DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO DE CONTROL PARA RECUPERACION DE ENERGIA CINETICA EN SISTEMAS FERROVIARIOS.

Dispositivo y procedimiento de control para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios.

El sistema ferroviario cuenta con una catenaria de tensión contínua (20) conectada a un bloque de puentes rectificadores (40) que a su vez conecta con un transformador (30) unido a una red de corriente alterna trifásica (10). El dispositivo (50) presenta un primer bloque de elevación de tensión DC/DC (51) conectado entre la catenaria (20) y un bus intermedio que conecta con un segundo bloque de generación de corriente trifásica DC/AC (52) unido al transformador (30). El primer bloque (51) permite elevar la tensión DC de la catenaria (20) generando una tensión controlada, a partir de la cual el segundo bloque (52) genera una corriente trifásica de alta calidad que se entrega a la red (10)

Dispositivo y procedimiento de control para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios.

Objeto de la invención

La presente invención, tal y como se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a un dispositivo y procedimiento de control para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, cuya finalidad consiste en optimizar la recuperación de energía posibilitada en las frenadas de los trenes, permitiendo inyectar en la correspondiente red de tensión una corriente trifásica de alta calidad incluso en situaciones de tensión de red elevadas y empleando el transformador preexistente en la correspondiente acometida de la subestación. Mediante la invención se produce una regeneración de energía en sistemas de tracción durante los procesos de frenado de los trenes asociados a una catenaria de corriente continua, de manera que mediante el dispositivo de la invención cuando la tensión leída en la catenaria supera un valor determinado se comienza a extraer energía para inyectarla en la red de alterna correspondiente; superando inconvenientes del estado de la técnica tales como el escaso aprovechamiento respecto de toda la energía disponible que se podría inyectar en la red y las fluctuaciones de tensión que se producen en otros sistemas.

Antecedentes de la invención

Son conocidos sistemas ferroviarios que cuentan con una catenaria de tensión continua conectada a un bloque de puentes rectificadores que a su vez conecta con el secundario de un transformador existente en la acometida de la correspondiente subestación y cuyo primario conecta con una red de corriente alterna trifásica, conectándose un dispositivo de aprovechamiento de energía entre la catenaria y el secundario del transformador, de manera que en las frenadas de los trenes se entrega determinada tensión a dicha red para facilitar un aprovechamiento de energía.

La figura 12, correspondiente al estado de la técnica muestra un esquema existente en subestaciones ferroviarias con catenaria de tensión continua, donde la catenaria 20 se alimenta a través de puentes rectificadores no controlados 40 que no permiten el flujo de energía de esa catenaria 20 hacia la red de alterna 10, de manera que la unidad ferroviaria o tren al efectuar una frenada limita la tensión sobre la catenaria 20 y la energía sobrante se quema en un sistema instalado para tal efecto en la propia unidad ferroviaria.

Superando la situación descrita en el párrafo anterior se han propuesto soluciones tales como la mostrada en la figura 13, correspondiente también al estado de la técnica permitiendo recuperar energía mediante un dispositivo 60a, que sin embargo presenta inconvenientes relativos a que solo puede recuperar energía cuando la tensión en la catenaria 20 es suficientemente elevada para que el correspondiente circuito inversor pueda regular la corriente que se entrega a la red 10. Esta solución que se muestra en la figura 12 no es satisfactoria porque no se aprovecha toda la energía disponible en la catenaria 20 y porque la calidad de la corriente entregada a la red 10 se puede ver mermada por la falta de tensión suficiente.

Otra solución del estado de la técnica se muestra en la figura 14, donde el correspondiente dispositivo 60b emplea un transformador independiente 70 para elevar la tensión. En este caso se presentan inconvenientes relativos a que la inversión y el volumen de la instalación son mayores y aún así el sistema se encuentra sujeto a fluctuaciones de tensión de la red 10, sin que la tensión de trabajo sea la necesaria para optimizar la calidad de la corriente entregada.

Descripción de la invención

Para lograr los objetivos y evitar los inconvenientes indicados en anteriores apartados, la invención consiste en un dispositivo y procedimiento de control para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios donde el sistema ferroviario cuenta con una catenaria de tensión continua conectada a un bloque de puentes rectificadores que a su vez conecta con el secundario de un transformador, existente en la acometida de la correspondiente subestación, cuyo primario conecta con una red de corriente alterna trifásica, conectándose el dispositivo entre la catenaria y el secundario del transformador.

Novedosamente, según la invención, el dispositivo de la misma cuenta con un primer bloque de elevación de tensión DC/DC, que aísla armónicos y fluctuaciones de la catenaria, conectado entre la catenaria y un bus intermedio provisto de condensador que a su vez conecta con un segundo bloque de generación de corriente trifásica DC/AC unido al secundario del transformador; de manera que en las frenadas del correspondiente tren el aludido primer bloque permite elevar la tensión DC de la catenaria generando una tensión controlada en el bus intermedio; en tanto que el referido segundo bloque, a partir de dicha tensión controlada, permite generar una corriente trifásica de alta calidad que se entrega a la red trifásica a través del transformador.

Según las realizaciones preferentes de la invención, el aludido dispositivo de la misma se dimensiona inferior en capacidad de potencia y energía al sistema de alimentación de la catenaria preexistente basado en los puentes rectificadores; de manera que el transformador pueda soportar el flujo de energía resultante.

En una realización preferente de la invención para el aludido primer bloque éste se encuentra formado por al menos una rama con al menos tres interruptores semiconductores donde al menos el interruptor del medio es controlable en el encendido y en el apagado; en tanto que el punto medio formado entre el interruptor semiconductor superior y el del medio está conectado a través de una bobina al polo positivo de la catenaria, y el punto medio formado entre el interruptor semiconductor inferior y el del medio está conectado a través de una bobina al polo negativo o tierra de la catenaria.

Para dicha realización y en la aludida rama los interruptores semiconductores superior e inferior son unidireccionales en corriente y de tipo diodo, mientras que el interruptor del medio es bidireccional en corriente y de tipo IGBT.

En una segunda realización del referido primer bloque éste se encuentra formado por dos ramas con al menos dos interruptores semiconductores en cada una, de manera que el punto medio de una de las ramas está conectado a través de una bobina al polo positivo de la catenaria y el punto medio de la otra rama está conectado a través de otra bobina a tierra o polo negativo de la catenaria.

En una realización de esas dos ramas el interruptor semiconductor superior de la rama asociada al polo positivo de la catenaria y el interruptor semiconductor inferior de la rama asociada al polo negativo de la catenaria son unidireccionales en corriente y de tipo diodo, mientras que los otros dos interruptores semiconductores son bidireccionales en corriente y de tipo IGBT.

En otra realización de las referidas dos ramas los mencionados interruptores semiconductores de cada una de las dos ramas son bidireccionales en corriente y de tipo IGBT.

En una tercera realización del referido primer bloque del dispositivo dicho primer bloque está formado por al menos una rama con al menos cuatro interruptores semiconductores donde al menos los dos interruptores del medio son controlables en el encendido y en el apagado; y el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores superiores está conectado a través de una bobina al polo positivo de la catenaria; en tanto que el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores inferiores está conectado a través de una bobina al polo negativo de la catenaria.

Para esa tercera realización del primer bloque la aludida rama puede presentar los dos interruptores semiconductores superior e inferior unidireccionales en corriente y de tipo diodo y los dos interruptores semiconductores del medio bidireccionales en corriente y de tipo IGBT; habiéndose previsto además que en dicha tercera realización del primer bloque la mencionada rama presente sus cuatro interruptores semiconductores bidireccionales en corriente de tipo IGBT.

En una primera realización del aludido segundo bloque del dispositivo de la invención, dicho segundo bloque está formado por tres ramas con al menos dos interruptores semiconductores bidireccionales en corriente en cada rama, de manera que cada rama corresponde a una fase...

1. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, donde el sistema ferroviario cuenta con una catenaria de tensión continua (20) conectada a un bloque de puentes rectificadores (40) que a su vez conecta con el secundario de un transformador (30), existente en la acometida de la correspondiente subestación, cuyo primario conecta con una red de corriente alterna trifásica (10), conectándose el dispositivo entre la catenaria (20) y el secundario del transformador (30); caracterizado porque el dispositivo (50) cuenta con un primer bloque de elevación de tensión DC/DC (51, 51a, 51b, 51c), que aísla de armónicos y fluctuaciones de la catenaria, conectado entre la catenaria (20) y un bus intermedio provisto de condensador (53, 53') que a su vez conecta con un segundo bloque de generación de corriente trifásica DC/AC (52, 52a, 52b) unido al secundario del transformador (30); de manera que en las frenadas del correspondiente tren el aludido primer bloque permite elevar la tensión DC de la catenaria generando una tensión controlada en el bus intermedio; en tanto que el referido segundo bloque, a partir de dicha tensión controlada, permite generar una corriente trifásica de alta calidad que se entrega a la red trifásica (10) a través del transformador (30).

2. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1, caracterizado porque dicho dispositivo (50) se dimensiona inferior en capacidad de potencia y energía al sistema de alimentación de la catenaria (20) preexistente y basado en los puentes rectificadores (40); de manera que el transformador (30) pueda soportar el flujo de energía resultante.

3. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1, caracterizado porque el referido primer bloque (51a) está formado por al menos una rama (55) con al menos tres interruptores semiconductores donde al menos el interruptor del medio es controlable en el encendido y en el apagado; en tanto que el punto medio formado entre el interruptor semiconductor superior y el del medio está conectado a través de una bobina al polo positivo de la catenaria (20); y el punto medio formado entre el interruptor semiconductor inferior y el del medio está conectado a través de una bobina al polo negativo o tierra de la catenaria (20).

4. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 3, caracterizado porque en la referida rama (55) los interruptores semiconductores superior e inferior son unidireccionales en corriente de tipo diodo (58) y el interruptor del medio es bidireccional en corriente de tipo IGBT (59).

5. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1, caracterizado porque el referido primer bloque (51b) está formado por al menos dos ramas (56a ó 56b) con al menos dos interruptores semiconductores cada una, de manera que el punto medio de una de las ramas está conectado a través de una bobina al polo positivo de la catenaria (20) y el punto medio de la otra rama está conectado a través de otra bobina a tierra o polo negativo de la catenaria (20).

6. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 5, caracterizado porque en esas dos ramas (56a) el interruptor semiconductor superior de la rama asociada al polo positivo de la catenaria (20) y el interruptor semiconductor inferior de la rama asociada al polo negativo de la catenaria (20) son unidireccionales en corriente de tipo diodo (58) y los otros dos interruptores semiconductores son bidireccionales en corriente de tipo IGBT (59).

7. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 5, caracterizado porque en esas dos ramas (56b) los dos interruptores semiconductores de cada una de las dos ramas son bidireccionales en corriente de tipo IGBT (59).

8. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1, caracterizado porque el referido primer bloque (51c) está formado por al menos una rama (57a) con al menos cuatro interruptores semiconductores donde al menos los dos interruptores del medio son controlables en el encendido y en el apagado; y el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores superiores está conectado a través de una bobina al polo positivo de la catenaria (20); en tanto que el punto medio formado entre los dos interruptores semiconductores inferiores está conectado a través de una bobina al polo negativo de la catenaria (20).

9. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 8, caracterizado porque en dicha rama (57a) los dos interruptores semiconductores superior e inferior de la rama son unidireccionales en corriente de tipo diodo (58) y los dos interruptores semiconductores del medio son bidireccionales en corriente de tipo IGBT (59).

10. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 8, caracterizado porque en dicha rama (57b) los cuatro interruptores semiconductores son bidireccionales en corriente de tipo IGBT (59).

11. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1, caracterizado porque el referido segundo bloque (52a) está formado por tres ramas con al menos dos interruptores semiconductores bidireccionales en corriente (59) en cada rama; de manera que cada rama corresponde a una fase del sistema de tensión trifásico de la red trifásica (10) y presenta opcionalmente una inductancia (60) conectada entre el punto medio de la rama correspondiente y la fase correspondiente del transformador (30); pudiéndose prescindir de dichas inductancias (60) en caso de que la correspondiente inductancia de fugas del transformador (30) sea suficiente para asegurar la regulación de la corriente.

12. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1, caracterizado porque el referido segundo bloque (52b), para aplicaciones de tensión elevada, es del tipo trinivel NPC con interruptores semiconductores unidireccionales en corriente de tipo diodo (58) unidos a un punto medio del bus intermedio, y que limita la tensión soportada por otros interruptores semiconductores de tipo IGBT (59); presentando en este caso el bus intermedio dos condensadores (53') entre los que se establece el referido punto medio.

13. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo (50), para ampliaciones de potencia con corrientes elevadas, presenta el referido primer bloque (51) encargado de regular la tensión del bus intermedio con un dimensionado provisto de un número de ramas necesarias para poder trabajar con la corriente correspondiente, mientras que uno o varios del referido segundo bloque (52) son puestos en paralelo a partir de ese único bus intermedio de tensión continua.

14. Dispositivo para recuperación de energía cinética en sistemas ferroviarios, según la reivindicación 1, caracterizado porque entre la catenaria (20) y el bloque de elevación de tensión DC/DC (51) es susceptible de interconectarse un bloque adicional optativo (54) formado por un diodo (54a) cuyo ánodo está conectado al positivo de la catenaria (20) y cuyo cátodo se conecta al polo positivo del bloque de elevación de tensión DC/DC (51), y por un condensador (54b) conectado entre el cátodo del referido diodo (54a) y el polo negativo o tierra de la catenaria (20).

15. Procedimiento de control, empleando el dispositivo de la reivindicación 1, para la regulación de la potencia y calidad de corriente entregada a la red de alterna (10); caracterizado porque presenta la acción de dos reguladores acoplados, de los cuales uno regula la tensión del bus intermedio del condensador (53) a un valor determinado, controlando la corriente a través del bloque de elevación de tensión DC/DC (51), quedando el referido bus intermedio desacoplado de las variaciones y perturbaciones existentes en la catenaria (20; mientras que el otro regula la potencia que el bloque de generación de corriente trifásica DC/AC (52) entrega a la red (10) establecida a partir de la tensión medida en la catenaria (20) siempre que ésta supere un umbral determinado, optimizándose la dinámica del sistema con una señal feedforward a través de la que el segundo regulador manda al primero el valor de la potencia que entrega a la red (10).

16. Procedimiento de control, según la reivindicación 15, caracterizado por presentar una regulación por parte de un control asociado al bloque de elevación de tensión DC/DC (51) de una tensión del bus intermedio del condensador (53) superior a la tensión de catenaria (20) permitiendo la recuperación de energía en situaciones de tensión de red (10) elevadas y cercanas a la tensión de catenaria (20), logrando así la optimización de la energía total recuperada.

17. Procedimiento de control, según la reivindicación 15, caracterizado porque se efectúa una minimización de la componente armónica de la corriente entregada por el bloque de generación de corriente trifásica DC/AC (52) estableciendo el valor de tensión del bus intermedio del condensador (53) óptimo para cada valor de tensión de red (10).

18. Procedimiento de control, según la reivindicación 15, caracterizado porque se monitoriza la corriente circulante por el bloque de puentes rectificadores (40) durante el proceso de regeneración y se ajusta el valor de la tensión umbral a regular en la catenaria (20) de modo que el valor de la corriente recirculante entre el bloque de puentes rectificadores (40) y el dispositivo (50) sea mínimo o igual a cero.