Convertidor de tracción de 750V

Introducción

En esta especificación se describen las características del sistema de tracción de 750V para Tranvía.
Se trata de un sistema que alimenta los dos bogies motorizados con los que cuenta la unidad del tranvía.
Cada boggie es alimentado a través su cofre inversor.
Cada uno de los inversores, a su vez, alimenta dos de los cuatro motores de cada bogie.

Este documento incluye la siguiente información:

• Información de las características generales del vehículo.
• Descripción de la electrónica de potencia.
• Descripción de la electrónica de control y el esquema de las comunicaciones del vehículo.
• Descripción del software que gobernará la estrategia de control de tracción.

Traction converter unit (EN-50207)

Unidad de potencia

Cada unidad tendrá un cofre de inversor montado por cada bogie motorizado. Cada cofre, a su vez, estará integrado por dos inversores independientes e intercambiables que alimentarán los cuatro motores de tracción (uno por rueda) de cada bogie.

La Figura 2 muestra un esquema del circuito de potencia del tranvía con sus principales componentes.

Cada inversor incluirá el circuito de precarga, el filtro de entrada y el núcleo del inversor. Este último estará formado por seis IGBTs encargados de ejecutar los disparos necesarios para generar la tensión de entrada en los motores. Adicionalmente existen dos IGBTs (uno por inversor) que forman parte del freno de crowbar.

Figura 2. Esquema preliminar de potencia del tranvía.

El hecho de que todos los elementos del cofre de tracción estén duplicados, implica una redundancia total en el sistema, de forma que la anulación de uno de los inversores asegura un 75% de prestaciones en tracción.

En los siguientes apartados se especifican las características de la unidad de potencia del equipo de tracción.

El alcance de suministro incluye, además, un pantógrafo para la unidad, un pararrayos para proteger de las sobre-tensiones transitorias a los equipos conectados directamente a catenaria. Asimismo incluye un disyuntor mono polar de corriente continua bi-direccional que protege al equipo de tracción.

Convertidor de tracción

El convertidor de tracción es el encargado de proporcionar al motor de tracción la forma de onda de tensión y frecuencia que requieren para conseguir las prestaciones solicitadas en cada momento. Requiere de elementos de protección y seguridad (disyuntor principal, pararrayos, pantógrafo...).

Características mecánicas y eléctricas principales
Dimensiones	W=1677 mm; L=1335 mm; H=478 mm.
Peso	447 Kg
Material	Cofre autoportante de aluminio
Potencia nominal (por cofre)	300 KW
Potencia máxima	500 KW
Intensidad máxima salida	370 A
Rendimiento	97%
Valimentación	Según EN 50163 (500 – 900Vdc)
Vsalida	565Vrms (Vcat = 750 Vdc) 565Vrms (Vcat = 750 Vdc)
Semiconductores (IGBT)	VCEmax = 1,7KV ICmax = 800A ICpic = 1600A Tjunction = 125ºC
Frecuencias de conmutación máxima	1200 Hz
Frecuencia de conmutación chopper	700 Hz
Frecuencia estator	0 – 145 Hz
Refrigeración	Ventilación forzada de aire

Cada cofre convertidor de tracción consta de dos inversores totalmente independientes. Cada inversor alimenta, a su vez, a dos motores de tracción cada uno. El núcleo del inversor está formado por seis IGBTs controlados por los drivers y disparados vía fibra óptica y encargados de ejecutar los disparos necesarios para generar la tensión de entrada en el motor. Adicionalmente un conjunto de IGBT + diodo constituye el chopper de frenado. Las resistencias de frenado se instalan en un cofre separado. Se tienen por tanto un total de 6 semiconductores para el ondulador y 1 semiconductor para el chopper de frenado.

Ambos cofres, de tracción y de resistencias, van instalados sobre el techo de la unidad.

Electrónica de control

Arquitectura de la electrónica de control

Cada inversor de tracción dispone de su electrónica de control de tracción independiente. Esta electrónica de control de tracción está basada en dos módulos: la TCU o “Traction Control Unit” y la ICU o “Invertir Control Unit”, que se instalan dentro del cofre del convertidor de tracción. En total, cada inversor dispone de dos módulos TCU y dos módulos ICU.

La TCU se encarga fundamentalmente de la comunicación con los mandos de cabina y de la ejecución de la aplicación de control de tracción a alto nivel. La TCU envía a la ICU los comandos de tracción vía bus CAN. Asimismo se encarga del cálculo del freno de fricción necesario en los discos y de la coordinación entre el freno eléctrico y el hidráulico (blending) en los bogies motores de la unidad. Finalmente también se encarga del control del antibloqueo en los bogies motores.

La ICU, por su parte, aplica las estrategias de control de tracción de bajo nivel generando las consignas para los semiconductores de potencia. Ambos módulos necesitan interactuar con otros elementos del tren utilizando para ello líneas de comunicación serie y entradas / salidas discretas.

Unidad de control del inversor

Esta unidad está diseñada en formato mono placa e incorpora tres bloques de control fundamentales: el microcontrolador, que se encarga de supervisar el funcionamiento general de la ICU y de las comunicaciones vía CAN con la TCU, el DSP que ejecuta los algoritmos de control en tiempo real, y el bloque FPGA que resuelve la comunicación con todos los periféricos externos a la tarjeta y proporciona protecciones a nivel de hardware para preservar la integridad del sistema.

La alimentación de la ICU se realiza desde la tensión de batería del tren de 24V necesarios para la ICU. Esta etapa de alimentación incorpora protecciones contra polaridad inversa y los filtros necesarios para cumplir la normativa EMC.

Unidad de control de tracción

La TCU es un equipo modular que monta en un rack de tamaño 3U x 42 E (1/2 de 19”).

Dispone de las siguientes tarjetas:

• Tarjeta de filtros de alimentación (1 por rack).
• Tarjeta DC/DC (1 por rack).
• Tarjeta CPU (1 por rack).
• Tarjeta de 12 entradas digitales.
• Tarjeta de 8 salidas digitales.
• Tarjetas de 4 entradas y 4 salidas analógicas cada una.

Descripción Software

Software de tren

El software de tren se ejecuta en la unidad de control de tracción de alto nivel y se encarga principalmente de la comunicación con el equipo de mando y monitorización vía TCN y de implementar las funcionalidades de control de tracción específicas a la unidad de tracción transmitiendo a la unidad de control de bajo nivel, las consignas de par necesarias y supervisando su funcionamiento.

Asimismo la unidad de tracción de alto nivel realiza el cálculo de la consigna de freno de fricción de los bogies motores y la coordinación entre el freno eléctrico e hidráulico (blending), es decir, realizarán la funcionalidad de BCU. El control del antibloqueo de los bogies motores también estará contemplado dentro de las funcionalidades de la unidad de control de tracción de alto nivel. El bogie remolque, si existe, dispondrá de su propia BCU.

Software de control

El software de control se ejecuta en la unidad de control del inversor y se encarga básicamente del control a bajo nivel de la electrónica de potencia (inversor, chopper de frenado, etc.). Implementa la estrategia de control recibiendo consignas periódicas de la unidad de control de tracción de alto nivel a través de un bus CAN.