Patente nacional por "Módulo y procedimiento de protección frente a sobretensiones"

Reivindicaciones:
+ ES-2959225_A11. Módulo de protección (1) frente a sobretensiones transitorias sobre la línea de contacto ferroviaria, especialmente adaptado para conversores estáticos de energía susceptibles de conexión a una catenaria ferroviaria, que comprende al menos una bobina (2) diferencial conectada en el polo positivo de alimentación y al menos un condensador (3) conectado entre el polo positivo y negativo de la alimentación, caracterizado porque comprende, además: - al menos un interruptor (4) normalmente cerrado aguas abajo de la bobina (2) diferencial; y - al menos una impedancia (6) conectada en paralelo al citado interruptor (4) . 2. Módulo de protección (1) según la reivindicación anterior, caracterizado porque el interruptor (4) es un transistor (5, 5) . 3. Módulo de protección (1) según la cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el interruptor (4) es un transistor (5, 5) bipolar de puerta aislada. 4. Módulo de protección (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque la impedancia (6) es una resistencia (7, 7) . 5. Módulo de protección (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende además al menos un diodo (8) en paralelo a la bobina (2) . 6. Módulo de protección (1) según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende al menos un sensor de corriente (9) y un sensor de tensión (10) que controlan la apertura o cierre del interruptor (6) y por ende, el paso de la corriente a través o no de la impedancia (6) , respectivamente. 7. Procedimiento para la protección frente a sobretensiones transitorias sobre la línea de contacto ferroviaria, especialmente adaptado para convertidores estáticos de energía susceptibles de conexión a una catenaria ferroviaria, caracterizado porque comprende una etapa inicial de encendido cuando hay alimentación en la catenaria y se produce la magnetización del arranque del inversor durante la cual la corriente que circula por el polo positivo se hace pasar por una impedancia en serie, una etapa de funcionamiento permanente durante el cual dicha impedancia deja de actuar y una etapa momentánea que actúa cuando se detecta en la entrada una sobretensión y conecta de nuevo la impedancia para absorber la sobrecorriente que produce dicha sobretensión. 8. Procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque durante la etapa inicial y la etapa momentánea de sobretensión actúa un diodo situado en paralelo a la bobina de entrada para facilitar la recirculación de corriente en la entrada en el momento de la sobretensión.

Los productos y servicios protegidos por este registro son:
H02H 9/04

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+ ES-2959225_A1 Modulo y procedimiento de protección frente a sobretensiones Sector técnico de la invención La presente invención se refiere a un módulo y un procedimiento de protección frente a sobretensiones transitorias sobre la línea de contacto ferroviaria, especialmente adaptado para convertidores estáticos de energía susceptibles de conexión a una catenaria ferroviaria. Antecedentes de la invención La historia del ferrocarril se remonta hasta hace más de 200 años. El primer tren se fabricó en Inglaterra y empleaba caballos para arrastrar unos carros sobre unos rieles en el suelo, pero el primer intento de máquina locomotora fue inventado en 1804 por Richard Trevithch. Era un tren minero de Gales, en el Reino Unido, pero no fue incorporado al ferrocarril porque los raíles de hierro no soportaban el peso de la máquina. Años después, en 1814, George Stephenson fabricó una locomotora que utilizaba la tecnología de la máquina de vapor para moverse, la cual sí se puso en práctica. Este ferrocarril fue un símbolo de progreso. Era un medio de transporte cómodo y barato y permitía una velocidad desconocida hasta la fecha. Facilitó los desplazamientos de las personas y los intercambios comerciales, por lo que también supuso un cambio en la forma de vida y modificó los hábitos alimentarios al permitir que llegaran productos procedentes de lugares lejanos a los mercados. La primera línea ferroviaria del mundo entre dos ciudades fue construida en 1823. Y unía Liverpool y Manchester. En España, el primer ferrocarril se puso en funcionamiento el 28 de octubre de 1848, entre Barcelona y Mataró. De la tecnología de las máquinas de vapor, se pasó a las primeras pruebas con trenes eléctricos el 1838, de la mano de Rober Davidson, que equipó un carruaje de baterías capaces de alcanzar hasta 6, 4km/h. El primer ferrocarril con suministro eléctrico en la vía fue el tranvía que circulaba en 1883 entre Portrush y Giants Caseway, al norte de Irlanda, que utilizaba alimentación por un tercer carril. Los cables de alimentación aérea a ferrocarriles se introdujeron en 1879, por Siemens en Berlín, en tranvías que hasta entonces eran arrastrados por mulas o caballos. Todo esto supuso una expansión de este medio de transporte que cada vez se electrificaba más para evitar la dependencia de combustibles fósiles. El primer tren comercial de alta velocidad fue inaugurado en 1939 en Italia, alcanzando el para entonces récord mundial de 204 km/h, cerca de Milán. Actualmente se considera de alta velocidad el ferrocarril que supera los 250 km/h de media. La electrificación de este medio de transporte ha sido uno de los aspectos más relevantes para su desarrollo y auge en todo el mundo. Para la mayoría de este tipo de ferrocarriles, la alimentación y transmisión de energía eléctrica a las locomotoras se transmite por cables aéreos, denominada catenaria o línea aérea de contacto. Las tensiones de alimentación más comunes van desde 600 voltios a 3 kilovoltios en corriente continua, o entre 15 y 25 kV en corriente alterna. La mayor parte de las instalaciones funcionan con corriente continua o alterna monofásica, aunque existen algunas instalaciones de alterna trifásicas. En los cables aéreos el polo positivo de la instalación es normalmente la catenaria y el negativo son los carriles sobre los que circula el tren. Las corrientes provenientes de la subestación de racción (transformadora o rectificadora de la tensión de red general) llegan al tren por la catenaria a través del pantógrafo y vuelven a subestación a través de los carriles de la vía férrea. Este tipo de instalación requiere de ciertas protecciones frente a eventuales problemas como pueden ser: cortocircuitos, derivaciones, sobretensiones.. etc. En corriente continua las protecciones más comunes son: cables tierra (también llamado cable guarda) , descargadores de sobretensiones (mal llamados en ocasiones pararrayos) , tomas de tierra, conexiones equipotenciales entre estructura y carril, viseras, pantallas y barreras mecánicas, frenos y bloqueos que evitan la caída de la línea en el caso de que se corte la misma o los cables de contrapesos, etc. En corriente alterna las protecciones más comunes son: cable de tierra (en paralelo con el retorno de tracción) . Tomas de tierra, conexiones equipotenciales entre estructura y carril, descargadores de sobretensiones, viseras, pantallas y barreras mecánicas, frenos y bloqueos de caída de línea, etc. En los trenes pues, en la unidad motora y los vagones, lo que se denomina material rodante, disponen de diferentes módulos de potencia que transforman la alimentación de catenaria a la alimentación adecuada para su consumo en el tren (para su tracción o otros servicios secundarios como por ejemplo un sistema de aire acondicionado o calefacción) . Para ello, se instalan fuentes conmutadas como convertidores, inversores y/o onduladores. Como estos elementos se conectan a la catenaria, también deben de protegerse frente eventuales situaciones como sobretensiones. Los dispositivos más comunes que se utilizan para protegerse de esta situación de sobretensión son la instalación de un supresor transitorio de tensión (TVS) que actúa como circuito de sujeción para redirigir cualquier pulso de alta energía a tierra, un varistor de óxido metálico (MOV) cuya resistencia dependiente del voltaje desvía la corriente creada por un voltaje excesivo, un tiristor que actúa como interruptor para controlar el flujo de corriente o un tubo de descarga de gas (GDT) para disipar el voltaje a través del gas de plasma contenido. De todos modos, además de dichos dispositivos se instala y parametriza un módulo de filtrado pasabajos LC (una bobina y un condensador) a la entrada de dichas fuentes para absorber en parte esa variación inesperada y repentina de sobretensión de la catenaria donde están conectadas. Este tipo de sobretensiones se suele denominar ondas de choque (o en un término anglosajón, "surges") . El problema de este tipo de módulos LC es que la dimensión de la bobina depende de forma directa de hasta valores puede filtrar de sobretensión y tiempo en función de su tamaño, con lo que suelen ser módulos que ocupan demasiado espacio. Este problema al principio de la electrificación de los ferrocarriles no era relevante, pero hoy en día los trenes modernos se están haciendo más ligeros y ágiles para reducir los costes de explotación y hacer más atractivo este medio de transporte. Así, los convertidores de potencia de a bordo han de seguir la misma tendencia ofreciendo mayores velocidades, más capacidad de respuesta y más fiabilidad, y todo en una superficie menor. Con objetivo de ofrecer una alternativa más eficiente a la tendencia actualizar un filtro LC a la entrada de este tipo de convertidores, el presente titular se planteó de qué modo se podría reducir a las dimensiones de este filtro LC sin por ello perder fiabilidad y por este motivo se ha focalizado a idear una nueva solución. De todos modos, se han hecho necesarias diferentes pruebas y cálculos para conseguir una solución más específica y especialmente adecuada para el sector ferroviario y que ha resultado con esta nueva invención. Teniendo en cuenta el estado de la técnica actual, el objetivo de la presente invención es conseguir un módulo de protección frente a sobretensiones, que sea capaz de instalarse en inversores u otros elementos de potencia o convertidores susceptibles de conectarse a la atenaria de un sistema ferroviario para amortiguar y menguar los efectos de las sobretensiones de catenaria en diferentes situaciones reduciéndose el tamaño de la bobina de entrada para reducir por ende el tamaño y peso del filtro de entrada y aumentar la fiabilidad y rapidez de respuesta comparado con los sistemas conocidos hasta el momento. Explicación de la invención Con el objeto de aportar una solución técnica para la protección frente a sobretensiones, en especialmente para inversores DC/AC (CC/AC, corriente continua, corriente alterna) y convertidores DC/DC (CC/CC, corriente continua) susceptibles de conexión a una catenaria ferroviaria, y la creciente necesidad de reducir el tamaño y peso de todos los elementos que se instalan en el material rodante de los trenes y aumentar la fiabilidad de los sistemas de potencia; se da a conocer un módulo de protección frente a sobretensiones transitorias sobre la línea de contacto ferroviaria, especialmente adaptado para convertidores estáticos de energía susceptibles de conexión a una catenaria ferroviaria, que comprende al menos una bobina diferencial conectada en el polo positivo de alimentación y al menos un condensador conectado entre el polo positivo y negativo de la alimentación. En esencia, el módulo de protección se caracteriza porque comprende además al menos un interruptor normalmente cerrado aguas abajo de la bobina diferencial al menos una impedancia conectada en paralelo al citado interruptor. De forma ventajosa, al disponerse en dicho módulo de protección dicho interruptor e impedancia, se permite que en determinados momentos que sea necesario la corriente circule a través de esa impedancia regulando la pendiente de carga del condensador. Mediante estos elementos, en casos de sobretensión que circula una sobrecorriente, esta circula por la impedancia que absorbe ese incremento de energía y además protege los elementos aguas debajo de dicho módulo de protección. Complementariamente y de forma relevante para el objetivo de la presente invención, con estos elementos se permite disponer una bobina de entrada de menor tamaño y reducir por ende el tamaño y peso del conjunto. Según otra característica de la invención, el módulo de protección se caracteriza porque el interruptor es un transistor. En concreto, en una realización preferida, el transistor es un transistor bipolar de puerta aislada. Ventajosamente, al ser interruptor un transistor, se permite comandar su apertura y cierre de forma controlada. De acuerdo con otra característica de la invención, el módulo de protección se caracteriza porque la impedancia es una resistencia. El hecho que sea una resistencia, un elemento pasivo, permite que la misma no afecte al resto de componentes del módulo de protección para su funcionamiento. Según otra característica de la invención, el módulo de protección se caracteriza porque comprende además al menos un diodo en anti-paralelo a la bobina de entrada. Ventajosamente, con este diodo se permite que, en situaciones de sobretensión, la sobrecorriente pueda recircular por él, absorbiéndose parte de dicha energía sin perturbar al resto de elementos del módulo de protección. De acuerdo con otra característica de la invención, el módulo de protección se caracteriza porque comprende al menos un sensor de corriente y un sensor de tensión que controlan la apertura o cierre del interruptor y, por ende, el paso de la corriente a través o no de la impedancia, respectivamente. Ventajosamente, mediante estos sensores, se pueden detectar las situaciones de sobretensiones que pueden producirse debido a sobretensiones que provienen de la catenaria (que se conoce también como ondas de choque o `surges) o bien cuando el inversor se conecta en primera instancia al encenderse, lo que se denomina en el sector protección del `inrush current. Según otro aspecto de la invención, se da a conocer un procedimiento frente a sobretensiones transitorias sobre la línea de contacto ferroviaria, especialmente adaptado para convertidores estáticos de energía susceptibles de conexión a una catenaria ferroviaria, que en esencia se caracteriza porque comprende una etapa inicial de encendido cuando hay alimentación en la catenaria y se produce la magnetización del arranque del inversor durante la cual la corriente que circula por el positivo se hace pasar por una impedancia en serie, una etapa de funcionamiento permanente durante la cual dicha impedancia deja de actuar y una etapa momentánea que actúa cuando se detecta en la entrada una sobretensión y conectada de nuevo la impedancia para absorber la sobrecorriente que produce dicha sobretensión. De acuerdo con otra característica del procedimiento de la invención, el procedimiento se caracteriza porque durante la etapa inicial y la etapa momentánea de sobretensión actúa un diodo situado en anti-paralelo a la bobina de entrada para facilitar la recirculación de corriente en la entrada en el momento de la sobretensión. Ventajosamente, con este procedimiento, se consigue minimizar los efectos de una sobretensión momentánea y sin requerir el uso de una bobina de entrada de grandes dimensiones. Además, facilita este modo de operar el control y fiabilidad del sistema frente a todo tipo de sobretensiones, aunque estas excedan los tiempos de fallo, que un filtro pasabajos LC no podría limitar pasado el tiempo de su constante de filtrado. Breve descripción de los dibujos Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de facilitar la comprensión de las características de la invención, se acompaña a la presente memoria descriptiva un juego de dibujos en los que se ilustra, a título de ejemplo y no limitativo, un modo de realización del módulo de protección de la invención. En concreto, se representa lo siguiente: la Fig. 1 es una vista esquemática de un módulo de protección según la invención; las Figs. 2 y 3 son sendas graficas comparativas del módulo de protección si estuviera o no; y las Figs. 4a y 4b son una vista esquemática de una simulación de la invención y los resultados medidos en el osciloscopio, respectivamente. Descripción detallada de un modo de realización La Fig. 1 presenta un módulo de protección 1 frente a sobretensiones adaptado apara un inversor susceptible de conectarse a una catenaria ferroviaria. En concreto, este inversor es un inversor DC/a C (corriente continua/corriente alterna) trifásico de 40kW para alimentación del sistema HVAC de un tren desde los 750V de línea de catenaria. Las siglas HVAC engloban la calefacción, entilación y aire acondicionado (H de calefacción, V de ventilación y AC de aire acondicionado, en inglés respectivamente) . Conviene precintar que una situación de sobretensión, nombrada también onda de choque o `surges, puede darse en este tipo de instalaciones catenaria debido a diferentes orígenes como por ejemplo: cambio de sección de suministro (cuando un tren ingresa a una línea energizada desde una zona neutral) ; pérdida de contacto del pantógrafo (arco en la línea de gran voltaje después de la pérdida de contacto) ; cambio del modo de conducción por inercia al modo de tracción (altas sobretensiones de conmutación generadas en el arranque) , por un relámpago o rayo, por apertura o cierre del interruptor general u operaciones en la red eléctrica. Como puede observarse en la Fig. 1, de la alimentación de catenaria 14 se alimenta un convertidor 12 que forma parte del inversor (que para facilitar la comprensión del lector no se ha representado todos sus elementos) y que genera un bus de continua 13 a su salida que permite posteriormente su conversión en una señal alterna para alimentar todo el sistema de aire acondicionado de un tranvía HVAC. Este tipo de inversor, de una forma en sí conocida está provisto de una bobina 2 diferencial conectada en el polo positivo de la alimentación y un condensador 3 conectado entre el polo positivo y negativo de la alimentación. Además, está provisto de un filtro 11 de EMC (para filtrar las emisiones electromagnéticas, en concreto, las emisiones conducidas y radiadas) . Con el objetivo de poder absorber para este caso posibles sobretensiones, se ha instalado dos interruptores 4 normalmente cerrados aguas abajo de la bobina 2 diferencial de entrada y dos impedancias 6 conectadas en paralelo a los citados interruptores 4. En concreto, los interruptores 4 utilizados son dos transistores 5, 5 tipo bipolares de puerta aislada y las impedancias 6 son sendas resistencias 7, 7. Complementariamente a estos elementos, se instala dos diodos 8 en anti-paralelo a la bobina 2. Mediante estos elementos, se permite que en una etapa inicial de encendido cuando hay alimentación en la catenaria 14 y se produce una sobrecorriente durante el arranque del inversor debido a la magnetización del inversor se hace circular esa sobrecorriente por las resistencias 7, 7 en serie del polo positivo. Posteriormente, cuando se ha estabilizado esa situación de arranque, existe la etapa de funcionamiento permanente durante el cual dichas resistencias 7, 7 dejan de actuar y la corriente pasa a través de los interruptores 4 que permanecen cerrados en esta etapa. De forma no permanente, cuando se produce una etapa momentánea que actúa cuando se detecta en la entrada una sobretensión y/o sobrecorriente y se conecta de nuevo las resistencias 7, 7 para absorber ese incremento de energía y proteger al resto del inversor o dispositivo conectado a la catenaria. En ambas etapas, tanto la etapa inicial como la etapa momentánea actúan también los diodos 8 situados en paralelo a la bobina 2 de entrada para facilitar la recirculación de corriente en la entrada en el momento de esa situación de sobretensión. La detección de la situación de sobrecorriente se detecta a través de un sensor de corriente 9 situado en serie con la bobina de entrada y un sensor de tensión 10 dispuesto en la entrada a los interruptores 4 que controlan la apertura o cierre de los interruptores 6, es decir, los transistores 5, 5, y, por ende, el paso de la corriente a través o no de la impedancia 6 (las resistencias 7, 7 en este ejemplo) , respectivamente. De este modo, además de proteger al sistema de las sobretensiones de la red (en este caso la catenaria) , también se protege al sistema de situación de arranque donde se produce el aumento repentino de consumo de corriente, `inrush. Para facilitar la comprensión del lector y aras de poder comparar que ocurriría si no se activara el presente módulo de protección 1 de la presente invención se obtienen las gráficas de las Figs. 2 y 3. En la Fig.2 se puede observar la respuesta del sistema en el caso que se active el circuito de precarga formado por la impedancia 6 y la recirculación de la corriente por los diodos 8, es decir, en este caso el módulo de protección está actuando y para una bobina 2 de 0, 7Mh. En concreto, en la gráfica superior se ve la sobretensión del bus de salida (señalada en color azul) . Por otro lado, en la gráfica inferior de la misma Fig. 2 se observa el incremento de la corriente durante dicha sobretensión. En cambio, en la Fig. 3 si no se hiciera actuar el módulo de protección y con una bobina 2 dimensionada por diez, es decir, de 7mH el resultado sería mucho peor aún y subiendo el valor de la bobina. En detalle, de forma equivalente a la Fig. 2 en la Fig. 3 en la gráfica superior se ve la sobretensión que proviene de la catenaria (señal en color rojo) y el efecto en la tensión del bus de salida (señal en color azul) . Por otro lado, en la gráfica inferior de la misma Fig. 3 se observa el incremento de la corriente durante dicha sobretensión. En conclusión, se observa que abriendo la precarga se protege mejor al sistema con una inductancia de hasta 10 veces menor. Para mayor comprensión de la intención y comprobar su eficacia, se facilitan en la Fig. 4a el esquema de una simulación del módulo de protección 1 de la invención y en la Fig. 4b los resultados obtenidos mediante medición de los distintos valores con un osciloscopio. El esquema de la Fig. 4a muestra el setup (configuración) de la prueba donde se conecta un generador de surge en paralelo con el emulador de catenaria, usando un diodo para evitar su deterioro al sobrevoltaje. Según se puede observar en la Fig. 4b, se representan las siguientes señales: en el canal 1 (ch1: en amarillo) la corriente de entrada, en el canal 2 (ch2: en verde) el voltaje de entrada (catenaria) y en el canal 3 (ch3: en violeta) la tensión de bus. Después de aplicar el impulso de sobrevoltaje, la unidad testeada (este inversor) no se ve dañada. Como puede observarse en la Fig. 4b. cuando se aplicó el impulso de sobretensión a la entrada (ch2) , la corriente de entrada (ch1) aumentó limitada por el inductor de la entrada (Lin) . Cuando se disparó la sobrecorriente de entrada, el transistor (en este caso un IGBT) de precarga se abrió rápidamente, protegiendo la DUT (este inversor) . Luego la sobretensión siguió creciendo, pero no afectó a las tensiones internas de la DUT. Téngase en cuenta que la tensión Vbus (ch3) tiene un solo ligero cambio antes del disparo por sobrecorriente y se mantiene en valores nominales. No hubo ningún riesgo de daño porque el voltaje soportado por el IGBT de precarga es de 2050V cuando está clasificado en torno a 3400V. La salida 13 de la presente realización es una salida regulada para su uso como entrada para cualquier convertidor DC/DC o DC/AC de entradas hasta 1000V. De este modo, se puede entender que la operativa del sistema sigue el siguiente procedimiento para la protección frente a sobretensiones transitorias sobre la línea de contacto ferroviaria, especialmente adaptado para convertidores estáticos de energía susceptibles de conexión a una catenaria 14 ferroviaria, en la que se comprende una etapa inicial de encendido cuando hay alimentación en la catenaria se produce la magnetización del arranque del inversor durante la cual la corriente que circula por el polo positivo se hace pasar por una impedancia 7, 7 en serie, una etapa de funcionamiento permanente durante el cual dicha impedancia 7, 7 deja de actuar y una etapa momentánea que actúa cuando se detecta en la entrada una sobretensión y conecta de nuevo la impedancia 7, 7 para absorber la sobrecorriente que produce dicha sobretensión. En concreto, durante la etapa inicial y la etapa momentánea de sobretensión actúa un diodo (en el caso representado dos diodos 8) situado en paralelo a la bobina 9 de entrada para facilitar la recirculación de corriente en la entrada en el momento de la sobretensión. En cambio, durante la etapa de funcionamiento, actúan los interruptores 4 (los transistores 5, 5 en el ejemplo presentado) . Con la descripción detallada de este modo de realización preferido de la invención se completa la descripción de la presente memoria que da a conocer este nuevo módulo de protección frente a sobretensiones, especialmente adaptado para inversores susceptibles de conectarse a una catenaria ferroviaria. Además de proteger al sistema frente a sobretensiones procedentes de la misma catenaria, el módulo protege al sistema también de la sobrecorriente del encendido, `inrush, del sistema.

Publicaciones:
ES2959225 (21/02/2024) - A1 Solicitud de patente con informe sobre el estado de la técnica
Eventos:
En fecha 25/07/2022 se realizó Registro Instancia de Solicitud
En fecha 28/07/2022 se realizó Admisión a Trámite
En fecha 28/07/2022 se realizó 1001P_Comunicación Admisión a Trámite
En fecha 29/07/2022 se realizó Superado examen de oficio
En fecha 27/10/2022 se realizó Realizado IET
En fecha 31/10/2022 se realizó 1109P_Comunicación Traslado del IET
En fecha 21/02/2024 se realizó Publicación Solicitud
En fecha 21/02/2024 se realizó Publicación Folleto Solicitud con IET (A1)
En fecha 09/04/2024 se realizó Registro Documentación no Identificada
En fecha 09/04/2024 se realizó 5215P_Observaciones del solicitante al IET, Opinión Escrita y/o alegaciones a observaciones de terceros
En fecha 09/04/2024 se realizó PETEX_Petición de examen sustantivo
Pagos:
25/07/2022 - Pago Tasas IET