ES2632455T3 - Circuito para la distribución de potencia con conversores de resonancia - Google Patents

Circuito para la distribución de potencia con conversores de resonancia Download PDF

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Abstract

Circuito (1) para la distribución de potencia en un vehículo ferroviario eléctrico, para alimentar con tensión, a partir de una tensión externa recogida con un pantógrafo, además del accionamiento de tracción también una o varias redes de a bordo, con - un bus de potencia AC (2) bipolar y - al menos tres conversores (3 a 6) conectados al bus de potencia AC; - en que uno de los conversores (3) - es unidireccional y está conformado para conducir potencia eléctrica al bus de potencia AC (2), y - está conectado por su entrada DC (12), apartada del bus de potencia AC (2), a un circuito intermedio de tensión continua, que es alimentado a través del pantógrafo, y - en que todos los al menos tres conversores (4 a 6) conectados al bus de potencia AC, excepto el conversor anteriormente citado (3), tienen respectivamente un transformador (9 a 11), caracterizado - porque todos los al menos tres conversores (4 a 6) conectados al bus de potencia AC, excepto el conversor anteriormente citado (3), tienen respectivamente un circuito de resonancia en serie (7) conectado a ambos polos del bus de potencia; - porque al menos uno de los conversores (4 a 6) que tienen un circuito de resonancia en serie (7) es un conversor bidireccional y - porque cada circuito de resonancia en serie (7) tiene un condensador (8) conectado en serie con el lado primario del respectivo transformador (9 a 11).

Description

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DESCRIPCION
Circuito para la distribucion de potencia con conversores de resonancia CAMPO TECNICO DE LA INVENClON
La invencion se refiere a un circuito para la distribucion de potencia en un vehnculo ferroviario electrico, para alimentar con tension, a partir de una tension externa recogida con un pantografo, ademas del accionamiento de traccion tambien una o varias redes de a bordo, con las caractensticas del preambulo de la reivindicacion independiente 1.
En particular, en cuanto a las redes de a bordo puede tratarse por un lado de una red de tension alterna y por otro lado de una red de tension continua. A la red de tension continua puede estar conectada una batena como acumulador de respaldo, a partir de la que pueden ser mantenidas activas funciones de emergencia del vehnculo ferroviario tambien en caso de cafda del suministro electrico externo. De hecho, en vehnculos ferroviarios electricos se producen interrupciones relativamente frecuentes del suministro electrico externo, por ejemplo en la zona de puntos de separacion de subredes.
ESTADO DE LA TECNICA
A partir de SMA: MEE-NT SD “Innovative, redundante Energieversorgung fur moderne S-Bahn” (vease:
http://www.sma-railway.com/fileadmin/fm-
dam/SMA_Railway/Download/Prospekte/Aktualisierung_AUG_12/Product_brochures/SMARTconverter_Coradia_Nor dic_DE.pdf) es conocido un vehnculo ferroviario electrico con un circuito para la distribucion de potencia con las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1. Aqm, a un circuito intermedio de traccion, al que esta aplicada una tension continua en el intervalo de 900 V a 1.800 V, estan conectados dos conversores DC/DC (del ingles “Direct Current/Direct Current”, de corriente continua a corriente continua), que alimentan con un carril DC que se extiende por todo el tren +/-400 V. A este carril DC estan conectados en paralelo entre sf dos conversores DC/DC, que alimentan un carril DC que se extiende por todo el tren con 110 V, asf como dos conversores trifasicos DC/AC, que alimentan un carril AC que se extiende por todo el tren con 3 x 230 V. Al carril DC que se extiende por todo el tren con 110 V estan conectadas tambien batenas. Para mantener activo el funcionamiento de emergencia con ayuda de las batenas, estan previstos dos inversores de batena trifasicos, que alimentan un carril AC de emergencia que se extiende por todo el tren con 3 x 230 V. A este carril AC de emergencia que se extiende por todo el tren estan conectados los equipos electricos a alimentar con potencia electrica tambien en caso de funcionamiento de emergencia.
Otro vetnculo ferroviario electrico con un circuito para la distribucion de potencia con las caractensticas del preambulo de la reivindicacion 1 es conocido a partir del documento DE 33 47 746 A1.
A partir de C C Antaloae: Feasibility of High Frequency Alternating Current Power Distribution for the Automobile Auxiliary Electrical System. Abril 2011 (
https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/handle/1826/7692) es conocido un circuito para la distribucion de potencia para un vehnculo, que tiene las caractensticas del preambulo de la reivindicacion independiente 1, excepto que no esta previsto para un vehnculo ferroviario con un pantografo.
Un estado de la tecnica llevado a la practica por la solicitante se refiere a un sistema de conversion de corriente para redes de a bordo para un vehnculo ferroviario electrico. Un conversor conectado a una tension continua de entrada comprende un circuito elevador por el lado de entrada y un convertidor DC/AC de medio puente. El convertidor DC/Ac de medio puente proporciona de salida una tension alterna, que es aplicada a un arrollamiento primario de un transformador de frecuencia intermedia. El transformador de frecuencia intermedia tiene dos arrollamientos secundarios separados, en que las tensiones alternas que caen a traves de ambos son rectificadas. Una de las tensiones rectificadas esta aplicada a una salida DC y a una salida de batena. La otra tension rectificada esta aplicada a un circuito intermedio de tension continua y es convertida por un convertidor DC/AC trifasico en una corriente alterna trifasica. Cuando con este sistema de conversion de corriente para redes de a bordo debe ponerse a disposicion potencia electrica por la batena para un funcionamiento de emergencia de cargas de tension alterna, esto se produce a traves de un carril AC de emergencia, al que esta conectada la batena a traves de un inversor de batena separado.
El empleo de conversores de resonancia, para poder conmutar los interruptores del conversor preferentemente tanto sin corriente como sin tension y con unas perdidas correspondientemente escasas, es conocido a partir del documento EP 1 226 994 B1 tambien para el suministro de energfa a bordo de vehnculos ferroviarios electricos.
Un circuito para un aparato de red, que pone a disposicion dos tensiones continuas diferentes y separadas galvanicamente entre sf, es conocido a partir del documento US 2010/046251 A1. La tension alterna de entrada del aparato de red es rectificada y carga un condensador de circuito intermedio. Un convertidor DC/AC de medio puente convierte la tension continua del circuito intermedio en una tension alterna a traves de un condensador situado por el lado de salida. Al condensador estan conectados dos circuitos de resonancia en serie, que comprenden
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respectivamente el arrollamiento primario de un transformador y cuyas inductancias de resonancia son determinadas por inductancias de fuga de los transformadores. Las tensiones del lado secundario de los transformadores son rectificadas formando las tensiones continuas de salida deseadas y son alisadas con condensadores de alisamiento. Las tensiones continuas de salida dependen, en el aparato de conexion de red conocido, no solo de la relacion de arrollamiento de los transformadores, sino tambien de las capacidades de resonancia y de las inductancias de resonancia de ambos circuitos de resonancia en serie, y en particular de con que frecuencia y con que factor de duracion son cerrados los interruptores del convertidor DC/AC de medio puente. Aqrn se produce un funcionamiento regulado para la consecucion de tensiones prefijadas. El aparato de conexion de red conocido hace posible exclusivamente un flujo de potencia desde la tension alterna de entrada a las tensiones continuas de salida.
Otro circuito para la distribucion de potencia con un bus de potencia AC bipolar y al menos tres conversores conectados al bus de potencia AC es conocido a partir del documento EP 0 778 659 B1, en que al menos dos de los al menos tres conversores tienen respectivamente un circuito de resonancia en serie conectado a ambos polos del bus de potencia. Aqrn, a la salida de un convertidor DC/AC de medio puente, alimentado por una fuente de tension continua por el lado de entrada, estan conectados una pluralidad de circuitos de resonancia en serie, que comprenden respectivamente el arrollamiento del lado primario de un transformador, cuya tension alterna del lado secundario es rectificada. Para la regulacion individual de las tensiones continuas generadas con ello, las inductancias de resonancia son variadas en los distintos circuitos de resonancia en serie. El convertidor DC/AC de medio puente opera con frecuencia fija. Tambien este circuito conocido hace posible exclusivamente un flujo de potencia en una direccion a traves de los transformadores.
A partir de Fu-Sheng Tsai, Fred C. Y. Lee: High-Frequency AC Power Distribution in Space Station. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. 26, N° 2, Marzo 1990, pags. 239-253 es conocida una distribucion de potencia de alta frecuencia para una estacion espacial. Aqrn, un bus de tension alterna es alimentado a traves de inversores y transformadores a partir de fuentes de tension continua. A traves de transformadores adicionales estan conectadas cargas al bus de tension alterna. Aqrn, cargas individuales pueden estar conformadas tambien bidireccionalmente y estar conectadas a traves de un inversor bidireccional y del respectivo transformador al bus de tension alterna. Al suministrar potencia electrica al bus de tension alterna, los respectivos inversores operan de forma resonante y tienen para ello respectivamente un circuito de resonancia en serie.
A partir de Irvin G. Hansen: Advantage of Resonant Power Conversion in Aerospace Applications. NASA Technical Memorandum 83399, Mayo 1983 (
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19830019723.pdf) es conocido igualmente un bus de tension alterna, al que estan conectados inversores bidireccionales respectivamente a traves de un transformador. Los inversores tienen circuitos de resonancia en serie formados por un condensador conectado en serie con el lado secundario, apartado del bus de tension alterna, del transformador.
TAREA DE LA INVENCION
La invencion tiene como base la tarea de dar a conocer un circuito para la distribucion de potencia con las caractensticas del preambulo de la reivindicacion independiente 1, que haga posibles direcciones de flujo de potencia adicionales con pocas perdidas electricas.
SOLUCION
La tarea de la invencion es resuelta mediante un circuito para la redistribucion de potencia con las caractensticas de la reivindicacion independiente 1. Las reivindicaciones dependientes 2 a 10 esta orientadas a formas de realizacion preferidas del circuito conforme a la invencion. Las reivindicaciones dependientes 11 a 13 se refieren a formas de realizacion preferidas de un vehnculo ferroviario con un circuito conforme a la invencion para la distribucion de potencia.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
El circuito conforme a la invencion para la distribucion de potencia en un vehnculo ferroviario electrico, para alimentar con tension, a partir de una tension externa recogida con un pantografo, ademas del accionamiento de traccion tambien una o varias redes de a bordo, tiene un bus de potencia AC bipolar y al menos tres conversores conectados al bus de potencia AC. Aqrn, uno de los conversores es unidireccional y esta conformado para conducir potencia electrica al bus de potencia AC, y esta conectado por su entrada DC, apartada del bus de potencia AC, a un circuito intermedio de tension continua, que es alimentado a traves del pantografo. Todos los tres conversores conectados al bus de potencia AC, excepto el conversor anteriormente citado, tienen respectivamente un transformador y un circuito de resonancia en serie conectado a ambos polos del bus de potencia. Al menos uno de estos conversores que tienen un circuito de resonancia en serie es un conversor bidireccional. El conversor alimentado a partir de la tension externa recogida con el pantografo y a traves del cual es conducida la mayor potencia al bus de potencia AC, no tienen ningun circuito de resonancia en serie propio, es decir solo asignado a el. Correspondientemente, ningun componente para un circuito de resonancia en serie asf tiene que estar ajustado a esta gran potencia conducida. Los circuitos de resonancia en serie estan previstos solo para todos los otros conversores. De estos, al menos uno es un conversor bidireccional, con el que puede conducirse igualmente potencia electrica al bus de
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potencia AC.
Cada circuito de resonancia en serie tiene un condensador conectado en serie al lado primario, orientado hacia el bus de potencia AC, del respectivo transformador. Este condensador puede tener, al menos cuando sobre el bus de potencia AC esta aplicada una tension mas alta que sobre el respectivo lado secundario de los transformadores, una capacidad mas pequena que sobre ese lado secundario. El circuito conforme a la invencion necesita por ello solo componentes comparativamente mas pequenos y baratos, para resolver la tarea de la invencion.
En el circuito conforme a la invencion, los conversores estan unidos entre sf en estrella a traves del bus de potencia AC. La potencia total a distribuir es conducida a traves del bus de potencia AC.
Los conversores, conectados al bus de potencia en el circuito conforme a la invencion, son determinados en sus caractensticas no solo por su propia estructura. Antes bien, sus caractensticas resultan tambien de su conexionado a traves del bus de potencia AC con otros conversores, en particular con sus circuitos de resonancia en serie. Concretamente, tambien el conversor unidireccional, que esta conformado para conducir potencia electrica al bus de potencia AC, y que no tiene ningun circuito de resonancia en serie propio, puede operar como conversor de resonancia utilizando los circuitos de resonancia en serie de los otros conversores conectados al bus de potencia AC. Esto significa que tambien sus interruptores son conmutados preferentemente tanto sin corriente como sin tension, en particular sin embargo al menos sin corriente, y con ello con particularmente pocas perdidas.
Con un conversor bidireccional puede tanto conducirse potencia electrica al bus de potencia AC como tomar potencia electrica del bus de potencia AC. En el circuito conforme a la invencion esta previsto al menos un conversor bidireccional asf. Tambien varios de los conversores conectados al bus de potencia AC pueden estar conformados como conversores bidireccionales. En particular es posible que todos los conversores conectados al bus de potencia AC sean conversores bidireccionales.
En el circuito conforme a la invencion, todos los circuitos de resonancia en serie conectados al bus de potencia tienen preferentemente capacidades de resonancia iguales e inductancias de resonancia iguales. Con ello, todos los circuitos de resonancia en serie tienen frecuencias de resonancia iguales. El termino “iguales” no significa a saber en este contexto que las capacidades de resonancia y las inductancias de resonancia, y en consecuencia tambien las frecuencias de resonancia, tengan que ser completamente iguales. Es suficiente mas bien que coincidan esencialmente, es decir en el marco de tolerancias habituales de componentes de como maximo +/- 10% del valor nominal, para que el circuito conforme a la invencion tenga una frecuencia de resonancia unitaria, que es valida para todos los circuitos de resonancia en serie y para su conjunto. Aqrn hay que tener en cuenta que los conversores de resonancia no operan regularmente de forma exacta a la frecuencia de resonancia de los circuitos de resonancia activos para ellos, sino a una frecuencia, tfpicamente mas baja, que se aparta algunos puntos porcentuales de ello. Asf, ligeras diferencias de las frecuencias de resonancia de los distintos circuitos de resonancia en serie no se hacen notar negativamente de forma relevante debido a tolerancias de componentes, siempre que estas se mantengan bajas. Un ajuste puro de los circuitos de resonancia en serie solo a frecuencias de resonancia iguales, es decir a productos iguales de las capacidades de resonancia y de las inductancias de resonancia, no es sin embargo necesariamente suficiente, en el circuito conforme a la invencion, para una frecuencia de resonancia igual en cada direccion de flujo de potencia posible. Por el contrario, una frecuencia de resonancia igual en cada direccion de flujo de potencia posible se consigue de forma segura cuando todos los componentes de los circuitos de resonancia en serie, es decir en particular las capacidades de resonancia y las inductancias de resonancia, son al menos esencialmente igual de grandes.
El o los conversores bidireccionales del circuito conforme a la invencion pueden tener un medio puente o un puente completo con interruptores electronicos. Conversores de este tipo permiten transferir de forma particularmente sencilla potencia electrica desde y hacia el bus de potencia AC bipolar. Aqrn, estos conversores, sobre la base de diodos de cuerpo de los interruptores electronicos o de diodos antiparalelos adicionales, pueden ser empleados como rectificadores pasivos en la direccion de flujo de potencia del bus de potencia AC. Los interruptores electronicos pueden ser activados sin embargo tambien en el sentido de un rectificador smcrono, para recoger potencia del bus de potencia AC con el respectivo conversor bidireccional.
Para la direccion de flujo de la potencia electrica desde o respectivamente hacia el bus de potencia AC es decisiva la tension aplicada a la entrada o salida, apartada del bus de potencia AC, del puente completo. Para variar esta, el conversor bidireccional respectivo puede tener un conversor DC/DC para la adaptacion de tension.
En el circuito conforme a la invencion, cada uno de los conversores, con los que puede tomarse potencia electrica del bus de potencia AC, tiene uno de los circuitos de resonancia en serie. Correspondientemente, un circuito de resonancia en serie asf esta presente tambien en el al menos un conversor bidireccional y en cualquier conversor bidireccional adicional dado el caso disponible. Los circuitos de resonancia en serie aseguran la frecuencia de resonancia unitaria de todo el circuito para un flujo de potencia desde el bus de potencia AC al respectivo conversor.
Como ya se ha indicado, en el circuito conforme a la invencion preferentemente cada uno de los conversores, con los que se conduce potencia electrica al bus de potencia AC, opera como conversor de resonancia. Como el circuito
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conforme a la invencion tiene una frecuencia de resonancia unitaria, que es valida para todos los circuitos de resonancia y para su conjunto, todos los conversores, con los que se suministra potencia electrica al bus de potencia AC, pueden ser temporizados con la misma frecuencia, para que operen de forma resonante. Cuando hay que conducir potencia electrica al bus de potencia AC con varios conversores a la vez, hay que temporizar estos de forma smcrona. Correspondientemente, cuando esta prevista una alimentacion de potencia electrica desde varias fuentes, hay que prever un sistema de control superior, que garantice esta temporizacion smcrona de los correspondientes conversores.
En el circuito conforme a la invencion, los transformadores llevan a un desacoplamiento galvanico de todos los conversores conectados al bus de potencia AC. La inductancia de fuga de los transformadores puede ser utilizada ademas para configurar total o parcialmente la inductancia de resonancia del respectivo circuito de resonancia en serie.
Mediante el recurso de que en el circuito conforme a la invencion solo un conversor no tiene transformador, las entradas o respectivamente salidas, apartadas del bus de potencia AC, de todos los conversores estan separadas galvanicamente entre st
En el circuito conforme a la invencion, al menos uno de los conversores puede tener una salida AC apartada del bus de potencia AC. Es decir, este conversor puede estar previsto para poner a disposicion una tension alterna. Aunque este conversor tiene fundamentalmente la funcion de poner a disposicion la tension alterna, en la salida AC puede estar prevista adicionalmente una conexion para una fuente de tension alterna. Cuando el conversor esta conformado como conversor bidireccional, puede ser transmitida potencia electrica desde esta fuente de tension alterna externa al bus de potencia AC, y desde aim puede ser recogida con otros conversores.
En el circuito conforme a la invencion, al menos uno de los conversores puede tener tambien una salida DC apartada del bus de potencia AC. En esta salida DC, este conversor puede poner a disposicion una tension continua para alimentar cargas de tension continua. Al mismo tiempo puede estar conectada a la salida DC una batena. Aqm es posible una conexion directa de la batena, es decir sin conversores de batena adicionales. Entonces, el conversor con la salida DC asume la funcion de un conversor de batena. Cuando el conversor esta conformado bidireccionalmente, puede ser conducida potencia electrica desde la batena de vuelta al bus de potencia AC, y ser puesta asf a disposicion tambien de otros conversores y de cargas conectadas a ellos. Asf, cuando uno de los otros conversores pone a disposicion una tension alterna en su salida, desde la batena pueden ser alimentadas por ejemplo tambien cargas de tension alterna, sin que sea necesario para ello un inversor de batena especial.
Uno de los conversores puede tener tambien una entrada DC, apartada del bus de potencia AC, y estar conformado aqm como conversor unidireccional, para conducir al bus de potencia AC siempre solo potencia electrica. Un conversor unidireccional asf no necesita ningun circuito de resonancia propio, sino que, aprovechando los circuitos de resonancia de los conversores con los que puede extraerse potencia electrica del bus de potencia AC, puede estar conformado como conversor de resonancia, que esta ajustado a la frecuencia de resonancia unitaria del circuito en conjunto.
En un vehnculo ferroviario conforme a la invencion, que tiene un circuito conforme a la invencion para la distribucion de potencia, el conversor, que esta conformado unidireccionalmente y para conducir potencia electrica al bus de potencia AC, esta conectado por su entrada DC, apartada del bus de potencia AC, a la tension de suministro introducida a traves del pantografo. Aqm, este conversor puede tener un convertidor DC/AC de medio puente o de puente completo, para conducir la potencia electrica al bus de potencia AC. Delante de este convertidor DC/AC de medio puente puede estar conectado un convertidor DC/DC para la adaptacion de tension. Se entiende que el convertidor DC/AC, en un vetnculo ferroviario conforme a la invencion, opera de forma resonante, es decir como conversor de resonancia, que genera una tension alterna proxima a la frecuencia de resonancia conjunta de todos los circuitos de resonancia en serie existentes. Como el convertidor DC/AC solo opera unidireccionalmente, no necesita sin embargo tener ningun circuito de resonancia en serie propio, sino que para su operacion resonante pueden utilizarse los circuitos de resonancia en serie de los otros conversores. La frecuencia de resonancia sigue siendo tambien la misma que en los otros circuitos de resonancia en serie, aunque ningun elemento de resonancia desacopla los condensadores de medio puente del convertidor DC/AC.
En un vehnculo ferroviario conforme a la invencion, el al menos un conversor bidireccional, por su salida DC apartada del bus de potencia AC, puede poner a disposicion una tension continua y al mismo tiempo estar conectado a una batena. Una batena puede estar conectada tambien a cada circuito intermedio de tension continua del al menos un conversor bidireccional. En cuanto a la batena, puede tratarse de un acumulador de energfa electroqmmico y/o electrostatico, y con ello tambien de uno o varios asf denominados super- o ultracondensadores. En caso de que se haya cafdo la alimentacion de tension externa, la batena puede ser utilizada a traves del bus de potencia AC para un funcionamiento de emergencia fundamentalmente de todas las cargas.
En un vehnculo ferroviario conforme a la invencion, cuando estan previstos dos conversores bidireccionales, la salida AC apartada del bus de potencia AC puede entonces poner a disposicion una tension alterna y ser conectable a una
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fuente de tension alterna externa, por ejemplo estacionaria. Este fuente de tension alterna externa, que esta por ejemplo disponible en talleres de reparacion para vehnculos ferroviarios, puede alimentar a traves del bus de potencia AC todas las cargas del vehnculo ferroviario. As^ tambien puede ser cargada una batena, que esta conectada al bus de potencia AC a traves de otro conversor. Fundamentalmente tambien es posible alimentar a traves del bus de potencia AC un accionamiento de traccion del vehnculo ferroviario a partir de la fuente de tension alterna externa.
Perfeccionamientos ventajosos de la invencion resultan de las reivindicaciones, de la descripcion y de los dibujos. Las ventajas, citadas en la descripcion, de caractensticas y de combinaciones de caractensticas se dan solo a modo de ejemplo, y pueden ser aplicadas de forma alternativa o acumulativa, sin que las ventajas tengan que conseguirse forzosamente con formas de realizacion conforme a la invencion. Sin que a traves de esto sea variado el objeto de las reivindicaciones adjuntas, en lo relativo al contenido de divulgacion de la documentacion de solicitud original y de la patente es valido lo siguiente: caractensticas adicionales son deducibles de los dibujos - en particular de las geometnas representadas y de las dimensiones relativas de varios componentes entre sf asf como de su disposicion y conexion efectiva relativas -. La combinacion de caractensticas de diferentes formas de realizacion de la invencion o de caractensticas de diferentes reivindicaciones es igualmente posible, desviandose de las referencias a anteriores reivindicaciones escogidas en las reivindicaciones, y es aqrn incentivada. Esto se refiere tambien a aquellas caractensticas que estan representadas en dibujos separados o que son citadas en la descripcion de estos. Estas caractensticas pueden ser combinadas tambien con caractensticas de diferentes reivindicaciones. Igualmente, caractensticas expuestas en las reivindicaciones pueden ser eliminadas para formas de realizacion adicionales de la invencion.
Las caractensticas citadas en las reivindicaciones y en la descripcion deben entenderse, en lo relativo a su cantidad, de modo que exista exactamente esta cantidad o una cantidad mayor que la cantidad citada, sin que sea necesario emplear explfcitamente el adverbio “al menos”. Cuando entonces por ejemplo se habla de un elemento, hay que entender esto de modo que existen exactamente un elemento, dos elementos o mas elementos. Estas caractensticas pueden ser completadas mediante otras caractensticas o ser las unicas caractensticas de las cuales consta el respectivo producto.
Los numeros de referencia contenidos en las reivindicaciones no representan ninguna limitacion del alcance de los objetos protegidos por las reivindicaciones. Sirven simplemente para el fin de hacer que las reivindicaciones sean mas faciles de entender.
DESCRIPCION BREVE DE LAS FIGURAS
En lo que sigue, la invencion es explicada y descrita adicionalmente con ayuda de ejemplos de realizacion preferidos
representados en las figuras.
La figura 1 muestra una primera forma de realizacion de un circuito conforme a la invencion, que esta prevista para un vehnculo ferroviario; y
la figura 2 muestra una segunda forma de realizacion del circuito conforme a la invencion, que esta prevista igualmente para un vetnculo ferroviario, en que algunos de los componentes del circuito estan representados con mayor grado de detalle que en la figura 1.
DESCRIPCION DE LAS FIGURAS
El circuito 1 representado en la figura 1 tiene un bus de potencia AC bipolar central 2. A este bus de potencia AC 2 esta conectados diversos conversores 3 a 6. De estos conversores 3 a 6, los conversores 4 a 6 tienen respectivamente un circuito de resonancia en serie 7 conectado al bus de potencia AC 2, en que todos los circuitos de resonancia en serie 7 tienen iguales capacidades de resonancia e iguales inductancias de resonancia. Las capacidades de resonancia estan reproducidas aqrn mediante respectivamente un condensador 8. Las inductancias de resonancia son las inductancias de fuga de transformadores 9 a 11 de los conversores 4 a 6, que en conjunto pueden ser iguales, pero tambien pueden tener relaciones de arrollamiento diferentes.
El conversor 3 esta conectado sin circuito de resonancia en serie 7 al bus de potencia AC. Al contrario que los otros conversores 4 a 6, no esta previsto para tomar potencia electrica del bus de potencia AC 2, sino que mas bien esta previsto exclusivamente para conducir potencia electrica al bus de potencia 2. Correspondientemente, por su lado DC 12 apartado del bus de potencia AC 2 tiene una conexion 13 a una fuente de tension, aqrn una fuente de tension continua. En caso de empleo del circuito 1 en un vetnculo ferroviario, en cuanto a la fuente de tension continua puede tratarse del circuito intermedio de tension continua de un accionamiento de traccion, que es alimentado a traves de un pantografo desde una lmea superior o un carril de corriente.
Detras de la conexion 13 estan previstos un interruptor 14, un diodo 15 y una bobina de choque 16 acoplada. Aqrn se conecta como parte del conversor 3 un circuito elevador 17, que sirve para la adaptacion de tension y esta a continuacion del convertidor DC/AC 18. En cuanto a este convertidor DC/aC 18 puede tratarse en particular de un
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convertidor DC/AC de medio puente. Mediante una activacion correspondiente de interruptores del convertidor DC/AC 18, el conversor 3 opera de forma resonante, siendo utilizados los circuitos de resonancia en serie 7 de los otros conversores 4 a 6, para conmutar los interruptores del convertidor DC/AC 18 en caso ideal sin corriente y correspondientemente con pocas perdidas. La frecuencia de resonancia efectiva es aqm la frecuencia de resonancia de cada uno de los circuitos de resonancia en serie 7 conectados en paralelo. Se entiende que el convertidor DC/AC 18 del conversor 3 no opera exactamente a la frecuencia de resonancia de los circuitos de resonancia en serie 7, sino tipicamente a una frecuencia algo menor, como es habitual en conversores de resonancia.
A traves de los circuitos de resonancia en serie 7 conectados al bus de potencia AC 2 llega potencia electrica a la zona de cada uno de los conversores 4 a 6. Aqm, la potencia electrica puede ser tomada por el lado secundario del respectivo transformador 9, 10 u 11. Para ello esta previsto respectivamente un convertidor AC/DC 19, 20 o respectivamente 21, que para una direccion de flujo de potencia desde el bus de potencia AC 2 rectifica e integra la corriente alterna que fluye por el lado secundario del respectivo transformador 9, 10 u 11, para poner a disposicion una tension continua. En el conversor 4, esta tension continua es filtrada con un filtro 22 para el establecimiento de la compatibilidad electromagnetica, y es puesta a disposicion entonces a traves de un diodo 23 por una salida DC 24. El diodo es fundamentalmente opcional. Esta presente habitualmente para que dos fuentes de tension DC de igual tipo puedan ser conectadas en paralelo. Este diodo evita entonces que la batena asociada a la salida DC 24 sea cargada por una fuente de tension DC distinta a la propia. El conversor 4 esta conectado por el lado de salida ademas a una batena 25, y opera como conversor de batena. Esto incluye que pueda conducir potencia electrica desde la batena de vuelta al bus de potencia AC. Para ello, el propio convertidor AC/DC 19 del conversor 4 y con ello tambien el conversor 4 esta conformado bidireccionalmente.
El conversor 5 tiene, conectado a su convertidor AC/DC 20, un convertidor DC/AC trifasico 26. Aqm se conectan un filtro sinusoidal 27 de estructura fundamentalmente conocida y un filtro 28 para la compatibilidad electromagnetica. La corriente alterna trifasica filtrada es proporcionada por una salida 29. A traves de un interruptor 31, puede conectarse a la salida 29 una conexion 30 adicional. La conexion 30 esta prevista para una fuente de tension alterna externa, por ejemplo estacionaria, para la alimentacion del vehnculo ferroviario por ejemplo en un taller de mantenimiento. En caso de una conformacion bidireccional del conversor 5, es decir aqm tanto del convertidor AC/DC 20 como del convertidor DC/AC 26, puede transferirse potencia electrica desde la fuente de tension alterna externa al bus de potencia AC 2. Desde allf, puede ser empleada con el conversor 4 para cargar la batena 25 o tambien para alimentar otras cargas DC conectadas a su conexion DC 24. Inversamente puede emplearse potencia desde la batena 25 a traves del conversor 4, el bus de potencia AC 2, y el conversor 5 para la alimentacion de cargas AC, que estan conectadas a la conexion 29. En este ultimo caso, el interruptor 31 debe estar abierto, o respectivamente no debe estar conectada ninguna fuente de tension alterna externa a la conexion 30.
En la figura 1 esta representado ademas el otro conversor 6, fundamentalmente opcional, que al igual que el conversor 5 tiene aqm junto al convertidor AC/DC 21 un convertidor DC/AC 32, un filtro sinusoidal 33 y un filtro 34 para compatibilidad electromagnetica delante de su salida AC 35. Esta salida AC 35 puede estar prevista especialmente para la alimentacion de cargas de tension alterna tales que debenan ser alimentadas, tambien en caso de cafda del suministro de potencia al bus de potencia AC 2, a traves del conversor 3, y sin que este conectada una fuente de tension alterna externa a la conexion 30. Con ello se conforma un carril AC de emergencia, que puede estar previsto para la alimentacion de potencia alternativa para estas cargas de tension alterna importantes. A traves de un carril AC de emergencia verdadero, las cargas de tension alterna mas importantes son alimentadas solo en caso de emergencia a traves del conversor 6, mientras que por regla general todas las otras cargas de tension alterna son alimentadas a traves del conversor 5.
En otra forma de realizacion del circuito 1, solo las cargas de tension alterna mas importantes son alimentadas a traves del conversor 5 o del conversor 6, mientras que el otro conversor 6 o 5 alimenta las cargas menos importantes. Este otro conversor 6 o 5 es desactivado cuando la potencia esta limitada en el bus de potencia AC 2.
Sin embargo, en vez del conversor 6 adicional para la alimentacion de emergencia de cargas AC especiales, tambien todas las cargas de tension alterna pueden ser alimentadas con potencia siempre solo a traves del conversor 5, siendo desconectadas en caso de emergencia, es decir en caso de oferta de potencia limitada en el bus de potencia AC 2, todas las cargas AC que no son absolutamente necesarias.
Segun el caso de aplicacion, puede ser suficiente conformar el conversor 6 unidireccionalmente para un flujo de potencia que sale del bus de potencia AC 2. Esto es valido por ejemplo cuando el conversor 6 adicional es empleado para la alimentacion de cargas con otro nivel de tension y otra frecuencia que la tension alterna en la salida AC 29.
Tambien cuando con uno de los conversores 4 y 5 es introducida potencia electrica en el bus de potencia AC 2, el respectivo convertidor AC/DC 19 o respectivamente 20, que opera respectivamente en direccion hacia atras, opera cerca de la frecuencia de resonancia de los circuitos de resonancia en serie 7. Es decir, en el circuito 1 conforme a la figura 1 son minimizadas tambien mediante conmutacion resonante perdidas de conmutacion en cada transferencia de potencia entre los conversores 4 a 6. La activacion de todos los conversores 3 a 5, con los cuales puede ser llevada potencia al bus de potencia AC 2, se produce siempre con la misma frecuencia. Cuando varios de
los conversores 3 a 5 deben transmitir al mismo tiempo potencia al bus de potencia AC 2, estos conversores deben ser activados de forma smcrona.
La forma de realizacion del circuito 1 conforme a la figura 2 esta reproducida de forma menos detallada que la figura 1 en lo que respecta a las salidas 24, 29 y 35 de los conversores 4 a 6. Mas detalladamente estan representados sin 5 embargo los convertidores 18 a 21. Ademas de ello, el conversor 5 no esta conformado bidireccionalmente.
En detalle, el convertidor DC/AC de medio puente 18 del conversor 3 comprende un medio puente 37 con interruptores electronicos 38 y diodos antiparalelos 39. Un medio puente pasivo paralelo 40 para el retorno de corriente comprende dos condensadores 41. El circuito elevador 17 esta conformado aqrn con una bobina de choque de circuito elevador 56, dos interruptores electronicos 42 con diodos antiparalelos 43, dos diodos 44 y dos 10 condensadores 45. Segun sea la configuracion de la frecuencia de temporizacion al activar los interruptores
electronicos 42, el punto central de los condensadores 45 puede estar conectado a los condensadores 41.
El convertidor AC/DC 19 del conversor 4 tiene un puente completo 46 con cuatro interruptores electronicos 47 y diodos antiparalelos 48 asociados, asf como un condensador de alisamiento 49 por el lado de salida. El convertidor AC/DC, aqrn solo unidireccional, del conversor 5 tiene un puente completo 50, que consta de diodos 51, y un 15 condensador de alisamiento 52 por el lado de salida. Correspondientemente, el convertidor AC/DC 21 del conversor
6 esta constituido por un puente completo 53, que consta de diodos 54, y por un condensador de alisamiento 55 por el lado de salida.
En el circuito 1, toda la potencia disponible en un instante puede ser conducida siempre a traves del bus de potencia AC 2, sin que se produzcan aqrn perdidas de conmutacion mas altas debido a la operacion resonante de todos los 20 convertidores 19 a 21 conmutados a estado activo. Para reducir las perdidas de conmutacion tambien en caso de
operacion de los convertidores como rectificadores, estos pueden, siempre que existan interruptores apropiados, operar respectivamente tambien de forma activa como rectificadores smcronos.
LISTA DE NUMEROS DE REFERENCIA
1 Circuito
25
2 Bus de potencia AC
3 Conversor
4 Conversor
5 Conversor
6 Conversor
30
7 Circuito de resonancia en serie
8 Condensador
9 Transformador
10 Transformador
11 Transformador
35
12 Entrada DC
13 Conexion
14 Interruptor
15 Diodo
16 Bobina de choque
40
17 Circuito elevador
18 Convertidor DC/AC
19 Convertidor AC/DC
20 Convertidor AC/DC
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23
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47
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49
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52
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54
55
Convertidor AC/DC
Filtro
Diodo
Salida DC
Batena
Convertidor DC/AC Filtro sinusoidal Filtro
Salida AC Conexion Interruptor Convertidor DC/AC Filtro sinusoidal Filtro
Salida AC
Bobina
Medio puente
Interruptor electronico
Diodo
Medio puente
Condensador
Interruptor electronico
Diodo
Diodo
Condensador Puente completo Interruptor electronico Diodo
Condensador de alisamiento
Puente completo
Diodo
Condensador de alisamiento
Puente completo
Diodo
Condensador de alisamiento
56 Bobina de choque de circuito elevador

Claims (12)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    REIVINDICACIONES
    1. Circuito (1) para la distribucion de potencia en un vetuculo ferroviario electrico, para alimentar con tension, a partir de una tension externa recogida con un pantografo, ademas del accionamiento de traccion tambien una o varias redes de a bordo, con
    - un bus de potencia AC (2) bipolar y
    - al menos tres conversores (3 a 6) conectados al bus de potencia AC;
    - en que uno de los conversores (3)
    - es unidireccional y esta conformado para conducir potencia electrica al bus de potencia AC (2), y
    - esta conectado por su entrada DC (12), apartada del bus de potencia AC (2), a un circuito intermedio de tension continua, que es alimentado a traves del pantografo, y
    - en que todos los al menos tres conversores (4 a 6) conectados al bus de potencia AC, excepto el conversor anteriormente citado (3), tienen respectivamente un transformador (9 a 11), caracterizado
    - porque todos los al menos tres conversores (4 a 6) conectados al bus de potencia AC, excepto el conversor anteriormente citado (3), tienen respectivamente un circuito de resonancia en serie (7) conectado a ambos polos del bus de potencia;
    - porque al menos uno de los conversores (4 a 6) que tienen un circuito de resonancia en serie (7) es un conversor bidireccional y
    - porque cada circuito de resonancia en serie (7) tiene un condensador (8) conectado en serie con el lado primario del respectivo transformador (9 a 11).
  2. 2. Circuito (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque todos los circuitos de resonancia en serie (7) conectados al bus de potencia (2) tienen iguales capacidades de resonancia e iguales inductancias de resonancia.
  3. 3. Circuito (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque al menos dos de los conversores (3 a 6) que tienen un circuito de resonancia en serie (7) son conversores bidireccionales.
  4. 4. Circuito (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada uno de los conversores (3 a 5), con los que puede conducirse potencia electrica al bus de potencia AC (2), opera como conversor de resonancia.
  5. 5. Circuito (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque uno de los conversores (5, 6) tiene una salida AC (29, 35) apartada del bus de potencia AC (2).
  6. 6. Circuito (1) segun la reivindicacion 5, caracterizado porque el conversor (5), que tiene la salida AC (29) apartada del bus de potencia AC (2), tiene una conexion (30) para una fuente de tension alterna.
  7. 7. Circuito (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque uno de los conversores (4) tiene una salida DC (24) apartada del bus de potencia AC (2).
  8. 8. Circuito (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque a una salida (24), apartada del bus de potencia (2), del al menos un conversor bidireccional (4), esta conectada una batena (25).
  9. 9. Circuito (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque uno de los conversores (3) tiene una salida DC (12) apartada del bus de potencia AC (2).
  10. 10. Vetuculo ferroviario electrico con un circuito (1) para la distribucion de potencia segun una de las reivindicaciones precedentes.
  11. 11. Vetuculo ferroviario segun la reivindicacion 10 con referencia a las anteriores reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque el al menos un conversor bidireccional (4), por su salida DC (24) apartada del bus de potencia AC (2), pone a disposicion una tension continua y esta conectado a una batena (25).
  12. 12. Vetuculo ferroviario segun la reivindicacion 10 u 11 con referencia a las anteriores reivindicaciones 3 y 6, caracterizado porque uno de los dos conversores bidireccionales (5), por su salida AC (29) apartada del bus de potencia AC (2), pone a disposicion una tension alterna y esta conectado a una fuente de tension alterna externa.
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