Generador eléctrico de alta seguridad, en particular para sistemas ferroviarios, o similares.

Un generador eléctrico de alta seguridad, en particular para sistemas ferroviarios,

que comprende un inversor en puente, que tiene dos parejas de elementos conmutadores (102, 202, 302, 402) controlables, dispuestos en dos filas superpuestas y que forman dos ramas conmutadoras de elementos conmutadores conectados en serie, un suministro de tensión conectado a los terminales de entrada (3) del inversor (2) y una unidad consumidora de energía conectada a los terminales de salida del inversor, un medio controlador que comprende dos controladores (4, 4') que generan señales sinusoidales moduladas PWM para controlar los elementos conmutadores (102, 202, 302, 402), de manera que las señales de control (504, 504') para los elementos conmutadores de la primera rama conmutadora, así como las señales de control (604, 604') para los elementos conmutadores de la segunda rama conmutadora, estén en contrafase respectivamente, un fusible protector (7) en los terminales de entrada para interrumpir la alimentación cuando los elementos conmutadores sufran un cortocircuito,

caracterizado porque

uno de los dos controladores (4) controla los dos elementos conmutadores (102, 202) dispuestos en una de las dos filas y el otro (4') de los dos controladores controla los dos elementos conmutadores (302, 402) de la otra fila, siendo los dos controladores (4, 4') completamente independientes entre sí funcional y eléctricamente, al tiempo que se proporciona una conexión optoelectrónica de sincronización (7) entre los dos controladores (4, 4').

Generador eléctrico de alta seguridad, en particular para sistemas ferroviarios, o similares La invención se refiere a un generador eléctrico de alta seguridad, en particular para sistemas ferroviarios, que comprende un inversor en puente, que tiene dos parejas de elementos conmutadores controlables dispuestos en dos filas superpuestas, un suministro de tensión conectado a los terminales de entrada del inversor y una unidad consumidora de energía conectada a los terminales de salida del inversor, un medio controlador que genera señales sinusoidales moduladas PWM (moduladas en anchura de pulso) para controlar los elementos conmutadores, un fusible protector en los terminales de entrada para interrumpir la alimentación cuando los elementos conmutadores sufren un cortocircuito.

Tales generadores son conocidos, por ejemplo a partir de la patente de los EE.UU. 4.636.933. En el generador de acuerdo con este documento, los elementos conmutadores están controlados por parejas mediante las señales de control de dos controladores. Los controladores controlan, mediante dos señales antifase, una de las dos parejas diagonalmente opuestas de elementos conmutadores, respectivamente.

Los controladores generan las señales de control moduladas PWM a partir de unas señales de excitación de modulación FSK, que se suministran a los mismos a través de un generador FSK común. Un sensor de corriente dentro del inversor proporciona una señal a una unidad supresora de picos de tensión, que a su vez proporciona una señal de retroalimentación y habilitación a los dos controladores. El generador del documento US 4.636.933 es un circuito con características de seguridad que tiene un funcionamiento de retroalimentación para mantener una potencia de salida a un nivel constante independientemente de las variaciones en el suministro de tensión. El generador proporciona una señal sencilla de onda cuadrada modulada PWM. La arquitectura del generador del documento US 4.636.933 no tiene un funcionamiento seguro de la modulación de la señal FSK de excitación del controlador, cuya frecuencia se corresponde con la frecuencia de conmutación, por lo tanto con la frecuencia de la señal de salida del generador. Ninguna variación de la frecuencia de modulación de la señal de excitación del controlador provoca una respuesta en el generador, a no ser que el sensor de corriente y su correspondiente circuito de retroalimentación detecten una variación en la corriente. El proceso de conmutación tampoco está controlado de manera segura, dado que cada pareja de elementos de conmutación está controlada por la misma señal del correspondiente controlador y además los dos controladores no son independientes entre sí. En este caso, nuevamente, ninguna desviación de la señal de control del elemento conmutador puede afectar al funcionamiento del generador en la suficiente medida como para generar una condición de malfuncionamiento detectable, definitiva y única.

En las aplicaciones ferroviarias, tales generadores se utilizan para servir a un número de unidades consumidoras de energía, tales como elementos de estaciones de clasificación, circuitos de vía, etc. Con la introducción de la señalización electrónica y los dispositivos de gestión del tráfico, un suministro de energía adecuado para estos dispositivos se ha convertido en algo de la mayor importancia. Cualquier variación de tensión, frecuencia y modulación de la señal con respecto a los valores predeterminados puede crear errores en la señalización de estado, por ejemplo en los dispositivos de señalización o en los circuitos de vía, o errores de detección de trenes en el bloqueo de vías, generando por lo tanto condiciones peligrosas. En caso de malfuncionamiento, las reglas ferroviarias de seguridad generalmente requieren que la condición de malfuncionamiento se detecte de alguna manera y que el dispositivo se fuerce a una condición operativa que se corresponda con una condición de señalización o de control restrictivo, por ejemplo una señalización de luz roja o un estado de “ocupado” para un bloqueo de vías. Normalmente, las señales de detección de trenes para los bloqueos de vías son señales de modulación FSK de señales sinusoidales que tienen una frecuencia predeterminada y la detección apropiada de las mismas es dependiente de la precisión de la señal proporcionada por el generador al circuito de modulación.

En aplicaciones ferroviarias o similares, existe la necesidad de generadores que tengan características de alta seguridad, de tal modo que los generadores solamente puedan asumir un estado estable y único, que sea preferentemente restrictivo o que genere una condición de señalización o una acción restrictiva del tráfico, cuando su funcionamiento no pueda asegurar señales de salida con parámetros que no superen las tolerancias predeterminadas con respecto a los valores nominales.

El objeto de la presente invención es proporcionar un generador como el descrito anteriormente, que proporcione una señal de salida que tenga una forma de onda sinusoidal y unas características predeterminadas de amplitud, frecuencia y modulación y que asegure un funcionamiento de seguridad con respecto a las características de amplitud, frecuencia y modulación. La invención se expone en la reivindicación 1.

La invención logra los propósitos anteriores proporcionando un generador como el descrito anteriormente, en el que uno de los dos controladores controla los dos elementos conmutadores dispuestos en una de las dos filas y el otro de los dos controladores controla los dos elementos conmutadores de la otra fila, estando los dos controladores controlados por unas señales de excitación generadas por separado y siendo los dos controladores totalmente eléctricamente independientes entre sí, al tiempo que se proporciona una conexión de sincronización optoelectrónica entre los dos controladores.

En particular, cada controlador consiste en un dispositivo programable y tiene su propio software, su propia área de datos de control, su propio reloj y su propia fuente de alimentación.

De acuerdo con otra característica mejorada, los dos controladores tienen software y áreas de datos de control diferentes, de acuerdo con las reglas de seguridad basadas en la diversidad.

Gracias a estas características, la señal de control modulada de los dos controladores se genera separada e independientemente para cada controlador. Por lo tanto, esta redundancia, junto a la independencia de los dos canales y a la función de elección de la etapa de potencia proporciona una generación segura de la modulación seleccionada para la señal de salida del generador, de la frecuencia de la señal de salida y de la amplitud de la tensión de salida, que nunca puede superar su capacidad nominal por encima de la variación de la tensión de entrada del generador.

De acuerdo con otra característica ventajosa más, cada controlador controla cada uno de los dos elementos conmutadores de la correspondiente pareja de elementos conmutadores mediante una señal que se genera independientemente de la señal de control para el otro elemento conmutador. Por lo tanto, existen cuatro señales generadas independientemente.

Para poder utilizar el generador en un amplio rango de propósitos, es decir para un número de elementos ferroviarios diferentes, la señal de control del elemento conmutador es una señal unipolar Sinusoidal Modulada en Anchura de Pulso (SPWM) .

Ventajosamente, se selecciona la frecuencia de conmutación dos órdenes de magnitud más elevada que la frecuencia de salida del generador y en cualquier caso más elevada que el rango audible de frecuencias.

La frecuencia de conmutación se selecciona de acuerdo con las consideraciones de eficiencia del inversor y en cualquier caso es superior a la frecuencia de salida a generar. Los límites de la frecuencia de conmutación y la frecuencia a generar dependen de los problemas tecnológicos, más que de la arquitectura del sistema. En particular, en las aplicaciones ferroviarias, las frecuencias de conmutación comunes generan una señal de salida sinusoidal que tiene una frecuencia de 30 Hz a 1 kHz, en especial de 50 a 83 Hz.

Gracias a la arquitectura de la invención, el generador de la presente invención proporciona una respuesta de alta seguridad, en particular para fallos que afecten a la seguridad de los sistemas ferroviarios y proporciona una señal de salida de suministro sinusoidal, que tiene una amplitud predeterminada, una frecuencia predeterminada y una regla de modulación de fase predeterminada, siendo generadas todas estas propiedades de la forma de onda de la señal de salida con características de seguridad.

La independencia entre controladores y entre... [Seguir leyendo]

1. Un generador eléctrico de alta seguridad, en particular para sistemas ferroviarios, que comprende un inversor en puente, que tiene dos parejas de elementos conmutadores (102, 202, 302, 402) controlables, dispuestos en dos filas superpuestas y que forman dos ramas conmutadoras de elementos conmutadores conectados en serie, un suministro de tensión conectado a los terminales de entrada (3) del inversor (2) y una unidad consumidora de energía conectada a los terminales de salida del inversor, un medio controlador que comprende dos controladores (4, 4’) que generan señales sinusoidales moduladas PWM para controlar los elementos conmutadores (102, 202, 302, 402) , de manera que las señales de control (504, 504’) para los elementos conmutadores de la primera rama conmutadora, así como las señales de control (604, 604’) para los elementos conmutadores de la segunda rama conmutadora, estén en contrafase respectivamente, un fusible protector (7) en los terminales de entrada para interrumpir la alimentación cuando los elementos conmutadores sufran un cortocircuito, caracterizado porque uno de los dos controladores (4) controla los dos elementos conmutadores (102, 202) dispuestos en una de las dos filas y el otro (4’) de los dos controladores controla los dos elementos conmutadores (302, 402) de la otra fila, siendo los dos controladores (4, 4’) completamente independientes entre sí funcional y eléctricamente, al tiempo que se proporciona una conexión optoelectrónica de sincronización (7) entre los dos controladores (4, 4’) .

2. Un generador según la reivindicación 1, caracterizado porque cada controlador (4, 4’) consiste en una unidad microprocesadora programable (104, 104’) , tiene su propio software (204, 204’) , su propia área de datos de control (504, 604, 504’, 604’) , su propio reloj (6) y su propia fuente de alimentación y genera la señal modulada para controlar los elementos conmutadores individuales ejecutando el programa dedicado (204, 204’) almacenado en un área de memoria.

3. Un generador según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque el programa (204, 204’) para generar la señal modulada para controlar los elementos conmutadores (102, 202, 302, 402) y las áreas (304, 404, 304’, 404’) de datos de control de los dos controladores (4, 4’) son diferentes entre sí, de acuerdo con reglas de seguridad

basadas en la diversidad, es decir, en términos del tipo y código del programa y/o el tipo y código de los datos de control (504, 604, 504’, 604’) y en el que los dos controladores (4, 4’) generan independientemente las señales moduladas de control.

4. Un generador según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada controlador está formado por una unidad electrónica en la que el proceso de conmutación o algoritmo de control está estrictamente implementado mediante la construcción del hardware, comunicando dicha unidad con una memoria de datos EPROM, que está programada para evitar que los datos requeridos para las funciones del controlador sean cambiados y/o sustituidos.

5. Un generador según la reivindicación 4, caracterizado porque el proceso o algoritmo para generar la señal modulada para controlar los elementos conmutadores (102, 202, 302, 402) para los dos controladores (4, 4’) está implementado en la lógica del hardware, de acuerdo con reglas de diversidad y porque las áreas de datos de control (304, 404, 304’, 404’) también son diferentes entre sí, de acuerdo con las reglas de seguridad basadas en la diversidad, es decir en términos del tipo y código del proceso y/o del tipo y codificación de los datos de control (504, 604, 504’, 604’) y de la generación de los mismos, generando los dos controladores (4, 4’) las señales moduladas de control de conmutador de manera independiente.

6. Un generador según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada controlador (4, 4’) controla cada uno de los dos elementos conmutadores (102, 202, 302, 403) de la pareja asociada de elementos conmutadores mediante una señal (304) que es generada independientemente de la señal de control (404) para el otro elemento conmutador.

7. Un generador según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las señales para controlar los elementos conmutadores (102, 202, 302, 402) son señales Sinusoidales con Modulación en Anchura de Pulso (SPWM) , unipolares.

8. Un generador según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la frecuencia de conmutación se selecciona adecuadamente para que sea superior a la frecuencia de salida.

9. Un generador según la reivindicación 8, caracterizado porque la frecuencia de conmutación seleccionada es tal como para generar una señal sinusoidal de salida que tenga una frecuencia de 30 Hz a 1kHz, en particular de 50 a 83 Hz.

10. Un generador según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el fusible tiene un umbral de ruptura predeterminado en el circuito en puente del inversor.

11. Un generador según una o más de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza para generar la señal para suministrar energía a unidades de un sistema ferroviario en particular unidades de señalización.

12. Un generador según la reivindicación 11, caracterizado porque se utiliza en combinación con un codificador estático para generar una señal codificada de bloqueo en circuitos de vía de estación o en secciones de vías ferroviarias.

13. Un generador según la reivindicación 11, caracterizado porque se utiliza en combinación con circuitos de vía con relé de disco.