ES2909038T3 - Convertidor auxiliar para vehículo ferroviario - Google Patents

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Abstract

Un convertidor auxiliar (1) adaptado para proporcionar energía a las cargas auxiliares de una red eléctrica auxiliar (4) de un vehículo ferroviario (10), incluyendo las cargas auxiliares un compresor de aire principal (2), comprendiendo el convertidor auxiliar (1): - una etapa de inversor principal (12) con una entrada inversora principal (7) y una salida inversora principal (8), estando configurada la etapa de inversor principal (12) para generar tensión de CA en su salida inversora principal (8) a partir de tensión continua recibida en su entrada de inversor principal (7) desde una catenaria activa; - una etapa de transformador (13) conectada a la salida de inversor principal (8) y adaptada para convertir, en modo de funcionamiento con catenaria, la tensión de CA de la etapa de inversor principal (12), teniendo la etapa de transformador (13) una salida de alimentación (16) para suministrar tensión de suministro a las cargas auxiliares y una salida de carga separada (17) para suministrar a un cargador de batería reversible (15); y - estando conectado el cargador de batería reversible (15) a dicha salida de carga (17) y adaptado para cargar, en dicho modo de funcionamiento con catenaria, una batería eléctrica (3) de dicho vehículo ferroviario (10), en donde el cargador de batería reversible (15) se adapta para, en un modo de funcionamiento con batería, entregar una tensión de suministro desde la batería (3) a dicha etapa del transformador (13) para alimentar cargas auxiliares, caracterizado por una etapa de rectificación e inversión de alta potencia (14) conectada a dicha salida de suministro (16) y adaptada para proporcionar energía a dichas cargas auxiliares de dicha red eléctrica auxiliar (4), en donde dicha etapa de rectificación e inversión de alta potencia (14) comprende en serie de entrada a salida un rectificador monofásico (19), un conjunto de condensadores de almacenamiento intermedio (21) y un inversor trifásico (20).

Description

DESCRIPCIÓN
Convertidor auxiliar para vehículo ferroviario
La presente invención se refiere a un convertidor auxiliar con cargador de batería reversible integrado.
En las arquitecturas de suministro auxiliar de tren actuales, la energía eléctrica se suministra desde un convertidor auxiliar trifásico a una carga trifásica que incluye un compresor principal a través de una línea de tren trifásica (típicamente 400 VCA). El convertidor auxiliar trifásico es alimentado directa o indirectamente por la tensión de línea (catenaria o tercer carril). El convertidor auxiliar generalmente también incluye un suministro de energía de CC de baja tensión (típicamente 110 VCC) respaldada por una batería. Debido a que este suministro de energía de baja tensión generalmente también está cargando la batería, este suministro de energía de baja tensión a menudo se denomina cargador de batería. En el caso de trenes equipados con pantógrafo neumático, el compresor principal se utiliza, por ejemplo, para producir el aire comprimido necesario para elevar/bajar el pantógrafo. Por lo tanto, cuando el pantógrafo está abajo y cuando no hay aire en una tubería principal del tren, se produce un punto muerto. Es decir, como el pantógrafo está abajo, no se suministra energía eléctrica al compresor principal a través del convertidor auxiliar. En consecuencia, el compresor principal no puede proporcionar presión de aire a la tubería principal para elevar el pantógrafo sin una solución de respaldo. Como solución de respaldo, por ejemplo, se utiliza una bomba manual para elevar el pantógrafo. Sin embargo, la instalación de la bomba manual añade costes. Además, una bomba manual es incómoda para el conductor. Otra solución de respaldo conocida es, por ejemplo, usar un pequeño compresor auxiliar dedicado suministrado por una batería. En este caso, aunque la energía manual del conductor es innecesaria, todavía hay costes adicionales por el compresor auxiliar.
El documento WO 2015/028532 A2 sugiere abordar este problema teniendo un suministro de energía de respaldo para el compresor principal. Este suministro de energía de respaldo consiste en un convertidor adicional dedicado, que alimenta el compresor principal desde la batería del vehículo de manera que el compresor principal puede girar a baja velocidad para generar el aire comprimido necesario para elevar el pantógrafo. El inconveniente de esta solución es la necesidad de un convertidor adicional.
La técnica anterior más cercana, el documento FR 2919 768 A1 (correspondiente al documento EP 2020726 A2) describe un método para alimentar ventiladores de ventilación de emergencia para un vehículo ferroviario. En este método, se produce una tensión auxiliar trifásica mediante un convertidor auxiliar con cargador de batería reversible, a partir de una energía almacenada en una batería recargable, en modo de emergencia (= modo de funcionamiento con batería), y se suministra a los ventiladores de ventilación. El convertidor auxiliar es el mismo que también se utiliza para alimentar todas las cargas auxiliares del vehículo ferroviario como el compresor principal en condiciones normales de funcionamiento cuando el vehículo ferroviario se conecta a la catenaria. Por lo tanto, esta solución conocida no necesita un convertidor adicional para alimentar los ventiladores de ventilación de emergencia desde la batería.
El cargador de batería reversible conocido es de topología "rectificador activo trifásico", y suministra directamente la tensión trifásica (a través de un transformador de salida de baja frecuencia de 50 Hz) a la ventilación de emergencia al funcionar como inversor en modo de emergencia. Se podría pensar en usar esta configuración para alimentar el compresor principal para elevar el pantógrafo. Sin embargo, con esta topología, es difícil suministrar suficiente corriente desde el cargador de batería reversible para arrancar el compresor principal sin sobredimensionar el cargador de batería. Como la potencia del compresor principal es del orden de magnitud de la potencia del cargador de batería (la potencia típica del compresor principal es de 15 kW, mientras que la potencia típica del cargador de batería es de 25 kW) y la corriente transitoria de arranque del compresor es varias veces mayor que su corriente de estado estable (típicamente 7 veces mayor), y como la corriente del cargador de batería se conecta al transformador trifásico de salida, de modo que su corriente es proporcional a la corriente del compresor (despreciando el impacto de la corriente del condensador de salida trifásico), esta solución conocida no se adapta para arrancar rápidamente el compresor principal. De hecho, el cargador de batería reversible se diseña simplemente para suministrar la carga de CC y para cargar la batería y no puede hacer frente a las altas demandas de corriente de arranque del compresor principal.
Por lo tanto, un objeto de la presente invención es adaptar el convertidor auxiliar del documento FR 2919768 A1 de modo que sea capaz de suministrar adecuadamente la alta corriente de arranque necesaria para alimentar el compresor principal para elevar el pantógrafo en el modo de funcionamiento con batería.
Además, el documento DE 43 42 327 A1 describe un suministro de energía conmutada que tiene un único transformador que incluye un par de devanados primarios y un par de devanados secundarios. La presente invención está definida por la reivindicación independiente adjunta. Otras realizaciones preferidas se pueden encontrar en las reivindicaciones dependientes.
Este objeto se consigue con un convertidor auxiliar para proporcionar energía a cargas auxiliares de una red eléctrica auxiliar de un vehículo ferroviario, incluyendo las cargas auxiliares un compresor de aire principal, comprendiendo el convertidor auxiliar:
- una etapa de inversor principal con una entrada de inversor principal y una salida de inversor principal, estando configurada la etapa de inversor principal para generar una tensión de CA en su salida de inversor principal a partir de la tensión de CC recibida en su entrada de inversor principal desde una catenaria activa;
- una etapa de transformador conectada a la salida de inversor principal y adaptada para convertir, en un modo de funcionamiento con catenaria, la tensión de CA de la etapa de inversor principal, la etapa de transformador tiene una salida de suministro para suministrar una tensión de suministro a las cargas auxiliares y una salida de carga separada para suministrar a un cargador de batería reversible; y
- el cargador de batería reversible se conecta a dicha salida de carga y se adapta para cargar, en dicho modo de funcionamiento con catenaria, una batería eléctrica de dicho vehículo ferroviario,
en donde el cargador de batería reversible se adapta para, en un modo de funcionamiento con batería, entregar una tensión de suministro desde la batería a dicha etapa de transformador para alimentar cargas auxiliares, caracterizado por una etapa de rectificación e inversión de alta potencia conectada a dicha salida de suministro y para proporcionar energía a dichas cargas auxiliares de dicha red eléctrica auxiliar, en donde dicha etapa de rectificación e inversión de alta potencia comprende en serie de entrada a salida un rectificador monofásico, un conjunto de condensadores de almacenamiento intermedio y un inversor trifásico.
En el convertidor auxiliar según la invención, el aislamiento galvánico lo realiza la etapa de transformador. En esta arquitectura de convertidor auxiliar, las cargas siempre son suministradas por la etapa de inversor, incluso en el modo de funcionamiento con batería cuando un pantógrafo está abajo. En este último caso, el cargador de batería reversible suministra energía a la etapa de rectificación e inversión de alta potencia a través de la etapa de transformador. Es la etapa de rectificación e inversión de alta potencia la que a su vez suministra potencia suficiente al compresor para arrancar el mismo en modo de funcionamiento con batería. Como la potencia nominal de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia es mucho mayor que la potencia del cargador de batería (relación típica: 5 a 8 veces), esta arquitectura de convertidor auxiliar permite arrancar cargas (como el compresor principal) con mayor potencia aparente transitoria sin sobrediseño del cargador de batería.
Dibujos:
- la Figura 1 es un diagrama de bloques que indica un ejemplo de configuración funcional de un convertidor auxiliar según la invención para proporcionar energía a las cargas auxiliares de una red eléctrica auxiliar de un vehículo ferroviario,
- la Figura 2 es un diagrama de circuito del convertidor auxiliar de la Figura 1.
A continuación, mediante las Figuras 1 y 2 se describirá una realización de un convertidor auxiliar 1 para proporcionar energía a cargas auxiliares de una red eléctrica auxiliar de un vehículo ferroviario perteneciente a la presente invención.
La Figura 1 muestra un vehículo ferroviario 10 con un convertidor auxiliar 1 para proporcionar energía a las cargas auxiliares de una red eléctrica auxiliar 4 del vehículo ferroviario 10. Las cargas auxiliares incluyen un compresor de aire principal 2.
El vehículo ferroviario 10 comprende un pantógrafo 5, un dispositivo de subida, como un actuador neumático 6 para subir el pantógrafo, la red eléctrica auxiliar 4, el compresor de aire principal 2 para proporcionar aire comprimido a los frenos del vehículo ferroviario y al accionador neumático 6, una batería de vehículo (dispositivo recargable 3) y el convertidor auxiliar 1. El compresor de aire principal 2 es alimentado por la red eléctrica auxiliar 4. El convertidor auxiliar 1 se conecta entre el pantógrafo y la batería (dispositivo recargable 3) en un lado y la red eléctrica auxiliar 4 en el otro lado para convertir adecuadamente la energía eléctrica del pantógrafo o la batería y entregar la energía eléctrica convertida a la red eléctrica auxiliar 4.
Como se muestra en la Figura 1, el convertidor auxiliar 1 comprende una etapa de entrada 11, una etapa de inversor principal 12, una etapa de transformador 13, una etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 y una etapa de cargador de batería reversible 15. Además, el convertidor auxiliar 1 se conecta al compresor de aire principal 2 y a un dispositivo recargable 3. El dispositivo recargable 3 es capaz de almacenar/descargar energía eléctrica y es, por ejemplo, una batería. Además, el convertidor auxiliar 1 se conecta al pantógrafo 5 del vehículo ferroviario 10 para recibir energía eléctrica.
La etapa de entrada 11 se conecta al pantógrafo 5, se adapta para recibir energía eléctrica del pantógrafo y se destina a proporcionar una tensión de CC a la etapa de inversor principal 12.
La etapa de inversor principal 12 incluye una entrada de inversor principal 7 y una salida de inversor principal 8, y se adapta para generar una tensión de CA en su salida de inversor principal a partir de la tensión de CC recibida en su entrada de inversor principal desde una catenaria viva 9. Específicamente, la etapa de inversor principal 12 se adapta para recibir la tensión continua de la catenaria activa a través del pantógrafo 5 y la etapa de entrada 11. Por lo tanto, en este caso, la etapa de entrada 11 actúa como convertidor elevador conectado a la entrada de inversor principal. Como se muestra en la Figura 2, la etapa de inversor principal 12 comprende dos inversores monofásicos 12-1 y 12­ 2.
La etapa de transformador 13 se conecta a la salida de inversor principal 8 y se adapta para reducir, en un modo de funcionamiento con catenaria, la tensión de CA de la etapa de inversor principal. La etapa de transformador 13 tiene una salida de suministro 16 para alimentar a las cargas auxiliares a través de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 y una salida de carga separada 17 para suministrar al dispositivo recargable 3 a través del cargador de batería. Además, la etapa de transformador 13 tiene un transformador de frecuencia media, en particular un transformador que funciona a una frecuencia de unos pocos kHz (es decir, una frecuencia entre 300 kHz y 3 MHz) usando un transformador de frecuencia media ayuda a reducir el tamaño y el peso del convertidor auxiliar. Además, la etapa de transformador 13 puede tener un transformador monofásico. Como se muestra en las Figuras 1 y 2, la etapa de transformador 13 tiene un total de dos devanados primarios pw1 y pw2 y dos devanados secundarios sw1 y sw2.
La etapa de cargador de batería reversible 15 se conecta a la salida de carga 17 de la etapa de transformador 13 y se adapta para cargar, en el modo de funcionamiento con catenaria, una batería eléctrica (dispositivo recargable 3) del vehículo ferroviario 10. Además, la etapa de cargador de batería reversible 15 se adapta para, en un modo de funcionamiento con batería, entregar una corriente de suministro desde la batería (dispositivo recargable 3) a la etapa de transformador 13 para alimentar cargas auxiliares, como el compresor de aire 2.
Como se muestra en la Figura 2, la etapa de cargador de batería reversible 15 tiene un rectificador monofásico 18. El rectificador monofásico 18 de la etapa de cargador de batería reversible 15 se adapta para actuar como convertidor CA/CC. Por lo tanto, la etapa de cargador de batería reversible 15 se adapta para recibir una tensión de CA del transformador 13, para convertir la tensión de CA en tensión de CC y para proporcionar la tensión de CC (por ejemplo, 110 VCC) al dispositivo recargable 3 para almacenar energía eléctrica. Es decir, en el modo de funcionamiento con catenaria, la etapa de cargador de batería reversible 15 es capaz de recargar el dispositivo recargable 3. Además, en caso de que la etapa de entrada 11 no suministre corriente continua a la etapa de inversor principal 12 (en el modo de funcionamiento con batería), la etapa de cargador de batería reversible 15 recibe una tensión continua del dispositivo recargable 3 y proporciona una tensión de CA a la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 a través del transformador de media frecuencia (etapa de transformador 13).
La etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 se conecta a la salida de suministro 16 del transformador 13 y se adapta para proporcionar energía a las cargas auxiliares de la red eléctrica auxiliar 4. La etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 comprende al menos uno de un rectificador monofásico 19, un inversor trifásico 20 y un condensador de compensación 21. En este ejemplo, como se muestra en la Figura 2, la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 comprende desde la entrada 22 hasta la salida 23, por ejemplo en serie, un rectificador monofásico 19, condensadores de enlace de CC 21 y un inversor trifásico 20. Por lo tanto, la etapa de inversor principal 12, la etapa de transformador 13 y el rectificador monofásico 19 de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 actúan en conjunto como etapa de convertidor CC/CC. El inversor 20 de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 se adapta para recibir la tensión de CC de la etapa de convertidor CC/CC y para convertir esta tensión de CC en una tensión de CA trifásica adecuada (por ejemplo, 400 VCA/50 Hz) para el compresor de aire 2.
El compresor de aire 2 se adapta para subir/bajar el pantógrafo. En caso de que el pantógrafo 5 esté abajo (en el modo de funcionamiento con batería), la etapa de cargador de batería reversible 15 recibe una tensión de CC del dispositivo recargable 3 y entrega una tensión de suministro a la etapa de transformador 13 para subir el pantógrafo usando el compresor de aire 2.
Además, como se muestra en la Figura 2, el convertidor auxiliar 1 puede comprender un puerto de suministro de energía 24 para la conexión a un suministro de energía externo con una línea de suministro de energía trifásica 25 conectada a una salida 26 de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14. El convertidor auxiliar 1 se adapta para cargar la batería (dispositivo recargable 3) con energía de la línea de suministro de energía 25 cuando se conecta al suministro de energía externa.
A continuación, se describirá el funcionamiento del convertidor auxiliar 1.
En caso de que ese suba el pantógrafo 5 (modo de funcionamiento con catenaria), el convertidor auxiliar 1 puede recibir la energía eléctrica del pantógrafo. Por lo tanto, como se describió anteriormente, el convertidor auxiliar 1 puede proporcionar tensión de CA a través de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 a las cargas auxiliares como el compresor de aire 2. Por lo tanto, el compresor de aire 2 puede generar aire comprimido de la manera habitual. Además, en este caso, la etapa de cargador de batería reversible 15 recibe una tensión de CA de la etapa de transformador 13, convierte la tensión de CA en una tensión de CC y proporciona la tensión de CC al dispositivo recargable 3. El dispositivo recargable 3 almacena energía eléctrica.
Por otro lado, en caso de que el pantógrafo esté abajo (en el modo de funcionamiento con batería), la etapa de entrada 11 no puede recibir energía eléctrica del pantógrafo 5 y, por lo tanto, no proporciona tensión de CC a la etapa de inversor principal 12. En este caso, la etapa de cargador de batería reversible 15 recibe una tensión de CC del dispositivo recargable 3 y proporciona una tensión de CA al compresor de aire 2 a través del transformador de media frecuencia (la etapa de transformador 13) y la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14. Esto es, la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 recibe una tensión de CA de la etapa de cargador de batería reversible 15 a través del transformador 13 y convierte la tensión de CA en tensión de CC utilizando el rectificador monofásico 19. Además, el inversor 20 de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 convierte la tensión de CC en una tensión de CA (por ejemplo, 400 VCA/50 Hz) para arrancar el compresor de aire 2. Luego se inicia el compresor de aire 2 de modo que el pantógrafo 5 pueda subirse utilizando la tensión de CA. Tan pronto como se sube el pantógrafo 5, el convertidor auxiliar 1 (la etapa de entrada 11) recibe la energía eléctrica del pantógrafo 5 y el convertidor auxiliar 1 vuelve al modo de funcionamiento con catenaria. En resumen, en caso de ausencia de tensión de línea y de presión de aire en la tubería principal, el compresor de aire 2 es suministrado por el cargador de baterías reversible para elevar el pantógrafo 5.
Gracias a la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14, el convertidor auxiliar 1 para el vehículo ferroviario según la presente invención es capaz de limitar el impacto de la corriente de arranque de compresor principal en el cargador de batería 15. Por lo tanto, la batería 3 y la etapa de cargador de batería 15 se pueden utilizar para arrancar el compresor principal 2 para proporcionar la presión de aire necesaria para subir el pantógrafo 5. Esto reduce los costes al eliminar la necesidad de un compresor auxiliar dedicado adicional para subir el pantógrafo. En particular, como la potencia nominal del inversor 20 de la etapa de rectificación e inversión de alta potencia 14 es muy superior a la potencia del cargador de baterías, el convertidor auxiliar 1 para el vehículo ferroviario según la presente invención permite arrancar cargas (como el compresor de aire 2) con alta potencia aparente transitoria sin sobrediseño. Por otra parte, el convertidor auxiliar 1 para el vehículo ferroviario según la presente invención hace posible completar el arranque de cargas de tamaño medio, como el compresor de aire 2 en un tiempo corto (sin necesidad de arrancar la carga en rampa). Además, cuando ya se utiliza un cargador de batería reversible para ventilación de emergencia, es posible ahorrar el coste de instalar compresores eléctricos adicionales.

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Un convertidor auxiliar (1) adaptado para proporcionar energía a las cargas auxiliares de una red eléctrica auxiliar (4) de un vehículo ferroviario (10), incluyendo las cargas auxiliares un compresor de aire principal (2), comprendiendo el convertidor auxiliar (1):
- una etapa de inversor principal (12) con una entrada inversora principal (7) y una salida inversora principal (8), estando configurada la etapa de inversor principal (12) para generar tensión de CA en su salida inversora principal (8) a partir de tensión continua recibida en su entrada de inversor principal (7) desde una catenaria activa;
- una etapa de transformador (13) conectada a la salida de inversor principal (8) y adaptada para convertir, en modo de funcionamiento con catenaria, la tensión de CA de la etapa de inversor principal (12), teniendo la etapa de transformador (13) una salida de alimentación (16) para suministrar tensión de suministro a las cargas auxiliares y una salida de carga separada (17) para suministrar a un cargador de batería reversible (15); y
- estando conectado el cargador de batería reversible (15) a dicha salida de carga (17) y adaptado para cargar, en dicho modo de funcionamiento con catenaria, una batería eléctrica (3) de dicho vehículo ferroviario (10), en donde el cargador de batería reversible (15) se adapta para, en un modo de funcionamiento con batería, entregar una tensión de suministro desde la batería (3) a dicha etapa del transformador (13) para alimentar cargas auxiliares, caracterizado por una etapa de rectificación e inversión de alta potencia (14) conectada a dicha salida de suministro (16) y adaptada para proporcionar energía a dichas cargas auxiliares de dicha red eléctrica auxiliar (4), en donde dicha etapa de rectificación e inversión de alta potencia (14) comprende en serie de entrada a salida un rectificador monofásico (19), un conjunto de condensadores de almacenamiento intermedio (21) y un inversor trifásico (20).
2. El convertidor auxiliar (1) de la reivindicación 1, en donde dicha etapa de transformador (13) tiene un transformador de frecuencia media.
3. El convertidor auxiliar (1) de la reivindicación 1 o 2, en donde dicha etapa de transformador (13) tiene un transformador monofásico.
4. El convertidor auxiliar (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicha etapa del transformador (13) tiene un total de dos devanados primarios (pw1, pw2) y dos devanados secundarios (sw1, sw2).
5. El convertidor auxiliar (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde dicho cargador de batería reversible (15) tiene un rectificador monofásico (18).
6. El convertidor auxiliar (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la etapa de inversor principal (12) comprende dos inversores monofásicos (12-1, 12-2).
7. El convertidor auxiliar (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una etapa de entrada (11) en forma de convertidor elevador conectado a la entrada de inversor principal (7).
8. El convertidor auxiliar (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además un puerto de suministro de energía (24) para la conexión a un suministro de energía externo con una línea de suministro de energía (25) conectada a una salida (26) de la etapa de inversión y rectificación de alta potencia y (14), estando adaptado el convertidor auxiliar (1) para cargar dicha batería (3) con energía procedente de la línea de suministro de energía (25) cuando se conecta a dicho suministro de energía externo.
9. Un vehículo ferroviario (10) que comprende:
- un pantógrafo (5);
- un accionador neumático para subir dicho pantógrafo (5);
- una red eléctrica auxiliar (4);
- un compresor de aire principal (2) para proporcionar aire comprimido a los frenos del vehículo ferroviario (10) y al accionador neumático, siendo alimentado el compresor de aire principal (2) por la red eléctrica auxiliar (4);
- una batería de vehículo (3); y
- el convertidor auxiliar (1) de cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
en donde dicho convertidor auxiliar (1) se conecta entre el pantógrafo (5) y la batería (3) por un lado y la red eléctrica auxiliar por el otro lado para convertir adecuadamente la energía eléctrica del pantógrafo (5) o la batería (3) y entregar la energía eléctrica convertida a la red eléctrica auxiliar (4).
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