ES2326505A1 - Circuito acondicionador de linea de potencia. - Google Patents
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Abstract
Circuito acondicionador de línea de potencia. Comprende una primera bobina (2) y una segunda bobina (5), un primer (3) y un segundo interruptor bidireccional (6) y un primer (4) y un segundo condensador (7). El primer (3) y segundo interruptor bidireccional (6) son gobernados por un módulo de control que al detectar una irregularidad en la tensión alterna de entrada (Vi) de la red eléctrica (1) activa el primer interruptor bidireccional (3) y corta el segundo (6) alimentando la carga conectada a la salida (8) mediante la energía almacenada en el segundo condensador (7) y cuando la tensión de entrada (Vi) es la adecuada activa el primer interruptor y corta el segundo, permitiendo pasar la tensión de entrada (Vi) a la salida (Vo). Reduce el número de elementos, su coste y simplifica el gobierno del módulo de control.
Description
Circuito acondicionador de línea de
potencia.
El circuito acondicionador de la invención
consiste en un convertidor de corriente alterna a corriente alterna
que mantiene los niveles de alimentación en circuitos de potencia
para evitar que sufran daños y mejorar su funcionamiento frente a
las irregularidades que se producen en la alimentación de la línea
eléctrica; para lo que incluye unos interruptores bidireccionales
que son gobernados mediante un modulo de control que efectúa el
troceado de corriente alterna, modulados en anchura e impulso
(MAI); y que tiene por objeto simplificar y reducir el número de
componentes del circuito adaptador, lo que repercute en un menor
coste y en una simplificación de control a efectuar sobre el
circuito acondicionador.
Por lo tanto, la invención es aplicable en el
sector industrial de la electrónica, y más concretamente en el de
la alimentación de circuitos de potencia, por ejemplo los empleados
en calentamiento industrial, control de iluminación, arranque suave
de motores de inducción y variadores de velocidad de ventiladores y
bombas, etc.
En el estado de la técnica es conocida la
problemática de obtener una cantidad de energía eléctrica adecuada
para alimentar los circuitos de potencia, calidad que viene
afectada por la aparición de huecos, sobretensiones,
interrupciones, armónicos e impulsos que varían en cantidad o en
magnitud la tensión de alimentación de la línea eléctrica. De
éstos, los huecos de tensión y las interrupciones momentáneas son
los que más afectan a los circuitos de potencia que se utilizan en
ordenadores, variadores de velocidad y otras cargas
microelectrónicas, y sobre todo en los procesos automatizados con
autómatas programables.
En este sentido, puede comentarse que los huecos
de tensión se definen como una caída de tensión entre el 10% y el
90% del valor eficaz de la tensión nominal, con una duración entre
0,5 ciclos y un minuto, y una interrupción de tensión es cualquier
bajada de tensión inferior al 10% del valor eficaz de la tensión
nominal con una duración entre 0,5 ciclos y un minuto. Comparando
las interrupciones con los huecos de tensión, estos últimos afectan
a un gran número de equipos que pueden llegar a provocar serios
problemas como disparos, bloqueos, sobrecalentamiento y apagados en
los equipos electrónicos sensibles, cuyo margen de tensión de
trabajo es reducido o no incorporan los medios adecuados para
filtrar las fluctuaciones de la energía eléctrica.
Las subidas de tensión, menos frecuentes, no
trastornan las cargas sensibles, pero pueden causar daños a los
equipos.
El 85% del mal funcionamiento de las fuentes de
alimentación debida a una pobre calidad de onda se debe a huecos de
tensión o interrupciones inferiores a un segundo de duración.
Para ello en el estado de la técnica se han
previsto varias soluciones que permiten efectuar la regulación de
la tensión.
En este sentido, lo más próximo a la invención,
para corregir los huecos de tensión cabe citar la tecnología
conocida como estabilizadores de tomas variables o escalonados que
consisten en convertidores de corriente alterna a corriente
alterna, que inicialmente empleaban un elevado número de tiristores
gobernados mediante un módulo de control, lo que supone una
operación excesivamente compleja para obtener una respuesta rápida.
Además no es efectivo en el rechazo de transitorio de tensión y el
tiempo de respuesta es mediano.
Para resolver estos inconvenientes los
estabilizadores de tomas variable incorporan interruptores
bidireccionales constituidos por transistores que son gobernados
por el módulo de control para realizar un troceado de la corriente
alterna con modulación de amplitud de pulso (MAI).
En este aspecto pueden citarse los documentos de
patente WO8809964-A1 y
US6750563-B2. Estos sistemas no emplean componentes
para almacenar energía como voluminosos condensadores o
inductancias y proporciona una respuesta rápida a bajo coste. Bajo
condiciones normales, en las que la red eléctrica proporciona la
tensión adecuada, trabajan en modo "bypass", entregando
directamente energía de la red a la carga, y durante una
perturbación como por ejemplo un hueco de tensión, suministran la
energía que falta y ayudan a mantener la tensión en los terminales
de la carga crítica, presentando una relación de transformación
variable de forma continua ya que el convertidor tiene capacidad
para variar la tensión de salida en un margen considerablemente
amplio. De esta forma, se pueden emplear también para aplicaciones
de baja tensión a nivel de usuario final.
Este tipo de sistemas presentan el inconveniente
de que la conmutación de los interruptores es crítica y se debe
suministrar un camino alternativo de corriente mediante el uso de
interruptores bidireccionales adicionales o el uso de circuitos de
protección "snubbers". Estas topologías son complicadas y
costosas de realizar y la fatiga de los interruptores también es
alta, lo que da lugar a una reducción de la fiabilidad.
Para resolver los inconvenientes y los conseguir
los objetivos anteriormente indicados, la invención ha
desarrollado un nuevo circuito acondicionador que incorpora un
menor número de interruptores lo que reduce el coste y mejora la
fiabilidad del convertidor.
Por consiguiente el circuito acondicionador de
la invención, al igual que en los convencionales, recibe la
alimentación procedente de la red eléctrica, que además se aplica a
un módulo de control de gobierno de la activación de uno de los
interruptores bidireccionales para realizar un troceado de la
corriente alterna modulando en anchura de impulso, y presenta la
novedad de que en su entrada comprende una primera inductancia que
está conectada en paralelo a un primer interruptor bidireccional y
a un primer condensador, que a su vez está conectado a un segundo
interruptor bidireccional y en paralelo a una segunda inductancia,
de forma que el segundo interruptor bidireccional además está
conectado en paralelo a un segundo condensador y a la carga a
alimentar y todo ello de forma que el módulo de control comprende
medios para activar el primer interruptor bidireccional y cortar el
segundo interruptor bidireccional al detectar una irregularidad en
la tensión de alimentación de la red eléctrica, de forma que la
carga se alimenta mediante la energía almacenada en el segundo
condensador al estar el segundo interruptor bidireccional
cortado.
Además para el caso en el que el módulo de
control detecta que la corriente de la red eléctrica es la
adecuada, incorpora medios para cortar el primer interruptor
bidireccional y activar el segundo interruptor bidireccional de
forma que deja pasar la corriente alterna de la red eléctrica a la
carga y al mismo tiempo carga el segundo condensador cuya energía
será utilizada nuevamente para el caso en el que se detecte una
nueva irregularidad en la tensión de alimentación de la red
eléctrica de la forma que ya fue descrita.
Por consiguiente mediante la invención no se
precisa el uso de transformadores y únicamente se requiere el
empleo de dos interruptores bidireccionales, lo que simplifica
considerablemente la estructura del circuito acondicionador, y
además simplifica el gobierno que el módulo de control ha de
efectuar para conseguir una tensión de salida estable.
En la realización preferente de la invención el
primer y segundo interruptor bidireccional comprenden un puente de
diodos y un transistor bipolar de puerta aislada (IGPT), en cuyas
puertas se aplica la señal de gobierno del módulo de control, entre
cuyo emisor y colector comprenden un diodo.
Una vez que los medios para activar el primer
interruptor bidireccional del módulo de control lo activan, lo
mantienen en este estado durante un tiempo igual al índice de
modulación (D) multiplicado por su periodo de conmutación.
Igualmente los medios para activar el segundo
interruptor bidireccional, lo mantienen activado durante un tiempo
igual a uno menos el índice de modulación y todo ello multiplicado
por su periodo de conmutación.
En definitiva el circuito adaptador de la
invención reduce el número de componentes electrónicos empleados, y
simplifica su gobierno, obteniéndose un circuito acondicionados de
menor coste.
A continuación para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan una serie de figuras en las que con
carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto
de la invención.
Figura 1.- Muestra un esquema electrónico de un
posible ejemplo de realización del circuito adaptador de la
invención en el que los interruptores bidireccionales se han
representado como ideales.
Figura 2.- Muestra el esquema de la figura
anterior pero en este caso se ha representado el esquema
electrónico real de los interruptores bidireccionales.
Figura 3.- Muestra una gráfica de la tensión de
entrada V_{1} y salida V_{0} circuito de la invención para el
caso en el que se produzca un hueco en la tensión de entrada.
Figura 4.- Muestra una gráfica de la tensión de
entrada y salida del circuito de la invención para el caso en el
que la tensión de entrada sea una sobretensión.
A continuación se realiza una descripción de la
invención basada en las figuras anteriormente comentadas.
La tensión alterna de alimentación o tensión de
entrada V_{1}, procedente de la red eléctrica, se aplica a una
primera bobina 2 que está conectada a un primer interruptor
bidireccional 3 que está dotado de una entrada de control Si para
gobernar la conmutación del mismo desde un módulo de control (no
representado) que además está conectado a la entrada de control
S_{2} de un segundo interruptor bidireccional 6 que se conecta a
la primera bobina 2 a través de un primer condensador 4, y que
además está conectado a una segunda bobina 5 y a un segundo
condensador 7 que constituye la salida 8 que proporciona la tensión
de salida V_{0}.
Cuando el circuito de control detecta, de forma
convencional, que la tensión de entrada V_{i} procedente de la
red eléctrica, no es la adecuada, se pone en modo de funcionamiento
activo que prevé activar el primer interruptor bidireccional 3
manteniéndolo en conducción y simultáneamente corta o mantiene en
bloqueo el segundo interruptor bidireccional 6, de forma que
durante este tiempo la energía procedente de la red eléctrica 1 se
almacena en la primera bobina 2 y al estar cortado el segundo
interruptor bidireccional 3, la energía del primer condensador 4 se
almacena en la segunda bobina 5. En esta situación como el segundo
interruptor bidireccional 6 está en bloqueo, la corriente de carga
la proporciona el segundo condensador 7 en la salida 8.
Por el contrario cuando el módulo de control
detecta que la tensión de entrada V_{i} procedente de la red
eléctrica 1, es la adecuada, se pone en funcionamiento de libre
circulación, que mantiene al primer interruptor bidireccional 3
desactivado en estado de corte y al segundo interruptor
bidireccional 6, activado en estado de conducción, de manera que la
corriente en la primera bobina 2 circula a través del primer
condensador 4, segundo interruptor bidireccional 6, segundo
condensador 7 y por la carga conectada en la salida 8, lo que
provoca la recarga del primer condensador 4 para dejarlo listo para
el siguiente ciclo y al mismo tiempo la corriente en la segunda
bobina 5 también circula en el segundo condensador 7 y a través de
la carga conectada en la salida 8, asegurando que el segundo
condensador 7 se recargue para el siguiente ciclo.
En la figura 2 se representa la configuración
real del primer 3 y segundo interruptor bidireccional 6 los
cuales están constituidos por un puente de diodos 9 conectado a un
transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) 10, en cuyas puertas se
aplica la señal S_{1} y S_{2} de gobierno procedentes del
módulo de control, y entre su colector y emisor se incorpora un
diodo 11 de forma que se obtiene el funcionamiento deseado.
Por consiguiente el primer 2 y segundo
interruptor bidireccional 6 operan en modo complementario, bajo MAI,
tal que el primer interruptor bidireccional 6 se mantiene en
conducción durante un periodo DT; siendo D el índice de modulación
y T el periodo de conmutación del transistor bipolar de puerta
aislada 10; y el segundo interruptor 2 se mantiene en conducción
durante un periodo (1-D) T.
En estos patrones de conmutación, el camino de
la corriente siempre existe independientemente de la dirección de
la misma. Las tensiones V_{i} y V_{0}, se definen como el valor
eficaz de las tensiones de fase de entrada y de salida
respectivamente, de forma que la característica de transferencia
del circuito acondicionador de la invención es igual a
D/(1-D) por lo tanto, la tensión de salida puede
ser más alta o más baja que la tensión de entrada, simplemente
modificando el índice de modulación (D).
En la figura 3 se representa una gráfica que
muestra la respuesta del circuito descrito ante el caso en el que
se produzca un hueco de tensión en la entrada V_{i}. En este caso
es un hueco de tensión del 25%. Ambas tensiones de entrada y salida
de la gráfica se muestran en tanto por uno y representan los dos
últimos ciclos de 50 Hz donde se puede apreciar que el método de
compensación mantiene la tensión V_{0} constante. Además, la
compensación, se aplica sin introducir transitorios de tensión
apreciables.
En la figura 4 se representa la respuesta del
circuito de la invención frente a una sobretensión en la tensión de
entrada V_{i}. En este caso es una sobretensión de un 25% de
magnitud. En este supuesto tanto la tensión de entrada V_{i}, como
la tensión de salida V_{0} también se representan en tanto por
uno. Al igual que en el caso anterior, debido a la MAI, se mantiene
la tensión de salida V_{0} a un valor nominal constante.
Por consiguiente el circuito de la invención
opera como un reductor durante la sobretensión y como un elevador
durante un hueco.
Claims (3)
1. Circuito acondicionador de línea de
potencia, en el que la alimentación (V_{i}) procedente de la red
eléctrica (1) se aplica a un módulo de control de gobierno de la
activación de unos interruptores bidireccionales, para realizar un
troceado de la corriente alterna modulando en anchura de impulso
(MAI); se caracteriza porque comprende:
- -
- una primera bobina (2) a la que se aplica la tensión de alimentación (V_{i}) de la red eléctrica (1), y que está conectada en paralelo a un primer interruptor bidireccional (3);
- -
- un primer condensador (4) conectado a la primera bobina (2) y al primer interruptor bidireccional (3), y además conectado en paralelo a una segunda bobina (5);
- -
- un segundo interruptor bidireccional (6) conectado al primer condensador (4) y a la segunda bobina (5); y además conectado en paralelo a un segundo condensador (7) y a la carga a alimentar;
- -
- incluyendo el módulo de control medios para activar el primer interruptor bidireccional (3) y cortar el segundo interruptor bidireccional (6) al detectar una irregularidad en la tensión de alimentación V_{i} de la red eléctrica (1), para alimentar la carga mediante la energía almacenada en el segundo condensador (7); y medios para cortar el primer interruptor bidireccional (3) y activar el segundo interruptor bidireccional (6) para dejar pasar la corriente alterna de la red eléctrica (1) a la carga y además cargar el segundo condensador (7).
2. Circuito acondicionador de línea de
potencia, según reivindicación 1, caracterizado porque los
medios para activar el primer interruptor bidireccional (3) lo
mantienen activado durante un tiempo igual al índice de modulación
(C) multiplicado por su periodo de conmutación (T); y los medios
para activar el segundo interruptor bidireccional (6) lo mantienen
activado un tiempo igual a uno menos el índice de modulación (D) y
todo ello multiplicado por su periodo de conmutación (T).
3. Circuito acondicionador de línea de
potencia, según reivindicación 1, caracterizado porque el
primer interruptor bidireccional (3) y el segundo interruptor
bidireccional (6) comprenden un puente de diodos (9) y un
transistor bipolar de puerta aislada (10) (IGBT) a cuya puerta se
aplica la señal de control (S_{1}, S_{2}) del módulo de
control; y entre cuyo emisor y colector comprende un diodo
(11).
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| ES2326505A1 true ES2326505A1 (es) | 2009-10-13 |
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Family Applications (1)
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| ES (1) | ES2326505B1 (es) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001047094A2 (en) * | 1999-12-22 | 2001-06-28 | E.E.S. Sistemas De Energia Ltda. | Method and control circuitry for a three-phase three-level boost-type rectifier |
-
2007
- 2007-04-09 ES ES200700925A patent/ES2326505B1/es active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001047094A2 (en) * | 1999-12-22 | 2001-06-28 | E.E.S. Sistemas De Energia Ltda. | Method and control circuitry for a three-phase three-level boost-type rectifier |
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| KOROTYEYEV et al. "{}Steady-state modelling of basic unipolar PWM AC line matrix-reactance choppers"{}; Journal: COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol 24, n$^{o}$ 1, 2005; páginas 55-68. Publicado por Emerald Group Publishing Limited. * |
| KOROTYEYEV et al. "Steady-state modelling of basic unipolar PWM AC line matrix-reactance choppers"; Journal: COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering, Vol 24, nº 1, 2005; páginas 55-68. Publicado por Emerald Group Publishing Limited. * |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2326505B1 (es) | 2010-07-05 |
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