ES3042757T3 - Converter for a railway vehicle, associated railway vehicle and method - Google Patents

Abstract

Convertidor (1) para un vehículo ferroviario que comprende: - al menos una etapa de conversión primaria (3), y al menos una etapa de conversión secundaria (4), comprendiendo cada una de ellas elementos de conmutación (12); - un transformador (2) configurado para transmitir energía entre la etapa primaria (3) y la etapa secundaria (4) para la transformación de una primera corriente (Ipri) bajo una primera tensión (Vpri) recibida en la etapa primaria (3), en una segunda corriente (Isec) bajo una segunda tensión (Vsec); - al menos un sensor de corriente (6), estando configurado el sensor de corriente (6) para medir al menos la primera corriente (Ipri); - un controlador (7) configurado para determinar los tiempos de conmutación de los elementos de conmutación (12) en función de la medición de la primera corriente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCION

[0002] Convertidor para un vehículo ferroviario, vehículo ferroviario y procedimiento asociados

[0003] La presente invención concierne a un convertidor para un vehículo ferroviario.

[0004] La presente invención concierne igualmente a un vehículo ferroviario y a un procedimiento asociado.

[0005] En los vehículos ferroviarios se utilizan convertidores para convertir la energía eléctrica de un primer nivel a un segundo nivel de tensión. Por ejemplo, se utilizan convertidores auxiliares para convertir energía eléctrica para cargas auxiliares del vehículo ferroviario, tales como la calefacción y/o la climatización, la ventilación, la iluminación o los compresores. Tales convertidores comprenden un transformador que proporciona un aislamiento galvánico entre una alimentación de alta tensión de una línea ferroviaria y una línea de alimentación de tensión inferior del vehículo ferroviario. La alimentación de alta tensión es, por ejemplo, una catenaria, un tercer carril o una conexión de tracción. La línea de alimentación del vehículo ferroviario es, por ejemplo, una línea auxiliar de media tensión (típicamente 3 x 400 V a 50 Hz).

[0006] El artículo de Wenzheng Xu y otros titulado «A new Control Method for a Bi-Directional DC-DC Converter with an Extended Load Range» describe un ejemplo de un procedimiento de control para un convertidor bidireccional. Se conoce el artículo de DUDRIK JAROSLAV y otros titulado “Zero-Voltage and Zero-Current Switching PWM DC-DC- Converter Using Controlled Secondary Rectifier With One Active Switch and Non.dissipative Turn-Off Snubber”. Se conocen igualmente los documentos EP3244525 y US 2015/229225.

[0007] Con el fin de reducir el tamaño y el peso de los convertidores, se conoce utilizar un dispositivo de conversión de corriente continua/corriente continua (CC/CC), por ejemplo, en el interior del convertidor auxiliar. Tal dispositivo de conversión CC/CC comprende una pluralidad de elementos de conmutación que comprenden dispositivos semiconductores tales como transistores.

[0008] En particular, el aumento de la frecuencia del transformador permite reducir su tamaño. Ahora bien el aumento de la frecuencia del transformador implica aumentar la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación del dispositivo de conversión CC/CC.

[0009] Sin embargo, cuando los elementos de conmutación conmutan, el convertidor experimenta una pérdida de energía eléctrica, en particular en forma de una disipación de energía eléctrica en energía térmica. Así, cuando se aumenta la frecuencia de conmutación de los elementos de conmutación, aumenta igualmente la energía disipada. Tal pérdida de energía conduce, por una parte, a una mayor necesidad de energía y, por otra, a un calentamiento no deseado del convertidor.

[0010] Para reducir las pérdidas de energía durante la conmutación, se conoce utilizar técnicas denominadas de «conmutación suave» (denominadas igualmente «soft switching» en inglés). En una conmutación denominada suave, el convertidor comprende en particular un circuito de resonancia adecuado para absorber una parte de la energía presente en el convertidor durante la conmutación. Sin embargo, tales técnicas de conmutación suave introducen pérdidas adicionales en el transformador. Además, debido a la adición del circuito de resonancia, el volumen y el peso del convertidor aumentan.

[0011] Así, un objetivo de la invención es proponer un convertidor de tamaño reducido, al tiempo que se minimicen las pérdidas de energía en el convertidor.

[0012] Para ello, la presente descripción se refiere a un convertidor según la reivindicación 1.

[0013] Según modos de realización particulares, el convertidor es según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7. La presente descripción se refiere igualmente a un vehículo ferroviario según la reivindicación 8.

[0014] La presente descripción se refiere además a un procedimiento de conversión de energía según la reivindicación 9. Otras características y ventajas de la invención aparecerán con la lectura de la descripción que sigue de modos de realización de la invención, dados únicamente a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos que son: - figura 1, una representación esquemática de un convertidor según la invención, y

[0015] - figura 2, un gráfico que representa la evolución de corrientes y de tensiones dentro del convertidor de la figura 1. En la figura 1 está representado un convertidor 1 para un vehículo ferroviario.

[0016] El convertidor 1 comprende un transformador 2, al menos una etapa primaria de conversión 3, al menos una etapa secundaria de conversión 4, opcionalmente al menos una etapa terciaria de conversión 5, al menos un sensor de corriente 6 y al menos un controlador 7.

[0018] El transformador 2 del convertidor 1 comprende un circuito magnetizador, denominado igualmente núcleo magnético 8, al menos un devanado primario 9 conectado a la etapa primaria 3 y al menos un devanado secundario 10 conectado a la etapa secundaria 4, y opcionalmente un devanado terciario 11 conectado a la etapa terciaria 5.

[0020] El transformador 2 presenta inductancias de fuga 13. Las inductancias de fuga 13 corresponden a imperfecciones de acoplamiento entre los diferentes devanados, estas son responsables de la transmisión de energía por los devanados 9, 10, 11 y el núcleo magnético 8. La inductancia de fuga 13 es por ejemplo ligeramente diferente de una etapa 3, 4 y 5 a otra. En el ejemplo de la figura 1, están representadas inductancias de fuga 13 para la etapa secundaria 4 y la etapa terciaria 5.

[0022] Preferentemente, el núcleo magnético 8 está desprovisto de entrehierro (o «air gap» en inglés. El entrehierro es un corte en un circuito magnético.

[0024] El convertidor 1 está configurado para transmitir energía eléctrica por un campo electromagnético entre la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4, a través del devanado primario 9, del núcleo magnético 8 y del devanado secundario 10. La etapa primaria 3 está conectada preferentemente a una alimentación eléctrica (no representada) y la etapa secundaria 4 está conectada preferentemente a una o varias cargas eléctricas (no representadas).

[0026] El convertidor 1 es, por ejemplo, un convertidor auxiliar configurado para alimentar una línea de alimentación auxiliar del vehículo ferroviario, en particular cargas distintas al motor o los motores de tracción del vehículo ferroviario. Por ejemplo, el convertidor auxiliar está configurado para alimentar eléctricamente la calefacción y/o la climatización, la ventilación, la iluminación o los compresores del vehículo ferroviario.

[0028] En el ejemplo de la figura 1, el convertidor 1 comprende dos etapas primarias 3A y 3B, que preferentemente tienen una arquitectura idéntica. Según una variante, la primaria está construida alrededor de una sola etapa. Para simplificar la presente descripción, las dos etapas primarias 3A y 3B se denominarán etapa primaria 3 en lo que sigue. Además, en el ejemplo de la figura 1, el convertidor 1 comprende una sola etapa secundaria 4 y una sola etapa terciaria 5.

[0030] El convertidor 1 que comprende la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4 es denominado igualmente convertidor de doble puente activo (o en inglés «dual active bridge converter»).

[0032] Según un modo de realización no representado, el convertidor 1 comprende al menos dos etapas secundarias 4.

[0033] El convertidor 1 está configurado para transmitir energía eléctrica entre la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4 (y cuando exista la etapa terciaria 5) para la transformación de una primera corriente Ipri, bajo una primera tensión Vpri, recibida en la etapa primaria 3, en una segunda corriente Isec, bajo una segunda tensión Vsec, facilitada a la etapa secundaria 4, y cuando exista la etapa terciaria 5, en una tercera corriente Iter, bajo una tercera tensión Vter. Como se observa en el ejemplo de la figura 1, la primera tensión Vpri de la etapa primaria 3A es la tensión entre el borne intermedio 18A de las etapas primarias 3A y 3A y un borne superior 18B. Según el ejemplo de la figura, la primera tensión Vpri de la etapa primaria 3B es la tensión entre un borne inferior 18C y el borne intermedio 18A.

[0035] El convertidor 1 está configurado para transmitir energía eléctrica de la primera corriente Ipri1 de la etapa primaria 3A y de la primera corriente Ipri2 de la etapa primaria 3B a la etapa secundaria 4 e inversamente. Preferentemente, en el ejemplo ilustrado en la figura 1, la primera corriente Ipri1 de la etapa primaria 3A es igual a la primera corriente Ipri2 de la etapa primaria 3B.

[0037] En particular, el convertidor 1 está configurado para transmitir energía eléctrica por inducción entre la etapa primaria 3 (y en particular las etapas primarias 3A y 3B) y la etapa secundaria 4, a través del transformador 2.

[0038] Preferentemente, el convertidor 1 es un convertidor bidireccional. Por «convertidor bidireccional» se entiende un convertidor configurado para transformar energía eléctrica desde la etapa primaria 3 a la etapa secundaria 4, y que, además, está configurado para transformar energía eléctrica desde la etapa secundaria 4 a la etapa primaria 3.

[0040] Según un modo de realización particular, el convertidor 1 está configurado igualmente para transformar energía eléctrica desde la etapa primaria 3 a la etapa terciaria 5 y viceversa.

[0042] Según un modo de realización alternativo, el convertidor 1 es un convertidor unidireccional. Según este modo de realización, el convertidor está configurado únicamente para transmitir energía eléctrica en un sentido predeterminado, preferentemente desde la etapa primaria 3 a la etapa secundaria 4 y, eventualmente, a la etapa terciaria 5.

[0044] La etapa primaria 3, la etapa secundaria 4 y eventualmente la etapa terciaria 5 comprenden cada una al menos dos elementos de conmutación 12 y al menos un condensador 14.

[0046] En referencia al ejemplo de la figura 1, la etapa primaria 3A comprende los elementos de conmutación 12A y 12B, la etapa primaria 3B comprende los elementos de conmutación 12C y 12D. Según el ejemplo, la etapa secundaria 4 comprende los elementos de conmutación 12E, 12F, 12G y 12H, y la etapa terciaria 5 comprende los elementos de conmutación 12I, 12J, 12K y 12L.

[0048] La etapa primaria 3 está conectada al menos a un devanado primario 9. En el ejemplo de la figura 1, cada etapa primaria 3 comprende dos elementos de conmutación 12 conectados en serie entre sí y dos condensadores 14, estando asociado cada condensador 14 a un elemento de conmutación 12 correspondiente. Los condensadores 14 están por ejemplo conectados en serie entre sí, en paralelo a los elementos de conmutación 12.

[0050] Cada condensador 14 está provisto, por ejemplo, de una resistencia 16 conectada en paralelo al condensador 14. Cada resistencia 16 está configurada, por ejemplo, para descargar el condensador 14 asociado durante un corte de tensión, por ejemplo, por razones de seguridad.

[0052] La etapa secundaria 4 está conectada al menos a un devanado secundario 10. La etapa secundaria 4 comprende, por ejemplo, cuatro elementos de conmutación 12 conectados eléctricamente entre sí y dos condensadores 14, dotados cada uno de una resistencia 16 conectada en paralelo a los condensadores 14. Los elementos de conmutación 12 están dispuestos en dos pares, comprendiendo cada par dos elementos de conmutación 12 conectados en serie. Los pares de elementos de conmutación 12 están conectados entre sí en paralelo y por ejemplo en paralelo a los condensadores 14. Los pares de elementos de conmutación 12 están configurados para formar un circuito de tipo cuatro cuadrantes. La etapa secundaria 4, ilustrada en la figura 1, presenta en particular una configuración de cuatro cuadrantes.

[0054] La etapa terciaria 5 es una etapa opcional del convertidor 1. La etapa terciaria 5 está preferentemente conectada al menos a una carga eléctrica (no representada) o a un dispositivo de almacenamiento de energía, en particular una batería. Según un ejemplo preferido, la potencia transmitida a la carga eléctrica es sensiblemente inferior a la potencia transmitida a la carga de la etapa secundaria 4. Por ejemplo, la potencia transmitida por la etapa terciaria 5 es sensiblemente igual a 20 kW, y la potencia transmitida por la etapa secundaria 4 es sensiblemente igual a 120 kW.

[0056] La etapa terciaria 5 comprende, por ejemplo, cuatro elementos de conmutación 12 conectados eléctricamente entre sí y al menos un condensador 14 dotado de una resistencia 16 conectada en paralelo al condensador 14. Los elementos de conmutación 12 están en particular dispuestos en dos pares, comprendiendo cada par dos elementos de conmutación 12 conectados en serie. Los pares de elementos de conmutación 12 están conectados entre sí en paralelo y, por ejemplo, en paralelo a los condensadores 14. La etapa terciaria 5, ilustrada en la figura 1, presenta en particular una configuración de cuatro cuadrantes.

[0058] La etapa terciaria 5 está conectada al menos a un devanado terciario 11 del transformador 2 configurado para intercambiar energía eléctrica con el devanado primario 9 por inducción.

[0060] Según un modo de realización particular, la etapa terciaria 5 presenta una arquitectura idéntica a la etapa secundaria 4.

[0062] Cada elemento de conmutación 12 está formado por ejemplo por un transistor 20 y un diodo 22 conectado en antiparalelo al transistor 20. El transistor 20 es, por ejemplo, un transistor bipolar de puerta aislada, denominado igualmente IGBT (del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor^.

[0064] Por razones de visibilidad, las referencias del transistor 20 y del diodo 22 están representadas únicamente para el elemento de conmutación 12A de la figura 1. Los elementos de conmutación 12 son preferentemente idénticos uno respecto a otro.

[0066] Cada elemento de conmutación 12 es apropiado para conmutar en instantes de conmutación entre un estado cerrado y un estado abierto.

[0068] Por «estado cerrado» se entiende que el elemento de conmutación 12 está configurado para dejar pasar una corriente a través del elemento de conmutación 12. Por «estado abierto» se entiende que el elemento de conmutación 12 está configurado para bloquear el paso de una corriente a través del elemento de conmutación 12.

[0069] En el ejemplo ilustrado en la figura 1, cuando los elementos de conmutación 12A y 12C están en un estado cerrado, los elementos de conmutación 12B y 12D están en un estado abierto (véase, por ejemplo, el período entre el instante t1 y t3 en la figura 2). La tensión en los bornees del devanado 9 presenta un valor positivo, tal como Vpri/2, es decir, igual a la mitad de la primera tensión Vpri.

[0071] En este ejemplo, cuando los elementos de conmutación 12A y 12C están en un estado abierto, los elementos de conmutación 12B y 12D están en un estado cerrado (véase, por ejemplo, el periodo entre el instante t3 y t5 en la figura 2). La tensión en los bornes del devanado 9 presenta un valor negativo, tal como -Vpri/2.

[0073] En este ejemplo, cuando los elementos de conmutación 12E y 12H están en un estado cerrado, los elementos de conmutación 12F y 12G están en un estado abierto (véase, por ejemplo, el período entre el instante t2 y el instante t4 en la figura 2). La tensión en los bornes del devanado 10 presenta un valor positivo, tal como Vsec.

[0074] En este ejemplo, cuando los elementos de conmutación 12E y 12H están en un estado abierto, los elementos de conmutación 12F y 12G están en un estado cerrado (véase, por ejemplo, el período entre el instante t4 y al menos el instante t5 en la figura 2).

[0076] Por cambios de los instantes de apertura y de cierre de los elementos de conmutación 12 se modifica en particular el desfase de la segunda tensión Vsec con respecto a la primera tensión Vpri.

[0078] El sensor de corriente 6 está configurado para medir una corriente y para transmitir una medición de corriente.

[0079] Según el modo de realización representado en la figura 1, el convertidor 1 comprende dos sensores de corriente 6. En este modo de realización, cada sensor de corriente 6 está configurado para medir la primera corriente Ipri que circula en la etapa primaria 3 correspondiente. Por ejemplo, el sensor de corriente 6A está configurado para medir la corriente que circula en la etapa primaria 3A, en particular en el devanado 9 de la etapa primaria 3A. El sensor de corriente 6B está, por ejemplo, configurado para medir la corriente que circula en la etapa primaria 3B, en particular en el devanado 9 de la etapa primaria 3B.

[0081] Según un modo de realización alternativo, no representado, el convertidor 1 comprende un único sensor de corriente 6 configurado para medir la primera corriente Ipri.

[0083] Según un modo de realización, el convertidor 1 comprende además un sensor de corriente adicional configurado para medir la segunda corriente Isec. El sensor de corriente adicional está configurado en particular para medir la segunda corriente Isec para permitir una protección contra un cortocircuito en el interior de la etapa secundaria 4. Por ejemplo, el controlador 7 está configurado para tener en cuenta la medición del sensor de corriente adicional para detectar tal cortocircuito.

[0085] Según un modo de realización particular, al menos una etapa entre la etapa primaria 3, la etapa secundaria 4 y la etapa terciaria 5 comprende al menos dos sensores de corriente 6. Por ejemplo, el sensor de corriente 6 está configurado para medir la corriente entre los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 y el devanado primario 9, y otro sensor de corriente está configurado para medir la corriente entre los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 y la alimentación eléctrica, o entre la etapa secundaria 4 o terciaria y la carga conectada a la etapa correspondiente.

[0087] Por ejemplo, las etapas 3, 4 y 5 están dispuestas en el interior de una carcasa y el controlador 7 está dispuesto al exterior de esta carcasa.

[0089] El controlador 7 está conectado por ejemplo al sensor de corriente 6 por una conexión 26 asignada para recibir la medición de la corriente del sensor de corriente 6. El controlador 7 está, además, conectado por ejemplo a la etapa primaria 3 por una conexión 28, a la etapa secundaria 4 por una conexión 30 y, según un ejemplo, a la etapa terciaria 5 por una conexión 32 de modo que envíe instrucciones de conmutación a los elementos de conmutación 12 de las etapas 3, 4 y 5.

[0091] El controlador 7 es, por ejemplo, un ordenador. Por ejemplo, el controlador 7 comprende una unidad de tratamiento de datos formada por ejemplo por una memoria asociada a un procesador. En la memoria está registrado por ejemplo un software ejecutable por un procesador.

[0093] En variante o como complemento, el software del controlador 7 se presenta al menos parcialmente en forma de un dispositivo físico, tal como por ejemplo un circuito lógico programable, tal como un FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), o también en forma de un circuito integrado asignado, tal como un ASIC (del inglés Application Specific Integrated Circuit),).

[0095] El controlador 7 está configurado para recibir una o varias mediciones del o de los sensores de corriente 6, 6A, 6B y para calcular los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12. Preferentemente, el controlador 7 está configurado para calcular los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 y opcionalmente de la etapa terciaria 5 en función de la medición de la primera corriente Ipri. El controlador 7 está así configurado para modificar el desfase de la segunda tensión Vsec con respecto a la primera tensión Vpri lo que permite modificar la amplitud de la primera corriente Ipri. Por amplitud de la corriente, se entiende la intensidad de la corriente.

[0097] El controlador 7 está configurado para determinar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 de modo que se induzca un desfase específico que permita obtener que la primera corriente Ipri sea sensiblemente igual a cero en el instante de conmutación tinst de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3, como se describe en detalle a continuación.

[0099] El controlador 7 está configurado en particular para garantizar la conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 cuando la corriente Ipri es sensiblemente nula, por envío de instrucciones a los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 con el fin de hacer variar el desfase entre las tensiones Vsec y Vpri. En otras palabras, el controlador 7 está configurado para que la conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 intervenga cuando la transmisión de energía eléctrica entre la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4, y eventualmente la etapa terciaria 5, sea sensiblemente nula. El controlador 7 está configurado para enviar las instrucciones por las conexiones 28, 30, 32.

[0101] Por «sensiblemente nula» se entiende una amplitud de corriente inferior al 2 % con respecto a una amplitud máxima de la corriente presente durante una transmisión de energía, preferentemente inferior al 0,1 % y, aún más preferentemente, inferior al 0,01 %. Típicamente, por «corriente sensiblemente nula» se entiende una corriente que no exceda de 5 amperios con una corriente máxima de 200 amperios, preferentemente una corriente que no exceda de 2 amperios con una corriente máxima de 200 amperios.

[0103] Según un ejemplo, el controlador 7 está configurado para desplazar en el tiempo únicamente los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 E a 12 H de la etapa secundaria 4, y opcionalmente de los elementos de conmutación 12 I a 12L de la etapa terciaria 5. En particular, según este ejemplo, el controlador 7 está configurado para no desplazar en el tiempo los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12A a 12D de la etapa primaria 3.

[0105] Los condensadores 14 de cada etapa 3, 4, 5 son susceptibles de ser cargados y descargados en el transcurso del tiempo. La velocidad de la carga y descarga depende por ejemplo de la alimentación eléctrica y de las cargas eléctricas. La velocidad de carga y descarga es susceptible de variar en el transcurso del tiempo. El controlador 7 tiene en cuenta en particular tales variaciones de carga y descarga por la medición de la corriente para determinar el instante de conmutación de cada elemento de conmutación 12.

[0107] La primera corriente Ipri depende de los valores de tensión de los condensadores 14 de la etapa primaria 3 con respecto a la tensión de los condensadores 14 de la etapa secundaria 4. En particular, la primera corriente Ipri es proporcional a la diferencia entre la primera tensión Vpri y la segunda tensión Vsec multiplicada por una relación de transformación del transformador 2. Cuanto mayor sea esta diferencia, mayor será la primera corriente Ipri.

[0109] Por ejemplo, debido a que los devanados 9, 10, 11 del transformador 2 presentan inductancias de fuga 13 diferentes, los condensadores 14 son susceptibles de cargar y de descargar energía eléctrica a una velocidad diferente una de otra. Por la medición de la corriente, el controlador 7 es apto para tener en cuenta estas diferencias y conmutar los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 cuando la primera corriente Ipri es sensiblemente nula.

[0111] El controlador 7 está configurado además para estimar, en función de la medición de la primera corriente Ipri, un instante próximo, durante el cual la primera corriente medida es sensiblemente nula. El controlador 7 está así configurado para determinar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 en particular en función de la estimación para que la primera corriente sea igual a cero en el instante de conmutación tinst de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3.

[0113] Por ejemplo, con referencia a la figura 2, si la primera corriente Ipri es superior a 0 en el instante t1, el controlador 7 está configurado para disminuir el período de tiempo entre los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria (instante t1) respectivamente secundaria (instante t2). El controlador 7 está así configurado para modificar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 para modificar el desfase entre Vsec y Vpri y asegurar que la corriente Ipri sea nula en el instante t3 de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3. Por ejemplo, el controlador 7 está configurado para enviar instrucciones a los elementos de conmutación 12E y 12H para pasarlos a un estado cerrarlo, y a los elementos de conmutación 12F y 12G para pasarlos a un estado abierto en un nuevo instante t2 más próximo a t1 que el configurado inicialmente, lo que permite modificar la pendiente de la primera corriente Ipri y obtener que la primera corriente Ipri sea igual a cero en el instante de conmutación tinst próximo de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3.

[0114] El controlador 7 está en particular configurado para definir los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12, de modo que se modifique el desfase de la primera tensión Vpri con respecto a la segunda tensión Vsec en función de la corriente medida. En particular, el controlador 7 está configurado para conmutar los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 con una diferencia de tiempo con respecto a los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4.

[0116] Ventajosamente, el controlador 7 es apropiado para controlar los instantes de conmutación (apertura/cierre) de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3, de modo que los citados instantes sean fijos (es decir que el periodo entre dos instantes de conmutación sucesivos sea fijo) y los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 de modo que los citados instantes sean adecuados para variar (es decir que el periodo entre dos instantes de conmutación sucesivos sea variable). Tal funcionamiento permite regular el desfase de la segunda tensión Vsec con respecto a la primera tensión Vpri.

[0117] En el ejemplo de la figura 2, los instantes de conmutación de la etapa primaria 3 son denominados instantes de conmutación tinst y corresponden a instantes de conmutación de referencia predeterminados.

[0119] Ventajosamente, el controlador 7 está configurado para controlar la conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 en los instantes de referencia predeterminados y para determinar instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 en función de la medición de la primera corriente Ipri, de manera que la primera corriente Ipri sea sensiblemente nula en los instantes de referencia predeterminados.

[0121] Por ejemplo, en el ejemplo de la figura 2, la segunda tensión Vsec está desplazada en fase con respecto a la primera tensión Vpri entre los instantes t1 y t2; es decir el instante en el cual la segunda tensión Vsec cambia de una tensión negativa a una tensión positiva (instante t2) está desplazado con respecto al instante t1. El controlador 7 está configurado para enviar instrucciones de manera que se obtenga un desfase entre la primera y la segunda tensión Vpri, Vsec, lo que permite que la primera corriente Ipri sea sensiblemente igual a cero en el instante de conmutación tinst. En otras palabras, el controlador 7 está configurado para desplazar los instantes t2 y t4 a nuevos instantes t2 y t4 enviando instrucciones de conmutación a los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 en el momento de estos nuevos instantes t2 y t4.

[0123] El principio de la diferencia de fase (o «phase shift» en inglés), está descrito por ejemplo en el artículo de Zhao, B. y otros titulado «Overwew of Dual-Active-Bridge Isolated Bidirectional DC-DC Converter for High-Frecuency-Link Power-Conversion System», IEEE Transactions on power electronics, vol. 29, n.° 8, agosto de 2014.

[0124] Preferentemente, el controlador 7 está configurado para controlar la primera tensión Vpri y la segunda tensión Vsec según el principio de control de desplazamiento monofásico (o «Single Phase Shift Control» en inglés) descrito en el artículo precedente. Según este principio, la relación de desfase entre la tensión Vpri de la etapa primaria 3 y la tensión Vsec de la etapa secundaria 4 es modificada para controlar la transmisión de energía eléctrica entre la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4 (y eventualmente la etapa terciaria 5).

[0126] El controlador 7 comprende por ejemplo un bucle de regulación del desfase y por tanto del instante de conmutación de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4, en función de la medición de la corriente Ipri a lo largo del tiempo y de los instantes de conmutación de referencia, es decir, de los instantes de conmutación tinst de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3. El bucle de regulación está configurado de modo que Ipri sea sensiblemente nula en los instantes de conmutación.

[0128] En particular, el controlador 7 está configurado para determinar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12, de modo que la amplitud de la primera corriente correspondiente a la corriente medida, en particular de la primera corriente Ipri, sea modificada, al tiempo que conserve una forma predefinida. Preferentemente, la amplitud de la primera corriente Ipri presenta una forma sensiblemente triangular, como se representa en la figura 2. La forma triangular permite, en particular, obtener una corriente nula durante las conmutaciones (para la minimización de las pérdidas por conmutación).

[0130] Preferentemente, el controlador 7 está configurado para controlar o impedir la saturación del convertidor 1. Típicamente, el transformador 2 se satura si el valor absoluto de la integral de la amplitud de la corriente Ipri entre un primer instante de conmutación de referencia (tal como t1) y un segundo instante de conmutación de referencia (tal como t3) consecutivos es diferente del valor absoluto de la integral de la amplitud de la corriente entre el segundo instante de conmutación de referencia (tal como t3) y un tercer instante de conmutación de referencia (tal como t5) consecutivos. En otras palabras, el área bajo la curva que representa la amplitud de la primera corriente Ipri cuando es positiva (por ejemplo, entre los instantes t1 y t3) es sensiblemente igual al área bajo la curva que representa la amplitud de la primera corriente Ipri cuando esta es negativa (por ejemplo, entre los instantes t3 y t5) para impedir una saturación.

[0132] El funcionamiento del convertidor 1 se describirá en particular con referencia a la figura 2, que representa un gráfico que da una evolución de corrientes y de tensiones dentro del convertidor 1.

[0133] El convertidor 1 implementa un procedimiento de conversión de energía. En particular, el sensor de corriente 6 mide la primera corriente Ipri. El controlador 7 determina los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 y en particular de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4 en función de la medición de la primera corriente Ipri, de manera que los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 conmuten cuando la primera corriente sea sensiblemente nula.

[0135] Preferentemente, el convertidor 1 opera a una frecuencia fija. Por frecuencia del convertidor 1 se entiende la frecuencia de interrupción de la transmisión de energía entre la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4. En particular, la frecuencia es igual a Típicamente, la frecuencia está comprendida entre 500 Hz y 6 kHz, preferentemente sensiblemente igual a 3 kHz. La frecuencia es predeterminada, por ejemplo, según la aplicación. Además, la frecuencia elegida depende de eventuales pérdidas eléctricas de los elementos de conmutación 12.

[0137] En la figura 2, un gráfico ilustra la evolución en el tiempo de la primera corriente Ipri, de la segunda corriente Isec, de la primera tensión Vpri y de la segunda tensión Vsec.

[0139] La primera tensión Vpri de la etapa primaria 3 es alternativamente positiva o negativa en función de las conmutaciones de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3, y cambia de signo en cada instante de conmutación tinst de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3. La segunda tensión Vsec está desplazada en fase con respecto a la primera tensión Vpri. La segunda tensión Vsec es alternativamente positiva o negativa en función de las conmutaciones de los elementos de conmutación 12 de la etapa secundaria 4.

[0141] La primera corriente Ipri y la segunda corriente Isec presentan cada una un extremo justo después de cada instante de conmutación tinst de los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3, por ejemplo en los instantes t2 y t4 en la figura 2.

[0143] Por ejemplo, entre los instantes t1 y t2 así como entre los instantes t3 y t4, el valor absoluto de la amplitud de la primera corriente Ipri presenta una pendiente creciente. El valor de la pendiente creciente se modifica cuando el desfase de la segunda tensión Vsec con respecto a la primera tensión Vpri se modifica por la conmutación de los elementos de conmutación 12.

[0145] La amplitud de cada corriente Ipri, Isec se atenúa preferentemente linealmente después del instante t2 y t4, en particular por una transmisión de energía eléctrica entre la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4, y es sensiblemente igual a cero en cada instante de conmutación de referencia.

[0147] El controlador 7 está configurado de modo que el valor absoluto de la integral de la amplitud de la corriente medida entre dos fases de transmisión de energía consecutivas sea constante.

[0149] La fase de transmisión de energía es el intervalo entre dos instantes de conmutación de referencia consecutivos.

[0151] La potencia P transmitida en el convertidor 1 es determinada por la ecuación siguiente:

[0153]

[0156] • con la primera corriente Ipri, y

[0158] • una tensión Venr.pri presente en el devanado primario 9.

[0160] Así, la potencia AP la transmitida entre dos instantes de conmutación de referencia consecutivos viene dada por la ecuación siguiente:

[0162] con At la duración del tiempo entre dos instantes de conmutación de referencia.

[0164] Según un ejemplo ilustrado en la figura 2, la integral de la primera corriente entre t1 y t3 es comparada por el controlador 7 con la integral del valor absoluto de la primera corriente entre t3 y t5. Si el controlador 7 determina que la diferencia calculada es un valor positivo, el calculador 7 modifica la segunda tensión Vsec, haciéndola negativa antes, en un próximo período (estando comprendido un período entre t1 y t5). En consecuencia, la diferencia calculada es, durante el próximo período, sensiblemente cero. El controlador 7 impide así una saturación.

[0165] Los expertos en la materia comprenderán que se pueden contemplar combinaciones de los modos de realización y de las variantes descritas anteriormente.

[0166] La presente invención presenta varias ventajas.

[0167] El hecho de que el convertidor 1 comprenda al menos un sensor de corriente 6 y un controlador 7 configurado para determinar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación 12 en función de la medición de corriente, de manera que los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 conmuten cuando la corriente medida sea sensiblemente nula, permite aumentar la velocidad de conmutación del convertidor 1, al tiempo que se presentan pérdidas eléctricas mínimas.

[0168] En efecto, incluso a velocidades de conmutación elevadas, las pérdidas eléctricas son bajas, ya que la medición de corriente permite al controlador 7 conmutar los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 cuando la corriente medida es sensiblemente nula. Siendo las pérdidas eléctricas proporcionales al producto de la corriente por la tensión durante la interrupción, las pérdidas son bajas cuando la corriente es baja, y preferentemente sensiblemente nula.

[0169] El hecho de que el controlador 7 tenga en cuenta la medición de corriente permite en particular determinar de manera precisa la potencia eléctrica transmitida AP. En particular, la medición de corriente es más precisa que una medición de tensión efectuada tradicionalmente en los convertidores. En efecto, las mediciones tradicionales de tensión son integradas y divididas por un valor de inductancia de fuga de 13, lo que generalmente conduce a errores.

[0170] El hecho de medir una corriente permite, además, que el núcleo magnético 8 del transformador 2 esté desprovisto de entrehierro o tenga un entrehierro minimizado, mientras que en los convertidores clásicos, un entrehierro permite evitar una saturación del convertidor, especialmente cuando la energía transmitida no es igual entre varios instantes globales de conmutación tinst. Ahora bien, la medición de corriente permite ajustar la amplitud de la corriente de manera precisa, en particular por instrucciones emitidas por el controlador 7, antes de que el convertidor se sature. De este modo, por la medición de la corriente, los elementos de conmutación 12 pueden ser controlados de manear precisa, en particular en función de la carga eléctrica. Así, ventajosamente no está presente un entrehierro (o está presente un entrehierro minimizado) en el núcleo magnético 8 del transformador 2.

[0171] El hecho de conmutar los elementos de conmutación 12 de la etapa primaria 3 cuando la primera corriente Ipri es sensiblemente nula permite minimizar las pérdidas eléctricas. En efecto, las pérdidas eléctricas en la etapa primaria 3 son más elevadas que en la etapa secundaria 4 cuando la corriente respectiva no es nula, en particular debido a las características de los elementos de conmutación correspondientes.

[0172] Además, no se requiere circuito de resonancia en el convertidor 1 debido a la medición de corriente. En efecto, en los convertidores tradicionales, se utilizan circuitos de resonancia para absorber energía durante la interrupción de la transmisión de energía.

[0173] El hecho de que el convertidor 1 comprenda, según un modo de realización preferido, al menos dos etapas primarias 3 permite reducir el tamaño de los elementos de conmutación 12, en particular de los transistores 20, al tiempo que se garantiza una transmisión suficiente de energía eléctrica entre la etapa primaria 3 y la etapa secundaria 4 (y eventualmente la etapa terciaria 5). Debido a que los transistores son más pequeños, se reducen aún más las pérdidas eléctricas y, al mismo tiempo se permite, en particular, la utilización de una tensión elevada en la entrada de la etapa primaria 3.

Claims (9)

1. REIVINDICACIONES

1. Convertidor (1) para un vehículo ferroviario que comprende:

- al menos una etapa primaria (3) de conversión, y al menos una etapa secundaria (4) de conversión, comprendiendo la etapa primaria (3) y la etapa secundaria (4) cada una elementos de conmutación (12);

- un transformador (2) configurado para transmitir energía entre la etapa primaria (3) y la etapa secundaria (4) para la transformación de una primera corriente (Ipri) bajo una primera tensión (Vpri) recibida en la etapa primaria (3), en una segunda corriente (Isec) bajo una segunda tensión (Vsec) facilitada a la etapa secundaria (4),

caracterizado por que el convertidor (1) comprende además:

- al menos un sensor de corriente (6), estando configurado el sensor de corriente (6) para medir al menos la primera corriente (Ipri), y

- un controlador (7) configurado para determinar instantes de conmutación de los elementos de conmutación (12) en función de la medición de la primera corriente (Ipri) efectuada por el sensor de corriente (6), de manera que se controle la conmutación de los elementos de conmutación (12) de la etapa primaria (3) cuando la primera corriente (Ipri) sea sensiblemente nula,

estando configurado el controlador (7) para controlar la conmutación de los elementos de conmutación (12) de la etapa primaria (3) en instantes de referencia predeterminados y para determinar instantes de conmutación de los elementos de conmutación (12) de la etapa secundaria (4) en función de la medición de la primera corriente, de manera que la primera corriente sea sensiblemente nula en los instantes de referencia predeterminados, estando configurado el controlador (7) para controlar la primera tensión (Vpri) y la segunda tensión (Vsec) según el principio de control de desplazamiento monofásico,

presentando los devanados (9, 10, 11) del transformador (2) inductancias de fuga (13) diferentes.

2. Convertidor (1) según la reivindicación 1, en el cual el controlador (7) está configurado para determinar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación (12) de modo que la amplitud de la primera corriente (Ipri) sea modificada al tiempo que conserve una forma predefinida, ventajosamente una forma sensiblemente triangular.

3. Convertidor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el controlador (7) está configurado para determinar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación (12) de modo que el desfase de la segunda tensión (Vsec) sea modificado con respecto a la primera tensión (Vpri), en función de la medición de la primera corriente (Ipri).

4. Convertidor (1) según la reivindicación 3, en el cual el valor absoluto de la amplitud de la primera corriente (Ipri) presenta una pendiente creciente, siendo modificado el valor de la pendiente creciente cuando se modifique el desfase de la segunda tensión (Vsec) con respecto a la primera tensión (Vpri) por la conmutación de los elementos de conmutación (12).

5. Convertidor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el controlador (7) está configurado para determinar los instantes de conmutación de los elementos de conmutación (12) que permiten modificar la amplitud de la primera corriente (Ipri) de modo que el valor absoluto de la integral de la amplitud de la primera corriente entre dos fases de transmisión de energía consecutivas sea constante.

6. Convertidor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual el transformador (2) comprende un núcleo magnético (8) desprovisto de entrehierro.

7. Convertidor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el cual la etapa primaria (3) y la etapa secundaria (4) comprenden cada una al menos un primer y un segundo elemento de conmutación (12) en serie, estando el primer elemento de conmutación abierto cuando el segundo elemento de conmutación está cerrado e inversamente.

8. Vehículo ferroviario que comprende un convertidor (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes.

9. Procedimiento de conversión de energía implementado por un convertidor (1) para un vehículo ferroviario, comprendiendo el convertidor al menos una etapa primaria (3) de conversión, y al menos una etapa secundaria (4) de conversión, comprendiendo la etapa primaria (3) y la etapa secundaria (4) cada una elementos de conmutación (12), comprendiendo el convertidor además un transformador (2) configurado para transmitir

energía entre la etapa primaria (3) y la etapa secundaria (4) para la transformación de una primera corriente (Ipri) bajo una primera tensión (Vpri) recibida en la etapa primaria (3), en una segunda corriente (Isec) bajo una segunda tensión (Vsec) facilitada a la etapa secundaria (4),

caracterizado por que el convertidor (1) comprende además al menos un sensor de corriente (6) y un controlador (7), y por que el procedimiento de conversión comprende:

- una etapa de medición por el sensor de corriente (6) al menos de la primera corriente (Ipri), y

- una etapa de determinación, por del controlador (7), de los instantes de conmutación de los elementos de conmutación (12) en función de la medición de la primera corriente (Ipri), de manera que se controle la conmutación de los elementos de conmutación (12) de la etapa primaria (3) cuando la primera corriente (Ipri) sea sensiblemente nula,

el controlador (7) controla la conmutación de los elementos de conmutación (12) de la etapa primaria (3) en instantes de referencia predeterminados y determina instantes de conmutación de los elementos de conmutación (12) de la etapa secundaria (4) en función de la medición de la primera corriente, de manera que la primera corriente sea sensiblemente nula en los instantes de referencia predeterminados, controlando el controlador (7) la primera tensión (Vpri) y la segunda tensión (Vsec) según el principio de control de desplazamiento monofásico,

presentando los devanados (9, 10, 11) del transformador (2) inductancias de fuga (13) diferentes.