ES2621103T3 - Dispositivo y procedimiento de control para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios - Google Patents

Dispositivo y procedimiento de control para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios Download PDF

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ES2621103T3 ES09812730.1T ES09812730T ES2621103T3 ES 2621103 T3 ES2621103 T3 ES 2621103T3 ES 09812730 T ES09812730 T ES 09812730T ES 2621103 T3 ES2621103 T3 ES 2621103T3
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Harkaitz Ibaiondo Madariaga
Asier Romo Bergado
Iker GONZÁLEZ NARVAIZA
Xabier Garin Ibarzabal
Francisco Javier Olea Unamuno
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    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60MPOWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M3/00Feeding power to supply lines in contact with collector on vehicles; Arrangements for consuming regenerative power
    • B60M3/06Arrangements for consuming regenerative power

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

El sistema ferroviario cuenta con una catenaria de tensión continua (20) conectada a un bloque de puentes rectificadores (40) quea 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 lacatenaria (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 tensiónDC 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

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DESCRIPCION
Dispositivo y procedimiento de control para recuperacion de ene^a cinetica en sistemas ferroviarios”
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invencion, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo y procedimiento de control para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, cuya finalidad consiste en optimizar la recuperacion de energfa posibilitada en las frenadas de los trenes, permitiendo inyectar en la correspondiente red de tension una corriente trifasica de alta calidad incluso en situaciones de tension de red elevadas y empleando el transformador preexistente en la correspondiente acometida de la subestacion. Mediante la invencion se produce una regeneracion de energfa en sistemas de traccion durante los procesos de frenado de los trenes asociados a una catenaria de corriente continua, de manera que mediante el dispositivo de la invencion cuando la tension lefda en la catenaria supera un valor determinado se comienza a extraer energfa para inyectarla en la red de alterna correspondiente; superando inconvenientes del estado de la tecnica tales como el escaso aprovechamiento respecto de toda la energfa disponible que se podna inyectar en la red y las fluctuaciones de tension que se producen en otros sistemas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
Son conocidos sistemas ferroviarios que cuentan con una catenaria de tension 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 subestacion y cuyo primario conecta con una red de corriente alterna trifasica, conectandose un dispositivo de aprovechamiento de energfa entre la catenaria y el secundario del transformador, de manera que en las frenadas de los trenes se entrega determinada tension a dicha red para facilitar un aprovechamiento de energfa.
La figura 12, correspondiente al estado de la tecnica muestra un esquema existente en subestaciones ferroviarias con catenaria de tension continua, donde la catenaria 20 se alimenta a traves de puentes rectificadores no controlados 40 que no permiten el flujo de energfa de esa catenaria 20 hacia la red de alterna 10, de manera que la unidad ferroviaria o tren al efectuar una frenada limita la tension sobre la catenaria 20 y la energfa sobrante se quema en un sistema 30 instalado para tal efecto en la propia unidad ferroviaria.
Superando la situacion descrita en el parrafo anterior se han propuesto soluciones tales como la mostrada en la figura 13, correspondiente tambien al estado de la tecnica permitiendo recuperar energfa mediante un dispositivo 60a, que sin embargo presenta inconvenientes relativos a que solo puede recuperar energfa cuando la tension 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 solucion que se muestra en la figura 12 no es satisfactoria porque no se aprovecha toda la energfa 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 tension suficiente.
Otra solucion del estado de la tecnica se muestra en la figura 14, donde el correspondiente dispositivo 60b emplea un transformador independiente 70 para elevar la tension. En este caso se presentan inconvenientes relativos a que la inversion y el volumen de la instalacion son mayores y aun asf el sistema se encuentra sujeto a fluctuaciones de tension de la red 10, sin que la tension de trabajo sea la necesaria para optimizar la calidad de la corriente entregada.
EP 1 350 666 A1 divulga el preambulo de la reivindicacion 1.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invencion consiste en un dispositivo y procedimiento de control para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios donde el sistema ferroviario cuenta con una catenaria de tension 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 subestacion, cuyo primario conecta con una red de corriente alterna trifasica, conectandose el dispositivo entre la catenaria y el secundario del transformador.
Novedosamente, segun la invencion, el dispositivo de la misma cuenta con un primer bloque de elevacion de tension DC/DC, que afsla armonicos 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 generacion de corriente trifasica DC/AC unido al secundario del transformador; de manera que en las frenadas del correspondiente tren el aludido primer bloque permite elevar la tension DC de la catenaria generando una tension controlada en el bus intermedio; en tanto
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que el referido segundo bloque, a partir de dicha tension controlada, permite generar una corriente trifasica de alta calidad que se entrega a la red trifasica a traves del transformador.
Segun las realizaciones preferentes de la invencion, el aludido dispositivo de la misma se dimensiona inferior en capacidad de potencia y energfa al sistema de alimentacion de la catenaria preexistente basado en los puentes rectificadores; de manera que el transformador pueda soportar el flujo de energfa resultante.
En una realizacion preferente de la invencion para el aludido primer bloque este 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 esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria, y el punto medio formado entre el interruptor semiconductor inferior y el del medio esta conectado a traves de una bobina al polo negativo o tierra de la catenaria.
Para dicha realizacion 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 realizacion del referido primer bloque este 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 esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria y el punto medio de la otra rama esta conectado a traves de otra bobina a tierra o polo negativo de la catenaria.
En una realizacion 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 realizacion 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 realizacion del referido primer bloque del dispositivo dicho primer bloque esta 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 esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria; en tanto que el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores inferiores esta conectado a traves de una bobina al polo negativo de la catenaria.
Para esa tercera realizacion 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; habiendose previsto ademas que en dicha tercera realizacion del primer bloque la mencionada rama presente sus cuatro interruptores semiconductores bidireccionales en corriente de tipo IGBT.
En una primera realizacion del aludido segundo bloque del dispositivo de la invencion, dicho segundo bloque esta 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 tension trifasico de la red trifasica y presenta opcionalmente una inductancia conectada entre el punto medio de la rama y la fase correspondiente del transformador; pudiendose prescindir de dichas inductancias en caso de que la correspondiente inductancia de fugas del transformador sea suficiente para asegurar la regulacion de la corriente.
En una segunda realizacion del referido segundo bloque del dispositivo, prevista para aplicaciones de tension elevada, se utiliza un circuito de tipo trinivel NPC con interruptores semiconductores unidireccionales en corriente de tipo diodo unidos a un punto medio del bus intermedio, que limitan la tension 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 invencion puede presentar un primer bloque encargado de regular la tension del bus intermedio dimensionado con el numero 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 unico bus intermedio de continua provisto de un unico condensador.
Ademas, segun otra realizacion de la invencion, entre la catenaria y el bloque de elevacion de tension DC/DC es susceptible de interconectarse un bloque adicional optativo formado por un diodo cuyo anodo este conectado al polo positivo de la catenaria y cuyo catodo se conecte al polo positivo del bloque de elevacion de tension DC/DC, y por un condensador conectado entre el catodo del referido diodo y el polo negativo o tierra de la catenaria; con la funcionalidad de aportar armonicos de la corriente consumida por el bloque de elevacion de tension DC/DC de
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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.
Segun el procedimiento de control de la presente invencion, que emplea el dispositivo que se ha descrito, para la regulacion de la potencia y calidad de corriente entregada a la red de alterna, se presenta la accion de dos reguladores acoplados, de los cuales uno regula la tension del bus intermedio a un valor determinado, controlando la corriente a traves del bloque de elevacion de tension 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 generacion de corriente trifasica DC/AC entrega a la red, establecida a partir de la tension medida en la catenaria siempre que esta supere un umbral determinado, optimizandose la dinamica del sistema con una senal feedforward a traves de la que el segundo regulador manda al primero el valor de la potencia que entrega a la red.
Ademas, en el procedimiento de control que se ha aludido se incluye una regulacion por parte de un control asociado al bloque de elevacion de tension DC/DC de una tension del bus intermedio superior a la tension de catenaria, permitiendo la recuperacion de energfa en situaciones de tension de red elevadas y cercanas a la tension de catenaria, logrando asf la optimizacion de la energfa total recuperada.
Segun el procedimiento de control que se viene describiendo, mediante el mismo se efectua una minimizacion de la componente armonica de la corriente entregada por el bloque de generacion de Corriente trifasica DC/AC, estableciendo el valor de tension de bus intermedio optimo para cada valor de tension de red.
Segun el procedimiento de control de la invencion, se monitoriza la corriente circulante por el bloque de puente rectificadores durante el proceso de regeneracion y se ajusta el valor de la tension 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 invencion sea mmimo o igual a cero.
Con la estructura que se ha descrito, el dispositivo de la invencion presenta ventajas tales como que el sistema inicial basado en diodos para la alimentacion de la catenaria permanece inalterado y con el dispositivo de la invencion se facilita un sistema de recuperacion de energfa transparente a su funcionamiento, de manera que en caso de avena el dispositivo de la invencion se desconecta permaneciendo la subestacion operativa. Ademas, en el dispositivo de la invencion, el paso previo de conversion DC/DC afsla el condensador del bus intermedio de fluctuaciones y armonicos existentes en la catenaria, de manera que la generacion de la corriente trifasica se realiza a partir de una tension de bus estabilizada y la vida util del condensador del bus no se ve reducida por armonicos existentes en la catenaria. Asimismo, en caso de cortocircuito en la catenaria, el dispositivo de la invencion no se ve afectado y no aporta energfa dicho corto circuito ya que el bus intermedio permanece aislado de la catenaria.
En el dispositivo de la invencion, la estrategia de control se basa en la medida y regulacion de la tension de catenaria. En el proceso de frenado, los trenes elevan la tension de la catenaria para entregar energfa a la misma. El control del dispositivo trata de limitar la tension maxima existente en la catenaria extrayendo corriente de la misma.
El dispositivo de regeneracion de energfa de la invencion monitoriza en todo momento la tension en la catenaria. Cuando la tension lefda supera el valor de un umbral deseado se comienza a extraer energfa de la catenaria tratando que la tension en la misma no supere el umbral deseado.
La potencia maxima que se extrae de la catenaria viene limitada por la potencia maxima para la que se ha disenado el dispositivo. El dispositivo de la invencion puede ademas cumplir otras funciones. Asf, en la parte de alterna, el dispositivo de la invencion puede funcionar como filtro activo y mejorar la calidad de onda de la intensidad consumida por el puente de diodos o compensar la energfa reactiva para conseguir un valor de cos(phi) cercano a 1.
Ademas, en el caso de que el referido primer bloque del dispositivo de la invencion sea bidireccional en corriente, el dispositivo completo se puede utilizar durante las aceleraciones del tren para aportar energfa a la catenaria 20, consumiendo corriente de alta calidad de la red de alterna. Tambien se puede utilizar el referido primer bloque o circuito chopper del dispositivo de la invencion para compensar armonicos en la catenaria.
A continuacion, para facilitar una mejor comprension de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompanan unas figuras en las que con caracter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invencion.
BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Representa esquematicamente un diagrama de bloques funcionales de un dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios realizado segun la presente invencion.
Figura 2.- Representa esquematicamente una primera realizacion de un primer bloque existente en la anterior figura 1.
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Figura 3.- Representa esquematicamente una segunda realizacion del primer bloque referido en la anterior figura 2. Figura 4.- Representa una variante de la segunda realizacion referida en la anterior figura 3.
Figura 5.- Representa esquematicamente al circuito de una tercera realizacion del referido primer bloque de la anterior figura 1.
Figura 6.- Representa una variante de esa tercera realizacion que se aludio en la figura 5.
Figura 7.- Representa esquematicamente al circuito de una primera realizacion de un segundo bloque existente en la anterior figura 1.
Figura 8.- Representa al circuito de una segunda realizacion del referido segundo bloque aludido en la anterior figura 7.
Figura 9.- Representa un diagrama de bloques funcionales de un dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios analogo al de la anterior figura 1 pero segun una segunda realizacion de la invencion.
Figura 10.- Representa un diagrama de bloques funcionales de un dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios analogo al de las anteriores figuras 1 y 9 pero segun una tercera realizacion de la invencion.
Figura 11.- Representa un diagrama de tensiones y corrientes facilitado con el diagrama de bloques de la anterior figura 1.
Figura 12.- Representa esquematicamente un diagrama de bloques funcionales del estado de la tecnica con elementos empleados en la presente invencion.
Figura 13.- Representa un diagrama de bloques funcionales del estado de la tecnica de un dispositivo para recuperacion de energfa en sistemas ferroviarios que emplea una solucion distinta a las que se presentan en esta invencion.
Figura 14.- Representa un diagrama de bloques funcionales del estado de la tecnica con una solucion distinta de la de la anterior figura 12 y de las presentadas en esta invencion.
DESCRIPCION DE UNO O VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACION DE LA INVENCION
Seguidamente se realiza una descripcion de varios ejemplos de la invencion haciendo referencia a la numeracion adoptada en las figuras.
Asf, en la figura 1 se muestra el esquema general o diagrama de bloques funcionales de la realizacion principal de la invencion, donde el dispositivo de la misma referenciado como 50 se conecta entre una catenaria de tension continua 20 y el secundario de un transformador 30 preexistente en la subestacion correspondiente y conectado a una red de distribucion de corriente alterna trifasica 10. Ademas, hay un bloque de puentes rectificadores 40 conectado entre la catenaria 20 y el secundario del transformador 30. El dispositivo de la invencion 50 esta formado por un segundo bloque 52 que tiene la capacidad de generar tension alterna trifasica a partir de la tension continua de un bus intermedio con condensador 53 que es regulado por un primer bloque 51 del dispositivo y que esta provisto con interruptores semiconductores para intercambiar energfa entre dos fuentes de tension continua Asf, el primer bloque 51 es un bloque de elevacion de tension DC/DC mientras que el segundo bloque 52 es un bloque de generacion de corriente trifasica DC/AC.
En todas las realizaciones que se muestran en este apartado, el dispositivo 50 se dimensiona inferior en capacidad de potencia y energfa al sistema de alimentacion de la catenaria 20 preexistente y basado en los puentes rectificadores 40, de manera que el transformador 30 pueda soportar el flujo de energfa resultante.
La configuracion 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 tension DC de la catenaria 20 generando una tension controlada en el bus intermedio o bornas del condensador 53, en tanto que el segundo bloque 52, a partir de dicha tension controlada genera una corriente trifasica de alta calidad que se entrega a la red trifasica 10 a traves 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 elevacion de tension.
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Asf, en la figura 2 ese primer bloque referenciado como 5la esta 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 esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria 20; y el punto medio formado entre el interruptor semiconductor inferior y el del medio esta conectado a traves 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, referenciandose como 58; mientras que el interruptor del medio es bidireccional en corriente de tipo IGBT y referenciado como 59, segun 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 51 b Y muestra una segunda realizacion del primer bloque en el que hay dos ramas, 56a para la figura 3 y 56b para la figura 4. Estas dos ramas 56a o 56b cuentan con al menos dos interruptores semiconductores cada una de ellas, de manera que el punto medio de una de las ramas esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria 20 y el punto medio de la otra rama esta conectado a traves 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 realizacion 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 realizacion para el primer bloque del dispositivo 50 que esta especialmente disenado para aplicaciones de mayor tension y que se ha referenciado como 5lc. Asf, en la figura 5 el primer bloque 5lc esta 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 esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria, en tanto que el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores inferiores esta conectado a traves 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 configuracion de la figura 6 es analoga 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 realizacion 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 conexion 20 al primer bloque en los extremos y entre dichos condensadores.
En estas figuras que se han explicado 2 a 6 se representa ademas con lmeas 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 aplicacion segun las corrientes que se vayan a emplear.
En la figura 7 se muestra una primera realizacion para el segundo bloque del dispositivo 50 que se ha referenciado como 52a, mostrando un circuito que esta 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 tension trifasico de la red trifasica 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; pudiendose prescindir de esas inductancias 60 en caso de que la correspondiente inductancia de fugas del transformador 30 sea suficiente para asegurar la regulacion de la corriente.
En la figura 8 se muestra una segunda realizacion del segundo bloque del dispositivo 50 para aplicaciones de tension 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 tension 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 realizacion 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 tension del bus intermedio y se dimensiona con el numero 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 unico bus intermedio de continua provisto de un unico condensador 53, tal y como se representa en la figura 9. Hay
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que indicar que en esta figura 9la topologfa del bloque 51 podna ser cualquiera de las mostradas en las figuras 2 a 6, mientras que la topologfa de los bloques 52 podna ser cualquiera de las mostradas en las figuras 7 y 8.
En la figura 10 se muestra una tercera realizacion de la invencion que presenta la opcion de intercalar un bloque adicional optativo 54 entre la catenaria 20 y el bloque de elevacion de tension DC/DC 51, tal y como se representa en esa figura 10.
Este bloque adicional optativo 54 cuenta con un diodo 54.a cuyo anodo esta conectado al polo positivo de la catenaria 20 y cuyo catodo se conecta al polo positivo del bloque de elevacion de tension DC/DC 51, presentando ademas un condensador 54.b conectado entre el catodo del referido diodo y el polo negativo o tierra de la catenaria 20, segun se ha representado en la figura 10.
La funcionalidad del condensador 54.b es la de aportar los armonicos de la corriente consumida por el bloque de elevacion de tension 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 tension del condensador de las perturbaciones existentes en la catenaria 20 en los penodos en los que el conjunto de la invencion o dispositivo 50 no este recuperando energfa. Ademas, 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 regulacion 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 accion de dos reguladores acoplados, de los cuales uno regula la tension del bus intermedio del condensador 53 a un valor determinado, controlando la corriente a traves del bloque de elevacion de tension 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 generacion de corriente trifasica 52 entrega a la red 10 establecida a partir de la tension medida en la catenaria 20 siempre que esta supere un umbral determinado, optimizandose la dinamica del sistema con una senal feedforward a traves 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 elevacion de tension 51 para controlar la tension del bus intermedio y el otro asociado al bloque de generacion de corriente trifasica 52 para controlar la tension 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 dinamica del control, el control asociado al bloque 52 manda el valor de la potencia extrafdo al otro control.
Ademas, en el procedimiento de control que se ha aludido se presenta una regulacion por parte de un control asociado al bloque de elevacion de tension 51 de una tension del bus intermedio del condensador 53, superior a la tension de la catenaria 20, permitiendo la recuperacion de energfa en situaciones de tension de red 10 elevadas y cercanas a la tension de catenaria 20, logrando asf la optimizacion de la energfa total recuperada. Gracias a esto se puede trabajar en situaciones de tension de red alta.
Ademas, segun el procedimiento de control de la invencion, se efectua una minimacion de la componente armonica de la corriente entregada por el bloque de generacion de corriente trifasica 52, estableciendo el valor de tension del bus intermedio del condensador 53 optimo para cada valor de tension de red 10. Asf, la tension en el bus intermedio se ajusta siempre a la tension existente en la red, ya que esta puede fluctuar en un ± 10%, de manera que la componente de armonico resultante en la corriente entregada sea siempre minima.
Por otra parte, segun el procedimiento de control de la invencion, se monitoriza la corriente circulante por el bloque de puentes rectificadores 40 durante el proceso de regeneracion y se ajusta el valor de tension 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 mmimo 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 penodos en los que el bloque de generacion de corriente trifasica esta funcionando se lee la Corriente que pasa a traves del bloque de puentes rectificadores, y para hacer que esta corriente sea muy pequena o igual a cero, lo que se hace es aumentar el umbral de tension de catenaria que el control asociado a ese bloque de generacion de corriente trifasica trata de controlar. Asf se consigue que la corriente mencionada se anule, logrando el valor optimo de energfa total recuperada.
En la figura 11 se muestra la evolucion de las variables de regulacion 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 ningun tren se encuentra traccionando o frenando. La tension en la catenaria 20 es igual a la tension rectificada de vacfo de la subestacion y la tension de umbral de regulacion del dispositivo 50 es calculada en funcion de la tension existente en la red trifasica 10.
En el tiempo comprendido entre t1 y t2, un tren se encuentra traccionando y la tension en la catenaria 20 baja al valor correspondiente a la tension rectificada en la carga. La corriente en el dispositivo 50 se mantiene a O ya que la tension en la catenaria es inferior a la tension umbral de regulacion. El puente rectificador 40 de la subestacion entrega la Corriente de traccion a la catenaria 20.
En el tiempo comprendido entre t2 y t3, el tren ha dejado de acelerar y solo consume una corriente pequena resultante del mantenimiento de la velocidad, as^ como del consumo de los convertidores auxiliares.
En el tiempo t3, un tren comienza a frenar elevando la tension de la catenaria 20 por encima de la tension de vado. 5 En el instante t4 la tension de la catenaria 20 alcanza el valor del umbral de regulacion y el dispositivo 50 comienza a entregar potencia a la red regulando la tension de la catenaria 20.
El tiempo comprendido entre t4 y t5 muestra la estrategia de control actuando sobre el valor de la tension umbral de regulacion para minimizar o anular la corriente de recirculacion entre el puente rectificador 40 y el dispositivo 50 10 durante el proceso de regeneracion de energfa. En el instante t4 se comienza a extraer energfa de la catenaria 20 y se crea una corriente de recirculacion. El control ajusta el valor umbral de regulacion al valor necesario para anular dicha corriente. En el instante t5 la tension de umbral crece al valor necesario que elimina la corriente de recirculacion.
15 El tiempo comprendido entre t4 y t6 muestra el dispositivo 50 en funcionamiento y regenerando energfa. La tension de la catenaria 20 es regulada extrayendo energfa de la misma y entregandola a la red trifasica 10 (la figura 10 muestra la evolucion del valor RMS de la corriente entregada a la red trifasica 10). En el instante t6 el tren deja de frenar y el sistema pasa otra vez al estado de reposo.
20

Claims (18)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
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    40
    45
    50
    55
    60
    65
    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo para recuperacion de ene^a cinetica en sistemas ferroviarios, donde el sistema ferroviario cuenta con una catenaria de tension 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 subestacion, cuyo primario conecta con una red de corriente alterna trifasica (10), conectandose el dispositivo entre la catenaria (20) y el secundario del transformador (30); caracterizado porque el dispositivo (50) cuenta con un primer bloque de elevacion de tension DC/DC (51, 51a, 51 b, 5lc), que afsla de armonicos 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 generacion de corriente trifasica 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 tension DC de la catenaria generando una tension controlada en el bus intermedio; en tanto que el referido segundo bloque, a partir de dicha tension controlada, permite generar una corriente trifasica de alta calidad que se entrega a la red trifasica (10) a traves del transformador (30).
  2. 2. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque dicho dispositivo (50) se dimensiona inferior en capacidad de potencia y energfa al sistema de alimentacion de la catenaria (20) preexistente y basado en los puentes rectificadores (40); de manera que el transformador (30) pueda soportar el flujo de energfa resultante.
  3. 3. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque el referido primer bloque (5la) esta 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 esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria (20); y el punto medio formado entre el interruptor semiconductor inferior y el del medio esta conectado a traves de una bobina al polo negativo o tierra de la catenaria (20).
  4. 4. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 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. 5. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque el referido primer bloque (5lb) esta formado por al menos dos ramas (56a o 56b) con al menos dos interruptores semiconductores cada una, de manera que el punto medio de una de las ramas esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria (20) y el punto medio de la otra rama esta conectado a traves de otra bobina a tierra o polo negativo de la catenaria (20).
  6. 6. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 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. 7. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 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. 8. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque el referido primer bloque (5lc) esta 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 esta conectado a traves de una bobina al polo positivo de la catenaria (20); en tanto que el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores inferiores esta conectado a traves de una bobina al polo negativo de la catenaria (20).
  9. 9. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 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. 10. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 8,
    caracterizado porque en dicha rama (57b) los cuatro interruptores semiconductores son bidireccionales en corriente de tipo IGBT (59).
    5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
  11. 11. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque el referido segundo bloque (52a) esta 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 tension trifasico de la red trifasica (10) y presenta opcionalmente una inductancia (60) conectada entre el punto medio de la rama correspondiente y la fase correspondiente del transformador (30); pudiendose prescindir de dichas inductancias (60) en caso de que la correspondiente inductancia de fugas del transformador (30) sea suficiente para asegurar la regulacion de la corriente.
  12. 12. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque el referido segundo bloque (52b), para aplicaciones de tension 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 tension 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. 13. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque el dispositivo (50), para ampliaciones de potencia con corrientes elevadas, presenta el referido primer bloque (51) encargado de regular la tension del bus intermedio con un dimensionado provisto de un numero 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 unico bus intermedio de tension continua.
  14. 14. Dispositivo para recuperacion de energfa cinetica en sistemas ferroviarios, segun la reivindicacion 1,
    caracterizado porque entre la catenaria (20) y el bloque de elevacion de tension DC/DC (51) es susceptible de interconectarse un bloque adicional optativo (54) formado por un diodo (54a) cuyo anodo esta conectado al positivo de la catenaria (20) y cuyo catodo se conecta al polo positivo del bloque de elevacion de tension DC/DC (51), y por un condensador 20 (54b) conectado entre el catodo del referido diodo (54a) y el polo negativo o tierra de la catenaria (20).
  15. 15. Procedimiento de control, empleando el dispositivo de la reivindicacion 1, para la regulacion de la potencia y calidad de corriente entregada a la red de alterna (10); caracterizado porque presenta la accion de dos reguladores acoplados, de los cuales uno regula la tension del bus intermedio del condensador (53) a un valor determinado, controlando la corriente a traves del bloque de elevacion de tension 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 generacion de corriente trifasica DC/AC (52) entrega a la red (10) establecida a partir de la tension medida en la catenaria (20) siempre que esta supere un umbral determinado, optimizandose la dinamica del sistema con una senal feedforward a traves de la que el segundo regulador manda al primero el valor de la potencia que entrega 30 a la red (10).
  16. 16. Procedimiento de control, segun la reivindicacion 15, caracterizado por presentar una regulacion por parte de un control asociado al bloque de elevacion de tension DC/DC (51) de una tension del bus intermedio del condensador (53) superior a la tension de catenaria (20) permitiendo la recuperacion de energfa en situaciones de tension de red (10) elevadas y cercanas a la tension de catenaria (20), logrando asf la optimizacion de la energfa total recuperada.
  17. 17. Procedimiento de control, segun la reivindicacion 15, caracterizado porque se efectua una minimizacion de la componente armonica de la corriente entregada por el bloque de generacion de corriente trifasica DC/AC (52) estableciendo el valor de tension del bus intermedio del condensador (53) optimo para cada valor de tension de red (10).
  18. 18. Procedimiento de control, segun la reivindicacion 15, caracterizado porque se monitoriza la corriente circulante por el bloque de puentes rectificadores (40) durante el proceso de regeneracion y se ajusta el valor de la tension 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 mmimo o igual a cero.
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