ES2332010T3 - Circuito para la alimentacion de energia electrica a una red de distribucion electrica. - Google Patents

Abstract

Sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía de tensión continua (1, 101) con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía eléctrica (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía, en el que como mínimo existen dos tomas (206, 205, 204 +n) del transformador (104, 9, 28) o de múltiples transformadores (201, 202, 200 +n), en el que las tomas de transformadores (206, 205, 204 +n) están dotadas en forma conmutable de elementos de conmutación (105, 106, 104 +n; 301, 302, 300 +n 25, 26, 27, 6, 7, 8, 16, 17, 18), para modificar la relación de tensión del transformador y al transformador o a los transformadores les están preconectados un inversor (103, 4, 14, 34, 24) que comprende conmutadores de semiconductores, en el que existe una carga regulable (2, 102) en el primario, para limitar la tensión de la fuente de energía (1, 101), mientras de una toma de transformador se conmute a otra del transformador, y en el que el sistema está realizado de manera tal que, mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación de tensión entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN), caracterizado porque el sistema está realizado de modo que mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación aproximada entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN) y una adaptación fina por medio del inversor (103, 4, 14, 34, 24), y porque la carga regulable (2, 102) está dispuesta del lado de corriente continua y realizada como chopper de resistencia o chopper de frenado.

Description

Circuito para la alimentación de energía eléctrica a una red de distribución eléctrica.

La invención se refiere a un sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía.

Muchas fuentes de energía eléctrica, como los generadores fotovoltaicos, centrales de energía eólica con generador de imanes permanentes, motores de combustión interna de velocidad variable, pilas de combustible, baterías y similares presentan, frecuentemente, una tensión fuertemente variante y una elevada impedancia interna. Las fuentes de energía de este tipo pueden presentar una tensión continua o una tensión alterna mono o trifásica de frecuencia variable.

Para alimentar energía eléctrica proveniente de fuentes de este tipo a una red de distribución de energía, se conocen dispositivos adaptadores como, por ejemplo, un inversor fotovoltaico. La red de distribución de energía puede ser tanto una red de distribución de energía pública como también una red insular para uno o unos pocos usuarios.

Un dispositivo regulador conocido de este tipo tiene el objetivo de adaptar la tensión y la frecuencia a las condiciones de la red de distribución de energía que ha de ser alimentada. Además, el dispositivo se usa para la producción de un punto de funcionamiento, en lo posible óptimo, para la fuente de energía de modo que se consigue un rendimiento energético máximo. Ello es conocido también con el término de regulación Maximum Power Point o bien regulación MPP.

En muchos casos, debido a exigencias tecnológicas o regulaciones y normas específicas de los países, es necesaria una separación galvánica entre la fuente de energía y la red de distribución.

Sin embargo, los dispositivos adaptadores con separación galvánica conocidos tienen una eficiencia ostensiblemente menor que los que no tienen separación galvánica.

Se conocen sistemas de circuitos con un transformador de baja frecuencia (frecuencia igual a la frecuencia en la EVN. A la fuente de energía con resistencia interna elevada se le postconecta un inversor mono o un inversor trifásico. Cuando la fuente de energía es una fuente de tensión continua como, por ejemplo, un generador fotovoltaico o una pila de combustible, el inversor se conecta en forma directa. En fuentes de tensión alterna, como centrales eólicas o hidroeléctricas con generador de imanes permanentes, todavía se interconecta un rectificador. El inversor está realizado como puente H en instalaciones monofásicas o como puente trifásico en instalaciones trifásicas. Al inversor se le postconecta un puente H y un transformador. En el secundario del transformador está conectada la red de distribución de energía.

También se conocen instalaciones con un transformador de alta frecuencia (frecuencia mayor que en la EVN, típicamente 1 KHz a 1 MHz). A la fuente de energía con una resistencia interna elevada se le postconecta un inversor de alta frecuencia (inversor HF). Cuando la fuente de energía es una fuente de tensión continua como, por ejemplo, un generador fotovoltaico o una pila de combustible, el inversor HF se conecta en forma directa. En fuentes de tensión alterna como, por ejemplo, centrales eólicas o hidroeléctricas, se interconecta un rectificador.

El inversor HF produce una tensión alterna de alta frecuencia que es transformada al secundario por medio del transformador H. Allí, la tensión alterna es rectificada por medio de un rectificador. El rectificador alimenta un circuito intermedio de tensión continua. En instalaciones monofásicas, el circuito intermedio de tensión continua tiene postconectado como puente H un inversor de baja frecuencia o un puente trifásico en instalaciones trifásicas. Por medio de un filtro sinusoidal se conecta la red de distribución con un inversor de baja frecuencia.

Debido a que, en los casos aquí descritos, la fuente de energía presenta una tensión fuertemente variable, frecuentemente debe montarse un accionador de adaptación entre la fuente de energía y el inversor HF, para mantener estable en el secundario el circuito intermedio de tensión continua. Ello es el caso, en particular, cuando el inversor HF está realizado como convertidor resonante. Es cierto que los convertidores resonantes poseen un elevado grado de eficiencia, pero no pueden usarse para la adaptación de la tensión. Un convertidor resonante de este tipo se conoce del documento EP 1 458084 A2.

Si el inversor HF es realizado como inversor de conmutación dura, puede usarse para la adaptación de tensión necesaria, pero presenta, sin embargo, un mal grado de eficiencia.

También se conocen instalaciones de este tipo con un transformador de baja frecuencia. La relación de tensión del transformador se escoge de forma tal que, con una tensión en la fuente de energía que se presenta en un generador fotovoltaico con máxima irradiación y elevada temperatura ambiente y tensión de red máxima, todavía es posible alimentar una EVN. La corriente en el primario del transformador es, sin embargo, muy elevada. Los conmutadores de semiconductores del inversor de baja frecuencia deben estar dimensionados para estas corrientes elevadas y, al mismo tiempo, para la tensión máxima de la fuente de energía. Las pérdidas aumentan debido a las pérdidas de conmutación en los conmutadores de semiconductores del inversor de baja frecuencia. Además, se presentan otras desventajas. El transformador de baja frecuencia es grande y pesado. En el primario del transformador resultan corrientes elevadas, porque la relación de tensión debe estar adaptada al caso de tensión mínima en la fuente de energía y tensión máxima en la red de distribución de energía. Por lo demás, las pérdidas en semiconductores aumentan con la tensión creciente en la fuente de energía.

También se conocen sistemas de circuitos de este tipo con un transformador HF. En ello, se diferencia entre conmutaciones con inversor HF de conmutación resonante y inversor HF de conmutación dura.

En conmutaciones con inversor es HF de conmutación dura, la relación de tensión del transformador se elige de forma tal que, por ejemplo, en un generador fotovoltaico con máxima irradiación y elevada temperatura ambiente y tensión de red máxima, todavía pueda alimentarse energía a la red. Con ello, la corriente en el primario del transformador HF es, sin embargo, también muy elevada. Los conmutadores de semiconductores del inversor HF deben estar dimensionados para estas corrientes elevadas y, al mismo tiempo, para la tensión máxima de la fuente de energía. Debido a la pérdida de conmutación en los conmutadores de semiconductores del inversor HF, aumentan las pérdidas con tensión creciente en la fuente de energía. Desventajosas son corrientes elevadas en el primario del transformador HF, pérdidas considerables en los semiconductores debidas al funcionamiento de conmutación dura, porque en este punto de funcionamiento se producen elevadas pérdidas de conmutación en los semiconductores de potencia, así como un grado de eficiencia reducido del circuito de adaptación.

En un inversor HF de conmutación resonante se ha dispuesto una etapa de adaptación adicional, para poner a disposición una tensión estable en el circuito intermedio de tensión continua, detrás del rectificador. Esta etapa de adaptación es conmutada delante del inversor HF o detrás de la rectificación HF. Está realizada, por ejemplo, como accionador elevador o como accionador reductor. Una etapa de adaptación de este tipo requiere, sin embargo, costos adicionales y necesita espacio adicional. Por lo demás, en una etapa de este tipo se producen pérdidas adicionales. Por consiguiente, dicha variante requiere un conversor de adaptación adicional, en la que el grado de eficiencia del circuito de adaptación es reducido debido a un accionador adicional de este tipo.

Del documento JP 07 015 971 A se conoce un sistema de circuitos para generadores fotovoltaicos con sus curvas características típicas. Los circuitos presentan un inversor en el primario o secundario de un transformador.

En una variante de circuito del documento JP 07 015 971A, del lado de salida a un puente del primario le sigue un transformador. Por medio de un conmutador o bien de un relé de inversión pueden modificarse el número de espiras del primario del transformador. En el secundario, al transformador le sigue un puente rectificador con dos ramas. Dicho circuito permite una modificación de la tensión del transformador.

En otra variante del circuito del documento JP 07 015 971 A se produce una conmutación en el primario del transformador de la red. Una bobina de impedancia 36 y un condensador 37 forman un filtro de línea.

En este sistema de circuitos, una tensión continua de la fuente de tensión continua o del generador fotovoltaico es convertida, mediante una red en puente, a una tensión alterna y, por medio de un transformador, transformada al secundario. En el secundario se encuentra un rectificador al que, por medio de una bobina de inductancia del circuito intermedio le es postconectada una red en puente para la alimentación de la red de tensión alterna. El transformador tiene en el secundario, por ejemplo, una tercera toma. En una conexión controlada, unos transistores permiten una conexión adicional de una tercera rama con el propósito de aumentar la tensión en el secundario. La conexión adicional puede realizarse sin interrupción del funcionamiento.

Por consiguiente, por el documento JP 07 015 971A se conoce un inversor para la inversión de tensión continua de una célula fotovoltaica a una tensión alterna o a una tensión continua y, asimismo, un transformador para una conmutación de este tipo con una pluralidad de tomas de transformador conectables en forma adicional.

Por medio de la modulación PWM de un puente existe una carga regulable en el primario, para limitar la tensión de la fuente de energía. Dicha instalación está realizada de modo que se produzca por medio del transformador o de los transformadores una adaptación de tensión entre la fuente de energía y la red de distribución.

La invención tiene el objetivo de poner a disposición un sistema de circuitos de clase genérica de un elevado grado de eficiencia y que presenta una separación galvánica.

Este objetivo se consigue, según la invención, por medio de las características de las reivindicaciones independientes.

Mediante la disposición de conmutación, según la invención, es posible conseguir, sin un circuito de adaptación adicional con semiconductores adicionales, un elevado grado de efectividad de la fuente de energía. Con corrientes reducidas, mediante la modificación de la relación de tensión, puede conseguirse una adaptación de tensión en los semiconductores del primario. Con ello, la corriente en el primario del transformador, contrariamente al actual estado de la técnica, no es predeterminada mediante el ajuste de la relación de tensión del transformador a la tensión mínima de la fuente de energía. De este modo, se reducen las pérdidas debidas a la conversión en regímenes en los que la tensión de entrada supera la tensión de entrada nominal.

Mediante el sistema de circuitos, según la invención, se crea un circuito de adaptación con separación galvánica, de modo que, por un lado, se cumplen las normas o disposiciones de seguridad en la alimentación de conformidad con las reglas actuales de la técnica. Sin embargo, por otro lado, se consigue un elevado grado de eficiencia, por lo cual está dada una productividad elevada del circuito de adaptación y se facilita la disipación del calor.

Mediante el transformador con múltiples tomas o múltiples transformadores con múltiples relaciones de tensión puede conseguirse, en principio, una adaptación de tensión entre la fuente de energía y la red de distribución.

Mediante una conmutación de este tipo de las relaciones de tensión de transformador puede resignarse de modo sencillo una etapa adicional de adaptación electrónica de alimentación y conseguirse que el inversor pueda operar en un punto de funcionamiento dinámico, de modo que causa menores pérdidas por transformación.

Sobre el primario está dispuesta una carga regulable, para limitar la tensión de la fuente de energía, mientras se conmuta de una toma de transformador a otra toma de transformador. Durante la conmutación entre las tomas o bien entre transformadores se produce un período corto durante el que no puede transmitirse energía. Dicha medida tiene el propósito de mantener constante la tensión de la fuente de energía durante la conmutación.

La tensión de la fuente de energía durante la conmutación no cambia o sólo lo hace en la medida de lo deseado, porque la carga regulable está realizada como chopper de resistencia o chopper de frenado.

Apropiadamente, para la conmutación entre las diferentes tomas de transformador del transformador o entre las diferentes tomas de transformador de los transformadores se han dispuesto relés, contactores, conmutadores, seccionadores o conmutadores de semiconductores, de modo que puede conseguirse una conmutación automática de poca pérdida.

La invención se manifiesta particularmente favorable, cuando la impedancia interna de la fuente de energía es relativamente elevada, tal como en un generador fotovoltaico. También se ofrecen campos de aplicación posibles de la invención en la operación de una pila de combustible, una batería, una central eólica con generador de imanes permanentes, una máquina de combustión interna con generador de imanes permanentes o una central hidroeléctrica con generador de imanes permanentes.

En otra realización ventajosa de la invención, cada transformador es un transformador de baja frecuencia, cuya frecuencia de trabajo es igual a la frecuencia de la red de distribución de energía.

En un generador fotovoltaico, la relación de tensión del transformador debe escogerse de modo que con irradiación máxima y temperatura ambiente elevada todavía pueda alimentarse una tensión de red máxima.

También es conveniente si cada transformador está realizado como transformador HF, cuya frecuencia es mayor que la frecuencia de la red de distribución de energía.

Es particularmente conveniente si los transformadores tiene preconectados un inversor, que comprende conmutadores de semiconductores, en particular, transistores MOS (Metal Oxide Semiconductor), IGBTs (Insulated Gate Bipolat Transistors), GTOs (Gate Turn Off) o tiristores. El sistema de circuitos está realizado de modo que el transformador está realizado con múltiples tomas o sean usados múltiples transformadores con diferentes relaciones de tensión para conseguir una adaptación de tensión aproximada entre la fuente de energía y la red de distribución. La adaptación fina es conseguido por medio de un inversor de baja frecuencia que puede ser un inversor mono o trifási-
co.

En forma ventajosa, el inversor puede estar realizado con un condensador resonante, con un transformador realizado como transformador HF y con un circuito rectificador y, de esta manera, formar un convertidor resonante, siendo la frecuencia resonante, formada por el condensador resonante con la inductancia de dispersión del transformador, mayor o menor que la frecuencia de conmutación del inversor. De este modo, las pérdidas de conmutación en los conmutadores de semiconductores del convertidor resonante pueden disminuirse fuertemente respecto de un convertidor de conmutación dura.

Otras configuraciones ventajosas de la invención están caracterizadas en las reivindicaciones secundarias.

Un modelo de fabricación de la invención se describe en detalle mediante los dibujos, estando descritos otros perfeccionamientos ventajosos de la invención y sus ventajas.

Muestran,

la figura 1, un esquema del principio de un sistema de circuitos con un transformador, de conformidad con la invención,

la figura 2, un esquema del principio de un sistema de circuitos con múltiples transformadores, de conformidad con la invención,

la figura 3, una primera forma de realización del sistema de circuitos,

la figura 4, curvas de tensión y otras señales durante un proceso de conmutación,

la figura 5, una segunda forma de realización del sistema de circuitos,

la figura 6, una tercera forma de realización del sistema de circuitos,

la figura 7, una cuarta forma de realización del sistema de circuitos,

la figura 8, una quinta forma de realización del sistema de circuitos,

la figura 9, muestra otra forma de realización del sistema de circuitos para una carga regulable.

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La figura 1 muestra el principio de un sistema de circuitos o bien de un dispositivo de adaptación. Este sirve para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía 101 con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía eléctrica EVN. La fuente de energía es, por ejemplo, un generador fotovoltaico. El sistema de circuitos presenta un transformador 104 con un primario y un secundario Este se encuentra asociado del lado de entrada a la fuente de energía 101 y del lado de salida a la red de distribución de energía EVN. Como se muestra en la figura 1, el transformador 104 comprende una multitud de tomas 205, 206, 204 + n. La relación de tensión de las tomas 205, 206, 204 + n es diferente.

Las tomas de transformador 205, 206, 204 + n están conformadas de forma conmutable con elementos de conmutación 105, 106, 104 + n, para modificar la relación de tensión del transformador. De este modo, puede conseguirse una adaptación de tensión aproximada entre la fuente de energía 101 y la red de distribución. Una adaptación fina puede conseguirse, por ejemplo, mediante un inversor mono o trifásico 103, conectado directamente con los elementos de conmutación 105, 106, 104 + n.

Durante la conmutación entre las tomas 205, 206, 204 + n que, por ejemplo, puede realizarse por medio de contactores o relés, resulta un período breve durante el cual no puede transmitirse energía. Para mantener durante la conmutación constante la tensión de la fuente de energía 101, ésta es cargada durante dicho tiempo de conmutación por medio de, en particular, una carga regulable 102. La carga óhmica es ajustada, preferentemente, con la ayuda de un chopper de resistencia, de modo tal que la tensión de la fuente de energía 101 no se modifica durante la conmutación o solamente lo hace en la medida deseada.

Mediante una conmutación de este tipo de la relación de tensión de transformador puede resignarse de modo sencillo una etapa adicional de adaptación electrónica de alimentación o se consigue que el inversor pueda operar en un punto de funcionamiento dinámico, de modo que causa menores pérdidas por transformación.

En la figura 2 se representa una alternativa de conformidad con la invención, con múltiples transformadores 201, 202 y 200 +n con diferentes relaciones de tensión. Cada transformador tiene una toma conectada con un elemento de conmutación 301, 302, 300 +n. Según cual elemento de conmutación 301, 302, 300 +n se ha conmutado, resulta una determinada relación de tensión.

Una primera forma de realización de la invención se muestra en la figura 3. Como fuente de corriente continua con elevada resistencia interna está dispuesto un generador fotovoltaico 1. La energía eléctrica del generador 1 ha de ser alimentada a una red de corriente trifásica (red de distribución de energía EVN). Tiene postconectada una red en puente completa 4 con cuatro conmutadores de semiconductores. Paralelo a la red en puente completa 4 se ha dispuesto un condensador de entrada 3 y la carga 2 realizada como chopper de resistencia, estando el condensador de entrada 3 dispuesto entre la carga y la red en puente completa.

La red en puente completa 4 está conectada con el primario del transformador 9 por medio de un condensador de resonancia 5. Un circuito rectificador 10 está postconectado al transformador 9, o sea, dispuesto en el secundario. La inductancia de dispersión del transformador 9 forma con el condensador 5 una frecuencia de resonancia mayor que la frecuencia de conmutación de la red en puente completa 4. De este modo se forma un circuito de convertidor
resonante 15.

Con los contactores 6, 7 y 8 asignados a las diferentes tomas de transformador puede ajustarse la relación de tensión del transformador 9. Precisamente, uno de los contactores 6, 7 u 8 está cerrado durante el funcionamiento del circuito.

En otra variante de realización, estos contactores también pueden encontrarse en el secundario del transformador.

Al convertidor resonante 15 está, preferentemente, postconectado un condensador de circuito intermedio 11 y un convertidor de red 12. El convertidor de red 12 es conectado por medio de un filtro de línea 13 con la red de distribución de energía EVN. En la figura 4 se muestra un proceso de conmutación típico.

Se considera el caso en el que la tensión MPP del generador fotovoltaico cae lentamente porque, por ejemplo, aumenta la temperatura ambiente. En este ejemplo, en primer lugar, el contactor 7 está cerrado.

Condicionada por el sistema de circuito con el convertidor resonante 15, la tensión de entrada en el condensador 3 posee un acoplamiento duro con el condensador de circuito intermedio 11. Ello quiere decir que bajo carga ambas tensiones se comportan entre sí en forma proporcional, de conformidad con la relación de tensión del transformador.

Si ahora la tensión en el condensador 11 cae tanto como para alcanzar el límite en el que todavía es posible una alimentación de la red, debe conmutarse la relación de tensión de transformador.

El proceso de conmutación se muestra en la figura 4. En este caso, se representan las tensiones en el condensador 3, en el condensador 11, la potencia P en la resistencia de chopper, así como el estado de conmutación del contactor 6 (S6) o bien del contactor 7 (S7).

Primeramente, se activa el chopper de resistencia o bien la carga 2 y en el posterior proceso se le regula de tal manera, que la tensión en el condensador 3 permanece estable. En el momento t1 se bloquean los impulsos del convertidor resonante 15 y del convertidor de red 12. A continuación, se abre el contactor 7. A continuación, se cierra el contactor 6.

Entre t1 y t3, se reduce la tensión en el condensador 3 por medio del chopper de resistencia hasta el punto en que, calculada con la nueva relación de tensión de transformador, es proporcional a la tensión actual del circuito intermedio en el condensador 11. En este proceso, entre t1 y t2 cae algo la potencia del chopper, porque el generador fotovoltaico ya no es operado en el MPP.

En t3, los impulsos del convertidor resonante y del convertidor de red se liberan Entre t3 y t4, la potencia en el chopper de resistencia cae nuevamente. La potencia alimentada aumenta en forma correspondiente. El convertidor de red es regulado de modo tal que nuevamente se alcanza el MPP. Por consiguiente, ahora aumenta la tensión en el condensador 11 a un valor superior al de antes del proceso de conmutación. En el proceso posterior de este ejemplo, la temperatura en el generador fotovoltaico continúa subiendo, de modo que la tensión MPP continúa cayendo hasta alcanzar un valor final. De este modo, también cae en forma correspondiente la tensión en el condensador 11. Sin embargo, no es necesario otro proceso de conmutación, porque la tensión en el condensador 11 es suficientemente elevada como para posibilitar una alimentación de la red.

Una característica ventajosa de la invención es la regulación de la carga 102 durante las fases de conmutación. Debido a que en las topologías de conmutación resonante, la tensión del circuito intermedio en el condensador 11 es proporcional a la tensión de entrada, es apropiado que, después de una conmutación, mediante la regulación de la carga ajustar la tensión de entrada de un modo tal, que corresponda a la tensión momentánea en el condensador 11 multiplicada por la relación de tensión del transformador. A continuación, el convertidor resonante 15 puede conectarse inmediatamente de nuevo con la relación de impulsos completa, sin el ajuste gradual consumidor de tiempo y sin que fluyan corrientes compensadoras de magnitudes indeseables.

La carga regulable 102 puede usarse antes de la conexión del inversor 4 ó bien 14, 24 ó 34 (figura 5, figura 8,
figura 6) para disminuir la tensión de entrada a un valor que permita una operación del inversor 4 (14, 24 ó 34), sin que se superen en estos inversores las exigencias respecto de la rigidez dieléctrica de los conmutadores de semiconductores. De este modo, un inversor puede ser dotado de conmutadores de semiconductores que, si bien son apropiados para la operación en el MPP, no son adecuados para la operación en circuito abierto de la fuente de tensión de entrada. Por este motivo, pueden usarse semiconductores con una tensión de bloqueo más reducida y, consecuentemente, de pérdidas favorables.

Una segunda variante de realización de la invención se muestra en la figura 5. El convertidor resonante 15 está realizado aquí con una red en semipuente 14. En este caso, el condensador 5 puede ser usado como condensador resonante. También es posible, que los condensadores 31, 32 sean usados como condensadores resonantes. El condensador 5 también puede ser eliminado completamente y reemplazado por un puente.

El inversor 14 forma un convertidor resonante mediante el condensador resonante 5, los condensadores 31 y 32 dispuestos adicionalmente, así como mediante el transformador HF 9 y el circuito rectificador 10. La frecuencia resonante que forman los condensadores 5, 31 y 32 con la inductancia de dispersión del transformador, es mayor o menor que la frecuencia de conmutación del inversor 14. De este modo, las pérdidas de conmutación en los conmutadores de semiconductores del convertidor resonante 15 son reducidos fuertemente en comparación con un convertidor de conmutación dura.

La función de conformidad con la invención del circuito, según la figura 3, corresponde a la de las figuras 1 y 2, de modo que no será descrita en detalle.

Una tercera variante de realización de la invención se muestra en la figura 6. En este caso, el convertidor resonante está realizado en el primario como derivación central 34, en la que se aplican dos conmutadores de semiconductores. El condensador resonante 5 está dispuesto en el secundario. También los elementos de conmutación 16, 17, 18 se encuentran dispuestos en el secundario.

En dicha variante, las pérdidas de potencia en el primario se reducen a un mínimo. Para ello, deben usarse semiconductores con una mayor capacidad de bloqueo.

El inversor 34, el condensador resonante 5, un transformador HF 9 y un circuito rectificador 10 forman un convertidor resonante 15. La frecuencia resonante que forma el condensador resonante con la inductancia de dispersión del transformador es mayor o menor que la frecuencia de conmutación del inversor 34. De este modo, también en este caso, las pérdidas de conmutación en los semiconductores del convertidor resonante 15 están disminuidas fuertemente en comparación con un convertidor de conmutación dura.

La función del circuito, según la invención, descrita mediante las figuras 1 y 2 no se modifica, de modo que no será descrita en detalle.

Una cuarta variante de realización de la invención se muestra en la figura 7. En este caso, el convertidor resonante 15 está realizado en el primario como derivación central 34 con dos conmutadores de semiconductores. Se usan condensadores resonantes 41, 42 dispuestos en el secundario como componentes de una red de semipuente 43. También los conmutadores 16, 17, 18 se encuentran dispuestos en el secundario.

En dicha variante de realización, las pérdidas en el primario se reducen a un mínimo. Para ello, deben usarse semiconductores con una mayor capacidad de bloqueo.

Una quinta variante de realización de la invención se muestra en la figura 8. También aquí, como fuente de corriente continua con elevada resistencia interna está dispuesto un generador fotovoltaico 1. Este tiene postconectado un inversor trifásico 24 con un transformador de baja frecuencia 28. El inversor está realizado como red en puente trifásica con seis conmutadores de semiconductores. Paralelos a la fuente de tensión continua o al generador fotovoltaico 1 están dispuestos el condensador de entrada 3 y el chopper de resistencia o bien la carga 2.

El transformador 28 puede tener tres tomas, tal como quedan ilustradas en la figura 6. Sin embargo, también puede usarse un transformador con cualquier número de tomas. En el ejemplo de conformidad con la figura 8, el inversor trifásico 24 tiene asignados tres contactores trifásico 25, 26 y 27. Estos tienen, en cada caso, tres contactos de conmutación, de modo que existen nueve tomas.

Es posible conmutar entre tres diferentes relaciones de tensión. Cada espira está dotada de diferentes tomas, asignadas a los diferentes contactores 25 a 27.

Si ahora la tensión en el condensador 3 cae tanto como para que ya no sea posible una alimentación de la red, se activa el chopper de resistencia o bien la carga 2. El inversor 24 es bloqueado. A continuación, se abre el contactor trifásico que estaba conectado a las tomas usadas hasta el momento. Otro es cerrado. El inversor 24 es activado nuevamente y recibe el flujo de potencia del chopper de resistencia 2. Cuando el inversor tomó toda la potencia, el chopper de resistencia es cerrado nuevamente. La ventaja de esta variante de realización es la adaptación óptima de la relación de tensión del transformador a la tensión actual de la fuente de energía. De este modo se eleva el grado de eficiencia del circuito de adaptación. El transformador es mostrado en la figura 8 como transformador Yy. Sin embargo, también puede usarse un transformador Dy, un transformador Yd o un transformador Dd.

La inductancia de dispersión de cada transformador puede ser complementada por una o más inductancias adicionales, para conseguir la frecuencia de resonancia deseada.

Además, el circuito puede ser operado de modo que, después de una conmutación de las tomas, se produce una liberación de impulsos del inversor, en el que la tensión de entrada es ajustada de tal modo por medio de la regulación de carga, que corresponda a la tensión momentánea del condensador de inversión, por ejemplo 11, multiplicado por la relación de tensión del transformador.

También es posible una realización en la que los impulsos del inversor 4, 14 ó 34 asignado del convertidor resonante 15 pueden conectarse directamente sin ajuste gradual de nuevo con toda la relación de impulsos, después que la tensión de entrada ha sido ajustada mediante la regulación de carga de modo tal que corresponde a la tensión momentánea en el condensador de inversor 11 multiplicada por la relación de tensión del transformador.

También es ventajoso que el sistema de circuitos, antes de conectar los inversores 4, 14, 24 ó 34, usa una regulación de carga 102 también para reducir la tensión de entrada a un valor que posibilita una operación de los inversores 4, 14, 24 ó 34 sin que en estos inversores se superen las exigencias respecto de la rigidez dieléctrica de los conmutadores de semiconductores.

La figura 9 muestra otra variante de realización para la carga regulable. Esta puede estar realizada como convertidor de corriente 403 que, durante la fase de conmutación utiliza la fuente de energía para cargar un acumulador de energía 404, por ejemplo, una batería. De este modo, no se pierde la fuente de energía durante la fase de conmutación.

Lista de referencia

1.

Generador fotovoltaico

2.

Carga

3.

Condensador de entrada

4.

Red en puente completa

5.

Condensador resonante

6, 7, 8

Contactor

9.

Transformador

10.

Circuito rectificador

11.

Condensador de circuito intermedio

12.

Convertidor de red

13.

Filtro de red

14.

Inversor

15.

Circuito de convertidor resonante

16, 17, 18

Elementos de conmutación

24

Inversor

25, 26, 27

Contactor trifásico

28

Transformador de baja frecuencia

31, 32

Condensadores

34

Derivación central

41, 42

Condensadores resonantes

43

Red en semipuente

101

Fuente de energía

10

Carga regulable

103

Inversor

104

Transformador

105, 106, 104 +n

Elementos de conmutación

201, 202, 200 +n

Transformadores

204, 205, 206 +n

Tomas de transformadores

301, 302, 300 +n

Elementos de conmutación

402

Carga regulable realizada como dispositivo de carga

Claims (21)

1. Sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía de tensión continua (1, 101) con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía eléctrica (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía, en el que como mínimo existen dos tomas (206, 205, 204 +n) del transformador (104, 9, 28) o de múltiples transformadores (201, 202, 200 +n), en el que las tomas de transformadores (206, 205, 204 +n) están dotadas en forma conmutable de elementos de conmutación (105, 106, 104 +n; 301, 302, 300 +n 25, 26, 27, 6, 7, 8, 16, 17, 18), para modificar la relación de tensión del transformador y al transformador o a los transformadores les están preconectados un inversor (103, 4, 14, 34, 24) que comprende conmutadores de semiconductores, en el que existe una carga regulable (2, 102) en el primario, para limitar la tensión de la fuente de energía (1, 101), mientras de una toma de transformador se conmute a otra del transformador, y en el que el sistema está realizado de manera tal que, mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación de tensión entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN), caracterizado porque el sistema está realizado de modo que mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación aproximada entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN) y una adaptación fina por medio del inversor (103, 4, 14, 34, 24), y porque la carga regulable (2, 102) está dispuesta del lado de corriente continua y realizada como chopper de resistencia o chopper de frenado.

2. Sistema de circuito para la alimentación de energía eléctrica proveniente de una fuente de energía de tensión continua (1, 101) con tensión de fuente variable a una red de distribución de energía eléctrica (EVN) y con un transformador dotado de un primario y un secundario, que por el lado de entrada está asignado a la fuente de energía y por el lado de salida a la red de distribución de energía, en el que como mínimo existen dos tomas (206, 205, 204 + n) del transformador (104, 9, 28) o de múltiples transformadores (201, 202, 200 +n), en el que las tomas de transformadores (206, 205, 204 +n) están dotadas en forma conmutable de elementos de conmutación (105, 106, 104 +n; 301, 302, 300 +n 25, 26, 27, 6, 7, 8, 16, 17, 18), para modificar la relación de tensión del transformador y al transformador o a los transformadores les están preconectados un inversor (103, 4, 14, 34, 24) que comprende conmutadores de semiconductores, en el que existe una carga regulable (2, 102) en el primario, para limitar la tensión de la fuente de energía (1, 101), mientras de una toma de transformador se conmute a otra del transformador, y en el que el sistema está realizado de manera tal que, mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación de tensión entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN), caracterizado porque el sistema está realizado de modo que mediante el o mediante los transformadores (201, 202, 200 +n) se produce una adaptación aproximada entre la fuente de energía (1, 101) y la red de distribución (EVN) y una adaptación fina por medio del inversor (103, 14, 34, 24), y porque la carga regulable (402) está dispuesta del lado de corriente continua y realizada como convertidor de corriente (403) que carga un acumulador de energía (404).

3. Sistema de circuito, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada transformador (104, 9, 28; 201, 202, 200 +n) está realizado como transformador monofásico, como transformador bifásico, como transformador trifásico o como transformador multifásico.

4. Sistema de circuito, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque para la conmutación están dispuestos relés, contactores, conmutadores, seccionadores o semiconductores entre las diferentes tomas de transformador (206, 205, 204 + n) del transformador (104, 9, 28) o entre las diferentes tomas de los transformadores (201, 202, 200 +n).

5. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la fuente de energía (101) es un generador fotovoltaico, una pila de combustible, una batería, una central eólica con generador de imanes permanentes, una máquina de combustión interna con generador de imanes permanentes o una central hidroeléctrica con generador de imanes permanentes.

6. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la red de distribución de energía (EVN) es una red de distribución de energía pública o una red insular con uno o más usuarios.

7. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque cada transformador es un transformador de baja frecuencia, cuya frecuencia de trabajo es igual a la frecuencia de la red de distribución de energía.

8. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque cada transformador está realizado como transformador HF y cuya frecuencia es mayor que la frecuencia de la red de distribución de energía.

9. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el transformador o los transformadores tienen preconectados un inversor (103, 14, 34, 24), que comprende transistores MOS, IGBTs, GTOs o tiristores.

10. Sistema de circuitos, según la reivindicación 9, caracterizado porque el inversor (103, 14, 34, 24) es un inversor monofásico o trifásico.

11. Sistema de circuito según la reivindicación 9 ó 10, caracterizado porque el inversor (4) comprende como mínimo un condensador resonante (5; 31, 32; 41, 42), así como un transformador realizado como transformador HF (9) y un circuito rectificador (10, 43) y forma un convertidor resonante (15), en el que la frecuencia resonante, formada por el condensador de resonancia por medio de la inductancia de dispersión del transformador (9), es mayor o menor que la frecuencia de conmutación del inversor.

12. Sistema de circuitos, según la reivindicación 11, caracterizado porque uno o más condensadores resonantes (5; 41, 42) están dispuestos en el secundario del transformador (9).

13. Sistema de circuitos, según la reivindicación 11, caracterizado porque uno o más condensadores resonantes (5) están dispuestos en el primario del transformador (9).

14. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el inversor (14) presenta una red en semipuente.

15. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque el inversor (14) presenta una red en puente completo.

16. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la inductancia de dispersión de cada transformador puede ser complementada por una o más inductancias adicionales, para conseguir la frecuencia de resonancia deseada.

17. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de conmutación para conmutar entre las diferentes tomas de transformador o entre los diferentes transformadores están dispuestos en el primario del transformador o de los transformadores.

18. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los elementos de conmutación para conmutar entre las diferentes tomas de transformador o entre los diferentes transformadores están dispuestos en el secundario del transformador o de los transformadores.

19. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones 9 a 16, caracterizado por una realización tal que, después de la conmutación y antes de una liberación de impulsos de inversor, la tensión de entrada es ajustada mediante la regulación de carga de modo tal, que corresponde a la tensión momentánea de un condensador de inversor (11) multiplicada por la relación de tensión del transformador.

20. Sistema de circuitos, según la reivindicación 16, caracterizado por una realización tal que los impulsos del inversor (4, 14 ó 34) asignado del convertidor resonante (15) pueden conectarse directamente sin ajuste gradual de nuevo con toda la relación de impulsos, después que la tensión de entrada ha sido ajustada mediante la regulación de carga de modo tal que corresponde a la tensión momentánea en el condensador de inversor (11) multiplicada por la relación de tensión del transformador.

21. Sistema de circuitos, según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por una realización tal, que el sistema de circuitos para una carga regulable (102) es usado también para, antes de la conexión de los inversores (4, 14, 24 ó 34) reducir la tensión de entrada a un valor que permite la operación de los inversores (4, 14, 24 ó 34), sin que se superen en estos inversores las exigencias respecto de la rigidez dieléctrica de los conmutadores de semiconductores.