ES2253918T3 - Ondulador. - Google Patents

Abstract

Ondulador para la generación de una corriente alterna o trifásica a partir de una tensión continua con un circuito intermedio de tensión continua, y en la parte de la salida una bobina de choque de salida (LA), compuesta por m + 1 devanados, que están acoplados entre sí de modo magnético, y los flujos magnéticos que se producen en el devanado m + primero fluyen en los m devanados de la bobina de choque de salida, entregándose con el ondulador una corriente alterna (corriente trifásica) a través de m líneas a una red de suministro de corriente pública, estando acopladas entre sí las m líneas en la parte de la salida por medio de m circuitos resonantes a través de un punto neutro, por medio del que se compensan fundamentalmente las oscilaciones armónicas simétricas que aparecen en la parte de la salida del ondulador, en su mayor medida, y por medio del punto neutro se reconducen al circuito intermedio de tensión continua las oscilaciones armónicas asimétricas que se producen en la salida delondulador por medio del devanado (L4) m + primero que está unido directamente con el circuito intermedio de tensión continua por medio de una línea.

Description

Ondulador.

La invención se refiere a un ondulador o a un filtro de salida para onduladores. La corriente de salida de un ondulador para potencias elevadas presenta por regla general un gran número de oscilaciones armónicas de corriente. Estas oscilaciones armónicas son perturbadoras, y en particular, cuando se han de alimentar a una red potencias alimentadas a través de onduladores, aparecen de un modo muy inconveniente.

En la figura 1 se muestra un ondulador con una bobina de choque y una red de filtros con condensadores, que reduce la desventaja técnica descrita previamente de los onduladores de un modo significativo, y mejora considerablemente la calidad de la corriente. Los interruptores de potencia T1 a T6, y los diodos conectados en paralelo a éstos se conmutan por medio de una modulación de duración de impulsos de tal manera que en la salida del ondulador se originan tres fases de corrientes de salida U, V, W sinusoidales. La forma de la corriente de salida se aproxima a una oscilación sinusoidal por medio de una conexión y desconexión adecuada de cada uno de los interruptores T_{1}-T_{6}. En este caso, sin embargo, por medio de las desviaciones forzosas respecto al valor teórico, se originan las oscilaciones armónicas mencionadas.

Estas oscilaciones armónicas generadas tienen una suma igual a cero en cualquier momento en la red trifásica. Esto es en cualquier caso así ya que no hay otros recorridos de la corriente (otros circuitos eléctricos). En este caso sólo se producen oscilaciones armónicas simétricas. Por medio de circuitos de filtrado - como el representado en la parte de la salida de la Figura 1 - se intenta entonces compensar estas oscilaciones armónicas. Puesto que la red eléctrica presenta así mismo, por medio de las armaduras inductivas y capacitivas (componentes de la línea de transmisión), impedancias (resistencias) parcialmente muy reducidas para determinadas frecuencias, siguen fluyendo proporciones elevadas indeseadas de las oscilaciones armónicas en la red de suministro pública.

Adicionalmente, del documento US-A-5,661,390 se conoce un ondulador para la generación de corriente alterna o corriente trifásica a partir de una tensión continua con un circuito intermedio de tensión continua, y una bobina de choque en la parte de salida, compuesto por m + 1 devanados, que están acoplados magnéticamente entre sí, y los flujos magnéticos que aparecen en el m + primer devanado fluyen en los m devanados de la bobina de choque, entregándose con el ondulador una corriente alterna (corriente trifásica) a través de m líneas, estando acopladas entre sí las m líneas en la parte de la salida por medio de m circuitos resonantes a través de un punto neutro, por medio del cual se compensan en su mayor parte las oscilaciones armónicas fundamentalmente simétricas que se producen en la parte de salida del ondulador, y por medio del punto neutro se reconducen parcialmente, y dependiendo del diseño de las capacidades, al circuito de tensión continua las oscilaciones armónicas asimétricas que se producen en la salida del ondulador a través de el m + primer devanado, que está unido con el circuito intermedio de tensión continua por medio de conexiones a tierra y capacidades, por medio del que se mejora la compatibilidad electromagnética, y se eliminan las altas frecuencias interferentes.

Así pues, el objetivo de la invención es eliminar las desventajas mencionadas previamente, de manera que en la red de suministro pública se alimente únicamente corriente con oscilaciones armónicas muy pequeñas, a ser posible con ninguna oscilación armónica. Adicionalmente, el circuito intermedio de tensión continua del ondulador se ha de estabilizar en el potencial eléctrico (valor de tensión a la carcasa, tierra o sistema trifásico).

Para la consecución del objetivo marcado se propone según la invención un ondulador con las características de la reivindicación 1. Las variantes ventajosas están descritas en las reivindicaciones subordinadas.

Con el ondulador se generan oscilaciones armónicas asimétricas en la parte de la salida del ondulador, y se reconducen al circuito intermedio de tensión continua. Para la generación de las oscilaciones armónicas asimétricas se prevé adicionalmente a la bobina de choque de corriente trifásica existente en la salida del ondulador, otro devanado (cuarto núcleo magnético). Este otro devanado transmite flujos magnéticos asimétricos que se originan a partir de las oscilaciones armónicas asimétricas. Las oscilaciones armónicas se recogen a través de tres circuitos resonantes, por ejemplo tres elementos LC. Las oscilaciones armónicas simétricas, en caso de que todavía queden, se compensan directamente con estos circuitos resonantes. Las oscilaciones armónicas asimétricas (\Sigma_{i} \neq 0) son reconducidas al circuito intermedio de tensión continua. La suma de las oscilaciones armónicas asimétricas se toma en el punto neutro de los circuitos resonantes (de los condensadores de filtrado de los circuitos resonantes), y se lleva o se acopla por medio de un devanado en el cuarto núcleo magnético a la línea negativa del circuito intermedio de tensión continua. Con ello se produce un "circuito de corriente de oscilaciones armónicas" que está representado gráficamente en la Figura 2.

La corriente suma de las oscilaciones armónicas asimétricas que se toma en el punto neutro de los circuitos resonantes, genera flujos magnéticos en el cuarto núcleo magnético de la bobina de choque. Estos flujos magnéticos fluyen dependiendo de la situación actual volviendo a los tres núcleos magnéticos principales de la bobina de choque, y con ello soportan una inductividad de salida. Como resultado, se produce una inductividad de salida de aproximadamente 5% a 20% mayor que en la bobina de choque trifásica convencional. Puesto que en el cuarto devanado sólo fluye la corriente de oscilación armónica, en este caso sólo se producen pérdidas del cobre muy reducidas -en relación con las bobinas principales de la bobina de choque-.

La invención y las variantes ventajosas, así como sus ventajas, se explican en la siguiente descripción del dibujo a modo de ejemplo. Se muestra:

Fig. 1 un esquema del circuito de un ondulador conocido;

Fig. 2 un esquema del circuito de un ondulador conforme a la invención;

Fig. 3 un diagrama de medición de un ondulador conforme a la invención;

Fig. 4 una sección de la Figura 3 con una mayor resolución;

Fig. 5 un diagrama de medición de un ondulador conforme a la invención;

Fig. 6 un diagrama de medición de un ondulador conforme a la invención;

Fig. 7 un esquema del circuito de una forma de realización preferida de un ondulador conforme a la invención;

Fig. 8 un diagrama de medición de corriente para el ondulador y corriente de la red.

La Figura 1 muestra el esquema del circuito de un ondulador conocido, el cual hace posible por medio de la conexión antiparalela de los interruptores de potencia T1 a T6 con un diodo D1-D6, respectivamente, un servicio de cuatro cuadrantes, y con ello se puede emplear de muchas maneras como interruptor. Para la generación de la media onda positiva de la corriente de salida, en el ondulador conocido se lleva a cabo una conexión y desconexión consecutiva de los interruptores T_{n} (n = 1, 3, 5) y T_{n+1} (n = 2, 4, 5). Para una media onda positiva de la corriente de salida de la fase U de la corriente trifásica, esto significa que en varias ocasiones durante una media onda se conectan y se desconectan de modo consecutivo T1 y T6. Antes de los interruptores de potencias está conectado un circuito intermedio de tensión continua con dos condensadores electrolíticos C4 y C5 conectados en serie para la alimentación de la tensión continua + Ud y -Ud. En la parte de la salida, el ondulador presenta una bobina de choque L_{A} (L_{AU}, L_{AV}, L_{AW}, así como un filtro conectado a continuación, formado por tres condensadores C6, C7, C8, que están dispuestos entre las fases respectivas. Tal y como ya se ha descrito, la forma de la corriente de salida U, V, W trifásica se aproxima a una oscilación sinusoidal por medio de una conexión y desconexión adecuada de los interruptores de potencia T1 a T6 individuales. En este caso, sin embargo, por medio de las desviaciones forzosas respecto al valor teórico, se generan oscilaciones armónicas. Estas oscilaciones armónicas generadas tienen una suma igual a cero, o prácticamente igual a cero, en cualquier momento en la red trifásica. Esto es así ya que no hay otros recorridos de la corriente. Las oscilaciones armónicas que se producen, sin embargo, son en todo momento simétricas, y por medio de un circuito de filtrado de condensadores se intenta compensar estas oscilaciones armónicas. Puesto que, sin embargo, la red eléctrica presenta así mismo por medio de las armaduras inductivas y capacitivas (componentes de la línea de transmisión) impedancias (resistencias) parcialmente muy reducidas para frecuencias determinadas, siguen fluyendo proporciones elevadas de las oscilaciones armónicas en la red de suministro pública, lo cual es algo indeseado.

La Figura 2 muestra el esquema del circuito de un ondulador conforme a la invención. Éste, al igual que el ondulador conocido, presenta un circuito intermedio de tensión continua, interruptores de potencia T1-T6 y diodos D1-D6 conectados en paralelo con éstos, así como una bobina de choque L_{A}.

El ondulador genera oscilaciones armónicas asimétricas. Para ello está previsto un devanado L_{4} adicional (núcleo magnético adicional). Este cuarto núcleo magnético L_{4} transmite los flujos magnéticos asimétricos que se producen a partir de las oscilaciones armónicas asimétricas. Las oscilaciones armónicas se llevan a través de tres circuitos resonantes LC o bien tres componentes L-C, compuestos por las inductividades L_{1} a L_{3}, así como por los condensadores C1 a C3 y un punto neutral común. Las oscilaciones armónicas simétricas se compensan directamente con estos circuitos resonantes LC, en caso de que todavía existan. Las oscilaciones armónicas asimétricas (\Sigma_{i} \neq 0) son conducidas por medio del punto neutro del devanado del cuarto núcleo magnético L_{4}. Este cuarto devanado L_{4} está unido con la línea negativa del circuito intermedio de tensión continua. La suma de las oscilaciones armónicas asimétricas se toma con ello en el punto neutro de los condensadores de filtrado y se acopla por medio del devanado en el cuarto núcleo magnético L_{4} en el circuito intermedio de tensión continua. Con ello se produce un circuito de corriente de oscilaciones armónicas cerrado para las oscilaciones armónicas asimétricas.

La corriente suma de las oscilaciones armónicas asimétricas que se toma en el punto neutro de los condensadores genera flujos magnéticos en el cuarto núcleo magnético de la bobina de choque L_{A}. Estos flujos magnéticos fluyen de vuelta, L_{A} dependiendo de la situación correspondiente, al núcleo magnético principal de la bobina de salida L_{A} acoplada magnéticamente con el cuarto núcleo magnético, y soportan su inductividad de salida.

Como resultado de esto se obtiene una inductividad de salida L_{A} de aproximadamente 5% a 20% mayor que en la bobina de choque trifásica convencional. Puesto que en el cuarto devanado L_{A4} sólo fluye la corriente de oscilación armónica de las oscilaciones armónicas asimétricas, en este caso sólo se producen pérdidas del cobre muy reducidas, comparadas con las que se producen en las bobinas principales L_{A1}, L_{A2}, L_{A3}.

La Figura 3 muestra un diagrama de medición de un ondulador según la Figura 2. La curva superior muestra la semioscilación sinusoidal de la corriente en la salida del ondulador. En este caso, la histéresis de la corriente es constante, y la frecuencia de conmutación es variable. La curva inferior muestra la suma de las oscilaciones armónicas de las tres fases de salida del ondulador que fluyen de vuelta a través del cuarto núcleo magnético al circuito intermedio de tensión continua.

La Figura 4 vuelve a mostrar una parte de la corriente de salida del ondulador de la fase 1 con una mayor resolución. En este caso se pueden reconocer claramente las oscilaciones armónicas triangulares de la corriente de salida I_{WR}L_{A}.

Con el circuito resonante, compuesto por L_{1} y C_{1}, se separan estas oscilaciones armónicas en la salida de la inductividad de salida L_{A} de la oscilación básica (sinusoidal) de la corriente de salida. La curva inferior de la Figura 4 muestra la evolución temporal de la corriente IL_{1}C_{1} en L_{1} y C_{1}.

La Figura 5 muestra el resultado de la separación de las oscilaciones armónicas de la corriente principal (oscilación base de 50 Hz). La curva más superior muestra la corriente de salida sin oscilaciones armónicas. Este muy buen resultado sólo es posible con el circuito de oscilaciones armónicas conforme a la invención. En este caso, tal y como se puede reconocer en las figuras, se reconducen las oscilaciones armónicas generadas desde el ondulador al circuito intermedio de tensión continua prácticamente al 100%. La curva central de la Figura 5 muestra la corriente del ondulador I_{WR}L_{A}, y la curva inferior de la Figura 5 vuelve a mostrar la corriente de oscilación armónica correspondiente.

La Figura 6 (curva inferior) muestra la suma de las tres corrientes de oscilaciones armónicas I_{21}, I_{22} e I_{23}. Esta corriente, que prácticamente contiene todas las oscilaciones armónicas de las tres fases, se usa ahora de nuevo para incrementar el efecto de la bobina de choque L_{A}.

Esta bobina de choque está formada, tal y como ya se ha descrito, por tres núcleos magnéticos principales L_{A1}, L_{A2}, L_{A3} para los tres devanados de salida principales, y por un cuarto núcleo magnético secundario que sólo está previsto para las oscilaciones armónicas. Este cuarto núcleo magnético conduce los flujos magnéticos que se corresponden con la suma de las oscilaciones armónicas. La amplitud correspondiente de esta corriente suma de las oscilaciones armónicas está representada en la curva inferior de la Figura 6. La curva superior muestra la evolución de la tensión correspondiente. Para alcanzar esto, es suficiente una sección transversal del hierro de aprox. 20% del núcleo magnético principal para el cuarto núcleo magnético. El cuarto núcleo magnético, sin embargo, eleva la inductividad de salida L_{A} efectiva aproximadamente un 5-20%. Como consecuencia de esto resulta un tamaño constructivo menor de la bobina de choque de salida L_{A} y una mayor eficiencia.

La Figura 7 muestra una variante del ondulador. La bobina de choque de salida está formada en este caso en dos partes, y está formada por una bobina de choque de cuatro núcleos magnéticos y una bobina de choque de tres fases L_{A2} compensada conectada en serie. Para corrientes de oscilaciones armónicas asimétricas se pueden emplear, de modo ventajoso, bobinas de choque compensadas por corriente. Puesto que la suma de la corriente de la red (corriente trifásica) es igual a cero, la bobina de choque no se carga con las oscilaciones básicas muy elevadas (no se premagnetiza). Con ello se puede construir con un coste reducido una inductividad elevada.

La curva superior de la Figura 8 muestra la suma de las tres corrientes de salida en la salida del ondulador antes del filtro. La amplitud máxima tiene un valor en este caso de sólo un 10% del valor máximo de una corriente de fase. La curva inferior muestra la suma de las corrientes de salida después del filtro. Tal y como se puede ver, esta corriente de salida es de una calidad excepcionalmente elevada, y no acopla ninguna oscilación armónica negativa en la red.

El circuito de tensión continua también se estabiliza al mismo tiempo con el circuito cerrado de oscilaciones armónicas. El punto neutro de los tres condensadores tiene un potencial estático, en principio el mismo potencial que tierra. Puesto que esto punto está unido de modo estático a través de la inductividad con el circuito intermedio, a través de él fluye una corriente de compensación cuando se modifica el potencial del circuito intermedio. Los potenciales con picos son dañinos para los generadores que alimentan al circuito intermedio de tensión continua, ya que por medio de las variaciones de tensión (dU/dt) fluiría una corriente capacitiva a través del aislamiento, y ocasionaría a largo plazo daños en el aislante.

Preferentemente, el ondulador se emplea en un sistema generador de energía, por ejemplo en una instalación de energía eólica. Estos sistemas que generan energía eléctrica suministran entonces a la red con una corriente de una calidad muy elevada, lo que también tiene como consecuencia el hecho de que el operador de la red correspondiente ha de llevar a cabo pocas medidas para asegurar la calidad de la corriente.

Claims (7)

1. Ondulador para la generación de una corriente alterna o trifásica a partir de una tensión continua con un circuito intermedio de tensión continua, y en la parte de la salida una bobina de choque de salida (L_{A}), compuesta por m + 1 devanados, que están acoplados entre sí de modo magnético, y los flujos magnéticos que se producen en el devanado m + primero fluyen en los m devanados de la bobina de choque de salida, entregándose con el ondulador una corriente alterna (corriente trifásica) a través de m líneas a una red de suministro de corriente pública, estando acopladas entre sí las m líneas en la parte de la salida por medio de m circuitos resonantes a través de un punto neutro, por medio del que se compensan fundamentalmente las oscilaciones armónicas simétricas que aparecen en la parte de la salida del ondulador, en su mayor medida, y por medio del punto neutro se reconducen al circuito intermedio de tensión continua las oscilaciones armónicas asimétricas que se producen en la salida del ondulador por medio del devanado (L_{4}) m + primero que está unido directamente con el circuito intermedio de tensión continua por medio de una línea.

2. Ondulador según una de las reivindicaciones precedentes, con medios que generan en la parte de la salida oscilaciones armónicas asimétricas.

3. Ondulador según la reivindicación 2, en el que la bobina de choque de salida transmite flujos magnéticos asimétricos que están formados por las oscilaciones armónicas asimétricas.

4. Ondulador según una de las reivindicaciones precedentes, en el que a través del núcleo magnético m + primero sólo fluye una corriente de oscilaciones armónicas.

5. Ondulador según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la bobina de choque de salida es una bobina de choque compensada por corrien-
te.

6. Ondulador según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la bobina de choque de salida está formada por una bobina de choque de cuatro núcleos magnéticos y una bobina de choque trifásica conectada en serie.

7. Instalación de energía eólica con un ondulador para la generación de una corriente alterna o trifásica según una de las reivindicaciones preceden-
tes.