ES2709635T3 - Dispositivo de conversión de tensión - Google Patents

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Abstract

Dispositivo de conversión de tensión con al menos un transformador (12), el cual está proporcionado para poner a disposición una tensión de salida (Uout) a partir de una tensión de entrada (Uin); que comprende una unidad de bobinado (30) del lado de entrada y una unidad de bobinado (32) del lado de salida; y que puede funcionar por lo menos acorde a dos modos de funcionamiento, los cuales están asociados respectivamente a una relación de transformación de tensión diferente; en donde al menos una de las unidades de bobinado (30, 32) comprende un primer (38) y al menos un segundo devanado (40), y cada modo de funcionamiento tiene asignada una configuración de funcionamiento de los devanados (38, 40) diferente; caracterizado porque el primer devanado (38) presenta partes de devanado (42), las cuales forman junto con las partes de devanado (44) del segundo devanado (40) una disposición alternada, y la misma presenta una unidad de conmutación (47), la cual conforme a una configuración de funcionamiento aplicable, conecta el segundo devanado (4) partiendo de un estado inactivo, en el primer devanado (38) que se encuentra en un estado activo.

Description

DESCRIPCION
Dispositivo de conversion de tension
La invencion se basa en un dispositivo de conversion de tension con al menos un transformador, el cual esta proporcionado para poner a disposicion una tension de salida a partir de una tension de entrada; que comprende una unidad de bobinado del lado de entrada y una unidad de bobinado del lado de salida; y que puede funcionar por lo menos acorde a dos modos de funcionamiento, los cuales estan asociados respectivamente a una relacion de transformacion de tension diferente; en donde al menos una de las unidades de bobinado comprende un primer y al menos un segundo devanado, y a cada modo de funcionamiento tiene asignada una configuracion de funcionamiento de los devanados diferente.
El espectro de aplicaciones que supone una transformacion de tencion entre una tension de entrada y una tension del lado del consumidor, presenta una amplitud considerable. Entre ellas, se encuentran especialmente aplicaciones en las cuales un transformador existente debe ser adecuado para al menos dos relaciones de transformacion de tension diferentes, o bien en las cuales se requiere de una cierta flexibilidad en el uso del transformador.
Un ejemplo tipico de este tipo de aplicaciones resulta la alimentacion electrica de consumidores electricos, que se suministran de una tension de red disponible; en donde un determinado consumidor debe ser operado con diferentes valores de la tension de red o en donde debe ser implementable un transformador existente para la aplicacion con consumidores de diferentes tensiones de funcionamiento.
Con las diferentes relaciones de transformacion de tension estan vinculadas ademas exigencias en relacion a corrientes de interferencia, que se establecen por parte del proveedor de red. A partir de ello, resultan diferentes requisitos referidos a la dispersion del transformador que deben ser satisfechos en las diferentes relaciones de transformacion de tension. La construccion del transformador debe tener en consideracion dichas exigencias, adicionalmente para la provision de diferentes relaciones de transformacion de tension.
En la rama de la ingenieria ferroviaria los transformadores principales de los vehiculos ferroviarios electricos, adecuados para el funcionamiento con diferentes tensiones de red ferroviaria (por ejemplo AC 25 kV/50 Hz; AC 15 kV/16,7 Hz), disponen por lo general de una toma del devanado de tension de salida para adaptar la relacion de transformacion de tension, correspondiente a las diferentes tensiones de red ferroviaria, a la tension del convertidor de traccion.
A partir de las diferentes exigencias de corriente de interferencia, asi como a otras exigencias referidas a la transmision de potencia a traves del transformador (entre otras, cumplir con la condicion cos($) = lentre la corriente de red y la tension de red) de las diferentes redes ferroviarias, resultan diferentes exigencias respecto a la inductancia de dispersion del transformador. Segun estas exigencias, la relacion de la tension de cortocircuito de transformador con respecto a la tension nominal de transformador se puede ubicar en un intervalo tipico de 20% hasta 50 %.
Para ajustar la inductancia de dispersion del transformador es conocido, subdividir el devanado de transformador del lado de la salida en dos devanados; en donde el transformador presenta dos modos diferentes de funcionamiento, los cuales estan asignados respectivamente a una configuracion diferente de funcionamiento de los devanados. En funcion de la red ferroviaria en la cual funcione el vehiculo ferroviario, partiendo de un modo de funcionamiento con solo un devanado activo, se conecta el segundo devanado al otro; en donde en este segundo modo de funcionamiento, el devanado conectado adicionalmente representa una extension espacial del primer devanado. Al conectar el devanado adicional, se modifica la inductancia de dispersion del devanado de tension de salida relativamente al devanado de tension de entrada.
Esta solucion presenta la desventaja de que la inductancia de dispersion en el segundo modo de funcionamiento depende considerablemente de la inductancia de dispersion del primer devanado. Por la limitada capacidad de ajuste de la relacion entre las inductancias de dispersion de los diferentes modos de funcionamiento, resulta necesario con frecuencia un sobredimensionamiento del transformador con respecto a la inductancia de dispersion en un modo de funcionamiento. Si el transformador esta conectado del lado de la salida con un convertidor de traccion, una innecesariamente gran inductancia de dispersion del transformador, especialmente en un regulador de cuatro cuadrantes del convertidor de traccion, conduce a cargas de corriente y de tension elevadas, las cuales pueden ser consideradas solo por un correspondiente sobredimensionamiento del convertidor de traccion.
La solicitud DD 251 057 A3 revela un sistema de bobinado para transformadores. Alli, dos devanados secundarios se subdividen reiteradas veces y los devanados parciales se disponen alternadamente en una capa para el devanado primario del transformador. Dependiendo de la deseada intensidad de corriente en el devanado secundario, los devanados se conectan en serie, en paralelo o combinados. La invencion tiene por objeto, poner a disposicion un dispositivo de conversion de tension, mediante el cual la relacion de las inductancias de dispersion del transformador entre los modos de funcionamiento se pueda regular mas precisamente.
Para ello, se recomienda que el primer devanado presente partes de devanado, que formen una disposicion alternada con las partes de devanado del segundo devanado. De esta manera, se puede conseguir ventajosamente un amplio desacoplamiento de los valores de inductancia de dispersion de los modos de funcionamiento; en donde en cada modo de funcionamiento se puede lograr una flexibilidad considerablemente elevada en la seleccion de la inductancia de dispersion. En esta ventaja se basa una alta flexibilidad en la seleccion de la disposicion espacial de las partes de devanado del primer y del segundo devanado. Por una "disposicion alternada" de las partes de devanado, debe entenderse particularmente una disposicion en la cual las partes de devanado del primer y del segundo devanado esten distribuidas espacialmente dentro de la unidad de bobinado en cuestion de modo que las partes de devanado del primer devanado y las partes de devanado del segundo devanado se alternen.
Una parte de devanado presenta de manera conveniente al menos una espira, o bien una cantidad fija de espiras. Si el transformador presenta un tipo de devanado cilindrico ("devanado cilindrico" o "devanado tubular"), una parte de devanado se corresponde ventajosamente a una capa de devanado. En este caso, las capas de devanado se alternan en una direccion que esta orientada de manera ventajosa perpendicularmente con respecto al eje del cilindro o bien segun la norma a las capas de devanado. Tambien es concebible una conformacion de las partes de devanado como "devanados caidos".
Alternativamente, el transformador puede estar bobinado de manera que el mismo presente una composicion de partes de devanado con forma de disco, dispuestas unas sobre otras ("devanado de disco"). Aqui, las partes de devanado del primer y del segundo devanado se alternan en una direccion que de manera preferida se orienta perpendicularmente hacia el plano de disco.
En las ejecuciones geometricas mencionadas anteriormente y en otras ejecuciones alternativas del transformador, la disposicion alternada de las partes de devanado hace referencia preferentemente a una direccion que es caracteristica para la determinacion de la inductancia de dispersion del transformador. Particularmente (mirando en esta direccion caracteristica) la distancia media entre la unidad de bobinado del lado de entrada y la unidad de bobinado del lado de salida se establece como magnitud de referencia para la determinacion de la inductancia de dispersion del transformador.
En la conformacion de la disposicion alternada, la cantidad de partes de devanado del primer devanado que estan dispuestas en continuidad entre dos partes de devanado del segundo devanado, puede elegirse libremente, por ello, se puede alcanzar una gran libertad en el ajuste de la inductancia de dispersion para cada modo de funcionamiento. De esta manera, se puede alcanzar particularmente, una ventajosa adaptacion de la inductancia de dispersion a exigencias preestablecidas en cada modo de funcionamiento, sin necesidad de que el transformador o un consumidor conectado aguas abajo deban ser adaptados en su diseno dimensional. De este modo, se pueden satisfacer las exigencias de inductancia de dispersion de forma economica.
La subdivision en el primer y el segundo devanado puede tener lugar del lado de la entrada. Sin embargo, en una conformacion ventajosa se recomienda que el primer y el segundo devanado sean componentes de la unidad de bobinado del lado de la salida.
Para una conmutacion sencilla entre los modos de funcionamiento, se recomienda que el dispositivo de conversion de tension presente una unidad de conmutacion, la cual conforme a una configuracion de funcionamiento aplicable, conecta el primer y/o el segundo devanado en un estado activo. Por un estado "activo" de un devanado, debe entenderse un estado en el cual el devanado esta conectado con tension con un consumidor conectado aguas abajo. Con la subdivision de una de las unidades de bobinado en al menos dos devanados, se pueden proveer ventajosamente al menos tres modos de funcionamiento.
Ademas, es recomendable que la unidad de conmutacion, conforme a una configuracion de funcionamiento aplicable, conecte el segundo devanado (partiendo de un estado inactivo) al primer devanado que se encuentra en un estado activo. Particularmente, cuando el primer devanado se encuentra de forma permanente en un estado activo, se puede lograr una topologia de circuito sencilla.
El dispositivo de conversion de tension resulta especialmente apropiado para aplicaciones, en las cuales la tension de salida es menor que la tension de entrada.
En una ejecucion preferida de la invencion, se recomienda que la tension de entrada sea una tension de red ferroviaria y la tension de salida sirva para alimentar un consumidor de vehiculo ferroviario. El diseno constructivo de transformadores en el area de construccion de vehiculos ferroviarios, en especial, el diseno constructivo de un asi denominado transformador principal, se conoce como particularmente voluminoso. Un sobredimensionamiento, necesario para cubrir las exigencias de inductancia de dispersion, conduce de manera convencional a un requerimiento espacial adicional considerable. En este sentido, con el dispositivo de conversion de tension propuesto es posible ahorrar gran espacio constructivo, que puede ser utilizado de otra manera. La tension de salida sirve especialmente para alimentar una unidad de accionamiento de vehiculo ferroviario y/o una red de a bordo (tambien denominada fuente de alimentacion auxiliar), la cual esta disponible para otros consumidores electricos del vehiculo ferroviario.
Si el consumidor de vehiculo ferroviario esta conformado como una unidad de accionamiento, la tension de salida sirve ventajosamente para hacer funcionar un convertidor de traccion. En este caso, la tension de salida depende particularmente de una tension de circuito intermedio. Mediante el dispositivo de conversion de tension propuesto es posible de manera particularmente ventajosa evitar un sobredimensionamiento del convertidor de traccion, a causa de las exigencias determinadas respecto a la inductancia de dispersion.
Un ejemplo de ejecucion de la invencion se explica mediante los dibujos. Estos muestran:
la figura 1: un circuito electrico de un vehiculo ferroviario con un transformador;
la figura 2: una vista en corte del transformador de la figura 1; y
la figura 3: una vista detallada de una unidad de bobinado del lado de la salida, del transformador de la figura 2. La figura 1 muestra un circuito electrico de un vehiculo ferroviario en una vista particularmente esquematica. El mismo presenta especialmente un dispositivo de conversion de tension 10 que comprende un transformador 12. El mismo ajusta en funcionamiento una tension de salida en sus bornes de salida Uout, que esta proporcionada para la alimentacion de un consumidor electrico del vehiculo ferroviario. En el ejemplo de ejecucion considerado, el consumidor electrico esta conformado como una unidad de accionamiento de vehiculo ferroviario 14, la cual comprende dos motores de accionamiento 16.1 y 16.2. Los motores de accionamiento 16 se operan mediante dos convertidores de traccion 18.1, 18.2, que de manera conocida, ponen a disposicion la potencia electrica requerida para los motores de accionamiento 16.1, 16.2. Para ello, los convertidores de traccion 18 estan conectados con un circuito intermedio 20, que pone a disposicion una tension continua Vzk. La tension continua Vzk se obtiene a partir de la tension de salida Uout mediante un rectificador 22, el cual conecta la salida del transformador 12 con el circuito intermedio 20.
El transformador 12 pone a disposicion la tension de salida Uout a partir de la tension de entrada Uin, la cual en el ejemplo de ejecucion considerado, se corresponde con una tension de red ferroviaria, la cual se adquiere mediante un colector de corriente 24 de una linea 26 de una seccion de via. La linea 26 puede estar conformada como una linea aerea o como una barra tomacorriente. El transformador 12 esta conectado a tierra mediante una conexion con un eje 28 del vehiculo ferroviario.
El transformador 12 tiene la funcion de transformar la tension de entrada Uin reduciendola, de tal modo que la tension de salida Uout es menor que la tension de entrada Uin. El mismo esta proporcionado ademas para al menos dos relaciones de transformacion de tension diferentes y puede por lo tanto funcionar al menos acorde a dos modos correspondientes de funcionamiento. En la ejecucion, considerada aqui, como componente integral de un circuito de un vehiculo ferroviario, las relaciones de transformacion de tension se diferencian por los respectivos valores de la tension de entrada Uin, en donde el valor de la tension de salida Uout es igual en los dos modos de funcionamiento, o bien, depende de la tension Vzk del circuito intermedio.
Esto corresponde al funcionamiento de la unidad de accionamiento de vehiculo ferroviario 14 en al menos dos valores diferentes de tension de red ferroviaria. Los valores convencionales de la tension de entrada Uin son 25 kV -50 Hz y 15 kV - 162/3 Hz, en donde son concebibles otros valores.
El funcionamiento del transformador 12, se explica en mas detalle mediante la figura 2. La misma muestra una vista en corte esquematica del transformador 12.
El transformador 12 presenta una unidad de bobinado 30 del lado de entrada, la cual guia la tension de entrada Uin. La tension de salida Uout se dirige mediante una unidad de bobinado 32 del lado de salida, en donde ambas unidades de bobinado 30, 32 estan bobinadas alrededor de un nucleo comun compuesto de un material magnetico, como especialmente un nucleo de hierro. En la ejecucion mostrada, el transformador 12 presenta un devanado cilindrico, en donde el plano de corte esta orientado paralelo a la extension longitudinal del cilindro y contiene al eje de simetria de la disposicion cilindrica o bien al eje del cilindro 36. En la figura esta representado solo un medio cilindro.
La figura 3 muestra, en una vista detallada, la unidad de bobinado 32 del lado de la salida. La unidad de bobinado 32 del lado de la salida esta subdividida en al menos dos devanados 38, 40 diferentes. A los fines de clarificar, los mismos estan representados mediante diferentes sombreados. La disposicion del primer devanado 38 y del segundo devanado 40, se caracteriza porque las partes de devanado 42 del primer devanado 38, junto con las partes de devanado 44 del segundo devanado 40 forman una disposicion alternada. Las partes de devanado 42 del primer devanado 38 estan dispuestas, mirando en direccion radial 46 o bien en direccion perpendicular con respecto al eje de cilindro 36, entre dos partes de devanado 44 del segundo devanado 40 y a la inversa. En una formulacion equivalente, la disposicion alternada se corresponde con una "conexion cruzada" de ambos devanados 38, 40. Para el devanado cilindrico, en consideracion, del transformador 12, las partes de devanado 42 o bien 44 se corresponden con las asi llamadas capas de devanado del devanado cilindrico. Por razones de claridad en la representacion, las otras partes de devanado 42, o bien, 44 se reemplazan por lineas.
En la ejecucion mostrada a modo de ejemplo, una parte de devanado 42 y una parte de devanado 44 se alternan respectivamente. Sin embargo, la cantidad de partes de devanado de un devanado que estan dispuestas en continuidad entre las partes de devanado del otro devanado, puede elegirse libremente. Asi, por ejemplo dos o mas partes continuas de devanado 42 o bien 44 pueden estar dispuestas entre dos partes de devanado 44 o bien 42. Las partes de devanado 42, 44 pueden estar distribuidas segun un patron que se repite y/o la cantidad de partes de devanado continuas de un devanado entre dos partes de devanado del otro devanado pueden variar a lo largo de la direccion radial 46.
Cada modo de funcionamiento del transformador 12 tiene asignada una configuracion de funcionamiento de los devanados 38, 40 diferente. Las configuraciones de funcionamiento se diferencian por la clase y por la cantidad de devanados 38, 40 de la unidad de bobinado del lado de la salida, conectados activamente en el respectivo modo de funcionamiento. Un devanado activo en modo de funcionamiento contribuye a la provision de la tension de salida Uout, o bien, el mismo esta conectado con tension con el consumidor electrico conectado aguas abajo. Para la ejecucion mostrada de la unidad de bobinado 32 del lado de la salida, son posibles tres configuraciones de funcionamiento diferentes, en las cuales el primer devanado 38, el segundo devanado 40 o una combinacion de ambos devanados 38 y 40 estan activos.
Para la conmutacion entre las diferentes configuraciones de funcionamiento de los devanados 38, 40, el dispositivo de conversion de tension 10 presenta una unidad de conmutacion 47, representada esquematicamente en la figura 3. La unidad de conmutacion 47 sirve para, en funcion del modo de funcionamiento actual del transformador 12, conmutar el primer devanado 38 y/o el segundo devanado a un estado activo, o bien conectar uno u otro con tension con el consumidor electrico conectado aguas abajo.
En una ejecucion especial, el transformador 12 funciona dependiendo del valor de la tension de entrada, o bien, de la tension de red ferroviaria, en un primer modo de funcionamiento, en el cual solo se conecta activamente uno de los devanados 38, 40; o en un segundo modo de funcionamiento, en el cual ambos devanados 38, 40 se conectan activamente. En la conmutacion entre ambos modos de funcionamiento, la unidad de conmutacion 47 conecta el devanado, hasta ese momento inactivo, al devanado ya activo.
Los modos de funcionamiento se diferencian entre si al menos en dos aspectos. Del lado de la salida, se proporcionan diferentes cantidades de espiras, mediante las cuales se consiguen diferentes relaciones de transformacion de tension. Ademas, los modos de funcionamiento se diferencias por la distancia media entre la unidad de bobinado 30 del lado de la entrada y la parte activa de la unidad de bobinado 32 del lado de la salida. De esta manera, se consiguen diferentes valores de inductancia de dispersion o bien de tension de cortocircuito del transformador 12. En la ejecucion mostrada, la distancia media esta considerada en direccion radial 46.
La conformacion de la unidad de bobinado 32 del lado de la salida, o bien la disposicion alternada de las partes de devanado 42, 44 puede adaptarse constructivamente de manera sencilla a las exigencias referidas a la inductancia de dispersion o bien a la tension de corto circuito, que se estipulan por los operadores ferroviarios independientemente de la tension de red ferroviaria.

Claims (7)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo de conversion de tension con al menos un transformador (12), el cual esta proporcionado para poner a disposicion una tension de salida (Uout) a partir de una tension de entrada (Uin); que comprende una unidad de bobinado (30) del lado de entrada y una unidad de bobinado (32) del lado de salida; y que puede funcionar por lo menos acorde a dos modos de funcionamiento, los cuales estan asociados respectivamente a una relacion de transformacion de tension diferente; en donde al menos una de las unidades de bobinado (30, 32) comprende un primer (38) y al menos un segundo devanado (40), y cada modo de funcionamiento tiene asignada una configuracion de funcionamiento de los devanados (38, 40) diferente; caracterizado porque el primer devanado (38) presenta partes de devanado (42), las cuales forman junto con las partes de devanado (44) del segundo devanado (40) una disposicion alternada, y la misma presenta una unidad de conmutacion (47), la cual conforme a una configuracion de funcionamiento aplicable, conecta el segundo devanado (4) partiendo de un estado inactivo, en el primer devanado (38) que se encuentra en un estado activo.
2. Dispositivo de conversion de tension segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el primer (38) y el segundo devanado (40) son componentes de la unidad de bobinado (32) del lado de la salida.
3. Dispositivo de conversion de tension segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque las partes de devanado (42, 44) estan conformadas como capas de devanado.
4. Dispositivo de conversion de tension segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la tension de salida (Uout) es menor que la tension de entrada (Uin).
5. Dispositivo de conversion de tension segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la tension de entrada (Uin) es una tension de red ferroviaria y la tension de salida (Uout) sirve para alimentar un consumidor de vehiculo ferroviario.
6. Dispositivo de conversion de tension segun la reivindicacion 5, caracterizado porque la tension de salida (Uout) sirve para hacer funcionar un convertidor de traccion (18.1, 18.2).
7. Vehiculo ferroviario con un dispositivo de conversion de tension (10) segun una de las reivindicaciones precedentes.
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