“Sistema de alimentación para un tren eléctrico y método de control asociado”

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con sistemas de alimentación para trenes eléctricos y con métodos de control asociados.

ESTADO ANTERIOR DE LA TÉCNICA

Los trenes eléctricos son accionados por al menos un motor eléctrico trifásico. Por ello, este tipo de trenes tiene un sistema de alimentación para proporcionar la alimentación eléctrica necesaria al motor. El tren está configurado para acoplarse a una catenaria que actúa como fuente de alimentación para alimentar el motor, estando así el sistema de alimentación asociado tanto a dicha catenaria como a dicho motor. En los casos en las que un tren está adaptado para funcionar con una catenaria de alterna, el tren comprende un transformador de tracción conectable a la catenaria, para convertir la alimentación eléctrica de la catenaria a los niveles requeridos para el tren. El transformador de tracción puede ser parte del sistema de alimentación o ser externo a dicho sistema de alimentación, estando dicho sistema de alimentación conectado al transformador de tracción en este último caso. En los casos en las que un tren está adaptado para funcionar solo con una catenaria de continua, sin embargo, dicho tren no comprende un transformador de tracción y sí una inductancia. Adicionalmente, para los trenes multitensión, pudiera darse el caso de que un transformador opere como inductancia, configurando para ello el transformador de un modo determinado.

El sistema de alimentación comprende un bus de corriente continua principal conectado al transformador de tracción, y un convertidor de potencia de tracción conectado al bus de corriente continua principal.

En algunos trenes, el convertidor de potencia de tracción está conectado directamente al bus de corriente continua principal, estando dicho convertidor de potencia de tracción configurado para convertir la energía continua de dicho bus de corriente continua principal en energía alterna trifásica para el motor de tracción.

El sistema de alimentación cuenta además con una unidad de control para controlar la conversión a realizar por el convertidor de potencia de tracción, y poder proporcionar así la potencia requerida en cada momento al motor. Esta unidad de control puede ser una unidad de control específica para controlar el convertidor de potencia de tracción o puede estar integrada en otra unidad de control encargada de realizar más funciones.

Un tren eléctrico comprende también lo que se conoce como cargas auxiliares, que pueden ser de diferente tipología. Algunas de estas cargas auxiliares, como pueden ser los ventiladores de refrigeración (motores, por ejemplo), pueden exigir tensión y frecuencia variables. Sin embargo, otro tipo de cargas como puede ser la iluminación y la climatización del tren por ejemplo, son alimentadas eléctricamente por una tensión trifásica de 400V, y a diferencia de lo que ocurre con el motor, la tensión y frecuencia exigidas para dichas cargas auxiliares son relativamente constantes.

Por lo general, el sistema de alimentación comprende un convertidor de potencia de auxiliares para adaptar la tensión continua de un bus de corriente continua auxiliar a la tensión alterna requerida para las cargas auxiliares que exigen tensión y frecuencia relativamente constantes. El bus de corriente continua auxiliar puede ser el bus de corriente continua principal en el caso de que el tren comprenda un transformador adicional como el descrito previamente, o en caso contrario el sistema de alimentación puede comprender un convertidor de potencia adicional conectado entre dicho bus de corriente continua auxiliar y el bus de corriente continua principal.

En EP2695763A2 se divulga un sistema de alimentación con un convertidor de potencia adicional conectado entre el bus de corriente continua auxiliar y el bus de corriente continua principal, donde dicho convertidor de potencia adicional actúa además a modo de reductor. Así, se tiene una salida de auxiliares trifásica a través de la cual alimentar a las cargas auxiliares, aislada de las exigencias requeridas por el motor.

EXPOSICIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es el de proporcionar un sistema de alimentación para un tren eléctrico y un método de control asociado, según se define en las reivindicaciones.

Un primer aspecto de la invención se refiere al sistema de alimentación. El tren eléctrico comprende unas cargas auxiliares que trabajan a tensión y frecuencia sustancialmente constantes, y el sistema de alimentación comprende al menos una salida de auxiliares trifásica configurada para acoplarse a dichas cargas auxiliares, un bus de corriente continua, y un convertidor de potencia de auxiliares de tres fases que está conectado entre el bus de corriente continua y la salida de auxiliares trifásica y que está configurado para adaptar la alimentación del bus de corriente continua para alimentar dichas cargas auxiliares.

El sistema de alimentación comprende además un convertidor de potencia adicional monofásico unido al bus de corriente continua y una salida monofásica con una primera línea de alimentación y una segunda línea de alimentación. La primera línea de alimentación está conectada a la fase del convertidor de potencia adicional y la segunda línea de alimentación está conectada a una de las fases del convertidor de potencia de auxiliares.

La salida monofásica comprende una tensión entre la primera línea de alimentación y la segunda línea de alimentación igual a la resta entre la tensión de la fase del convertidor de potencia adicional y la tensión de la fase del convertidor de potencia de auxiliares que está conectada a la segunda línea de alimentación de la salida monofásica.

De esta manera, a partir del mismo bus de corriente continua que alimenta el convertidor de potencia de auxiliares, y aprovechando el propio convertidor de potencia de auxiliares, se puede obtener una salida monofásica controlable adicional en el tren, para cargas adicionales que también trabajen a tensión y frecuencia sustancialmente constantes como puede ser, por ejemplo, un cargador de baterías. Dicha salida puede ofrecer así una tensión alterna o una tensión continua si así se requiriese (al ser controlada), y del valor deseado, pudiendo llegar a ser dicho valor de hasta el doble de la tensión simple de la salida de auxiliares trifásica. Aunque la salida monofásica esté conectada a una de las fases del convertidor de potencia de auxiliares, el hecho de estar conectado a otra fase cuya tensión es controlable (la fase del convertidor de potencia adicional) le otorga al sistema de alimentación un grado de libertad suficiente para proporcionar la tensión requerida para dicha salida monofásica. Además, este grado de libertad se obtiene de una manera compacta, gracias a la reutilización de una de las fases del convertidor de potencia de auxiliares, que permite prescindir de otra fase adicional y por lo tanto de hardware adicional que podría además incrementar el coste del sistema. Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de control para un sistema de alimentación de un tren eléctrico que comprende unas cargas auxiliares que trabajan a tensión y frecuencia constantes, como puede ser el sistema de alimentación del primer aspecto de la invención.

En el método de control se adapta la tensión de un bus de corriente continua del sistema de alimentación para alimentar las cargas auxiliares del tren eléctrico correspondiente, mediante un convertidor de potencia de auxiliares, y se suministra dicha tensión adaptada a través de una salida de auxiliares trifásica del sistema de alimentación.

El sistema de alimentación comprende además un convertidor de potencia adicional monofásico unido al bus de corriente continua y una salida monofásica con una primera línea de alimentación y una segunda línea de alimentación. La primera línea de alimentación de la salida monofásica está conectada a la fase del convertidor de potencia adicional, y la segunda línea de alimentación de dicha salida monofásica está conectada a una de las fases del convertidor de potencia de auxiliares.

Para obtener la tensión entre la primera línea de alimentación y la segunda línea de alimentación a suministrar a la salida monofásica, en el método de control se realiza la adaptación de la tensión del bus de corriente continua controlando la resta entre la tensión en una de las fases del convertidor de potencia de auxiliares y la tensión de la fase del convertidor de potencia adicional, siendo el resultado de dicha resta lo que se suministra a la salida monofásica.

Las ventajas descritas para el sistema de alimentación se obtienen también con el método de control propuesto.

Estas y otras ventajas y características de la invención se harán evidentes a la vista de las figuras y de la descripción detallada de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La figura 1 muestra esquemáticamente una realización del sistema de alimentación según la invención.

La figura 2 muestra en detalle el sistema de alimentación de la figura 1.

La figura 3a representa vectorialmente una salida monofásica del sistema de alimentación de la figura 1 .

La figura 3b representa vectorialmente el valor máximo de la salida monofásica del sistema de alimentación de la figura 1.

La figura 4 muestra esquemáticamente un convertidor de potencia de cuatro ramas del estado de la técnica.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Un primer aspecto de la invención se refiere a un sistema de alimentación 100 para un tren eléctrico (no representado en las figuras), como el representado a modo de ejemplo en la figura 1. El tren eléctrico comprende unas cargas auxiliares 3 que trabajan a tensión y frecuencia sustancialmente constantes, entre las que se encuentran, por ejemplo, la iluminación del tren, los enchufes y la climatización.

El sistema de alimentación 100 comprende una salida de auxiliares trifásica 10 configurada para acoplarse a las cargas auxiliares 3 del tren eléctrico y poder así alimentar dichas cargas auxiliares 3, un bus de corriente continua 12, y un convertidor de potencia de auxiliares 13 trifásico que está conectado entre el bus de corriente continua 12 y la salida de auxiliares trifásica 10 y que está configurado para adaptar la alimentación del bus de corriente continua 12 a la alimentación alterna requerida por las cargas auxiliares 3.

El sistema de alimentación 100 comprende una unidad de control 4 configurada para controlar dicho convertidor de potencia de auxiliares, en función de los requisitos requeridos para la salida de auxiliares trifásica 10. La unidad de control 4 puede ser una unidad de control específica para realizar esta función, o puede ser una unidad de control encargada de realizar otras funciones además de ésta. Una unidad de control puede ser un microprocesador, un microcontrolador, un DSP, una FPGA o cualquier dispositivo electrónico con capacidad de cálculo.

Un tren eléctrico está adaptado para conectarse a una catenaria no representada en las figuras, para obtener la alimentación eléctrica que necesita, y si está adaptado para acoplarse a una catenaria de alterna, el tren comprende un transformador de tracción no representado en las figuras, para transformar la tensión de la catenaria de alterna, un convertidor (no representado en las figuras) conectado al transformador de tracción y configurado para establecer la tensión de continua requerida en un bus de continua de tracción (alta tensión), y un convertidor de corriente continua 101 conectado a dicho bus de continua de tracción para adaptar dicha tensión a un bus de corriente continua principal del sistema de alimentación 100. Preferentemente dicho convertidor de corriente continua 101 es un reductor, y puede ser además bidirectional, de tal manera que el sistema de alimentación 100 sería útil también para sistemas energéticos en ese caso. El convertidor de corriente continua 101 , así como el convertidor conectado al transformador de tracción, puede ser parte del sistema de alimentación 100.

El tren eléctrico comprende además al menos un motor de tracción trifásico no representado en las figuras, que es el encargado de proporcionar la fuerza requerida por el tren para ser desplazado, y el sistema de alimentación 100 comprende un convertidor de potencia de tracción (no representado en las figuras) para convertir la alimentación continua procedente de la catenaria en la alimentación alterna requerida para el motor. En el caso en el que el tren comprenda un convertidor conectado al transformador de tracción y un convertidor de corriente continua 101 como los descritos en el párrafo anterior, el convertidor de potencia de tracción está conectado al bus de continua de tracción (alta tensión).

Algunos trenes comprenden el convertidor de potencia de tracción conectado directamente al bus de corriente continua principal. En estos casos, el sistema de alimentación 100 comprende preferentemente un convertidor conectado a dicho bus de corriente principal para reducir la tensión continua del bus de corriente continua (como el convertidor de corriente continua 101), obteniéndose un bus de corriente continua auxiliar con una tensión reducida al otro lado del convertidor. Dicho convertidor puede ser, preferentemente, un convertidor de potencia DC - DC y, además, podría ser bidirectional. En estos casos, el convertidor de potencia de auxiliares 13 está conectado a este bus de corriente continua auxiliar, siendo así dicho bus de corriente continua auxiliar el bus de corriente continua 12 previamente mencionado. Además, como los requisitos del tren para el motor son variables, el bus de corriente continua principal sufre estos efectos, y gracias al convertidor estas alteraciones no afectan al bus de corriente continua 12 y no influyen, por lo tanto, en el convertidor de potencia de auxiliares 13.

Otros trenes comprenden un sistema de alimentación 100 con un transformador adicional conectado al bus de corriente continua principal, de tal manera que al otro lado del transformador se tiene un bus de corriente continua adicional. El convertidor de potencia de tracción se conecta a dicho bus de corriente continua adicional, de tal manera que la influencia del motor no se refleja en el bus de corriente continua principal gracias a dicho transformador adicional. En estos casos, por lo tanto, el convertidor de potencia de auxiliares 13 está conectado al bus de corriente continua principal, siendo así dicho bus de corriente continua principal el bus de corriente 12.

El sistema de alimentación 100 comprende además, en cualquiera de sus realizaciones, una salida monofásica 11 con una primera línea de alimentación 111 y una segunda línea de alimentación 112, y un convertidor de potencia adicional 14 conectado al bus de corriente continua 12, siendo dicho convertidor de potencia adicional 14, preferentemente, monofásico.

El convertidor de potencia de auxiliares 13 está configurado para adaptar la tensión VBUS continua del bus de corriente continua 12 a la tensión alterna requerida para alimentar las cargas auxiliares 13 conectadas a la salida de auxiliares trifásica 10, y comprende tres ramas de semiconductores 13C1 , 13C2 y 13C3, una por cada fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13, tal y como se representa en la figura 2. Cada rama de semiconductores 13C1 , 13C2 y 13C3 comprende preferentemente dos semiconductores S1 y S2 conectados en serie en un punto intermedio Pi ₃ , estando cada fase A, B y C conectada a un punto intermedio Pi ₃ respectivo.

El convertidor de potencia adicional 14, por su parte, está configurado para adaptar la tensión VBUS continua del bus de corriente continua 12 a la alimentación requerida para la salida monofásica 11 , tal y como se detalla a continuación.

La primera línea de alimentación 111 de la salida monofásica 11 está conectada a la fase del convertidor de potencia adicional 14, y la segunda línea de alimentación 112 de dicha salida monofásica 11 está conectada a una de las tres fases A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 (a la fase A en el ejemplo de la figura 2). La tensión Vn de la salida monofásica 11 , es decir, la diferencia de tensión entre las líneas de alimentación 111 y 112 de la salida monofásica 11 , es así la diferencia entre la tensión Vp de la fase A del convertidor de potencia de auxiliares 13 conectada a la segunda línea de alimentación 112 de dicha salida monofásica 11 y la tensión VFU de la fase del convertidor de potencia adicional 14, tal y como se refleja en la ecuación 1 y se representa vectorialmente en la figura 3a.

Vi i = Vp - VFU (ecuación 1)

Así, dicha salida monofásica 11 puede ofrecer una tensión alterna o una tensión continua si así se requiriese (al ser controlada), y del valor deseado, pudiendo llegar a ser dicho valor Vn hasta el doble de la tensión simple VFIS de la salida de auxiliares trifásica 10 tal y como se representa vectorialmente en la figura 3b.

El sistema de alimentación 100 comprende una unidad de control 4 configurada para controlar la tensión Vn de la salida monofásica 11 en función de la resta entre la tensión VFU de la fase del convertidor de potencia adicional 14 y la tensión Vp de la fase A, B, y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 que está conectada a la segunda línea de alimentación 112 de la salida monofásica 11. Preferentemente dicha unidad de control 4 es la misma que está también configurada para controlar el convertidor de potencia de auxiliares 13, aunque de manera alternativa dicho convertidor de potencia de auxiliares 13 podría estar controlado por una segunda unidad de control diferente.

Preferentemente se les da prioridad a los requisitos exigidos desde las cargas auxiliares 3 conectadas a la salida de auxiliares trifásica 10, por lo que el control de la tensión Vp de la fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 que está conectada a la segunda línea de alimentación 112 de la salida monofásica 11 se controla en función de las necesidades requeridas para la salida de auxiliares trifásica 10 y no en función de los requisitos para la salida monofásica 11. Con esta premisa, la unidad de control 4 correspondiente adapta la tensión VFU en la fase del convertidor de potencia adicional 14 en función de la tensión Vp presente en dicha fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 conectada a la segunda línea de alimentación 112 de la salida monofásica 11 , para obtener la tensión requerida V*n para la salida monofásica 11.

El convertidor de potencia adicional 14 comprende una rama de semiconductores 14C, formada preferentemente por dos semiconductores S1 y S2 conectados en serie en un punto medio Pi ₄ , estando la fase conectada a dicho punto medio P14. La tensión VFU de la fase del convertidor de potencia adicional 14 se controla controlando la apertura y cierre de los semiconductores S1 y S2 de la rama de semiconductores 14C de dicho convertidor de potencia adicional 14. Para obtener la secuencia de los disparos de dichos semiconductores S1 y S2 se emplea una técnica de modulación conocida, como puede ser PWM, SHE o cualquier otra.

Convertidores de potencia 100’ de cuatro ramas son conocidos, pero la cuarta rama 104’ de estos convertidores de potencia 100’ se emplea para controlar los armónicos o las corrientes homopolares por ejemplo, es decir, para controlar la calidad de las señales resultantes del convertidor de potencia 100’, corrigiendo o eliminando el tercer armónico homopolar presente en las modulaciones del vector espacial o PWM con inyección de tercer armónico. Por ello, la cuarta rama 104’ está conectada a un neutro N’ tal y como se representa en la figura 4. En el sistema de alimentación 100 de la invención, sin embargo, puesto que la función proporcionada por el convertidor de potencia adicional 14 es totalmente diferente, dicho convertidor de potencia adicional 14 está desconectado físicamente del convertidor de potencia de auxiliares 13. Así, incluso si se considera que el convertidor de potencia de auxiliares 13 y el convertidor de potencia adicional 14 forman un conjunto, dicho conjunto no puede considerarse como un convertidor de potencia de cuatro ramas al uso.

La unidad de control 4 correspondiente implementa un bloque de control para obtener la tensión Vn entre las líneas de alimentación 111 y 112 de la salida monofásica 11. Dicho bloque de control recibe como entradas la tensión requerida V*n entre las líneas de alimentación 111 y 112 de dicha salida monofásica 11 (la consigna de tensión) y la tensión VFI3 de la fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 conectada a la segunda línea de alimentación 112 de dicha salida monofásica 11 (puesto que la salida de auxiliares trifásica 10 prevalece sobre la salida monofásica 11). Como se ha descrito previamente, la tensión Vn entre las líneas de alimentación 111 y 112 de la salida monofásica 11 es el resultado de la resta entre la tensión Vp de dicha fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 y la tensión VFU de la fase del convertidor de potencia adicional 14, y en el bloque de control se realiza un control sobre dicha resta para obtener el valor deseado.

En dicho bloque de control se realiza, por lo tanto, una resta entre la tensión Vp de dicha fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 y la tensión requerida V*n entre las líneas de alimentación 111 y 112 de la salida monofásica 11 , obteniéndose la tensión necesaria V*FU de la fase del convertidor de potencia adicional 14 para obtener dicha la tensión requerida V*n entre líneas de alimentación 111 y 112 dicha salida monofásica 11 , tal y como se representa en la siguiente ecuación.

V*F14 =VFI3 - V*n (ecuación 2)

Finalmente, la unidad de control 4 correspondiente controla la rama de semiconductores 14C del convertidor de potencia adicional 14, el cierre y la apertura de los semiconductores S1 y S2 de dicha rama de semiconductores 14C, para que la tensión VFU en la fase correspondiente sea igual a dicha tensión necesaria V*FI4 calculada y tener así una tensión V11 entre las líneas de alimentación 111 y 112 de la salida monofásica 11 igual a la tensión requerida V*n.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de control para un sistema de alimentación 100 de un tren eléctrico, como puede ser el sistema de alimentación 100 del primer aspecto de la invención.

En el método de control, mediante un convertidor de potencia de auxiliares 13 trifásico se adapta la tensión VBUS de un bus de corriente continua 12 del sistema de alimentación 100 para alimentar las cargas auxiliares 3, y se suministra dicha tensión adaptada a través de una salida de auxiliares trifásica 10 del sistema de alimentación 100.

El sistema de alimentación 100 donde se implementa el método de control comprende un convertidor de potencia adicional 14 monofásico unido al bus de corriente continua 12 y una salida monofásica 11 con una primera línea de alimentación 111 y una segunda línea de alimentación 112, estando la primera línea de alimentación 111 conectada a la fase del convertidor de potencia adicional 14 y estando la segunda línea de alimentación 112 conectada a una de las fases A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13.

Para obtener una tensión requerida V*n entre la primera línea de alimentación 111 y la segunda línea de alimentación 112 de la salida monofásica 11 , en el método de control se realiza la adaptación de la tensión VBUS del bus de corriente continua 12 controlando la resta entre la tensión VFIS en una de las fases A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 y la tensión VFU de la fase del convertidor de potencia adicional 14, suministrándose el resultado de dicha resta a la salida monofásica 11 . La tensión VFIS de la fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 conectada a la segunda línea de alimentación 112 se controla en función de los requisitos para alimentar las cargas auxiliares 3, junto con las otras dos fases A, B y C de dicho convertidor de potencia de auxiliares 13, controlándose la tensión VFU de la fase del convertidor de potencia adicional 14 en función de dicha tensión VFIS y de la tensión requerida V*n entre la primera línea de alimentación 111 y la segunda línea de alimentación 112 en la salida monofásica 11. Esto significa que el control sobre la salida de auxiliares trifásica 10 para las cargas auxiliares 3 prevalece sobre el control de la salida monofásica 11 , siendo dicho control de la salida monofásica 11 dependiente del control sobre la salida de auxiliares trifásica 10.

En el método de control, se obtiene una tensión necesaria V*FI4 en la fase del convertidor de potencia adicional 14 como resultado de la resta entre la tensión VFIS en dicha fase A, B y C del convertidor de potencia de auxiliares 13 y la tensión requerida V*n para dicha salida monofásica 11 (ver ecuación 2), y se controla la tensión VFU en la fase del convertidor de potencia adicional 14 para que sea igual a dicha tensión necesaria V*FI4 obtenida, con el propósito de tener una tensión Vn entre la primera línea de alimentación 111 y la segunda línea de alimentación 112 en la salida monofásica 11 igual a la tensión requerida V*n.

El método de control puede implementarse en un sistema de alimentación 100 como el primer aspecto de la invención, comprendiendo por la tanto una realización adecuada a la realización y/o configuración correspondiente del sistema de alimentación 100. Así, lo descrito para cualquier realización y/o configuración del sistema de alimentación 100 es válido también para la realización correspondiente del método y, de igual manera, lo descrito para cualquier realización del método es válido también para la realización y/o configuración correspondiente del sistema de alimentación 100.