ES2551090T3

ES2551090T3 - Dispositivo de compensación activo de corrientes armónicas

Info

Publication number: ES2551090T3
Application number: ES08162972.7T
Authority: ES
Inventors: Marc Bekmans
Original assignee: Alstom Transport Technologies SAS
Current assignee: Alstom Transport Technologies SAS
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2015-11-16
Anticipated expiration: 2028-08-26
Also published as: EP2045901B1; CN101378225A; EP2045901A1; RU2008135263A; RU2465710C2; FR2920607B1; FR2920607A1; HUE026843T2; ZA200807381B

Abstract

Dispositivo (40) de compensación activo de las corrientes armónicas de una corriente principal para una conexión en paralelo en un circuito de entrada de un convertidor (28), que consta de: - un sensor (44) de corriente de alimentación; - un generador (46) de corriente apto para inyectar una corriente de entrada del convertidor (28) en función de la intensidad de la corriente armónica medida por el sensor de corriente (44) en una línea de suministro de potencia, siendo el generador de corriente (46) apto para generar e inyectar en la entrada del convertidor (28), además de la corriente armónica, una corriente k veces superior a la corriente armónica medida por el sensor de corriente (44), donde k es positivo, caracterizado porque el generador de corriente (46) consta de un amplificador lineal de clase A que consta de un transistor (56), una fuente de polarización (62) continua de dicho transistor y un preamplificador (54) que une el sensor de corriente (44) al transistor (56), teniendo el preamplificador una función de transferencia que permite convertir la corriente Iin medida por el sensor de corriente, en una tensión igual a kRIin, aplicada sobre la base del transistor, donde R es el valor de una resistencia (58) que une el transistor (56) a la masa (27), estando controlado así dicho transistor linealmente por el preamplificador.

Description

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26-10-2015

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de compensación activo de corrientes armónicas

5 [0001] La presente invención se refiere a un dispositivo de compensación activo de corrientes armónicas de una corriente principal para una conexión en paralelo sobre un circuito de entrada de un convertidor, del tipo que consta de:

-un sensor de corriente de alimentación;

10 -un generador de corriente apto para inyectar una corriente de entrada del convertidor en función de la intensidad de la corriente armónica medida por el sensor de corriente.

[0002] En el ámbito ferroviario y, especialmente, en los vehículos de tracción eléctrica alimentados desde una catenaria, el retorno de corriente se efectúa a través de las vías. Es necesario que la intensidad de las corrientes de

15 entradas, excepto la corriente principal de alimentación de los motores, sea limitada. En particular, en la medida en que ciertas señales de señalización son transmitidas a través de los raíles, comúnmente a una frecuencia de 50 Hz cuando el vehículo está alimentado de corriente continua, es necesario que el vehículo de tracción presente una fuerte impedancia de entrada al menos para esta frecuencia de 50 Hz.

20 [0003] Unas limitaciones idénticas existen cuando la corriente de alimentación del vehículo de tracción es alternativa con una frecuencia por ejemplo de 50 Hz y cuando unas señales de señalización son transmitidas sobre los raíles a unas frecuencias diferentes de 50 Hz tales como 75 Hz.

[0004] Se conoce la colocación en el vehículo de tracción de grandes bobinas que permiten aumentar la

25 impedancia de entrada para una frecuencia de al menos 50 Hz en el caso de una alimentación de corriente continua. Estas bobinas son muy voluminosas y la energía almacenada es importante aunque no se utilice esta energía. Además, la bobina disipa mucha energía, comúnmente del orden de varios kW.

[0005] Para evitar tales bobinas, se conoce el hecho de recurrir a unos dispositivos de compensación activos.

30 [0006] Una primera solución consiste en añadir en serie en la entrada del convertidor una tensión negativa igual a la tensión de entrada. Del mismo modo, se conoce la colocación, en paralelo con el convertidor, de un generador de corriente apto para generar una corriente de signo opuesta a la corriente que entra en el convertidor para las frecuencias diferentes de la corriente de alimentación.

35 [0007] Estas soluciones presentan el inconveniente de necesitar una lógica de control extremadamente sofisticada que controla unos elementos de conmutación que funcionan a alta frecuencia y que generan unos parásitos.

40 [0008] El documento de Jou et al. titulado “Parallel opération of passive power filter and hybrid power filter for harmonic suppression”, IEEE proceedings, vol. 148(1), pages 8-14, describe un dispositivo de compensación activo de las corrientes armónicas de una corriente principal conectada en paralelo sobre una carga no lineal.

[0009] El documento de Rahmani et al. titulado “Implementation and simulation of modified PWM with two

45 current control techniques applied to single-phase shunt hybrid power filter”, IEE proceedings vol. 153, No.3, Mali 2006, divulga un filtro activo (active power filter, figura 4) conectado en paralelo a un circuito de entrada de un convertidor (non linear load). Un sensor de corriente detecta la corriente (Is) suministrada por una fuente de alimentación. El filtro activo inyecta una corriente de compensación (Ic) en la entrada del convertidor (non linear load) en función de la corriente captada.

50 [0010] Así, la invención tiene como objetivo proponer un dispositivo de compensación activo de las corrientes armónicas de una corriente principal que sea sencillo de aplicar y que limite la producción de parásitos.

[0011] A tal efecto, la invención tiene como objeto un dispositivo de compensación activo del tipo precitado,

55 caracterizado porque el generador de corriente es apto para generar e inyectar en la entrada del convertidor, además de la corriente armónica, una corriente k veces superior a la corriente armónica medida por el sensor de corriente, donde k es positivo.

[0012] Siguiendo unos modos particulares de realización, el dispositivo de compensación consta de una o varias

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de las características siguientes:

-el generador de corriente es apto para generar e inyectar en la entrada del convertidor una corriente proporcional a la intensidad de la corriente armónica medida por el sensor de corriente;

5 -el sensor de corriente es apto para medir únicamente los componentes alternativos de la corriente a excepción del componente principal de corriente continua o alternativa según la aplicación continua; -el sensor de corriente es apto para excluir de la medición la corriente de frecuencia igual a una frecuencia predeterminada correspondiente a la frecuencia de alimentación; -el sensor de corriente consta de una bobina de bloqueo;

10 -el generador de corriente consta de un amplificador de clase A; -el amplificador consta de un transistor, una fuente de polarización continua y una bobina de desacoplamiento que une el transistor al generador de tensión de polarización; -el generador de corriente consta de un preamplificador que une el sensor de corriente al transistor y que garantiza una amplificación de una ganancia k veces superior al valor de una resistencia que une el transistor a la masa; y

15 -el generador de corriente consta de un amplificador de clase B.

[0013] La invención tiene igualmente como objeto una cadena de tracción para vehículo de tracción ferroviario que consta al menos de un motor eléctrico, un convertidor de alimentación alimentado desde unos medios de captación de corriente y, montado en paralelo entre los medios de captación de corriente y el convertidor, un dispositivo de

20 compensación activo de las corrientes armónicas tal como se ha descrito anteriormente.

[0014] La invención se comprenderá mejor con la lectura de la descripción que aparece a continuación, dada únicamente a título de ejemplo y realizada en referencia a los dibujos, en los cuales:

25 -la figura 1 es un esquema del circuito de potencia de un coche motor según la invención; -la figura 2 es un esquema del principio de funcionamiento del circuito de la figura 1; -la figura 3 es una vista idéntica a la de la figura 1 de una variante de realización; y -la figura 4 es una vista idéntica a la de la figura 1 de un modo de realización que funciona en corriente alternativa.

30 [0015] En la figura 1 se representa una cadena de tracción 12 de un vehículo de tracción ferroviario, tal como una locomotora o un coche motor de una rama.

[0016] La cadena de tracción 12 consta de un circuito de potencia 16 alimentado desde unos medios de captación de corriente 18 y un conjunto de motores 20 que garantizan la propulsión del vehículo, siendo alimentados estos 35 motores por el circuito de potencia 16.

[0017] Más precisamente, los medios de captación de la corriente 18 constan de un pantógrafo 22 que alimenta una línea de suministro de potencia 23 y apto para extraer una corriente continua en una catenaria 24 colocada por encima de la vía. La tensión de la corriente continua en la catenaria es por ejemplo de 1,5 kV o 3 kV. Una rueda

40 conductora 26, en contacto con la vía férrea, garantiza el retorno de la corriente y el cierre del circuito. Se une a la masa 27 del circuito.

[0018] Los motores 20 son por ejemplo unos motores de corriente alternativa trifásica alimentados desde un convertidor 28. Este convertidor es apto para recibir una corriente continua en sus terminales de entrada 28A, 28B y 45 garantizar una conversión de la corriente continua de alimentación procedente de la catenaria en una corriente alternativa trifásica apta para la alimentación.

[0019] El convertidor está equipado por ejemplo, con un sistema de regulación de tipo PWM, es decir de modulación de anchura de impulso.

50 [0020] Como se conoce en sí, el convertidor 28 está precedido de un filtro LC que recibe la corriente procedente de la catenaria 24 a través de la línea de suministro de potencia 23. El filtro LC consta de una bobina 30 montada en serie entre el pantógrafo de entrada 22 y una primera entrada 28A del ondulador. Un condensador 32 del filtro LC se monta en paralelo entre los terminales de entrada 28A, 28B del convertidor 28.

55 [0021] Un dispositivo 40 de compensación activo de las corrientes armónicas de la corriente de alimentación se coloca en el circuito de potencia 16 entre el filtro LC 30, 32 y los medios 18 de captación de potencia.

[0022] El esquema de principio simplificado del dispositivo 40 se ilustra en la figura 2. En esta figura, el filtro LC, el

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convertidor 28 y los motores 20 son esquematizados por una carga 42 de impedancia Z.

[0023] El dispositivo 40 consta en este esquema de un sensor 44 de corriente alternativa, es decir un sensor de medición de la intensidad de las corrientes armónicas en la línea 23 distintas de la corriente continua que sirve para 5 la alimentación. Consta además de un generador de corriente 46 unido en paralelo a la carga 42.

[0024] El generador de corriente 46 es pilotado por el sensor 44 para generar e inyectar en la entrada de la carga 42 una corriente cuya intensidad depende de la intensidad medida por el sensor 44 y que tiene una intensidad al menos dos veces superior a la intensidad medida por el sensor 44. Preferentemente, la corriente inyectada es

10 proporcional con un factor k a la corriente de alimentación filtrada de su componente continuo, siendo k positivo. k está comprendido preferentemente entre 10 y 50.

[0025] Así, para una corriente de entrada desprovista de componente continuo marcado como Iin, el generador de corriente 46 es apto para generar una corriente de intensidad kIin. En consecuencia, la impedancia equivalente Zin de 15 la cadena de tracción, vista desde la catenaria, es igual a Zin = (1+ k) Z.

[0026] Preferentemente, la fuente de corriente 46 comprende un amplificador lineal y, especialmente, un amplificador de clase A.

20 [0027] Como se ilustra en la figura 1, el sensor de corriente 44 está previsto en la línea de suministro de potencia 23 entre el pantógrafo de entrada 22 y la bobina 30 del filtro LC. Un condensador 52 está unido al sensor de corriente 44 y está montado en serie con un preamplificador 54 apto para producir una tensión representativa de la corriente alternativa medida por el sensor 44. El condensador 52 garantiza una supresión del componente continuo de la corriente medida.

25 [0028] El generador de corriente 46 consta de un transistor 56 cuya base está unida al preamplificador 54. El emisor del transistor 56 está unido por una resistencia 58 a la masa 27 que garantiza el retorno de la corriente a través de la rueda 26. El colector del transistor 56 está unido a la línea 23 de suministro de potencia a través de un condensador de filtrado 60.

30 [0029] El generador de corriente 46 consta por otro lado de un generador de tensión continua 62 cuyo terminal está unido al colector del transistor 56 para garantizar su polarización. Una inductancia 64 de desacoplamiento se interpone entre la fuente de tensión 62 y el colector del transistor 56. Como variante, esta inductancia es reemplazada por una fuente activa de corriente si el desacoplamiento es crítico.

35 [0030] El preamplificador 54 tiene una función de transferencia dada que permite preamplificar la corriente medida por el sensor 44 y se adapta en particular para convertir una corriente de entrada Iin en una tensión igual a kRIin en una banda de frecuencias donde k depende de la frecuencia.

40 [0031] La banda de frecuencias se extiende de una frecuencia mínima fmin a una frecuencia máxima fmax.

[0032] fmin se escoge superior a un umbral 1. El umbral 1 es del orden de algunos hercios y se escoge de manera que no se amplifiquen unas variaciones naturales de la corriente de entrada debidas a las variaciones de carga. Por ejemplo fmin = 10 Hz.

45 [0033] fmax se escoge inferior a un umbral 2. El umbral 2 es del orden de unos centenares de kHz. Dado que el sistema es un sistema en bucle, no se debe multiplicar la corriente más allá de una cierta frecuencia ya que existen riesgos de desestabilización del sistema (oscilaciones).

50 [0034] Preferentemente, en función de la frecuencia, k está comprendido entre 10 y 50.

[0035] En un modo de realización, el condensador 52 está comprendido en el sensor de corriente 44 o en el preamplificador 54. El sensor de corriente es por ejemplo un transformador de intensidad.

55 [0036] La corriente de entrada Iin se mide y convierte en forma de una tensión por el preamplificador de transconductancia kR 54. Esta tensión se aplica sobre la base del transistor 56. La corriente en la resistencia 58 tiene entonces una intensidad igual a kRlin/R, es decir klin. Esta corriente alternativa de intensidad klin, presente al nivel del colector, se inyecta en la línea de suministro de potencia 23 más abajo de la conexión 44 de medición de corriente.

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[0037] Para el buen funcionamiento, la inductancia 64 garantiza un desacoplamiento de la corriente alternativa con respecto a la fuente de polarización 62 del transistor.

5 [0038] La posición de la medición de la corriente 44, antes del punto de reinyección de la corriente producido por el generador de corriente 46 garantiza que la corriente generada por el dispositivo de compensación 40 sea totalmente absorbida por la carga 42 independientemente de la impedancia de la fuente de alimentación formada aquí por la catenaria. Así, este circuito es muy robusto.

10 [0039] Se comprende que tal circuito aumenta la impedancia de entrada de la cadena de tracción y evita así la producción de corrientes armónicas teniendo en cuenta la impedancia muy elevada presentada por la cadena de tracción.

[0040] Así, el circuito disminuye la impedancia de fuente de un factor (1 + k). Este ensamblaje aumenta por tanto

15 la impedancia de fuente de la impedancia de carga de un factor (1 + k)2, lo que es muy favorable desde un punto de vista de la estabilidad de la línea. La impedancia de la fuente es la impedancia vista por el filtro de entrada desde el punto de vista de su entrada, es decir la impedancia de la catenaria. La impedancia de carga es la impedancia del filtro de entrada vista por la catenaria, es en realidad la impedancia del tren.

20 [0041] Tal circuito permite por tanto un aumento del valor de la impedancia de entrada con un número de componentes activos muy limitado. Desde el punto de vista de la carga, la impedancia de la fuente es muy reducida, lo que la vuelve más robusta a las variaciones. La electrónica de control es simple, robusta y sencilla en funcionamiento, lo que garantiza una fiabilidad muy buena.

25 [0042] Tal dispositivo de compensación se puede colocar en paralelo sin abrir el circuito de alimentación principal. Por otro lado, tal dispositivo no produce ruidos de conmutación de alta frecuencia. Su funcionamiento se muestra eficaz en una banda de frecuencia muy amplia, que solo está limitada por la anchura de banda del sensor de corriente.

30 [0043] En la figura 3 se representa una variante de realización del dispositivo de la figura 1, en la cual el amplificador de corriente de clase A en la figura 1 es reemplazado por un amplificador de clase B. En este modo de realización, los elementos idénticos o correspondientes a los de la figura 1 son designados por los mismos números de referencia.

35 [0044] En este modo de realización, la fuente de corriente 46 consta de dos transistores 76, 78 montados en serie y cuyas bases están conectadas ambas al preamplificador 54.

[0045] Un diodo 80, 82 se monta entre el emisor y el colector de cada transistor. Del mismo modo, dos fuentes de tensión de polarización 84, 86 están unidas por una parte a la masa 27 y, por otra parte, al emisor y al colector

40 respectivamente de los transistores 76 y 78. El punto medio, por el cual los dos transistores 76 y 78 están unidos, está unido a un terminal de una resistencia 88 análogo a la resistencia 58. Esta resistencia se monta en serie con una bobina 90 y un condensador 92 y está unida a través de ellos a la línea de suministro de potencia 63 entre el sensor 44 y el filtro LC 30, 32.

45 [0046] El uso de un amplificador de clase B permite disminuir la disipación de potencia, puesto que el amplificador de clase B no disipa potencia en reposo. Por otro lado, la protección de los transistores es posible gracias al uso de los diodos 80, 82 montados en paralelo.

[0047] En la figura 4, se representa incluso una variante de realización del circuito de la figura 1 en el caso de una

50 alimentación por una corriente alternativa. En este modo de realización, se supone que la catenaria suministra una corriente alternativa a una frecuencia de 50 Hz, suponiendo igualmente que unas señales de señalización se transmiten a unas frecuencias de 75 Hz.

[0048] En este modo de realización, los condensadores de acoplamiento 52 y 60 de los modos de realización de

55 las figuras 1 y 3, que son aptos para suprimir el componente continuo de la corriente de alimentación son reemplazados por unas bobinas de bloqueo formadas, como se conoce en sí, por un condensador respectivamente 152 y 160 y una bobina montada en paralelo, respectivamente 162 y 170. Cada bobina de bloqueo se ajusta a una frecuencia de 50 Hz, de manera que se filtre la frecuencia de 50 Hz dejando pasar las otras frecuencias.

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[0049] Se concibe que, como anteriormente, el dispositivo activo de compensación de corrientes armónicas garantiza aparte de la frecuencia de alimentación de 50 Hz, una disminución de las corrientes armónicas producidas aumentando la impedancia de entrada de la cadena de tracción.

5 [0050] La solución propuesta aquí necesita un sensor de corriente sensible pero no tan preciso como las soluciones en las cuales una corriente armónica igual a la corriente armónica medida se reinyecta. Esto proviene del hecho de que se reinyecta una corriente k veces superior a la corriente armónica medida.

[0051] De manera general, según la invención, el dispositivo presenta la particularidad de estar colocado más 10 arriba de las impedancias de filtrado para aumentar el valor.

[0052] El posicionamiento del dispositivo del lado de la fuente y no del lado de la carga requiere que tenga una alta impedancia de entrada y, por tanto, un comportamiento de fuente de corriente y no de tensión.

15 [0053] El dispositivo se diferencia igualmente por el carácter lineal del control de su transistor por oposición a un control en todo o nada. El transistor se polariza continuamente y controla de forma disipativa la corriente que lo atraviesa.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (40) de compensación activo de las corrientes armónicas de una corriente principal para una conexión en paralelo en un circuito de entrada de un convertidor (28), que consta de:

5 -un sensor (44) de corriente de alimentación; -un generador (46) de corriente apto para inyectar una corriente de entrada del convertidor (28) en función de la intensidad de la corriente armónica medida por el sensor de corriente (44) en una línea de suministro de potencia,

10 siendo el generador de corriente (46) apto para generar e inyectar en la entrada del convertidor (28), además de la corriente armónica, una corriente k veces superior a la corriente armónica medida por el sensor de corriente (44), donde k es positivo, caracterizado porque el generador de corriente (46) consta de un amplificador lineal de clase A que consta de un transistor (56), una fuente de polarización (62) continua de dicho transistor y un preamplificador

(54) que une el sensor de corriente (44) al transistor (56), teniendo el preamplificador una función de transferencia

15 que permite convertir la corriente Iin medida por el sensor de corriente, en una tensión igual a kRIin, aplicada sobre la base del transistor, donde R es el valor de una resistencia (58) que une el transistor (56) a la masa (27), estando controlado así dicho transistor linealmente por el preamplificador.
2. Dispositivo (40) de compensación activo de las corrientes armónicas de una corriente principal para 20 una conexión en paralelo con un circuito de entrada de un convertidor (28), que consta de:

-un sensor (44) de corriente de alimentación; -un generador (46) de corriente apto para inyectar una corriente de entrada del convertidor (28) en función de la intensidad de la corriente armónica medida por el sensor de corriente (44) en una línea de suministro de potencia,

25 siendo el generador de corriente (46) apto para generar e inyectar en la entrada del convertidor (28), además de la corriente armónica, una corriente k veces superior a la corriente armónica medida por el sensor de corriente (44), donde k es positivo, caracterizado porque el generador de corriente (46) consta de un amplificador lineal de clase B que consta de dos transistores (76, 78), dos fuentes de polarización (84, 86) continua de dichos dos transistores y un

30 preamplificador (54) que une el sensor de corriente (44) a dichos transistores (76, 78), teniendo el preamplificador una función de transferencia que permite convertir la corriente Iin medida por el sensor de corriente, en una tensión igual a kRIin, aplicada sobre las bases de cada transistor, donde R es el valor de una resistencia (88) que une el punto medio por el cual los dos transistores están unidos y la línea de suministro de potencia a la cual dicha resistencia está conectada por medio de una bobina (90) y de un condensador (92) en serie, estando controlados así

35 dichos dos transistores linealmente por el preamplificador.
3. Dispositivo de compensación según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, caracterizado porque el generador de corriente (46) es apto para generar e inyectar en la entrada del convertidor (28) una corriente proporcional a la intensidad de la corriente armónica medida por el sensor de corriente (44).

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4. Dispositivo de compensación según cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el sensor de corriente (44) es apto para medir únicamente los componentes alternativos de la corriente a excepción del componente principal de corriente continua o alternativa según la aplicación continua.

45 5. Dispositivo de compensación según cualquiera de las reivindicaciones de 1 a 3, caracterizado porque el sensor de corriente (44) es apto para excluir de la medición la corriente de frecuencia igual a una frecuencia predeterminada correspondiente a la frecuencia de alimentación.
6. Dispositivo de compensación según la reivindicación 5, caracterizado porque el sensor de corriente 50 (44) consta de una bobina de bloqueo (152, 162).
7. Dispositivo de compensación según la reivindicación 1, caracterizado porque el amplificador es de clase A y consta, además, de una bobina de desacoplamiento (64) que une el transistor (56) al generador de tensión de polarización (62).

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8. Cadena de tracción de un vehículo de tracción ferroviario que consta al menos de un motor eléctrico (20), un convertidor de alimentación (28) alimentado desde unos medios de captación de corriente (18) y, montado en paralelo entre los medios de captación de corriente (18) y el convertidor (28), un dispositivo (40) de compensación activo de las corrientes armónicas según cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

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