ES2963953T3 - Cadena de tracción multicelular que comprende una máquina eléctrica alimentada con baja tensión - Google Patents

Abstract

Un convertidor multicelular para una cadena de tracción de bajo voltaje. La invención se refiere a una máquina eléctrica y a una máquina de tracción que utiliza dicha máquina eléctrica. La cadena de tracción eléctrica según la invención comprende una máquina eléctrica, una pluralidad de convertidores de potencia configurados para generar señales de potencia de CA asociadas con las diversas fases de la máquina eléctrica, y una pluralidad de fuentes de energía de CC. La máquina eléctrica según la invención comprende un rotor y un estator, comprendiendo el estator al menos un devanado realizado a partir de espiras de un material conductor aislado, estando asociado cada devanado a una fase de la máquina eléctrica, y comprendiendo una pluralidad de bobinas alimentadas independientemente. . Cada fuente de alimentación CC de la máquina eléctrica está asociada a un convertidor de potencia independiente, las bobinas de un mismo devanado son alimentadas por señales de potencia asociadas a una misma fase generada por los convertidores de potencia independientes. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cadena de tracción multicelular que comprende una máquina eléctrica alimentada con baja tensión

La invención se sitúa en el campo de los dispositivos de conversión de energía eléctrica, o máquinas eléctricas, y se refiere en particular a una máquina eléctrica diseñada para ser alimentada con baja tensión.

Las máquinas eléctricas se utilizan comúnmente en los equipos industriales y las cadenas eléctricas de tracción. A modo de ejemplo pueden mencionarse los vehículos eléctricos, los vehículos híbridos, las locomotoras o los barcos. La principal ventaja de los motores de tracción eléctrica, en comparación con los motores de tracción térmica, reside en su sencillez de realización. De hecho, no contienen piezas de diseño delicado, requieren muy poco mantenimiento y no emiten dióxido de carbono.

La Figura 1a representa la estructura de una cadena de tracción según el estado de la técnica, que hace posible conectar una fuente de alimentación de tensión continua a una máquina eléctrica polifásica. Esta estructura es la estructura clásica, que se utiliza indistintamente, bien para convertir energía eléctrica en energía mecánica (motor eléctrico), bien, a la inversa, para producir energía eléctrica a partir de energía mecánica (generador eléctrico). Esta cadena de tracción se compone de tres elementos principales: una fuente 101 de alimentación, con una tensión Lfo, un convertidor 102 de potencia y una máquina eléctrica 103 que comprende bobinados.

La fuente 101 de alimentación es una fuente de tensión continua, como, por ejemplo, una batería, o una fuente de tensión alterna rectificada para convertirla en una tensión continua, como es el caso, por ejemplo, en el campo de la tracción ferroviaria. En los sistemas integrados, la fuente de energía puede estar constituida por la colocación en serie de acumuladores electroquímicos, que suministran una baja tensión de manera unitaria (del orden de unos pocos voltios por acumulador), o por una pila de combustible.

El convertidor 102 de potencia, u ondulador de tensión, es un circuito electrónico que permite convertir la tensión de alimentación continua suministrada por la fuente de alimentación en varias señales de alimentación alternas desplazadas en fase. En el caso de un motor trifásico, emite tres señales de alimentación.

La Figura 1b detalla los elementos que componen un convertidor de potencia de este tipo, conocidos por el estado de la técnica. El convertidor 102 funciona según el principio de las fuentes de alimentación conmutadas. Comprende un circuito 114 de control que conmuta, para cada una de las señales 111, 112 y 113 suministradas, dos transistores montados como brazos puente, como, por ejemplo, los transistores 115 y 116 para la señal 111. La señal suministrada tiene entonces una forma de tensión de impulsos rectangulares cuyo valor es igual, bien al del polo positivo de la alimentación (que generalmente corresponde a una alta tensión), bien al del polo negativo de la alimentación (generalmente la tierra). Debido a la conmutación de alta frecuencia de los interruptores, la corriente de señal generada en las bobinas que forman la máquina eléctrica que alimentan es alterna. La frecuencia y el ancho de los impulsos permiten controlar los diferentes parámetros de estas señales (frecuencia, amplitud y fase) y, por lo tanto, la velocidad de rotación y el par.

La máquina eléctrica 103 es el dispositivo final de la cadena de tracción, que acciona un eje de rotación o es accionada por este eje, dependiendo de si se usa como motor o como generador. Comprende varias fases, generalmente tres, es decir, es alimentada por varias corrientes que están uniformemente desplazadas en fase (en el caso de un motor trifásico, las tres corrientes están desplazadas respectivamente 120°).

La Figura 1 c representa una máquina eléctrica polifásica según el estado de la técnica. Comprende un rotor 121, sobre el que se fija el eje accionado en rotación, y un estator 122, una pieza cilíndrica hecha de un apilamiento de chapas de hierro dulce o material ferromagnético, que contiene varios arrollamientos eléctricos, o bobinados 123, 124 y 125. Cada bobinado consiste en una gran cantidad de espiras de hilo conductor, la mayoría de las veces de cobre, cubiertas con un barniz aislante, que forman arrollamientos alojados en las muescas del estator. Los bobinados pueden estar hechos de una sola bobina, de varias bobinas dispuestas en serie o de bobinas cuyos extremos estén conectados entre sí y alimentados con la misma señal y, por lo tanto, estén mecánica y eléctricamente en paralelo. Por lo tanto, un bobinado presenta un solo par de terminales (una entrada y una salida). En la figura, éstos son respectivamente los terminales 133 y 143 para el primer bobinado, los terminales 134 y 144 para el segundo y los terminales 135 y 145 para el tercero.

Los bobinados están alimentados con una corriente alterna producida por el convertidor de potencia y asociados a una de las fases de la máquina eléctrica. Cada bobinado genera su propio campo magnético. Las variaciones a lo largo del tiempo en la corriente de alimentación de los bobinados provocan una variación a lo largo del tiempo en el nivel de cada uno de los campos magnéticos generados. El desfase aplicado a las tensiones de alimentación de los bobinados provoca entonces una variación a lo largo del tiempo en la dirección del campo magnético total producido, lo que hace que el rotor gire.

En el ejemplo de la Figura 1 c, la máquina eléctrica es trifásica, es decir, los bobinados se alimentan con tres corrientes de alimentación desfasadas. Por lo tanto, la máquina eléctrica comprende tres bobinados, pero es posible aumentar el número de bobinados asociando varios bobinados a una misma fase, o bien modificando el número de fases.

El conjunto de la batería, el convertidor de potencia y la máquina eléctrica se conoce desde hace muchos años. Sin embargo, sus aplicaciones están cambiando, al igual que las expectativas en términos de niveles de potencia y rendimientos. Este es el caso en particular de los vehículos eléctricos, donde las potencias suministradas determinan las prestaciones del vehículo, en términos de aceleración y velocidad máxima, determinando los rendimientos las prestaciones en términos de la distancia que se puede recorrer, y donde las dimensiones totales y el peso de la cadena de tracción son elementos que influyen en el dimensionamiento. La adecuación de la cadena de tracción al conjunto de estas necesidades plantea un gran número de problemas cuando las potencias suministradas se hacen demasiado grandes.

En lo que respecta a las baterías, son el resultado de colocar en serie un gran número de acumuladores unitarios que suministran bajas tensiones, a fin de obtener una tensión de alimentación que puede alcanzar varios cientos de voltios. Surge entonces el problema de equilibrar los acumuladores, pudiendo variar la tensión en los terminales de cada elemento que compone la batería según la temperatura, su envejecimiento, etc. En el caso de elementos dispuestos en serie, una desviación de la tensión en los terminales de uno de los acumuladores puede compensarse con una desviación en sentido opuesto en otro elemento, lo que hace que estas desviaciones sean invisibles para un controlador de estado de la batería que vigile sólo la tensión total. Por lo tanto, para evitar cualquier riesgo de destrucción de los elementos, varias familias tecnológicas de acumuladores requieren un equilibrado complejo de las tensiones suministradas por cada uno de los acumuladores (sistema de control de baterías de acumuladores: en inglés BMS «Battery Management System»). Estos sistemas de control no están adaptados cuando las potencias suministradas son demasiado grandes. Otra desventaja de las baterías es que el defecto de uno sólo de los acumuladores tiene el efecto de dejar fuera de uso la batería y, por lo tanto, todo el conjunto de la cadena de tracción.

Por último, la manipulación de una batería de alta tensión presenta riesgos y requiere precauciones especiales, lo que no ocurre con las baterías de baja tensión (las normas actuales definen la baja tensión como la tensión de contacto a partir de la cual es necesario prever sistemas de protección, es decir, corriente continua de 60 voltios). A igual potencia, la tensión de alimentación de la batería de una cadena de tracción se puede reducir aumentando la intensidad de la corriente. Surge entonces el problema de realizar la electrónica de potencia y las bobinas de la máquina eléctrica, cuya complejidad y tamaño aumentarán con la intensidad de la corriente. La elección de la tensión suministrada por las baterías de alimentación de una cadena eléctrica es, por lo tanto, el resultado de un compromiso entre, por un lado, la capacidad de suministrar altas corrientes y, por otro lado, la compacidad de la cadena de tracción, su complejidad de implementación y la protección de los usuarios.

En lo que respecta al convertidor de potencia, u ondulador de potencia, el dimensionamiento de los transistores que comprende depende de las tensiones e intensidades de las corrientes conmutadas. Así, los transistores bipolares de puerta aislada (o transistores IGBT) montados en puente generalmente se asocian con altas tensiones, mientras que otros tipos de transistores, como los transistores MOSFET (acrónimo en inglés de Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, o transistor de efecto de campo de material semiconductor de óxido metálico), generalmente se asocian con bajas tensiones. Estos últimos presentan tiempos de conmutación más cortos que los IGBT, lo que tiene un impacto positivo en las pérdidas de conmutación, pero sus pérdidas por conducción aumentan con la tensión. Esta es la razón por la que los transistores IGBT se utilizan con mayor frecuencia para los convertidores de potencia, aumentando el tamaño de estos transistores con las tensiones conmutadas.

En lo que respecta a la máquina eléctrica, si la intensidad de la corriente en los bobinados es cuasisinusoidal, la tensión se presenta en forma de impulsos rectangulares que alternan una tensión máxima y una tensión nula. Cuando las potencias de alimentación son altas, los impulsos rectangulares de tensión en los terminales de las bobinas presentan frentes ascendentes y descendentes muy grandes. Durante la duración de los frentes, la distribución de la tensión entre las espiras que forman los bobinados de la máquina eléctrica no se realiza de manera uniforme, en particular debido a un fenómeno de capacitancias parásitas. Las espiras ubicadas en los extremos de la bobina absorben entonces niveles de tensión muy altos que pueden provocar perforaciones en los aislantes, lo que hace que la máquina eléctrica quede fuera de uso.

Por lo tanto, por las razones expuestas anteriormente, existe la necesidad de una solución que permita reducir la tensión de las corrientes de alimentación en una cadena de tracción eléctrica, lo que resolvería, entre otras cosas:

• el problema de la peligrosidad de manipulación de la fuente de alimentación,

• el problema de las dimensiones totales de los convertidores de potencia, y

• el problema del envejecimiento prematuro de la máquina eléctrica,

y ello sin perjuicio de los rendimientos de los elementos de la cadena de tracción ni de la potencia que suministra.

Para reducir la intensidad de las corrientes utilizadas, la patente europea EP 2368319 B1 propone dividir la máquina eléctrica en dos submáquinas eléctricas acopladas. La cadena de tracción se divide entonces en dos subcadenas de tracción, cada una de las cuales comprende una fuente de alimentación para alimentar un convertidor de potencia que suministra señales alternas a las fases de tres bobinados colocados en forma de estrella en la máquina eléctrica. De este modo, la tensión y la intensidad de las corrientes se dividen por dos. Sin embargo, este procedimiento no es compatible con todas las máquinas eléctricas, porque el número de bobinados que debe comprender es directamente proporcional al número de subcadenas de tracción: realizar un motor trifásico dividiendo por dos las tensiones e intensidades de la corriente requiere exactamente seis bobinas en la máquina eléctrica. La reducción de las tensiones e intensidades de las corrientes utilizadas está vinculada entonces al número de bobinados de la máquina eléctrica, y la realización de una cadena de tracción de alta potencia alimentada con baja tensión sólo puede realizarse para máquinas eléctricas que comprendan un número muy grande de bobinados (una máquina eléctrica de 580 V requeriría una máquina eléctrica con 36 bobinados alimentados con baja tensión).

Además, un dispositivo de este tipo genera perturbaciones, que la patente EP 2368319 B1 propone reducir mediante el uso de acopladores magnéticos entre las fases, lo que tiene el efecto de aumentar el volumen de la cadena de tracción y su complejidad de implementación.

Por el documento GB 2474 321 se conoce un motor del tipo que comprende un rotor y un estator, conteniendo el estator al menos un bobinado hecho de arrollamientos de material conductor aislado, estando cada bobinado asociado a una fase de la máquina eléctrica, comprendiendo cada bobinado una pluralidad de bobinas alimentadas de forma independiente.

También se conoce por el documento DE 102005032965 una máquina eléctrica en la que las bobinas de la máquina eléctrica se componen de un elemento conductor en forma de U.

La invención tiene por objeto una cadena de tracción eléctrica tal como se reivindica.

Descripción

La invención se comprenderá mejor y otras características y ventajas se harán más evidentes tras la lectura de la siguiente descripción, dada de forma no limitativa, y gracias a las figuras adjuntas, entre las cuales:

• las Figuras 1a, 1b y 1c, ya descritas, presentan respectivamente una cadena de tracción, un convertidor de potencia y una máquina eléctrica polifásica según el estado de la técnica anterior a la invención,

• la Figura 2 representa una máquina eléctrica según un modo de realización de la invención,

• las Figuras 3a y 3b representan los diferentes elementos necesarios para alimentar las bobinas de una máquina eléctrica según los modos de realización de la invención,

• las Figuras 4a y 4b representan diferentes modos de realización de convertidores de potencia que pueden usarse para implementar la invención,

• la Figura 5 ofrece un ejemplo de los rendimientos que se pueden obtener en función de la potencia requerida para una cadena de tracción según la invención,

• las Figuras 6a y 6b ilustran un modo de realización ventajoso de la invención, en el que las bobinas parciales de los bobinados están hechas de espiras unitarias en forma de U conectadas a un circuito eléctrico.

En la siguiente descripción, la expresión «máquina eléctrica» se usa para designar una máquina eléctrica propiamente dicha que convierte la energía eléctrica en energía mecánica (motor), pero también su recíproca (generador). La invención está representada en las siguientes figuras en forma de una máquina eléctrica polifásica que comprende tres ramas, pero se aplica de manera similar sea cual sea el número de ramas. También se aplica en el contexto de máquinas eléctricas monofásicas que constan de una o más ramas conectadas a una misma fase. La máquina eléctrica puede ser indistintamente de tipo sincrónico (con reluctancia variable o con imanes permanentes o incluso mixtos) o asincrónico.

La Figura 2 representa una máquina eléctrica según un modo de realización de la invención. Esta máquina eléctrica se asemeja a una máquina eléctrica según el estado de la técnica en que consiste en un rotor 121 y un estator 122 que comprenden bobinados (123, 124 y 125) conectados a diferentes fases, pero se diferencia de la misma en que los bobinados están fraccionados en una pluralidad de bobinas (201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208, 209), cada una de las cuales tiene un número de espiras inferior al número total de espiras del arrollamiento. Cada bobina de un mismo bobinado tiene terminales (211 y 221, 212 y 222, 213 y 223) propios mediante los que recibe alimentación.

Por lo tanto, la invención propone fraccionar cada uno de los bobinados en un númerokBde bobinas de menor tamaño, o bobinas parciales. En el ejemplo de la Figura 2, cada bobinado se ha fraccionado en tres bobinas parciales que tienen un número de espiras sustancialmente idéntico. Para presentar un número de espiras equivalente al producido por un bobinado deNsespiras, cada una de las bobinas comprendeNs/kBespiras. Las bobinas parciales que pertenecen a un mismo bobinado están asociadas a una misma fase de la máquina eléctrica. Por lo tanto, la invención permite fraccionar cada fase enkBsubfases acopladas magnéticamente (las líneas de campo generadas por las bobinas parciales de un mismo bobinado están orientadas en el mismo sentido) y constituir asíkBsubmáquinas eléctricas polifásicas (en la Figura 2, las submáquinas eléctricas están constituidas respectivamente por las bobinas parciales [201,204, 207], [202, 205, 208] y [203, 206, 209]).

En el ejemplo representado en la Figura 2, las bobinas parciales que constituyen un mismo bobinado (por ejemplo, las bobinas parciales 201, 202 y 203) están dispuestas una tras otra, pero también podrían entrelazarse, mezclarse o superponerse, sin que esto perjudique la invención.

Realizando cada uno de los bobinados a partir de bobinas parciales de tamaños más pequeños que los del bobinado completo, la invención hace posible, para una tensión de alimentación por espira idéntica a la del estado de la técnica, alimentar cada una de las bobinas parciales con una tensión reducida en proporción al númerokBde subbobinas. Por lo tanto, este fraccionamiento viene a ser colocar bloques de espiras en paralelo en lugar de en serie, para poder alimentarlos con señales de alimentación distintas que tengan tensiones más bajas. Las bobinas de un mismo bobinado están entonces mecánicamente (pero no eléctricamente) en paralelo en un mismo bobinado. Al alimentárseles señales de la misma fase, se suman los campos magnéticos que generan. La potencia suministrada por la máquina eléctrica es, por lo tanto, equivalente a la suministrada por las máquinas eléctricas según el estado de la técnica.

Adaptando el númerokBde bobinas parciales por bobinado, es posible alimentar los bobinados de la máquina eléctrica con bajas tensiones.

ParakB= 1, la máquina eléctrica es idéntica en todos los aspectos a una máquina eléctrica según el estado de la técnica.

CuandokBaumenta, la tensión de alimentación de cada una de las bobinas parciales se reduce otro tanto.

ParakB = Ns,la máquina eléctrica según la invención presentaNsbobinas parciales realizadas a partir de una sola espira.

La Figura 3a representa los diferentes elementos necesarios para alimentar las bobinas parciales que constituyen los bobinados de una máquina eléctrica 303 según un modo de realización de la invención. La subcadena de tracción representada está dedicada a alimentar no uno de los bobinados de la máquina eléctrica, sino un subconjunto de estos bobinados, como, por ejemplo, las bobinas parciales 201, 204 y 207 de la Figura 2, que están asociadas a fases distintas. La fuente de tensión continua 301 que alimenta el convertidor de potencia es una fuente de tensión continua o rectificada que suministra una tensión U<ü>/K<b>, siendo U<ü>la tensión suministrada por la fuente de alimentación en una cadena de tracción según el estado de la técnica (véase la Figura 1a).

El convertidor de potencia 302 es similar a un convertidor de potencia del estado de la técnica, excepto que convierte una señal cuya tensión está reducida en proporción akBen comparación con un convertidor de potencia integrado en una cadena de tracción estándar para una misma potencia suministrada por la máquina eléctrica.

La invención requiere la implementación, en paralelo, de una pluralidad de subcadenas de tracción tales como la representada en la Figura 3a. La Figura 3b representa una cadena de tracción completa según la invención, en el caso en el que el númerokBde bobinas utilizadas para subdividir los bobinados de la máquina eléctrica es igual a tres, y para una máquina eléctrica trifásica. La invención se aplica de manera completamente idéntica, ajustando el número de equipos, para todos los valores dekBque sean enteros y mayores de uno, y cuando el número de fases del motor eléctrico sea diferente de tres.

En la Figura 3b, los bobinados de la máquina eléctrica polifásica están fraccionados en tres bobinas parciales asociadas a una misma fase. Con referencia a la Figura 2a, las bobinas parciales 201, 202 y 203 están asociadas a la primera fase, las bobinas parciales 204, 205 y 206 están asociadas a la segunda fase y las bobinas parciales 207, 208 y 209 están asociadas a la tercera fase.

Las bobinas parciales 201, 204 y 207, cuyo número de espiras es igual aNs/kB,son alimentadas por un primer convertidor de potencia 302, a su vez alimentado por una primera alimentación 301 que suministra una tensión U<ü>/K<b>.

Del mismo modo, las bobinas parciales 202, 205 y 208 son alimentadas por un segundo convertidor de potencia 312, alimentado por una segunda alimentación 311 que suministra una tensión U<ü>/K<b>.

Finalmente, las bobinas parciales 203, 206 y 209 son alimentadas por un tercer convertidor de potencia 322, alimentado por una tercera alimentación 321.

Ventajosamente, los diferentes convertidores de tensión están conectados a un potencial eléctrico de referencia común 330, tal como tierra.

La cadena de tracción según la invención resulta, por lo tanto, de colocar en paralelo los diferentes equipos que la componen, lo que tiene el efecto de permitir que cada uno de sus elementos funcione a niveles de tensión más bajos que las cadenas de tracción del estado de la técnica.

Teóricamente, por lo tanto, consume tanta energía como una cadena de tracción según la técnica anterior y ofrece el mismo nivel de potencia. Sin embargo, este paralelismo de los equipos presenta numerosas ventajas.

Ventajas asociadas a la invención con respecto a la máquina eléctrica

En lo que respecta a la máquina eléctrica, la estructura magnética de la máquina eléctrica, es decir, su forma, sus dimensiones totales, el número de bobinas, el número de espiras por bobina, la estructura de las chapas, etc., no está modificada en comparación con las máquinas eléctricas conocidas. La única modificación necesaria para implementar la invención en una máquina eléctrica existente consiste en sustituir cada bobinado por una pluralidad de bobinas parciales de tamaños más pequeños cuyos terminales están conectados a una alimentación separada. La sustitución de los bobinados por una pluralidad de bobinas parciales se realiza a volumen constante. La implementación de la invención en una máquina eléctrica existente se limita entonces a la modificación del bobinado.

En las máquinas eléctricas según el estado de la técnica, la pendiente de los frentes de tensión provoca problemas de capacitancias parásitas entre las espiras. Esto da como resultado una distribución no uniforme de la corriente en las espiras de la bobina, en particular durante los frentes de los impulsos de tensión. La máquina eléctrica según la invención recibe, para cada una de las bobinas que constituyen un mismo bobinado, una baja tensión de alimentación. Por consiguiente, se reduce el nivel de los frentes de los impulsos de tensión que se producen cuando se conmutan los transistores del convertidor de potencia. El riesgo de perforación de los aislantes de las espiras se reduce entonces en proporción a la disminución de la tensión, lo que reduce otro tanto el envejecimiento prematuro de la máquina eléctrica. Es posible tener en cuenta esta reducción de tensión para reducir el espesor del aislante que protege los conductores de cobre y, así, reducir la superficie ocupada por las bobinas o aumentar el número de espiras. Las corrientes capacitivas parásitas generadas también se reducen, lo que tiene el efecto de reducir las perturbaciones electromagnéticas generadas y permite reducir los medios que se han de implementar para cumplir las normas de compatibilidad electromagnética.

La reducción de las corrientes capacitivas parásitas generadas es aun más importante cuando los diferentes convertidores de tensión están conectados a un potencial eléctrico común.

Ventajas asociadas a la invención con respecto a los convertidores de potencia

En lo que respecta a los convertidores de potencia, la invención hace posible utilizar no un único convertidor de alta potencia, sino una pluralidad de convertidores de media o baja tensión y de menor potencia.

El volumen ocupado por cada uno de los elementos que componen el convertidor, y en particular el que ocupan los transistores, es una función de las corrientes y tensiones conmutadas. Al reducir la tensión de las fases, el tamaño de los componentes utilizados disminuye.

Así, el volumen ocupado por un convertidor de alta potencia o varios convertidores de menor potencia es teóricamente equivalente. Sin embargo, el uso de una pluralidad de convertidores de media o baja potencia en paralelo presenta varias ventajas. Una de las ventajas asociadas al fraccionamiento de la función de conversión de energía reside en la posibilidad de poder distribuir la implementación de la electrónica lo más cerca posible de la máquina eléctrica. Los diferentes convertidores pueden estar distribuidos en pequeños módulos, configurados geométricamente en formas muy precisas, integrados lo más cerca posible de las bobinas. Esto permite acortar las conexiones entre los convertidores y la máquina eléctrica, lo que tiene el efecto de reducir las perturbaciones electromagnéticas y las pérdidas. La máquina eléctrica y el convertidor de potencia ya no son entonces dos entidades diseñadas independientemente una de otra, sino una sola entidad realizada con vistas a las interacciones entre los convertidores y la máquina eléctrica. El uso de un único convertidor de alta potencia también plantea el problema de la gestión térmica. El uso de varios convertidores en paralelo con una tensión más baja provoca menos calentamiento y su fraccionamiento en módulos independientes mejora la disipación del calor producido.

Los convertidores de potencia que conmutan altas tensiones generalmente están realizados a partir de transistores IGBT, que tienen menos pérdidas de conducción que los transistores MOSFET de la misma tensión nominal, pero no son óptimos en términos de pérdidas de conmutación. La Figura 4b representa un convertidor de potencia realizado a partir de transistores IGBT. Para optimizar los rendimientos de estos convertidores, es conocido el reducir las frecuencias de conmutación, lo que afecta a la calidad de la forma de las corrientes producidas para alimentar las fases de la máquina eléctrica. El rendimiento obtenido es, por lo tanto, el resultado de un compromiso entre la frecuencia de funcionamiento y las pérdidas por conmutación.

La invención hace posible reducir los niveles de tensión conmutados. Cuando son suficientemente bajas (normalmente menos de 200 voltios), es entonces posible cambiar la familia de transistores y utilizar, por ejemplo, transistores MOSFET. La Figura 4b representa un convertidor de potencia realizado a partir de transistores MOSFET. Estos transistores son bidireccionales y no siempre requieren el uso de diodos. Los transistores MOSFET tienen tiempos de conmutación y, por lo tanto, pérdidas de conmutación menores que los transistores IGBT de la misma tensión nominal. Por lo tanto, se pueden usar a frecuencias muy altas, lo que mejora la calidad (forma) de las corrientes suministradas.

Al fraccionar el convertidor de potencia, cada elemento es entonces más compacto y puede lograr altos rendimientos utilizando tecnologías adaptadas a las potencias conmutadas. Al aumentar aun más el fraccionamiento de los bobinados y convertidores, es posible utilizar transistores que no se utilizan habitualmente en electrónica de potencia, sino en electrónica de baja potencia. Entre éstos se encuentran los transistores semiconductores «grand gap», como, por ejemplo, los transistores GaN FET (en inglés «Gallium Nitrite Field Effect Transistor» o transistor de efecto de campo de nitrito de galio), que presentan rendimientos muy buenos y tiempos de conmutación sumamente bajos.

Ventajas asociadas a la invención con respecto a las alimentaciones

En lo que respecta a las alimentaciones, la invención permite el uso de baterías de media o incluso baja tensión en paralelo, en lugar del uso de una sola batería de alta tensión. La invención es compatible con las cadenas de tracción existentes, teniendo los acumuladores simplemente que conectarse en grupos y usarse en paralelo, en lugar de en serie. Si la tensión total suministrada es equivalente a la del estado de la técnica, la paralelización de las alimentaciones permite, cuando la tensión de cada batería se reduce a menos de 60 voltios, manipular el equipo sin requerir precauciones especiales.

Otra ventaja de esta paralelización de las fuentes de alimentación reside en el hecho de que equilibrar las baterías de baja tensión es más sencillo de lograr que equilibrar las baterías de alta tensión. Además, estas baterías son compatibles con sistemas de control de baterías de acumuladores (BMS), que permiten vigilar su estado y optimizar su uso, que están bien dominados en el entorno industrial, lo que no es el caso de las baterías de alta tensión, donde estos sistemas de vigilancia se vuelven muy complejos. La conexión de los diferentes convertidores de potencia a un potencial eléctrico común también tiene el efecto de facilitar la implementación de una electrónica de gestión de tipo BMS.

Finalmente, el uso de baterías en paralelo hace que, cuando una de ellas está defectuosa, la cadena de tracción pierda potencia, pero permanezca operativa, alimentando las otras baterías sus respectivas bobinas, lo que permite que la máquina eléctrica siga funcionando. También es posible ajustar la corriente que recorre cada una de las baterías, de modo que, cuando una de ellas tenga un comportamiento degradado, sólo produzca una parte de la corriente nominal, compensando las otras baterías esta disminución de la potencia suministrada. De este modo, es posible ajustar los esfuerzos proporcionados por las baterías y, por lo tanto, gestionar su envejecimiento.

Ventajas asociadas a la invención con respecto al conjunto de la cadena de tracción

La invención también permite mejorar el rendimiento global en el conjunto de la cadena de tracción, haciendo posible apagar ciertas bobinas de acuerdo con la potencia requerida.

De hecho, debido a su estructura, las cadenas de tracción actuales alimentan sistemáticamente la máquina eléctrica con la tensión máxima. Cuando la necesidad de potencia es alta, como, por ejemplo, al arrancar un vehículo eléctrico, el rendimiento de la cadena de tracción es muy bueno. Pero cuando la necesidad de potencia disminuye, como, por ejemplo, cuando el vehículo eléctrico funciona en régimen estacionario, los impulsos de tensión generados por el convertidor tienen duraciones muy cortas, pero siempre a la tensión máxima. Las pérdidas incompresibles asociadas a estas importantes variaciones de tensión en el convertidor y la máquina degradan el rendimiento de la cadena de tracción a niveles de potencia bajos. A baja velocidad, el rendimiento obtenido por las cadenas de tracción según el estado de la técnica es, por lo tanto, subóptimo, lo que es desafortunado, especialmente dado que los vehículos eléctricos funcionan durante ciclos urbanos o de carretera una gran parte del tiempo con niveles de potencia bajos.

La invención permite usar sólo ciertas bobinas, apagando una parte de los convertidores de potencia. En consecuencia, es posible alimentar sólo el equivalente de una parte del bobinado. De este modo, las baterías se preservan del envejecimiento y los componentes se someten a menos esfuerzo, pero, sobre todo, el rendimiento de la cadena de tracción es óptimo en todo el intervalo de funcionamiento del sistema.

La Figura 5 ofrece un ejemplo de los rendimientos que se pueden obtener en función de la potencia requerida para una cadena de tracción según la invención,

La curva 501 ilustra el rendimiento de la cadena de tracción cuando se activa una sola bobina. Dado que la bobina se alimenta con baja tensión, la curva de rendimiento aumenta muy rápidamente con la potencia, luego alcanza un nivel correspondiente a su rendimiento máximo, antes de disminuir, no pudiendo la cadena de tracción proporcionar ya la potencia requerida.

La curva 502 ilustra este mismo rendimiento cuando se activan dos bobinas. La pendiente de esta curva es menos pronunciada que la de la curva 501 y alcanza su máximo rendimiento para niveles de potencia más altos antes de caer.

La tendencia es la misma para las siguientes curvas, representando las curvas 503 y 504 el rendimiento obtenido en función de la potencia cuando se activan respectivamente las bobinaskB- 1 ykB.

La curva 510 representa el rendimiento que se puede obtener activando/desactivando acertadamente las bobinas en todo el intervalo de potencia. Este rendimiento es casi óptimo sea cual sea la potencia requerida.

Por lo tanto, la invención también permite adaptar los medios implementados por la cadena de tracción de acuerdo con la potencia requerida, para presentar siempre el mejor rendimiento posible, activando o desactivando las bobinas. Este apagado puede lograrse de manera muy sencilla mediante el órgano de control de los convertidores de potencia, manteniendo los transistores que conmuta en una posición de «alta impedancia» (todos los transistores del convertidor elemental están abiertos), lo que tiene el efecto de cortar la alimentación eléctrica de las bobinas parciales que alimenta el convertidor.

Finalmente, la invención es compatible con la mayoría de las mejoras propuestas para las cadenas de tracción del estado de la técnica, como, por ejemplo, la presentada en la patente EP 2368319 B1, en la que la máquina eléctrica comprende varias redes de bobinados en forma de estrella, estando cada una de las redes alimentada por un convertidor de potencia independiente. La invención aplicada a esta patente consistiría en fraccionar cada uno de los bobinados de cada una de las redes en estrella, así como cada uno de los convertidores que las alimentan.

Las Figuras 6a y 6b ilustran un modo de realización ventajoso de una cadena de tracción según la invención, proporcionado a modo de ilustración, en el que las bobinas parciales están realizadas a partir de espiras unitarias en forma de U conectadas a un circuito eléctrico. En este modo de realización, las bobinas se realizan ventajosamente utilizando conductores de gran sección, como, por ejemplo, conductores planos.

Enrollar las espiras de un bobinado es aun más complejo cuando el diámetro de los elementos conductores utilizados es grande. Así, los fabricantes de máquinas eléctricas dan preferencia al uso de un gran número de espiras de un conductor circular de sección pequeña, en lugar de una sola espira de conductor de sección más grande, que puede adoptar la forma de un conductor con una sección rectangular (plana). Sin embargo, tales conductores ofrecen un coeficiente de relleno mucho más alto y, por lo tanto, una superficie ocupada más reducida para un espesor de cobre idéntico, dejando dos espiras adyacentes de conductor circular delgado necesariamente un espacio vacío entre ellas. Además, la proporción de aislante en relación con la superficie de cobre es mucho menor. Sin embargo, la maleabilidad de los conductores de sección pequeña (por ejemplo, 0,5 mm2) hace que sean generalmente preferibles a los conductores de sección más grande (por ejemplo, 5 mm2). Esto es aun más cierto para los conductores planos, cuya sección tiene la forma de un paralelepípedo rectangular con bordes redondeados. Para una superficie de cobre equivalente, este tipo de conductor es más adecuado para máquinas eléctricas que un conductor circular, porque su ancho es mayor que su espesor, pero su bobinado en forma de espiras consecutivas resulta particularmente complejo.

Ahora bien, los arrollamientos de los bobinados de una máquina eléctrica son generalmente de forma rectangular, y se sabe que el campo magnético inducido por tales bobinados proviene en gran medida de las partes ubicadas en el circuito magnético (lados largos) y muy poco de las cabezas de las bobinas (lados cortos). Fraccionando el bobinado y los convertidores de potencia, la invención se presta particularmente bien al uso de conductores de gran sección, porque no requiere necesariamente conformar éstos en arrollamientos sucesivos, siempre que el número de espiras previsto sea bajo. Para este propósito, la invención propone usar conductores en forma de U, que pueden ser conductores planos, y considerar cada espira en forma de U como una de las bobinas parciales de la invención. Los extremos de las Úes que forman las espiras corresponden entonces a los terminales de las bobinas parciales que forman un bobinado, y son aptos para conectarlos a un convertidor de potencia.

Ventajosamente, los extremos de cada espira están conectados mecánica y eléctricamente a un circuito impreso o circuito eléctrico. Dependiendo del modo de realización, los extremos de las espiras en forma de U pueden, indistintamente, soldarse o graparse al circuito impreso, y estar en contacto con una pista conductora que lo componga. Las pistas de circuito impreso permiten encaminar la señal de alimentación entre el convertidor de potencia y la espira. Según otro modo de realización, el circuito impreso al que están conectadas las espiras también comprende la electrónica de potencia necesaria para implementar la función de conversión de potencia que genera las señales polifásicas.

La Figura 6a ilustra este modo de realización. En el ejemplo, la máquina eléctrica 600 es una máquina polifásica que comprende seis bobinados 601 a 606. Si consideramos, por ejemplo, el bobinado 606, éste está fraccionado en tres bobinas parciales 611,612 y 613, asociadas a una misma fase de los convertidores. Estas bobinas parciales consisten en una sola espira de un conductor de gran espesor en forma de U, grapado o soldado mecánica y eléctricamente por los extremos de la U a un circuito impreso 620. El circuito impreso encamina la señal que alimenta las espiras y puede contener ventajosamente la electrónica de potencia necesaria para la transformación de una corriente de alimentación continua en corrientes alternas polifásicas.

La Figura 6b es una representación en perspectiva de una de las bobinas de la máquina eléctrica. En el ejemplo, siempre se tendrá en cuenta el bobinado 606. Este bobinado consiste entonces en las tres espiras en forma de U numeradas 611, 612 y 613. Estas espiras están conformadas o no alrededor de un elemento de la carcasa (no representado) de la máquina eléctrica, lo que, al igual que el circuito impreso, permite mantenerlas en su posición. Los dos extremos (631 y 641,632 y 642, 633 y 643) de cada una de estas espiras están conectados a una pista del circuito impreso 620. La unión 650 entre las espiras y el circuito impreso se puede realizar mediante grapado, soldadura, encolado o cualquier otro medio que permita conectar estos elementos mecánica y eléctricamente.

En la representación de la Figura 6b, las espiras están separadas entre sí, pero su disposición en una máquina eléctrica se realiza ventajosamente reduciendo al máximo esta separación.

La máquina eléctrica representada en las Figuras 6a y 6b presenta así un coeficiente de relleno más alto que las máquinas eléctricas según el estado de la técnica. Además, las capas de aislante que separan las distintas espiras son más pequeñas cuanto más baja es la tensión en sus terminales, mejorando así otro tanto el coeficiente de relleno.

En resumen, la invención propone, en lugar de utilizar máquinas eléctricas polifásicas cuyos bobinados están alimentados con señales de alta tensión, fraccionar los bobinados en varias bobinas parciales y alimentar a cada una de estas bobinas parciales señales de menor tensión. Las bobinas parciales que componen la máquina eléctrica resultante se pueden conectar a convertidores de potencia de baja tensión colocados en paralelo, lo que, para una potencia suministrada equivalente, ofrece numerosas ventajas:

• compatibilidad con las máquinas eléctricas existentes, a reserva de una modificación únicamente de los bobinados, debiendo presentar entonces terminales independientes cada bobina parcial que componga el bobinado;

• mejoramiento de la resistencia al envejecimiento de la máquina eléctrica, al reducir las tensiones conmutadas, así como de su fiabilidad, sin comprometer el funcionamiento de la máquina eléctrica en caso de defecto de una o varias de las bobinas;

• mejoramiento del coeficiente de ocupación de los bobinados, debido a la reducción del espesor de los aislantes y/o a la realización de las bobinas parciales a partir de conductores de gran sección, como los conductores planos;

• reducción de las corrientes parásitas asociadas a los acoplamientos capacitivos entre los conductores y el circuito magnético de la máquina, mediante la conexión de los convertidores de potencia a un mismo potencial de referencia;

• manipulación sin riesgo de los elementos que componen la cadena de tracción, siempre que la paralelización del equipo sea tal que las bobinas puedan alimentarse con tensiones bajas;

• uso de nuevas tecnologías de transistores para la realización de los convertidores de potencia, a fin de mejorar los rendimientos de los convertidores y reducir la superficie requerida;

• posibilidad de compartimentar el convertidor de potencia e integrarlo así lo más cerca posible de la máquina eléctrica, mejorando así los rendimientos (reducción de la longitud de las pistas o conductores que conectan la máquina eléctrica al convertidor de potencia), la eficiencia térmica, el volumen ocupado y las emisiones electromagnéticas;

• ajuste de la potencia suministrada por cada una de las baterías, lo que permite una mejor consideración y gestión de su envejecimiento;

• gestión del fraccionamiento de potencia mediante el ajuste del número de bobinas alimentadas, lo que permite obtener el rendimiento óptimo de la cadena de tracción sea cual sea el régimen de la máquina eléctrica y preservar los componentes de la cadena de conversión.

Claims (8)

REIVINDICACIONES

1. Cadena de tracción eléctrica, que comprende una máquina eléctrica, del tipo que comprende un rotor (121) y un estator (122), conteniendo el estator (122) al menos un bobinado (123, 124, 125; 601-606) hecho de arrollamientos de material conductor aislado, estando asociado cada bobinado (123, 124, 125; 601-606) a una fase de la máquina eléctrica, comprendiendo cada bobinado (123, 124, 125; 601-606) una pluralidad de bobinas (201-203, 204-206, 207-209; 611, 612, 613) alimentadas de forma independiente, teniendo las bobinas (201-203, 204-206, 207-209; 611,612, 613) de un mismo bobinado (123, 124, 125; 601 -606) un número de espiras sustancialmente equivalente, caracterizada por que comprende una pluralidad de convertidores de potencia (302, 312, 322) configurados para generar señales de alimentación alternas asociadas a las diferentes fases de la máquina eléctrica, y una pluralidad de fuentes de alimentación continua (301), estando asociada cada fuente de alimentación continua (301) a un convertidor de potencia (302, 312, 322) independiente, alimentándose las bobinas (201-203, 204-206, 207-209; 611, 612, 613) de un mismo bobinado (123, 124, 125; 601-606) con señales de alimentación asociadas a una misma fase generadas por convertidores de potencia (302, 312, 322) independientes, estando orientadas en el mismo sentido las líneas de campo magnético generadas por bobinas (201 -203, 204-206, 207-209; 611,612, 613) de un mismo bobinado (123, 124, 125; 601-606).

2. Cadena de tracción eléctrica según la reivindicación 1, en la que los bobinados (123, 124, 125; 601-606) de la máquina eléctrica comprenden todos un mismo número de bobinas (201-203, 204-206, 207-209; 611, 612, 613) alimentadas de forma independiente.

3. Cadena de tracción eléctrica según la reivindicación 1 o 2, en la que las bobinas (611, 612, 613) de la máquina eléctrica se componen de un único elemento conductor en forma de U cuyos extremos están conectados mecánica y eléctricamente a un circuito impreso (620) mediante el cual se alimentan.

4. Cadena de tracción eléctrica según la reivindicación 3, en la que los convertidores de potencia están realizados en dicho circuito impreso (620).

5. Cadena de tracción eléctrica según una de las reivindicaciones 1 y 4, en la que los convertidores de potencia (302, 312, 322) están realizados a partir de transistores de tipo MOSFET o GaN FeT.

6. Cadena de tracción eléctrica según una de las reivindicaciones precedentes, en la que los convertidores de potencia (302, 312, 322) están conectados a un potencial eléctrico común.

7. Cadena de tracción eléctrica según una de las reivindicaciones precedentes, en la que las fuentes de alimentación (301) suministran una señal de baja tensión.

8. Cadena de tracción según una de las reivindicaciones precedentes, en la que los convertidores de potencia (302, 312, 322) son aptos para cortar la alimentación eléctrica de las bobinas (201-203, 204-206, 207-209; 611, 612, 613) de la máquina eléctrica de acuerdo con una potencia requerida.