ES2683346T3 - Precarga dura mejorada para inversores paralelos - Google Patents

Abstract

Dispositivo mejorado de precarga dura de inversores paralelos en un sistema de tracción ferroviaria que comprende al menos dos motores diferentes, estando controlado cada motor (2) por medio de al menos uno de dos inversores (9) que están conectados en paralelo a una línea de alimentación común que suministra una señal de alimentación en CC por medio de un respectivo enlace de CC, estando dispuesto un interruptor (S1, S2) de aislamiento para cada uno de dichos dos inversores, que aísla de dicha línea de alimentación el inversor correspondiente, estando cada inversor conectado además a la línea de alimentación común a través de un banco (C1, C2) de condensadores de filtro, comprendiendo el dispositivo de precarga dura medios para precargar dichos bancos de condensadores, medios de precarga que incluyen una resistencia de protección por cortocircuito (Racrow, Rbcrow) y un conmutador automático (111, 112) de alimentación que transfiere la señal de alimentación en CC a dicha resistencia de protección por cortocircuito cuando la tensión supera un umbral predeterminado, caracterizado por que comprende además medios para cerrar alternativamente los interruptores (S1, S2) de aislamiento de los dos inversores (9) y una conexión (Rccrow, D3), desviando dicho conmutador automático (111, 112) de alimentación la señal de alimentación desde la resistencia de protección por cortocircuito (Racrow, Rbcrow) del inversor conectado a la línea de suministro de señal de alimentación, hacia el banco (C1, C2) de condensadores de filtro del otro inversor que está aislado de la línea de suministro de señal de alimentación.

Description

Precarga dura mejorada para inversores paralelos

La presente invención se refiere a un dispositivo mejorado de precarga dura para inversores paralelos en un sistema de tracción ferroviaria que comprende al menos dos motores diferentes, estando controlado cada motor por medio de al menos uno de dos inversores que están conectados en paralelo a una línea de alimentación común que suministra una señal de alimentación en corriente continua (CC) por medio de un respectivo enlace de CC, estando dispuesto un interruptor de aislamiento para cada uno de dichos dos inversores, que aísla de dicha línea de alimentación el inversor correspondiente, estando cada inversor conectado además a la línea de alimentación común a través de un banco de condensadores de filtro y medios para precargar dichos bancos de condensadores, medios de precarga que incluyen una resistencia de protección por cortocircuito (en inglés, "crow bar") y un conmutador automático de alimentación que transfiere la señal de alimentación en CC a dicha resistencia de protección por cortocircuito cuando la tensión supera un umbral predeterminado.

Se conocen sistemas de tracción del tipo antes mencionado.

En el documento US 2011/248564 se describe un ejemplo de sistema de tracción conocido.

Este documento describe un sistema de conversión de energía eléctrica que incluye una fuente de alimentación común de CC y una pluralidad de conjuntos inversores hechos funcionar de manera mutuamente independiente entre sí y alimentados con energía eléctrica desde la fuente de alimentación común de CC. Cada conjunto inversor tiene un circuito inversor y un condensador de circuito principal. El sistema incluye además una pluralidad de primeros y segundos circuitos de conmutación. Cada primer circuito de conmutación está dispuesto entre la fuente de alimentación común de CC y cada conjunto inversor, y cada segundo circuito de conmutación está dispuesto en cada conjunto inversor para descargar cargas al condensador del circuito principal.

Este documento describe un dispositivo según el preámbulo de la reivindicación 1.

En los sistemas conocidos se disponen grandes bancos de condensadores de filtro en las entradas de cada inversor para filtrar el contenido de armónicos de la línea de alimentación y para almacenar localmente energía, asegurando la función de los inversores. Este tipo de sistema de tracción se describe, por ejemplo, en Recent Advances in power electronics technology for Industrial and Traction Machine Drives, Thomas M. Jahns y Vladimir Blasko, Proceedings of the IEEE, vol. 89, n.º 6, junio de 2001.

En la técnica se conocen dos sistemas de carga bajo los nombres de precarga "blanda" y precarga "dura".

Los denominados sistemas de precarga "blanda" utilizan una resistencia y un interruptor para conectar y desconectar dicha resistencia en serie hacia y desde la línea de suministro de señal de alimentación. Durante la precarga de bancos de condensadores, la señal de alimentación es suministrada a través de esta resistencia y la tensión en los condensadores aumenta a un ritmo lento, por lo que no se producen sobretensiones que podrían dañar los componentes electrónicos del sistema de control.

El interruptor para conectar y desconectar la resistencia hacia y desde la línea de la señal de alimentación, y la propia resistencia, están conectados siempre a alta tensión y, en caso de avería, el sistema de tracción ya no estará en condiciones operativas.

Se conocen sistemas en los que no existe resistencia, sino únicamente el interruptor de aislamiento, que conecta directamente el inversor y el condensador de filtro a la señal de alimentación. Un inductor de filtro limita normalmente la corriente de entrada para evitar la actuación de los dispositivos de protección. Por otro lado, una resistencia de protección, es decir, una resistencia de protección por cortocircuito, se hace cargo de las sobretensiones. Un conmutador automático de alimentación, por ejemplo un recortador (en inglés, "chopper"), transfiere la señal de alimentación a la resistencia de protección por cortocircuito al aislar de dicha señal el inversor y el correspondiente condensador de filtro cuando la tensión supera un umbral predeterminado de máxima tensión tolerada, mientras que, cuando la tensión cae por debajo de un segundo valor umbral predeterminado, más bajo que el anterior, el conmutador restablece la conexión del inversor y el correspondiente condensador de filtro a la señal de alimentación.

En estas soluciones, parte de la energía se disipa dentro de la resistencia de protección por cortocircuito. Además, cuando el sistema de control incluye dos inversores, conectado cada uno a la señal de alimentación en paralelo con el otro inversor a través de un enlace de CC, y cada uno de estos inversores controla un motor diferente, las etapas de conexión de ambos inversores están conectadas a la señal de alimentación y, por lo tanto, la corriente de entrada es muy elevada.

La invención tiene por objeto proporcionar un sistema de tracción como se ha descrito en lo que antecede de la presente memoria, en el cual, si dos inversores están conectados en paralelo y controlan dos motores diferentes, se pueda mantener a un nivel bajo la corriente de entrada, proporcionando así ahorro de energía.

La invención se refiere a un dispositivo según la reivindicación 1 y a un método según la reivindicación 7.

La invención logra el antedicho objeto al disponer que, en un sistema como el descrito en lo que antecede de la presente memoria, es decir, un sistema de tracción ferroviaria que comprende al menos dos motores diferentes, estando controlado cada motor por medio de al menos uno de dos inversores que están conectados en paralelo a una línea de alimentación común que suministra una señal de alimentación en CC por medio de un respectivo enlace de CC, estando dispuesto un interruptor de aislamiento para cada uno de dichos dos inversores, que aísla de dicha línea de alimentación el inversor correspondiente, estando cada inversor conectado además a la línea de alimentación común a través de un banco de condensadores de filtro y medios para precargar dichos bancos de condensadores, medios de precarga que incluyen una resistencia de protección por cortocircuito y un conmutador automático de alimentación que transfiere la señal de alimentación en CC a dicha resistencia de protección por cortocircuito cuando la tensión supera un umbral predeterminado, y en el cual sistema de tracción están dispuestos para cerrar alternativamente los interruptores de aislamiento de uno de los dos inversores y una conexión que desvía la señal de alimentación desde la resistencia de protección por cortocircuito del inversor conectado a la línea de suministro de señal de alimentación por el mencionado conmutador automático de alimentación, al banco de condensadores de filtro del otro inversor que está aislado de la línea de suministro de señal de alimentación.

Según una característica adicional, se dispone un inductor de filtro en las entradas de ambos enlaces de CC que conectan la señal de CC a los inversores, para limitar la corriente de entrada durante la precarga de los bancos de condensadores de filtro.

En una realización, dichos conmutadores automáticos para transferir la señal de alimentación a una resistencia de protección contra sobretensiones, es decir, una resistencia de protección por cortocircuito, consisten en un conmutador semiconductor tal como un transistor o un recortador que realiza la función de desviar la señal de alimentación desde el banco de condensadores hacia una rama de protección contra sobretensiones que comprende dicha resistencia de protección por cortocircuito y dicha conexión, cuando se supera un primer umbral predeterminado de tensión máxima, mientras que dichos medios vuelven a suministrar la señal de alimentación al banco de condensadores cuando la tensión cae por debajo de un segundo valor umbral de tensión, que es menor que dicho primer valor umbral de tensión máxima.

Los medios de conexión resistivos conectan entre sí las dos resistencias de protección por cortocircuito en las ramas de protección contra sobretensiones, transfiriendo así la señal de alimentación que se ha de disipar en la resistencia de protección por cortocircuito, hacia el banco de condensadores de filtro del inversor que está en ese momento aislado de la señal de alimentación.

En una realización más particular, cada inversor está conectado en paralelo a un banco de condensadores de filtro, un recortador conmutador está conectado por su emisor y colector a una rama de protección contra sobretensiones que está en paralelo con el banco de condensadores aguas abajo del interruptor de aislamiento, rama de protección que comprende una resistencia de protección por cortocircuito y un par de diodos en serie, uno de los cuales está en paralelo con el recortador y el otro está en paralelo con la resistencia de protección por cortocircuito, estando dispuesta una resistencia para conectar las dos ramas de protección contra sobretensiones, estando dispuestos adicionalmente medios para controlar de manera alterna los interruptores de aislamiento de las dos etapas de conexión de los dos inversores a los estados cerrado y abierto.

En una mejora adicional, se puede disponer un filtro en la entrada de las etapas de conexión, para filtrar y eliminar tensiones y corrientes resonantes que surgen del aislamiento alterno de los dos inversores con respecto a la línea de alimentación.

En primer lugar, las características de la presente invención permiten la recuperación de parte de la energía de la señal de alimentación suministrada a uno de los bancos de condensadores de filtro, para cargar dicho banco de condensadores de filtro de uno de los dos inversores, que de otro modo se disiparía en la resistencia de protección contra sobretensiones, de la etapa de conexión del otro de los dos inversores.

Además, dado que los inversores y sus respectivos enlaces de CC están conectados alternativamente a la línea de alimentación, se mantiene la corriente de entrada a un nivel bajo, es decir, al valor requerido por uno de los dos inversores, mientras que, en caso de sobretensión, la señal de alimentación desviada por el inversor conectado a la línea de alimentación es enviada al banco de condensadores de filtro del inversor aislado de la línea de alimentación, y se almacena en dicho banco de condensadores en lugar de ser disipada por la resistencia de protección por cortocircuito.

La invención también se refiere a una locomotora eléctrica que comprende al menos dos bogies y al menos dos motores, accionando cada uno al menos un eje de uno de dichos dos bogies o cada uno de dichos dos bogies, motores que están controlados por un inversor de un sistema de tracción según una o más de las realizaciones descritas en lo que antecede.

La invención también se refiere también a un método para controlar dos motores de tracción, en particular de vehículos ferroviarios o similares, estando controlado cada uno de dichos motores por un inversor distinto, inversores

a los que se suministra en paralelo entre sí una señal de alimentación en CC, cada uno a través de un enlace de CC, estando conectado un condensador de entrada de precarga en paralelo a cada inversor para almacenar una cantidad predeterminada de energía eléctrica para accionar el inversor correspondiente, mientras se controla la tensión de la señal de alimentación en el enlace de CC de cada inversor, aislándose dicho enlace de CC de dicha señal cuando se detecta una sobretensión, y desviándose dicha señal de alimentación al condensador de entrada de precarga del otro inversor cuando se detecta dicha sobretensión para cargar dicho condensador.

En una mejora, se suministra de manera alterna la señal de alimentación a uno y otro de los dos inversores, siendo desviada dicha señal, en caso de sobretensión, desde el condensador de entrada del inversor que recibe la señal de alimentación suministrada, hacia el condensador de entrada del inversor que no recibe la señal de alimentación.

Características adicionales y mejoras constituirán el objeto de las reivindicaciones adjuntas.

Estas y otras características y ventajas de la invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción

de algunas realizaciones mostradas en los dibujos adjuntos, en los cuales:

la Figura 1 muestra un diagrama de circuito de la técnica anterior.

la Figura 2 es un diagrama de circuito de un sistema de control de la presente invención.

la Figura 3 muestra el comportamiento de las tensiones en los bancos de condensadores, indicado por los condensadores C1 y C2 durante el proceso de precarga utilizando el sistema de la presente invención.

la Figura 4 muestra el patrón de corriente durante el proceso de precarga utilizando el sistema de la presente invención.

Por lo general, las locomotoras eléctricas tienen dos bogies accionados por motores, y los motores de cada bogie están controlados por un inversor dedicado. Esta no es la única configuración posible, sino simplemente un ejemplo que muestra que la locomotora tiene dos inversores paralelos, controlando cada uno al menos un motor diferente.

La señal de alimentación se puede tomar de una línea aérea utilizando un pantógrafo, o de otras maneras que son todas ellas conocidas en el estado de la técnica. La señal puede ser una señal de corriente alterna (CA) o una señal de CC. En el caso de una señal de CA, primeramente se transforma esta señal en un transformador. Está dispuesto un interruptor de línea entre el pantógrafo o la entrada de señal o el generador de señal, y el transformador. El secundario del transformador está conectado a un rectificador, que convierte la señal de CA en una señal de CC, tras de lo cual se alimenta la señal de CC desde dicho rectificador a las entradas de los dos inversores que controlan los motores 2 de los bogies mediante una unidad de conexión de CC, denominada enlace de CC.

Los inversores cambian la señal de entrada a una señal de CA generalmente trifásica que tiene parámetros optimizados de forma de onda y frecuencia, amplitud, etc., variando estos últimos según el estado de marcha deseado de la locomotora.

Por regla general, estas funciones son ampliamente conocidas y familiares para una persona con pericia ordinaria en la técnica.

Como ya se ha indicado, la señal de alimentación de alta tensión se puede proporcionar en forma de una señal de CC o bien se puede generar mediante la conversión de otros tipos de energía en energía eléctrica, como en el caso de las locomotoras diésel-eléctricas, que utilizan un motor diésel para generar, mediante un alternador, energía eléctrica para suministrar a los motores.

En resumen, no se pretende que el ejemplo descrito limite el uso de la invención a un solo tipo de locomotora, sino que será aplicable a cualquier situación en la que se requiera que múltiples motores eléctricos sean alimentados por múltiples inversores, que deberán poder ser aislados individualmente en caso de mal funcionamiento, sin afectar al funcionamiento de los restantes inversores y motores y sin sacrificar por completo la disponibilidad de una determinada fuerza de tracción.

Las unidades de conexión tienen habitualmente bancos de condensadores de filtro que se deben precargar para conseguir un funcionamiento correcto del inversor. Estos bancos se cargan introduciendo en el circuito una resistencia de carga que suministra la señal de alimentación desde el rectificador, resistencia que tiene el propósito de mantener la tensión dentro de valores máximos predeterminados mientras se está cargando el condensador de filtro.

Cuando se disponen dos inversores paralelos, los bancos de condensadores de la unidad de conexión de cada inversor se precargan por separado de los bancos de condensadores asociados con el otro segundo inversor. Mediante esta disposición se puede mantener la corriente de carga dentro de los límites predeterminados.

La Figura 1 es un ejemplo del circuito de alimentación según la técnica anterior cuando se utiliza en la configuración que comprende dos inversores paralelos 9, estando cada uno alimentado por una unidad 10 de conexión que tiene su respectivo banco 110 de condensadores de filtro y una resistencia 210 de carga.

La Figura 2 muestra un esquema de conexiones del sistema de control de la presente invención y en particular de la unidad de conexión. El inductor 410 filtra la señal de alimentación y la somete a limitación de corriente. En el ejemplo

ilustrado, el primer banco 110 de condensadores a cargar es el designado como C1, de uno de los dos inversores 9, y el segundo banco 110 de condensadores a cargar es el designado como C2, del otro inversor 9. El interruptor S1 de aislamiento está cerrado, mientras que el interruptor S2 que conecta el segundo inversor 9, denominado inversor 2, está abierto.

Los medios automáticos 111, 112 de conmutación, que consisten en un recortador, desvían la señal de alimentación desde el banco de condensadores que se está cargando, cuando la tensión aumenta por encima de un valor umbral predeterminado. En particular, para la prueba realizada en la Figura 3, cuando la tensión VC1 supera 975 V, el interruptor 111 se cierra automáticamente para regular la tensión. En consecuencia, la energía extra almacenada en C1 es desviada a C2 por la resistencia de conexión RCcrow, a través del diodo D3, al banco de condensadores designado como C2, que con ello comienza a cargarse. Las líneas muestran el camino de la señal de alimentación. Cabe señalar que sin el camino descrito (RCcrow y D3 de la Figura 2), la señal es disipada por una u otra de las resistencias de protección por cortocircuito Racrow o Rbcrow, dependiendo de cuál de los bancos de condensadores esté en ese momento conectado directamente a la señal de alimentación y esté siendo precargado.

Por lo tanto, se puede apreciar que se recupera parte de la energía que de otro modo habría sido disipada por las resistencias de protección y se utiliza para cargar el banco de condensadores que no se está cargando en ese momento.

La Figura 3 muestra el patrón de tensión y la Figura 4 muestra el patrón de corriente en función del tiempo.

El gráfico de la Figura 3 muestra el patrón de tensión en los extremos del banco 1 de condensadores y el banco 2 de condensadores. Se puede apreciar que, a medida que el recortador 111 regula la tensión de VC1, comienza a aumentar la tensión del banco C2 de condensadores, para alcanzar al cabo de un breve tiempo el nivel de la tensión del banco 1 de condensadores.

El gráfico de la Figura 4 muestra la corriente en la línea. Se observará que, al activarse el recortador 1, la corriente que estaba aumentando comienza a decrecer, porque una parte de la misma es transferida para cargar el banco C2 de condensadores y la otra parte se disipa en la resistencia RAcrow.

La descripción precedente muestra claramente la peculiaridad de la presente invención, que consiste en permitir la conexión alterna de los dos inversores que funcionan en paralelo, a la señal de alimentación. Esta conexión alterna permite utilizar la mitad de la corriente durante la precarga y permite ahorrar energía, debido al uso de la energía sobrante para cargar el inversor que está respectivamente aislado de la señal de alimentación, en lugar de disipar esta energía con resistencias de protección para limitar los valores de tensión antes mencionados dentro de límites predeterminados.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

   1.

   Dispositivo mejorado de precarga dura de inversores paralelos en un sistema de tracción ferroviaria que comprende al menos dos motores diferentes, estando controlado cada motor (2) por medio de al menos uno de dos inversores (9) que están conectados en paralelo a una línea de alimentación común que suministra una señal de alimentación en CC por medio de un respectivo enlace de CC, estando dispuesto un interruptor (S1, S2) de aislamiento para cada uno de dichos dos inversores, que aísla de dicha línea de alimentación el inversor correspondiente, estando cada inversor conectado además a la línea de alimentación común a través de un banco (C1, C2) de condensadores de filtro, comprendiendo el dispositivo de precarga dura medios para precargar dichos bancos de condensadores, medios de precarga que incluyen una resistencia de protección por cortocircuito (Racrow, Rbcrow) y un conmutador automático (111, 112) de alimentación que transfiere la señal de alimentación en CC a dicha resistencia de protección por cortocircuito cuando la tensión supera un umbral predeterminado, caracterizado por que comprende además medios para cerrar alternativamente los interruptores (S1, S2) de aislamiento de los dos inversores (9) y una conexión (Rccrow, D3), desviando dicho conmutador automático (111, 112) de alimentación la señal de alimentación desde la resistencia de protección por cortocircuito (Racrow, Rbcrow) del inversor conectado a la línea de suministro de señal de alimentación, hacia el banco (C1, C2) de condensadores de filtro del otro inversor que está aislado de la línea de suministro de señal de alimentación.

2. 2.

   Dispositivo según la reivindicación 1, en donde está dispuesto un inductor de filtro en las entradas de ambos enlaces de CC que conectan la señal de CC a los inversores, para limitar la corriente de entrada durante la precarga de los bancos de condensadores de filtro.

3. 3.

   Dispositivo según la reivindicación 1 o 2, en donde dichos conmutadores automáticos de alimentación para transferir la señal de alimentación a una resistencia para protección contra sobretensiones de la rama de protección contra sobretensiones que comprende un conmutador semiconductor, tal como un transistor o un recortador, que realiza la función de desviar la señal de alimentación desde el primer banco de condensadores a la rama de protección contra sobretensiones que comprende dicha resistencia de protección por cortocircuito, cuando se supera un primer umbral predeterminado de tensión máxima, mientras que dichos medios suministran la señal de alimentación al segundo banco de condensadores hasta que la tensión cae por debajo de un segundo valor umbral de tensión, que es menor que dicho primer valor umbral de tensión máxima.

4. 4.

   Dispositivo según una o varias de las reivindicaciones precedentes, en donde un medio de conexión resistivo conecta entre sí las dos resistencias de protección por cortocircuito de las ramas de protección contra sobretensiones, transfiriendo así la señal de alimentación que se ha de disipar en la resistencia de protección por cortocircuito hacia el banco de condensadores de filtro del inversor que está en ese momento aislado de la señal de alimentación.

5. 5.

   Dispositivo según una o varias de las reivindicaciones precedentes, en donde cada inversor está conectado en paralelo a un banco de condensadores de filtro, un recortador conmutador está conectado por su emisor y colector a una rama de protección contra sobretensiones que está en paralelo con el banco de condensadores aguas abajo del interruptor de aislamiento, comprendiendo dicha rama de protección contra sobretensiones una resistencia de protección por cortocircuito y un par de diodos en serie, uno de los cuales está en paralelo con el recortador y el otro está en paralelo con la resistencia de protección por cortocircuito, estando dispuesta una resistencia para conectar las dos ramas de protección contra sobretensiones.

6. 6.

   Una locomotora eléctrica caracterizada por que comprende al menos dos bogies y al menos dos motores, accionando cada uno al menos un eje de uno de dichos dos bogies o cada uno de los mencionados bogies, motores que están controlados cada uno por un inversor distinto de un sistema de control, sistema que comprende un dispositivo de precarga dura según una o más de las reivindicaciones 1 a 5 precedentes.

7. 7.

   Un método para controlar dos motores de tracción, en particular de vehículos ferroviarios o similares, estando controlado cada uno de dichos motores por un inversor distinto y suministrándose a dichos inversores, en paralelo entre sí, una señal de alimentación en CC, cada uno a través de un enlace de CC, estando conectado un condensador de entrada de precarga en paralelo a cada inversor para almacenar una cantidad predeterminada de energía eléctrica para accionar el inversor correspondiente, mientras se controla la tensión de la señal de alimentación en el enlace de CC de cada inversor, caracterizado por que se suministra alternativamente a uno u otro de los dos inversores la señal de alimentación, cuando se detecta una sobretensión, siendo desviada dicha señal desde el condensador de entrada de precarga del inversor que recibe la señal de alimentación suministrada, hacia el condensador de entrada de precarga del inversor que no recibe la señal de alimentación para cargar dicho condensador.