
de tensión de red 10 elevadas y cercanas a la tensión de catenaria
20, logrando así la optimización de la energía total recuperada.
Gracias a esto se puede trabajar en situaciones de tensión de red
alta.
Además, según el procedimiento de control de la
invención, se efectúa una minimación de la componente armónica de
la corriente entregada por el bloque de generación de corriente
trifásica 52, estableciendo el valor de tensión del bus intermedio
del condensador 53 óptimo para cada valor de tensión de red 10.
Así, la tensión en el bus intermedio se ajusta siempre a la tensión
existente en la red, ya que ésta puede fluctuar en un \pm10%, de
manera que la componente de armónico resultante en la corriente
entregada sea siempre mínima.
Por otra parte, según el procedimiento de
control de la invención, se monitoriza la corriente circulante por
el bloque de puentes rectificadores 40 durante el proceso de
regeneración y se ajusta el valor de tensión umbral a regular en la
catenaria 20 de modo que el valor de la corriente recirculante
entre el bloque de puentes rectificadores 40 y el dispositivo 50
sea mínimo o igual a cero. Con ello se evita calentamiento de los
equipos y se evita que empeore la calidad de la corriente
entregada. Durante los períodos en los que el bloque de generación
de corriente trifásica está funcionando se lee la corriente que
pasa a través del bloque de puentes rectificadores, y para hacer
que esta corriente sea muy pequeña o igual a cero, lo que se hace
es aumentar el umbral de tensión de catenaria que el control
asociado a ese bloque de generación de corriente trifásica trata de
controlar. Así se consigue que la corriente mencionada se anule,
logrando el valor óptimo de energía total recuperada.
En la figura 11 se muestra la evolución de las
variables de regulación en los distintos estados de funcionamiento
del sistema correspondiente al dispositivo 50. El tiempo
comprendido entre t0 y t1 muestra el sistema en estado de reposo,
durante el cual ningún tren se encuentra traccionando o frenando.
La tensión en la catenaria 20 es igual a la tensión rectificada de
vacío de la subestación y la tensión de umbral de regulación del
dispositivo 50 es calculada en función de la tensión existente en
la red trifásica 10.
En el tiempo comprendido entre t1 y t2, un tren
se encuentra traccionando y la tensión en la catenaria 20 baja al
valor correspondiente a la tensión rectificada en la carga. La
corriente en el dispositivo 50 se mantiene a 0 ya que la tensión en
la catenaria es inferior a la tensión umbral de regulación. El
puente rectificador 40 de la subestación entrega la corriente de
tracción a la catenaria 20.
En el tiempo comprendido entre t2 y t3, el tren
ha dejado de acelerar y solo consume una corriente pequeña
resultante del mantenimiento de la velocidad, así como del consumo
de los convertidores auxiliares.
En el tiempo t3, un tren comienza a frenar
elevando la tensión de la catenaria 20 por encima de la tensión de
vacío. En el instante t4 la tensión de la catenaria 20 alcanza el
valor del umbral de regulación y el dispositivo 50 comienza a
entregar potencia a la red regulando la tensión de la catenaria
20.
El tiempo comprendido entre t4 y t5 muestra la
estrategia de control actuando sobre el valor de la tensión umbral
de regulación para minimizar o anular la corriente de recirculación
entre el puente rectificador 40 y el dispositivo 50 durante el
proceso de regeneración de energía. En el instante t4 se comienza a
extraer energía de la catenaria 20 y se crea una corriente de
recirculación. El control ajusta el valor umbral de regulación al
valor necesario para anular dicha corriente. En el instante t5 la
tensión de umbral crece al valor necesario que elimina la corriente
de recirculación.
El tiempo comprendido entre t4 y t6 muestra el
dispositivo 50 en funcionamiento y regenerando energía. La tensión
de la catenaria 20 es regulada extrayendo energía de la misma y
entregándola a la red trifásica 10 (la figura 10 muestra la
evolución del valor RMS de la corriente entregada a la red
trifásica 10). En el instante t6 el tren deja de frenar y el
sistema pasa otra vez al estado de reposo.
Claims (18)
1. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, donde el sistema ferroviario
cuenta con una catenaria de tensión continua (20) conectada a un
bloque de puentes rectificadores (40) que a su vez conecta con el
secundario de un transformador (30), existente en la acometida de
la correspondiente subestación, cuyo primario conecta con una red
de corriente alterna trifásica (10), conectándose el dispositivo
entre la catenaria (20) y el secundario del transformador (30);
caracterizado porque el dispositivo (50) cuenta con un
primer bloque de elevación de tensión DC/DC (51, 51a, 51b, 51c),
que aísla de armónicos y fluctuaciones de la catenaria, conectado
entre la catenaria (20) y un bus intermedio provisto de condensador
(53, 53') que a su vez conecta con un segundo bloque de generación
de corriente trifásica DC/AC (52, 52a, 52b) unido al secundario del
transformador (30); de manera que en las frenadas del
correspondiente tren el aludido primer bloque permite elevar la
tensión DC de la catenaria generando una tensión controlada en el
bus intermedio; en tanto que el referido segundo bloque, a partir
de dicha tensión controlada, permite generar una corriente
trifásica de alta calidad que se entrega a la red trifásica (10) a
través del transformador (30).
2. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1,
caracterizado porque dicho dispositivo (50) se dimensiona
inferior en capacidad de potencia y energía al sistema de
alimentación de la catenaria (20) preexistente y basado en los
puentes rectificadores (40); de manera que el transformador (30)
pueda soportar el flujo de energía resultante.
3. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1,
caracterizado porque el referido primer bloque (51a) está
formado por al menos una rama (55) con al menos tres interruptores
semiconductores donde al menos el interruptor del medio es
controlable en el encendido y en el apagado; en tanto que el punto
medio formado entre el interruptor semiconductor superior y el del
medio está conectado a través de una bobina al polo positivo de la
catenaria (20); y el punto medio formado entre el interruptor
semiconductor inferior y el del medio está conectado a través de
una bobina al polo negativo o tierra de la catenaria (20).
4. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 3,
caracterizado porque en la referida rama (55) los
interruptores semiconductores superior e inferior son
unidireccionales en corriente de tipo diodo (58) y el interruptor
del medio es bidireccional en corriente de tipo IGBT (59).
5. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1,
caracterizado porque el referido primer bloque (51b) está
formado por al menos dos ramas (56a ó 56b) con al menos dos
interruptores semiconductores cada una, de manera que el punto
medio de una de las ramas está conectado a través de una bobina al
polo positivo de la catenaria (20) y el punto medio de la otra rama
está conectado a través de otra bobina a tierra o polo negativo de
la catenaria (20).
6. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 5,
caracterizado porque en esas dos ramas (56a) el interruptor
semiconductor superior de la rama asociada al polo positivo de la
catenaria (20) y el interruptor semiconductor inferior de la rama
asociada al polo negativo de la catenaria (20) son unidireccionales
en corriente de tipo diodo (58) y los otros dos interruptores
semiconductores son bidireccionales en corriente de tipo IGBT
(59).
7. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 5,
caracterizado porque en esas dos ramas (56b) los dos
interruptores semiconductores de cada una de las dos ramas son
bidireccionales en corriente de tipo IGBT (59).
8. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1,
caracterizado porque el referido primer bloque (51c) está
formado por al menos una rama (57a) con al menos cuatro
interruptores semiconductores donde al menos los dos interruptores
del medio son controlables en el encendido y en el apagado; y el
punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores
superiores está conectado a través de una bobina al polo positivo
de la catenaria (20); en tanto que el punto medio formado entre los
dos interruptores semiconductores inferiores está conectado a
través de una bobina al polo negativo de la catenaria (20).
9. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 8,
caracterizado porque en dicha rama (57a) los dos
interruptores semiconductores superior e inferior de la rama son
unidireccionales en corriente de tipo diodo (58) y los dos
interruptores semiconductores del medio son bidireccionales en
corriente de tipo IGBT (59).
10. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 8,
caracterizado porque en dicha rama (57b) los cuatro
interruptores semiconductores son bidireccionales en corriente de
tipo IGBT (59).
11. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1,
caracterizado porque el referido segundo bloque (52a) está
formado por tres ramas con al menos dos interruptores
semiconductores bidireccionales en corriente (59) en cada rama; de
manera que cada rama corresponde a una fase del sistema de tensión
trifásico de la red trifásica (10) y presenta opcionalmente una
inductancia (60) conectada entre el punto medio de la rama
correspondiente y la fase correspondiente del transformador (30);
pudiéndose prescindir de dichas inductancias (60) en caso de que la
correspondiente inductancia de fugas del transformador (30) sea
suficiente para asegurar la regulación de la corriente.
12. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1,
caracterizado porque el referido segundo bloque (52b), para
aplicaciones de tensión elevada, es del tipo trinivel NPC con
interruptores semiconductores unidireccionales en corriente de tipo
diodo (58) unidos a un punto medio del bus intermedio, y que limita
la tensión soportada por otros interruptores semiconductores de
tipo IGBT (59); presentando en este caso el bus intermedio dos
condensadores (53') entre los que se establece el referido punto
medio.
13. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1,
caracterizado porque el dispositivo (50), para ampliaciones
de potencia con corrientes elevadas, presenta el referido primer
bloque (51) encargado de regular la tensión del bus intermedio con
un dimensionado provisto de un número de ramas necesarias para
poder trabajar con la corriente correspondiente, mientras que uno o
varios del referido segundo bloque (52) son puestos en paralelo a
partir de ese único bus intermedio de tensión continua.
14. Dispositivo para recuperación de energía
cinética en sistemas ferroviarios, según la reivindicación 1,
caracterizado porque entre la catenaria (20) y el bloque de
elevación de tensión DC/DC (51) es susceptible de interconectarse
un bloque adicional optativo (54) formado por un diodo (54a) cuyo
ánodo está conectado al positivo de la catenaria (20) y cuyo cátodo
se conecta al polo positivo del bloque de elevación de tensión DC/DC
(51), y por un condensador (54b) conectado entre el cátodo del
referido diodo (54a) y el polo negativo o tierra de la catenaria
(20).
15. Procedimiento de control, empleando el
dispositivo de la reivindicación 1, para la regulación de la
potencia y calidad de corriente entregada a la red de alterna (10);
caracterizado porque presenta la acción de dos reguladores
acoplados, de los cuales uno regula la tensión del bus intermedio
del condensador (53) a un valor determinado, controlando la
corriente a través del bloque de elevación de tensión DC/DC (51),
quedando el referido bus intermedio desacoplado de las variaciones
y perturbaciones existentes en la catenaria (20; mientras que el
otro regula la potencia que el bloque de generación de corriente
trifásica DC/AC (52) entrega a la red (10) establecida a partir de
la tensión medida en la catenaria (20) siempre que ésta supere un
umbral determinado, optimizándose la dinámica del sistema con una
señal feedforward a través de la que el segundo regulador manda al
primero el valor de la potencia que entrega a la red (10).
16. Procedimiento de control, según la
reivindicación 15, caracterizado por presentar una
regulación por parte de un control asociado al bloque de elevación
de tensión DC/DC (51) de una tensión del bus intermedio del
condensador (53) superior a la tensión de catenaria (20)
permitiendo la recuperación de energía en situaciones de tensión de
red (10) elevadas y cercanas a la tensión de catenaria (20),
logrando así la optimización de la energía total recuperada.
17. Procedimiento de control, según la
reivindicación 15, caracterizado porque se efectúa una
minimización de la componente armónica de la corriente entregada
por el bloque de generación de corriente trifásica DC/AC (52)
estableciendo el valor de tensión del bus intermedio del
condensador (53) óptimo para cada valor de tensión de red (10).
18. Procedimiento de control, según la
reivindicación 15, caracterizado porque se monitoriza la
corriente circulante por el bloque de puentes rectificadores (40)
durante el proceso de regeneración y se ajusta el valor de la
tensión umbral a regular en la catenaria (20) de modo que el valor
de la corriente recirculante entre el bloque de puentes
rectificadores (40) y el dispositivo (50) sea mínimo o igual a
cero.
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