ES2350972T3

ES2350972T3 - Convertidor de energía.

Info

Publication number: ES2350972T3
Application number: ES02290258T
Authority: ES
Inventors: Gerard Kalvelage; Philippe Aubin
Original assignee: Faiveley Transport SA
Current assignee: Faiveley Transport SA
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2011-01-28
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: FR2820561A1

Abstract

Un convertidor de energía eléctrica que comprende: - N transformadores que comprenden, cada uno de ellos, un arrollamiento primario (P N) y un arrollamiento secundario (S N), - un circuito primario (1) unido o conectado a dos terminales o bornes de entrada (2, 3), al cual están conectados los arrollamientos primarios (P N) de los transformadores, - un circuito secundario (4) conectado a dos bornes de salida (5, 6), al cual están conectados los arrollamientos secundarios (SN) de los transformadores, de tal modo que el circuito primario (1) del convertidor comprende un conjunto de medios de conmutación (IN, I'N, IN,1, IN ,2) conectados a los N arrollamientos primarios (P N), caracterizado por que comprende un conjunto de medios de conmutación conectado a los N arrollamientos secundarios (S N), así como medios de mando (7) de los medios de conmutación (IN, I' N, IN,1, IN ,2) de al menos uno de los circuitos primario (1) o secundario (4), de manera que los medios de conmutación (IN, I' N, IN ,1, IN ,2) están conectados de un modo tal, que pueden asociarse los N arrollamientos primarios (P N) en serie y/o en paralelo con los N arrollamientos secundarios (S N), respectivamente en paralelo y/o en serie utilizando los medios de mando (7).

Description

La invención se refiere a un convertidor de energía eléctrica que asocia en serie y/o en paralelo una pluralidad de transformadores.

Se conocen convertidores que asocian transformadores en serie o en paralelo. 5

Así, los documentos US 4.339.704 y US 3.419.786 describen un convertidor que comprende un arrollamiento primario y varios arrollamientos secundarios. El convertidor es alimentado por una tensión alterna. Los arrollamientos secundarios están conectados en paralelo a dos conductores, de tal modo que cada conductor presenta diodos 10 conectados en serie. De esta forma, los dos conductores están conectados o unidos entre sí, entre sus respectivos diodos, por un arrollamiento secundario.

El convertidor que se describe en el documento US 3.419.786 comprende, en cada conductor, N + 1 diodos para N 15 arrollamientos secundarios. Comprende, por otra parte, N interruptores conectados en serie con cada arrollamiento secundario.

El convertidor descrito en el documento US 4.339.704 comprende, en cada conductor, N + 2 diodos conectados en serie, de tal manera que están dispuestos dos diodos entre las conexiones de 20 arrollamientos secundarios sucesivos. N  1 interruptores unen los dos conductores entre dos diodos conectados sucesivamente en serie.

Estos dos convertidores permiten hacer variar la tensión de salida en un valor N, al asociar los arrollamientos secundarios en serie o en paralelo. 25

Estos presentan, sin embargo, el inconveniente de necesitar el uso de numerosos interruptores y no permiten la tolerancia a las averías en el circuito primario. Por otra parte, estos convertidores no pueden funcionar con una tensión continua en la entrada, y la banda o intervalo de variación de la tensión permanece limitado. 30

El convertidor descrito por Rajapandian Allanar y Ned Mohan en una publicación del 6 de junio de 1999 titulada “Convertidor de CC-CC [corriente continua en corriente continua] híbrido de ZVS de intervalo completo con dos puentes completos para una carga de batería de alta potencia” (“Full Load Range ZVS Hybrid DC-DC converter with 35 two full bridges for high power battery charging”), es un convertidor de energía eléctrica híbrido que comprende dos transformadores T1 y T2 y

un conjunto de medios de conmutación Ta+, Ta, Tb+ y Tb. Este convertidor se corresponde con el preámbulo de la reivindicación 1.

Pero este convertidor no puede funcionar con una tensión continua en la entrada y solo es capaz de suministrar una tensión continua a la salida. 5

La invención se propone resolver estos problemas al presentar un convertidor de realización simple que necesita un número reducido de interruptores, a la vez que permite obtener un abanico de variación de la tensión a la salida que es igual o superior, tolerando las averías simples. 10

Además, el convertidor de acuerdo con la invención puede funcionar con una tensión de entrada o de salida continua o alterna.

A este efecto, un primer objeto de la invención es un convertidor de energía eléctrica que comprende:

- N transformadores que comprenden, cada uno de ellos, un 15 arrollamiento primario y un arrollamiento secundario,

- un circuito primario unido o conectado a dos terminales o bornes de entrada, al cual están conectados los arrollamientos primarios de los transformadores,

- un circuito secundario conectado a dos bornes de salida, al 20 cual están conectados los arrollamientos secundarios de los transformadores,

de tal modo que el circuito primario del convertidor comprende un conjunto de medios de conmutación conectados a los N arrollamientos primarios, 25

comprendiendo los convertidores de energía un conjunto de medios de conmutación conectados a los N arrollamientos secundarios, así como medios de mando de los medios de conmutación de al menos uno de los circuitos primario o secundario, de manera que los medios de conmutación están conectados de un modo tal, que pueden asociarse los 30 N arrollamientos primarios en serie y/o en paralelo con los N arrollamientos secundarios, respectivamente en paralelo y/o en serie utilizando los medios de mando.

En una primera variante, el circuito primario comprende un generador de corriente que alimenta los bornes de entrada, y el circuito 35 secundario comprende un generador de tensión conectado en paralelo con los bornes de salida.

En una segunda variante, el circuito primario comprende un generador de tensión conectado en paralelo a los bornes de entrada, y el circuito secundario comprende un generador de corriente conectado a los bornes de salida.

En un modo de realización, cada circuito primario o 5 secundario puede adoptar una de las dos configuraciones duales siguientes:

- la primera configuración comprende dos conductores eléctricos conectados en paralelo entre los bornes de entrada o de salida, de tal modo que cada conductor comprende al menos N + 1 medios de 10 conmutación en serie, estando los dos conductores unidos o conectados entre sí, entre sus medios de conmutación respectivos, por un arrollamiento primario o secundario,

- la segunda configuración comprende N + 1 conductores eléctricos conectados en paralelo entre los bornes de entrada o de salida, 15 de tal manera que cada conductor comprende al menos dos medios de conmutación en serie, estando los conductores unidos o conectados entre sí dos a dos, entre sus medios de conmutación respectivos, por un arrollamiento primario o secundario.

Otro objeto de la invención es un procedimiento de mando 20 de un convertidor de acuerdo con la invención, en el cual el circuito primario presenta la primera configuración.

Este procedimiento comprende las etapas consistentes en desplazar un esquema o patrón de conmutación sucesivamente a lo largo de los pares de medios de conmutación del circuito primario y, para cada 25 par de medios de conmutación, invertir, eventualmente, el estado de uno de los medios de conmutación del par o, sucesivamente, el estado de los dos medios de conmutación del par.

Un par de medios de conmutación corresponde, entonces, a dos medios de conmutación conectados por delante o por detrás de un 30 mismo arrollamiento.

Otros objetos y ventajas se pondrán de manifiesto en el curso de la descripción que sigue, con referencia a los dibujos que se acompañan, proporcionados a título de ejemplos no limitativos, en los cuales: 35

- la Figura 1 representa un esquema de un modo de realización de un convertidor de acuerdo con la invención;

- la Figura 2 representa un esquema de un segundo modo de realización de la invención;

- la Figura 3 representa una variante de la Figura 1;

- la Figura 4 representa un tercer modo de realización de la invención; 5

- la Figura 5 representa una curva de la tensión de entrada en función del tiempo, las Figuras 5a, 5b y 5c representan esquemáticamente las conexiones en serie y/o en paralelo adoptadas por los arrollamientos de los transformadores en función de la tensión representada en la curva de la Figura 5; 10

- las Figuras 6 y 7 ilustran dos modos de conmutación de un convertidor de acuerdo con la invención.

Los convertidores de energía eléctrica de acuerdo con la invención comprenden:

- N transformadores (PN, SN) que comprenden, cada uno de 15 ellos, un arrollamiento primario PN y un arrollamiento secundario SN, siendo N un número entero,

- un circuito primario 1, conectado a dos terminales o bornes de entrada 2, 3, al que están conectados los arrollamientos primarios PN de los transformadores, 20

- un circuito secundario 4, conectado a dos bornes de salida 5, 6, al que están conectados los arrollamientos secundarios SN de los transformadores.

Cada circuito primario 1 y secundario 4 comprende al menos 2N + 2 medios de conmutación IN e I’N. 25

El convertidor comprende, igualmente, medios de mando 7 de los medios de conmutación IN e I’N de al menos uno de los circuitos primario o secundario, de manera que los medios de conmutación están conectados de un modo tal, que pueden asociarse los N arrollamientos primarios o secundarios en serie y/o en paralelo utilizando los medios de 30 mando.

Los medios de mando 7 pueden ya sea gobernar únicamente los medios de conmutación del circuito primario 1 o del circuito secundario 4, ya sea gobernar a la vez los medios de conmutación de los circuitos primario 1 y secundario 4. 35

Los medios de conmutación IN e I’N permiten abrir y cerrar el circuito al que están conectados.

Estos medios de conmutación pueden ser interruptores unidireccionales, o en un solo sentido, o bidireccionales, o en ambos sentidos, tales como diodos, IGBT [transistor bipolar de puerta aislada –“Insulated Gate Bipolar Transistor”], tiristores, triac [tríodo para corriente alterna –“Triode for Alternating Current”], transistores de 5 efecto de campo, transistores bipolares, dispositivos de contacto o contactadores, GTO [conmutador de desconexión de puerta –“Gate Turn-Off Switch”], IGCT [Tiristor Conmutado en Puerta Integrado –“Integrated Gate-Commutated Thyristor”], MOS [dispositivos de metal-óxido-semiconductor] o dispositivos similares. 10

En una primera variante, el circuito primario 1 comprende un generador de corriente que alimenta los bornes de entrada 2, 3. Se trata, por ejemplo, de un arrollamiento. El circuito secundario 4 comprende entonces un generador de tensión conectado en paralelo a los bornes de salida 5, 6. Este consiste, por ejemplo, en un condensador. 15

En una segunda variante, el circuito primario 1 comprende un generador de tensión (por ejemplo, un condensador) conectado en paralelo a los bornes de entrada 2, 3, y el circuito secundario 4 comprende un generador de corriente conectado a los bornes de salida 5, 6 (por ejemplo, un arrollamiento). 20

Los circuitos primario 1 y secundario 2 pueden adoptar una de las dos configuraciones duales anteriormente descritas.

La primera configuración se describe con referencia a la Figura 1, que representa un convertidor cuyos dos circuitos primario 1 y secundario 4 adoptan esta primera configuración. 25

En el ejemplo representado, el convertidor comprende N = 2 transformadores.

Los circuitos primario 1 y secundario 4 comprenden, cada uno, respectivamente, dos conductores eléctricos C1, C2 conectados en paralelo entre los bornes de entrada 2, 3 o de salida 5, 6. 30

Cada conductor C1, C2 comprende N + 1 interruptores en serie IN e I’N, respectivamente.

Los dos conductores C1, C2 del circuito primario están conectados entre sí, entre sus respectivos interruptores IN e I’N, por medio de un arrollamiento primario PN. De esta forma, los 35 arrollamientos primarios PN están conectados en paralelo entre los dos conductores C1, C2.

De la misma manera, los dos conductores C1, C2 del circuito secundario están conectados entre sí, entre sus respectivos interruptores IN e I’N, por un arrollamiento secundario SN, de tal manera que los arrollamientos secundarios SN están conectados en paralelo entre los dos conductores C1, C2. 5

En el modo de realización representado en la Figura 1, los interruptores IN e I’N del circuito secundario son diodos. Estos diodos están conectados, todos ellos, en el mismo sentido.

Los puntos representados en las Figuras 1 a 4, en los arrollamientos primario PN y secundario SN, simbolizan el sentido de los 10 arrollamientos.

De esta forma, en la Figura 1, los arrollamientos P2, S2 están en el mismo sentido, en tanto que los arrollamientos P1 y S1 se encuentran en sentidos inversos uno con respecto al otro. Esta configuración permite obtener una ramificación o derivación en paralelo 15 de los arrollamientos del circuito secundario cuando los arrollamientos del circuito primario se encuentran en serie, y viceversa.

Para un convertidor de N transformadores, cuando los circuitos primario y secundario presentan la misma configuración, un arrollamiento de cada dos del circuito secundario está invertido con 20 respecto a los arrollamientos correspondientes del circuito primario.

La segunda configuración, dual con respecto a la primera, se describe con referencia a la Figura 2, que representa un convertidor cuyo circuito primario 1 presenta la primera configuración, y cuyo circuito secundario 4 adopta esta segunda configuración. 25

Esta dualidad entre los dos circuitos implica las siguientes prioridades:

- cuando se cierra un interruptor en el primario, el interruptor correspondiente se abre en el secundario, y recíprocamente;

- las formas de ondas de tensión en los interruptores 30 primarios se convierten en las formas de ondas de las corrientes en los interruptores secundarios, y recíprocamente;

- cuando los arrollamientos primarios se conectan en serie, los arrollamientos secundarios se conectan en paralelo, y recíprocamente. 35

En el ejemplo representado en la Figura 2, el convertidor comprende N = 2 transformadores.

El circuito primario 1 es idéntico al de la Figura 1.

El circuito secundario 4 comprende N + 1 conductores eléctricos CN conectados en paralelo a los terminales o bornes de salida 5, 6 del circuito secundario.

Cada conductor CN del circuito secundario comprenden dos 5 interruptores IN,1 e IN,2 en serie, de tal modo que los conductores CN están conectados dos a dos entre sí, entre sus interruptores respectivos, por un arrollamiento secundario SN.

En el modo de realización que se representa en esta Figura, los interruptores IN,1 e IN,2 del circuito secundario son diodos. 10

Al ser las configuraciones de los circuitos primario 1 y secundario 4 duales una con respecto a la otra, no es necesario invertir el sentido de un arrollamiento de cada dos para obtener una derivación en paralelo de los arrollamientos del circuito secundario cuando los arrollamientos del circuito primario están en serie, y viceversa. 15

De esta forma, los puntos que simbolizan el sentido de los arrollamientos se encuentran, todos, del mismo lado para el convertidor de la Figura 2.

Para un convertidor de N transformadores, cuando los circuitos primario y secundario presentan configuraciones duales, todos 20 los arrollamientos están en el mismo sentido.

Para obtener la reversibilidad del convertidor, sería necesario asociar interruptores en paralelo en los diodos del circuito secundario, de tal modo que las órdenes de estos interruptores se obtendrían por dualidad de las órdenes primarias. Pueden utilizarse 25 igualmente interruptores IN,1 e IN,2 bidireccionales o en ambos sentidos.

La Figura 3 describe una variante del modo de realización de la Figura 2. En estas Figuras, las mismas referencias designan los mismos componentes.

En esta variante, el circuito primario 1 adopta la primera 30 configuración y el circuito secundario 4 adopta la segunda configuración.

El circuito secundario 4 es idéntico al descrito por la Figura 1, de manera que los mismos elementos se indican por las mismas referencias. 35

Los dos conductores C1, C2 del circuito secundario están, por otra parte, conectados a un arrollamiento 8 en serie, y a una

capacidad 9 en paralelo.

Debido a la presencia de un arrollamiento 8, el circuito secundario dispone de un generador de corriente.

El circuito primario 1 es sensiblemente idéntico al descrito para la Figura 1, de tal manera que las mismas referencias aluden a los 5 mismos componentes.

Los dos conductores C1, C2 del circuito primario están conectados en paralelo con una capacidad 13.

La capacidad 13 se encuentra, a su vez, conectada en serie con un arrollamiento 15 y un generador de tensión 16. Este último está 10 conectado entre los bornes de entrada 2, 3.

Debido a la presencia de la capacidad 13, el circuito primario dispone de un generador de tensión.

Un tercer modo de realización se describe con referencia a la Figura 4. 15

En este modo de realización, los circuitos primario y secundario adoptan la segunda configuración para un número de transformadores N = 2. De esta forma, el sentido de uno de los arrollamientos secundarios, aquí el S2, está invertido con respecto al sentido del arrollamiento primario correspondiente P2 y de los otros 20 arrollamientos P1, S1.

Cada interruptor IN,1 e IN,2 del circuito primario está conectado en paralelo con un diodo 17, a fin de poder funcionar de manera bidireccional.

Los interruptores IN,1 e IN,2 del circuito secundario son 25 diodos.

El circuito primario está alimentado por un generador de tensión (VE). El circuito secundario está conectado a un generador de corriente (arrollamiento 18).

El arrollamiento 18 está montado en serie con el borne 30 positivo de salida 5, y una capacidad 19 está montada en paralelo entre los bornes de salida 5, 6.

Se describirá a continuación el funcionamiento de los diferentes modos de realización de la invención.

Se definen Ve como la tensión entre los bornes de entrada 2 35 ,3, y Vs como la tensión entre los bornes de salida 5, 6.

Se describirá a continuación, con referencia a la Figura 1, el

funcionamiento del convertidor en el que los circuitos primario y secundario se encuentran en la primera configuración.

Cuando los dos arrollamientos P1 y P2 están en paralelo, por ejemplo, cuando los interruptores I3 e I’1 del circuito primario 1 están abiertos y los otros interruptores cerrados, si el borne de entrada 2 es 5 positivo, los lados de los arrollamientos conectados al borne 2 son igualmente positivos. Estos lados corresponden a los puntos de la Figura 1.

Por lo que respecta a la estructura de un transformador, los lados correspondientes de los arrollamientos secundarios S1 y S2, 10 simbolizados por los puntos, son igualmente positivos, lo que induce la circulación de corriente por el circuito secundario 4, estando entonces los arrollamientos secundarios en serie.

Al estar los arrollamientos primarios P1 y P2 en paralelo, la tensión en cada arrollamiento es igual a Ve. La tensión en cada 15 arrollamiento secundario es igualmente, en consecuencia, igual a Ve, si se considera que las relaciones de transformación son iguales a 1, por lo que una tensión de salida Vs = 2 Ve.

Cuando los arrollamientos P1 y P2 están en serie, por ejemplo, cuando los interruptores I1, I’2 e I3 están cerrados y los otros 20 abiertos, el lado del arrollamiento P1 (marcado por el punto en la Figura) conectado al borne de entrada 2 (positivo) es positivo, y el lado marcado por el punto de arrollamiento P2 es negativo. La tensión en cada arrollamiento P1, P2 es, entonces, igual a Ve/2.

En consecuencia, el lado marcado por el punto de 25 arrollamiento S1 es positivo, en tanto que el lado marcado por el punto de arrollamiento S2 es negativo, de tal manera que solo los diodos I’1, I’2, I2, I3 son pasantes o conducen, y S1 y S2 están en paralelo, siendo la tensión en cada arrollamiento S1, S2 igual a Ve/2.

De esta forma, la tensión de salida es Vs = Ve/2. 30

Así, para un convertidor que comprende N transformadores que presentan relaciones de transformación iguales a 1, es posible hacer variar la tensión de salida Vs entre Ve/N y N·Ve. La dinámica del circuito electrónico es, entonces, N2.

Es posible, por supuesto, que los arrollamientos primarios 35 P1, P2 se encuentren en paralelo al abrir los interruptores I1 e I’3 y cerrar los otros interruptores. Las tensiones aplicadas a los bornes de los

transformadores están, entonces, invertidas, lo que permite aplicar una tensión de funcionamiento alternativa necesaria a los transformadores.

Con una tensión Ve de entrada alternativa, es posible obtener una tensión Vs de salida continua al conmutar, a una frecuencia conveniente, los interruptores del circuito primario en relación con la 5 frecuencia de variación de la tensión alternativa de entrada. Es entonces necesario que todos los interruptores del circuito primario sean bidireccionales.

Este tipo de montaje presenta la ventaja de poder ser utilizado con una tensión de entrada fuertemente variable (por ejemplo, 10 de 100 voltios a 1.600 voltios), y de regular la tensión de salida en un valor fijo.

Cuanto más grande es el número N de generadores, más aumenta la banda o intervalo de variación de las tensiones.

El equilibrado de las tensiones de los transformadores está 15 garantizado, dado que, cuando los arrollamientos primarios están en paralelo, los arrollamientos secundarios están en serie, y a la inversa.

Se describirá a continuación, con referencia a la Figura 2, el funcionamiento del convertidor en el que los circuitos primario y secundario están, respectivamente, en las primera y segunda 20 configuraciones.

El hecho de que las dos configuraciones sean duales una con respecto a la otra implica que, cuando los arrollamientos P1, P2 del circuito primario están en paralelo, los arrollamientos S1, S2 están en serie, y viceversa. 25

Así, cuando P1 y P2 están en paralelo y su lado marcado con un punto es positivo, el lado correspondiente de S1 y S2 es igualmente positivo, de tal modo que solo los diodos I1,1 e I3,2 son pasantes o conducen, y S1 y S2 están en serie.

Si P1 y P2 están en paralelo pero con una polaridad 30 invertida, entonces S1 y S2 se encuentran en serie con una polaridad invertida y únicamente son pasantes los diodos I1,2 e I3,1.

De la misma manera que para el convertidor precedente, es posible utilizar a la entrada un generador de tensión continua o, alternativamente, obtener a la salida una tensión continua. 35

Se pasará a describir el funcionamiento del circuito de la Figura 3 en el caso de una tensión alterna de entrada sinusoidal, tal

como la representada en la Figura 5.

Se define como Vmax la tensión Ve máxima, y como V1 y V2 unas tensiones de entrada sensiblemente iguales a aproximadamente 1/3 Vmax y 2/3 Vmax, respectivamente.

Puede entonces dividirse la curva de la tensión sinusoidal de 5 entrada en varias zonas:

- una zona A correspondiente al intervalo de tensiones 0  Ve  V1;

- una zona B correspondiente a V1  Ve  V2;

- una zona C correspondiente a V2  Ve  Vmax. 10

Cuando Ve se sitúa en la zona A, la tensión de entrada es entonces bastante pequeña y puede ser soportada por cada transformador. Los interruptores IN e I’N del circuito primario son entonces, por ejemplo, conmutados de tal modo que se asocien todos los arrollamientos primarios PN en paralelo, de manera que se asocian, en 15 consecuencia, los arrollamientos secundarios SN en serie, tal como se ha representado en la Figura 5a.

De esta forma, se aplica a cada arrollamiento PN, SN una tensión Ve pequeña, y todos los arrollamientos SN son atravesados por una misma corriente pequeña. 20

Cuando Ve se sitúa en la zona B, la tensión de entrada es entonces más elevada y no puede ser soportada integralmente por cada transformador. Los interruptores IN e I’N del circuito primario son, entonces, por ejemplo, conmutados de manera que se asocien los arrollamientos primarios PN dos a dos en paralelo, de tal modo que se 25 asocian, en consecuencia, los arrollamientos secundarios SN en serie, dos a dos.

Así, a cada arrollamiento PN, SN se le aplica una tensión Ve/2, y todos los arrollamientos SN son atravesados por una corriente cuya intensidad está dividida por dos. 30

Cuando Ve se sitúa en la zona C, la tensión de entrada es aún más elevada y no puede ser soportada integralmente por cada transformador. Los interruptores IN e I’N del circuito primario son entonces conmutados, por ejemplo, de modo que se asocien todos los arrollamientos primarios PN en serie, asociando, en consecuencia, los 35 arrollamientos secundarios SN en paralelo, tal y como se ha representado en la Figura 5c.

De esta forma, se aplica a cada arrollamiento PN, SN una tensión Ve/N, y todos los arrollamientos SN son atravesados por una corriente cuya intensidad a sido dividida por N.

Para un circuito de N transformadores, las posibilidades de asociación de los arrollamientos primarios en paralelo y/o en serie son 5 mucho más numerosas y permiten regular la tensión de salida en función de la utilización, por ejemplo, en un valor fijo.

Se describirá ahora, en lo que sigue, el modo de realización representado en la Figura 4.

Cuando los arrollamientos primarios P1, P2 están en 10 paralelo, por ejemplo, cuando los interruptores I1,1, I3,1 e I2,2 están cerrados y los otros abiertos, el lado del arrollamiento P1 marcado por un punto es entonces positivo, y el lado del arrollamiento P2 marcado por un punto es negativo. De esta forma, los lados marcados por un punto de los arrollamientos secundarios S1, S2 son entonces, 15 respectivamente, positivo y negativo. Esta polaridad implica que solo los diodos I1,1 e I3,2 son pasantes o conducen, y que los arrollamientos S1, S2 están en serie.

Las Figuras 7 y 8 representan los conductores C1 y C2 del circuito primario 1. Solo se han representado los siete primeros 20 arrollamientos PN.

Los tramos de conductores C1 y C2 en trazo grueso ilustran interruptores IN, I’N cerrados, y los tramos en trazos finos, interruptores abiertos IN, I’N.

Se define un par de medios de conmutación como formado 25 por dos medios de conmutación conectados por detrás o por delante de un mismo arrollamiento.

Las conmutaciones se efectúan gradualmente desplazando un esquema o patrón de conmutación, simbolizado por un cuadro C, a lo largo de los pares de medios de conmutación e invirtiendo, 30 eventualmente, el estado de uno o de los dos medios de conmutación contenidos en el cuadro. En el caso de dos inversiones, estas se efectúan sucesivamente.

De esta forma, los medios de mando gobiernan, sucesivamente, cada par de medios de conmutación I1, I’1, seguido de I2, 35 I’2, ..., IN, I’N. En cada etapa, en función del resultado deseado, el medio de conmutación IN es invertido o no, tras lo cual el medio de

conmutación I’N es invertido, o no.

Este procedimiento permite, por ejemplo, invertir la polaridad del circuito primario, o se emplea para invertir la polaridad de la tensión en los bornes de cada transformador.

El ejemplo representado en la Figura 6 corresponde a la 5 inversión de la polaridad de los arrollamientos primarios que se encuentran en una configuración, o bien todos los arrollamientos primarios PN están en serie. La inversión de la polaridad se obtiene invirtiendo todos los interruptores.

En el ejemplo representado en la Figura 7, los medios de 10 conmutación son conmutados de tal manera que se pasa de una configuración en la que todos los medios de conmutación IN, I’N están en serie, a una configuración en la que los medios de conmutación están en paralelo dos a dos.

- la conmutación de los interruptores es “casi suave”: las 15 pérdidas dinámicas se dividen, en efecto, aproximadamente por cuatro;

- un único interruptor conmuta de cada vez, lo que simplifica la puesta en práctica, de manera que no hay, por tanto, problemas asociados a la conmutación simultánea de semiconductores en serie; 20

- la frecuencia aparente vista desde el primario es muy elevada;

- la amplitud de la ondulación en los bornes del primario después de la bobina de impedancia de entrada es muy pequeña, lo que permite disminuir el tamaño de la bobina de impedancia de entrada; 25

- la regulación de la corriente de entrada se ve facilitada, pues el tiempo de respuesta de la regulación es muy corto.

Por otra parte, al circular la corriente permanentemente por el circuito de acuerdo con la invención, los filtros de entrada y de salida del circuito se verán menos solicitados que en un circuito convencional 30 que presenta una corriente pulsante importante.

El convertidor de acuerdo con la invención presenta la ventaja de ser tolerante a una avería simple: cualquiera que sea el modo de avería de un interruptor de un transformador, es posible funcionar en modo degradado. 35

Se aísla entonces la etapa averiada aplicando una orden apropiada a los interruptores. Esto tiene como consecuencia una

limitación de las capacidades del conjunto del circuito (el intervalo de variación de las tensiones se ve reducido), sin que este último deje de funcionar.

Por otra parte, un circuito primario que adopta la primera configuración está bien adaptado a las altas tensiones, puesto que los 5 interruptores comparten la tensión entre ellos. Un circuito secundario que adopta la segunda configuración está bien adaptado a las corrientes de salida elevadas, puesto que los interruptores comparten la corriente de salida.

El circuito electrónico de acuerdo con la invención presenta 10 un vasto dominio de aplicación en la electrónica.

La invención no se limita a los modos de realización descritos ni, en particular, al valor de N empleado. Este último puede ser muy variable.

Pueden contemplarse, en particular, todas las asociaciones 15 en paralelo y/o en serie de los arrollamientos primarios y/o secundarios de los transformadores sin salirse del ámbito de la invención.

La totalidad o una parte de los elementos del circuito electrónico pueden ser gobernados, por otra parte, por ordenador con el fin de obtener la asociación de transformadores deseada. 20

Se describirán a continuación dos aplicaciones particulares de la invención.

En una primera aplicación del circuito electrónico de acuerdo con la invención, este último reemplaza el convertidor de energía dispuesto en un vehículo ferroviario, alimentado 25 indiferentemente por una tensión continua de 1.500 V o 3.000 V, o por una tensión alterna de 1.000 V o 1.500 V, de manera que dicho convertidor es apto para transformar esta tensión en una tensión apropiada para alimentar órganos eléctricos instalados a bordo de este vehículo. 30

Es así posible, utilizando un circuito electrónico de acuerdo con la invención en lugar de los convertidores de energía conocidos, suprimir el filtro de entrada.

En efecto, en las realizaciones conocidas, la norma UIC 550 (Unión Internacional de Ferrocarriles –“Union Internationale des 35 Chemins de fer”) impone la utilización de un filtro de entrada pesado y voluminoso, constituido por un condensador y una inductancia.

Gracias al circuito electrónico de acuerdo con la invención, es posible suprimir el embarazoso filtro anterior a la vez que se respetan las normas, lo que permite una ganancia de peso considerable.

El generador de entrada se convierte entonces en un generador de corriente. 5

El procedimiento de mando de los interruptores regula una corriente constante compatible con la norma UIC 550, lo que crea, de esta forma, una impedancia de entrada elevada.

Por debajo de 50 Hz, la consigna de corriente está adaptada para ajustar la tensión de salida. 10

Otra aplicación del convertidor es su utilización como convertidor encargado de garantizar la función de tracción de un vehículo ferroviario, alimentado por una tensión alterna de 15.000 V o 25.000 V, de manera que dicho convertidor es apto para transformar esta tensión en una tensión adecuada para alimentar órganos eléctricos 15 instalados a bordo del vehículo. Dicho convertidor eléctrico está, entonces, desprovisto de transformador de baja frecuencia (50 Hz o 16,7 Hz) y alta tensión de entrada.

El convertidor de acuerdo con la invención puede ser utilizado en numerosos dominios: 20

- en tracción ferroviaria: el transformador de entrada y su rectificador alcanzan en la actualidad 13 toneladas, en tanto que un convertidor de acuerdo con la invención no alcanza más que 3 toneladas;

- aplicaciones de media potencia en diferentes tensiones de sector: con un convertidor de acuerdo con la invención, ya no es 25 necesario modificar el equipo; basta con modificar el procedimiento de mando;

- alimentaciones a tensión de salida variable y potencia constante.

30

35

Claims

REIVINDICACIONES
1. Un convertidor de energía eléctrica que comprende:

- N transformadores que comprenden, cada uno de ellos, un 5 arrollamiento primario (PN) y un arrollamiento secundario (SN),

- un circuito primario (1) unido o conectado a dos terminales o bornes de entrada (2, 3), al cual están conectados los arrollamientos primarios (PN) de los transformadores,

- un circuito secundario (4) conectado a dos bornes de 10 salida (5, 6), al cual están conectados los arrollamientos secundarios (SN) de los transformadores,

de tal modo que el circuito primario (1) del convertidor comprende un conjunto de medios de conmutación (IN, I’N, IN,1, IN,2) conectados a los N arrollamientos primarios (PN), caracterizado por que 15 comprende un conjunto de medios de conmutación conectado a los N arrollamientos secundarios (SN), así como medios de mando (7) de los medios de conmutación (IN, I’N, IN,1, IN,2) de al menos uno de los circuitos primario (1) o secundario (4), de manera que los medios de conmutación (IN, I’N, IN,1, IN,2) están conectados de un modo tal, que 20 pueden asociarse los N arrollamientos primarios (PN) en serie y/o en paralelo con los N arrollamientos secundarios (SN), respectivamente en paralelo y/o en serie utilizando los medios de mando (7).
2. Un convertidor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el circuito primario (1) comprende un generador 25 de corriente que alimenta los bornes de entrada (2, 3), y el circuito secundario (4) comprende un generador de tensión conectado en paralelo con los bornes de salida (5, 6).
3. Un convertidor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el circuito primario (1) comprende un generador 30 de tensión conectado en paralelo a los bornes de entrada (2, 3) y el circuito secundario (4) comprende un generador de corriente conectado a los bornes de salida (5, 6).
4. Un convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que cada circuito primario (1) o secundario (4) 35 puede adoptar una de las dos configuraciones duales siguientes:

- la primera configuración comprende dos conductores

eléctricos (C1, C2) conectados en paralelo entre los bornes de entrada (2, 3) o de salida (5, 6), de tal modo que cada conductor (C1, C2) comprende al menos N + 1 medios de conmutación (IN, I’N) en serie, estando los dos conductores (C1, C2) unidos o conectados entre sí, entre sus medios de conmutación (IN, I’N) respectivos, por un arrollamiento primario (PN) o 5 secundario (SN),

- la segunda configuración comprende N + 1 conductores eléctricos (CN) conectados en paralelo entre los bornes de entrada (2, 3) o de salida (5, 6), de tal manera que cada conductor (CN) comprende al menos dos medios de conmutación (IN,1, IN,2) en serie, estando los 10 conductores (CN) unidos o conectados entre sí dos a dos, entre sus medios de conmutación (IN,1, IN,2) respectivos, por un arrollamiento primario (PN) o secundario (SN).
5. Un convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado por que, cuando los circuitos primario (1) y 15 secundario (4) presentan la misma configuración, un arrollamiento de cada dos (SN) del circuito secundario está invertido con respecto al arrollamiento correspondiente (PN) del circuito primario, de tal modo que todos los demás arrollamientos (PN, SN) están en el mismo sentido.
6. Un convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 3 20 y 4, caracterizado por que, cuando los circuitos primario (1) y secundario (4) presentan configuraciones diferentes, todos los arrollamientos (PN, SN) se encuentran en el mismo sentido.
7. Un convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que los medios de conmutación (IN, I’N, IN,1, IN,2) 25 del circuito secundario (4) y/o del circuito primario (1) son interruptores unidireccionales, o en un solo sentido, o bidireccionales, o en ambos sentidos.
8. Un convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que los medios de mando (7) que gobiernan los 30 medios de conmutación (IN, I’N, IN,1, IN,2) del circuito primario (1) y del circuito secundario (4) son interruptores gobernados, a la vez, en el primario y en el secundario.
9. Un convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 3 a 8, caracterizado por que comprende: 35

- un circuito primario (1) que adopta la primera configuración, de tal modo que los dos conductores (C1, C2) del circuito

primario están en paralelo con una capacidad (13);

- un arrollamiento (15) en serie con la capacidad (13);

- un generador de tensión (16), conectado entre los bornes de entrada (2, 3);

- un circuito secundario (4) que adopta la primera 5 configuración, cuyos dos conductores (C1, C2) están en serie con un arrollamiento (8) y en paralelo con una capacidad (9);

de tal manera que los medios de conmutación (IN, I’N) del circuito secundario son diodos.
10. Un convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 3 10 a 8, caracterizado por que comprende:

- un circuito primario (1) que adopta la segunda configuración, en el cual los medios de conmutación (IN,1, IN,2) son interruptores unidireccionales en paralelo, cada uno de ellos, con un diodo; 15

- un circuito secundario (4) que adopta la segunda configuración, en el cual los medios de conmutación (IN,1, IN,2) son diodos;

- una capacidad (19) en paralelo con los bornes de salida (5, 6); 20

- un arrollamiento (18) en serie con uno de los bornes de salida (5, 6).
11. Una aplicación del convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, como convertidor de energía dispuesto en un vehículo ferroviario, alimentado por una tensión continua de 1.500 V o 25 3.000 V, o por una tensión alterna de 1.000 V o 1.500 V, de tal modo que dicho convertidor es apto para transformar esta tensión en una tensión apropiada para alimentar unos órganos eléctricos instalados a bordo de este vehículo, caracterizada por que dicho convertidor eléctrico está desprovisto de filtro de entrada. 30
12. Una aplicación del convertidor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 10, como convertidor encargado de garantizar la función de tracción de un vehículo ferroviario, alimentado por una tensión alternativa de 15.000 V o 25.000 V, de tal manera que dicho convertidor es apto para transformar esta tensión en una tensión 35 apropiada para alimentar unos órganos eléctricos instalados a bordo de este vehículo, caracterizada por que dicho convertidor eléctrico está

desprovisto de transformador de baja frecuencia y alta tensión de entrada.
13. Un procedimiento de mando de un convertidor de acuerdo con la reivindicación 4 o con una de las reivindicaciones 5 a 9 cuando estas son dependientes de la reivindicación 4, en el cual el circuito 5 primario presenta la primera configuración, de manera que un par de medios de conmutación se corresponden a dos medios de conmutación conectados antes o después de un mismo arrollamiento, caracterizado por que comprende las etapas consistentes en desplazar un esquema o patrón de conmutación sucesivamente a lo largo de los pares de medios 10 de conmutación del circuito primario y, para cada par de medios de conmutación, invertir eventualmente el estado de uno de los medios de conmutación del par o, sucesivamente, el estado de los dos medios de conmutación del par.