ES2345483T3 - Dispositivo de conversion de energia. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de conversión reversible de energía eléctrica que puede conectarse entre al menos una fuente (11 a 1n) de tensión alterna de entrada y al menos una carga (41 a 4n) que forma una fuente (41 a 4n) de corriente alterna de salida, presentando cada fuente (11 a 1n) de tensión alterna de entrada un borne (21 a 2n) de alimentación y un borne (31 a 3n) de neutro, comprendiendo el dispositivo al menos un bloque (61 a 6n) de conmutación, adaptado para estar asociado a una fuente (41 a 4n) de corriente alterna de salida y comprendiendo un borne (71 a 7n) de entrada al que puede conectarse el borne (21 a 2n) de alimentación de la fuente (11 a 1n) de tensión alterna de entrada, al menos un borne (91 a 9n) de referencia y un borne (101 a 10n) de salida al que puede conectarse dicha carga (41 a 4n) que forma una fuente de corriente alterna de salida, comprendiendo también dicho bloque (61 a 6n) una matriz (121 a 12n) de conmutación formada por condensadores (20j,i,k) y por celdas (22j,i,k) de conmutación, celdas que son controladas de manera individual por medios (28j,i,k) de control de su funcionamiento, caracterizado porque el o cada bloque (61 a 6n) de conmutación comprende un único borne (91 a 9n) de referencia que está a un potencial de referencia diferente del potencial de dicho borne (31 a 3n) de neutro de dicha fuente (11 a 1n) y porque comprende medios (131 a 13n, 50) de mantenimiento permanente, en un signo constante o nulo, de la diferencia de potencial entre dicho borne (71 a 7n) de entrada y dicho borne (91 a 9n) de referencia del o de cada bloque (61 a 6n) de conmutación.
Description
Dispositivo de conversión de energía.
La presente invención se refiere a un
dispositivo de conversión reversible de energía eléctrica de corte
entre una o varias fuentes de tensión alterna y una o varias
fuentes de corriente alterna.
Soluciones existentes, a base de contactores o
de tiristores y de transformadores, permiten efectuar este tipo de
conversión.
Sin embargo, estas soluciones sólo permiten una
regulación discreta, y por tanto imprecisa y su respuesta es
lenta.
Además, estas soluciones necesitan
transformadores con conexiones intermedias para realizar la
regulación de la tensión. El coste del conjunto es, por tanto,
elevado.
Otras soluciones para realizar dispositivos de
conversión de energía utilizan asociaciones de condensadores y de
interruptores que permiten conmutar la corriente entre los
diferentes condensadores y así transformar la señal.
Una utilización de condensadores conmutados de
este tipo para proceder a una conversión de una señal es una
técnica clásica de la electrónica.
Una red de semiconductor que sirven de
interruptores y de condensadores dispuestos en matriz entre una
fuente de tensión y una fuente de corriente, se utiliza en el
dispositivo descrito en la solicitud de patente francesa,
presentada el 26 de mayo de 2000, con el n.º 00 06 786 por la
solicitante.
Sin embargo, el dispositivo descrito en la
solicitud de patente francesa 00 06 786, no permite efectuar una
conversión entre una fuente de tensión alterna y una fuente de
corriente alterna.
Un dispositivo que efectúa teóricamente una
conversión entre una fuente de tensión alterna y una fuente de
corriente alterna, se describe en el artículo de D.-H.KWON, D.-D.MIN
y J.-H.KIM, titulado "Novel topologies of AC choppers",
publicado en IEE Proceedings on Electr. Power Appl., páginas
323-330, volumen 143, n.º 4 de julio de 1996.
Sin embargo, este artículo describe de manera
puramente teórica un caso particular que presenta tres fuentes de
corriente alterna y no tiene en cuenta los problemas de implantación
prácticos de los circuitos electrónicos de potencias medianas y
grandes.
En particular, parece que los circuitos
electrónicos de este documento, presentan riesgos de sobretensión
importantes a potencia pequeña y criticas a potencia alta
especialmente superior a 750 kW.
La invención pretende remediar este problema
permitiendo una conversión reversible de energía eléctrica entre
una o varias fuentes de tensión alterna y una o varias fuentes de
corriente alterna, fiable para todas las potencias.
Para ello, la invención tiene como objeto un
dispositivo de conversión reversible de energía eléctrica que puede
conectarse entre al menos una fuente de tensión alterna de entrada y
al menos una carga que forma una fuente de corriente alterna de
salida, presentando cada fuente de tensión alterna de entrada un
borne de alimentación y un borne de neutro, comprendiendo el
dispositivo al menos un bloque de conmutación, adaptado para estar
asociado a una fuente de corriente alterna de salida y comprendiendo
un borne de entrada al que puede conectarse el borne de
alimentación de la fuente de tensión alterna de entrada, al menos un
borne de referencia y un borne de salida al que puede conectarse
dicha carga que forma una fuente de corriente alterna de salida,
comprendiendo también dicho bloque una matriz de conmutación
formada por condensadores y por celdas de conmutación, celdas que
son controladas de manera individual por medios de control de su
funcionamiento, caracterizado porque el o cada bloque de
conmutación comprende un único borne de referencia que está a un
potencial de referencia diferente del potencial de dicho borne de
neutro de dicha fuente y porque comprende medios de mantenimiento
permanente, en un signo constante o nulo, de la diferencia de
potencial entre dicho borne de entrada y dicho borne de referencia
del o de cada bloque de conmutación.
Según otras características de los ejemplos de
realización preferidos:
- -
- la matriz del o de cada bloque comprende al menos una etapa que comprende al menos un rango de celdas de conmutación, dispuestas a razón de una sola celda de conmutación para cada etapa de un mismo rango, estando compuesta cada celda de conmutación por dos elementos que forman un interruptor, definiendo la o cada etapa dos grupos de interruptores unidos en serie y por tanto definiendo dicha matriz de conmutación dos grupos extremos de interruptores, estando asociada cada celda de conmutación a un condensador dimensionado para mantener entre los bornes homólogos de los dos interruptores de cada celda de conmutación, una tensión de carga igual a una fracción de la tensión de la fuente de tensión alterna de entrada, decreciente en función de su rango a partir de esta fuente, estando conectados los condensadores de un mismo rango en serie entre los dos grupos extremos de interruptores.
\newpage
- -
- todos los interruptores de cada celda de conmutación son unidireccionales en tensión y bidireccionales en corriente;
- -
- todos los interruptores de cada celda de conmutación están formados de componentes electrónicos que son unidireccionales en tensión y unidireccionales en corriente;
- -
- todos los interruptores de cada celda de conmutación están formados por componentes electrónicos todos idénticos, y porque cada interruptor está constituido por interruptores elementales idénticos conectados en serie cuyo número es función de la tensión máxima aplicable entre sus bornes;
- -
- comprende medios de pilotaje de los medios de control que comprenden medios de tratamiento de una señal de referencia para enviar en la salida una pluralidad de señales secundarias de referencia, y medios de transmisión de cada señal secundaria de referencia a todos los medios de control de las celdas de conmutación de una misma etapa de todas las matrices de todos los bloques del dispositivo;
- -
- dichos medios de tratamiento están adaptados para enviar una pluralidad de señales secundarias de referencia que son funciones afines por trozo de la señal de referencia, siendo cada señal secundaria de referencia de una etapa que es en cada instante de valor superior o igual al valor de una señal secundaria de referencia de una etapa más próxima a la fuente de tensión;
- -
- dichos medios de pilotaje comprenden medios de generación de una señal de sincronización para enviar en la salida una pluralidad de señales secundarias de sincronización, y medios de transmisión de cada señal secundaria de sincronización a todos los medios de control de las celdas de conmutación de un mismo rango de todas las matrices de todos los bloques del dispositivo;
- -
- comprende un único bloque de conmutación y puede conectarse a una sola fuente de tensión alterna de entrada cuyo dicho borne de neutro es accesible para permitir una conexión y que está asociado a una sola carga que forma una fuente de corriente alterna de salida, y porque comprende además un primer condensador que puede conectarse entre dicho borne de neutro de dicha fuente y un borne de salida de la carga y un segundo condensador que puede conectarse entre el borne de referencia de dicho bloque de conmutación y el borne de salida de la carga;
- -
- comprende un único bloque de conmutación y puede conectarse a una sola fuente de tensión alterna de entrada cuyo dicho borne de neutro es accesible para permitir una conexión y que está asociado a una sola carga que forma una fuente de corriente alterna de salida, y comprende un bloque de desfase que comprende un borne de entrada adaptado para unirse a dicho borne de neutro de dicha fuente, un borne de referencia unido al borne de referencia del bloque de conmutación, y un borne de salida que puede conectarse al borne de salida de la carga, permitiendo dicho bloque de desfase modificar el potencial del borne de salida que puede conectarse a un borne de salida de la carga;
- -
- comprende un primer y un segundo bloques de conmutación y puede conectarse a una sola fuente de tensión alterna de entrada cuyo dicho borne de neutro es accesible para permitir una conexión y que está asociado a una sola carga que forma una fuente de corriente alterna de salida, estando unidos los bornes de referencia de los dos bloques de conmutación entre sí, estando adaptado el primer bloque de conmutación para conectarse por su borne de entrada al borne de alimentación de dicha fuente, estando adaptado el segundo bloque de conmutación para conectarse por su borne de entrada al borne de neutro de dicha fuente, estando adaptado además dicho dispositivo para la conexión de dicha carga entre los bornes de salida de los dos bloques de conmutación;
- -
- los medios de mantenimiento permanente, en un signo constante o nulo de la diferencia de potencial entre dicho borne de entrada y dicho borne de referencia comprenden, asociados al o a cada bloque de conmutación, medios de inhibición que comprenden medios de evaluación del signo de la diferencia de potencial entre dicho borne de entrada y dicho borne de neutro de la fuente, adaptados para enviar en la salida una señal de inhibición del bloque de conmutación, y el o cada bloque de conmutación está adaptado para unir entre sí su borne de entrada, su borne de referencia y su borne de salida, durante la recepción de dicha señal de inhibición;
- -
- dichos medios de inhibición están adaptados para enviar dicha señal de inhibición cuando la diferencia de potencial entre dicho borne de entrada y dicho borne de neutro de la fuente es negativa, estando formada además la matriz de conmutación por componentes electrónicos orientados de manera que dicho bloque de conmutación soporta únicamente una tensión positiva o nula;
- -
- dichos medios de inhibición están adaptados para enviar dicha señal de inhibición cuando la diferencia de potencial entre dicho borne de entrada y dicho borne de neutro de la fuente es positiva, estando formada además la matriz de conmutación por componentes electrónicos orientados de manera que dicho bloque de conmutación soporta únicamente una tensión negativa o nula;
- -
- puede conectarse a al menos dos fuentes de tensión alterna de entrada cuyos bornes de neutro están todos unidos entre sí, asociadas al mismo número de cargas que forman fuentes de corriente alterna de salida y cuyos bornes de salida están también todos unidos entre sí y comprende una pluralidad de bloques de conmutación, estando unidos todos los bornes de referencia de los bloques de conmutación entre sí;
- -
- dichos bornes de neutro de dichas fuentes son accesibles para permitir una conexión, y comprende un bloque de desfase que comprende un borne de entrada adaptado para unirse a dichos bornes de neutro, un borne de referencia unido al conjunto de los bornes de referencia de los bloques de conmutación y un borne de salida que puede conectarse al conjunto de los bornes de salida de las cargas que forman una fuente de corriente alterna de salida, permitiendo dicho bloque de desfase modificar el potencial del borne de salida que puede conectarse a los bornes de salida de cargas;
- -
- los medios de mantenimiento permanente, en un signo constante o nulo de la diferencia de potencial entre dicho borne de entrada y dicho borne de referencia comprenden, asociados al o a cada bloque de conmutación, medios de inhibición que comprenden medios de comparación de la diferencia de potencial entre los bornes de entrada y un borne de potencial común a todos los dichos bloques de conmutación, tal como los bornes de neutro de las fuentes, los bornes de salida de las cargas o los bornes de referencia, adaptados para enviar en la salida señales de inhibición de los bloques de conmutación y el o cada bloque de conmutación está adaptado para unir entre sí su borne de entrada, su borne de referencia y su borne de salida, durante la recepción de dicha señal de inhibición;
- -
- dichos medios de inhibición están adaptados para enviar una señal de inhibición únicamente al bloque cuya diferencia de potencial entre los bornes de entrada y un borne de potencial común a todos los dichos bloques de conmutación, tal como los bornes de neutro de las fuentes, los bornes de salida de las cargas o los bornes de referencia, es la más pequeña, estando además formadas las matrices de conmutación por componentes electrónicos orientados de tal manera que dichos bloques soportan únicamente una tensión positiva o nula;
- -
- dichos medios de inhibición están adaptados para enviar una señal de inhibición únicamente al bloque cuya diferencia de potencial entre los bornes de entrada y un borne de potencial común a todos los dichos bloques de conmutación, tal como los bordes de neutro de las fuentes, los bornes de salida de las cargas o los bornes de referencia, es la más grande, estando además formadas las matrices de conmutación por componentes electrónicos orientados de tal manera que dichos bloques soportan únicamente una tensión negativa o nula;
- -
- está adaptado para estar conectado a tres fuentes de tensión alterna de entrada que forman las tres fases de una red de alimentación de energía eléctrica trifásica;
- -
- cada matriz de cada bloque de conmutación comprende un único condensador y una única celda de conmutación.
\vskip1.000000\baselineskip
La invención se entenderá mejor con la lectura
de la descripción que sigue, dada únicamente a modo de ejemplo y
realizada en referencia a los dibujos, en los que:
- la figura 1 es un esquema de bloque de
principio de un dispositivo de conversión según la invención;
- la figura 2 es un esquema eléctrico de
principio de un bloque de conmutación;
- las figuras 3, 4 y 5 son esquemas de bloques
que detallan cada uno la realización de un dispositivo según la
invención, en el caso particular de la conexión a una única fuente
de tensión alterna de entrada;
- la figura 6 es un esquema bloque que detalla
un dispositivo de conversión de energía según la invención en el
caso particular de tres fuentes de tensión alternas de entrada;
- las figuras 7 y 8 son esquemas eléctricos de
principio de una matriz de conmutación puesta en práctica en la
invención en el caso en que comprende dos etapas y dos rangos, que
detallan además un conjunto de control de este dispositivo;
- la figura 9 es una representación de la forma
de las señales de referencia del dispositivo descrito en referencia
a las figuras 6 a 8;
- la figura 10 es una representación de la forma
de las señales de control del dispositivo descrito en referencia a
las figuras 6 a 8;
- la figura 11 es una representación de la forma
de la tensión entre el borne de entrada y el borne de referencia de
un bloque de conmutación del dispositivo descrito en referencia a
las figuras 6 a 8;
- la figura 12 es una representación de la forma
de las tensiones de salida de los bloques de conmutación del
dispositivo descrito en referencia a las figuras 6 a 8; y
- la figura 13 es una representación de la forma
de las corrientes de salida de los bloques de conmutación del
dispositivo descrito en referencia a las figuras 6 a 8.
En la figura 1 se representa un dispositivo de
conversión de energía según la invención.
Este dispositivo está conectado a una pluralidad
de fuentes 1_{1} a 1_{n} de tensión alterna de entrada
constituidas por ejemplo por las diferentes fases de una red de
alimentación polifásica.
Las fuentes 1_{1} a 1_{n} de tensión alterna
de entrada están todas desfasadas entre sí. Así, si el sistema
dispone de n fuentes de tensión alterna de entrada, están desfasadas
entre sí por \frac{2 \Pi}{n}.
Estas fuentes 1_{1} a 1_{n} de tensión
alterna de entrada comprenden, cada una, un borne 2_{1} a 2_{n}
de alimentación y un borne 3_{1} a 3_{n} de neutro, bornes
3_{1} a 3_{n} de neutro que pueden ser accesibles o no. Están
asociadas a cargas 4_{1} a 4_{n} por medio de bloques 6_{1} a
6_{n} de conmutación integrados en el dispositivo de conversión
de energía. Las cargas 4_{1} a 4_{n} son elementos bipolares,
constituidos, por ejemplo, por resistencias en serie con
inductancias, y sirven de fuentes de corriente. Presentan, cada
una, un borne 5_{1} a 5_{n} de salida.
Cada uno de los bloques 6_{1} a 6_{n} de
conmutación comprende un borne 7_{1} a 7_{n} de entrada
conectado al borne 2_{1} a 2_{n} de alimentación de la fuente
1_{1} a 1_{n} de tensión que tiene asociada.
Cada uno de los bloques 6_{1} a 6_{n}
comprende además un único borne 9_{1} a 9_{n} de referencia y
un borne 10_{1} a 10_{n} de salida. Comprende también una matriz
12_{1} a 12_{n} de conmutación y medios 13_{1} a 13_{n} de
inhibición asociados, adaptados para unir entre sí el borne 7_{j}
de entrada, el borne 9_{j} de referencia y el borne 10_{j} de
salida del bloque, inhibiendo así el bloque considerado.
En el caso en que el dispositivo comprende al
menos dos fuentes 1_{1} a 1_{n} de tensión alterna de entrada,
cada una asociada a un bloque 6_{1} a 6_{n} de conmutación, los
bornes 3_{1} a 3_{n} de neutro de las fuentes 1_{1} a 1_{n}
están todos unidos entre sí a un mismo potencial.
Por ejemplo, este potencial es el neutro de la
red de alimentación que corresponde a las fuentes 1_{1} a 1_{n}
de tensión alterna de entrada.
Además, los bornes 9_{1} a 9_{n} de
referencia de todos los bloques 6_{1} a 6_{n} de conmutación
están unidos entre sí y constituyen un potencial de referencia
común. Los bornes 5_{1} a 5_{n} de salida de las cargas 4_{1}
a 4_{n} están también todos unidos entre sí a un mismo
potencial.
Finalmente, los medios 13_{1} a 13_{n} de
inhibición comprenden medios de comparación de las tensiones
existentes entre los bornes 7_{1} a 7_{n} de entrada y un borne
de potencial común para todos los bloques 6_{1} a 6_{n} tal
como los bornes 9_{1} a 9_{n} de referencia, los bornes 5_{1}
a 5_{n} de salida o los bornes 3_{1} a 3_{n} de neutro.
En la figura 1, así como en las otras figuras,
los medios 13_{1} a 13_{n} de inhibición están representados
desplazados al nivel de los bloques 6_{1} a 6_{n} de
conmutación. Sin embargo, estos circuitos también pueden
reagruparse en un circuito central de inhibición que comprende
medios de comparación únicos y que controla todos los bloques
6_{1} a 6_{n}.
En el caso de que los bornes 3_{1} a 3_{n}
de neutro estén accesibles, el dispositivo de conversión comprende
ventajosamente un bloque 14 de desfase cuya arquitectura es idéntica
a la de los bloques de conmutación sin estar asociado, no obstante,
a una fuente de tensión alterna de entrada.
El borne 15 de entrada está por tanto unido al
conjunto de los bornes 3_{1} a 3_{n} de neutro de las fuentes
1_{1} a 1_{n}.
El bloque 14 de desfase comprende también un
borne 16 de referencia y un borne 17 de salida. Está constituido
por una matriz 18 de conmutación idéntica a las matrices 12_{1} a
12_{n} de los bloques 6_{1} a 6_{n} de conmutación.
El borne 16 de referencia está unido a los
bornes 9_{1} a 9_{n} de referencia de los bloques 6_{1} a
6_{n} de conmutación y el borne 17 de salida está unido a los
bornes 5_{1} a 5_{n} de salida de las cargas 4_{1} a 4_{n},
tal como se describe en referencia a las figuras 2, 7 y 8.
El bloque 14 de desfase permite desfasar el
potencial de los bornes 5_{1} a 5_{n} de salida de cargas
4_{1} a 4_{n}, tal como se describe en referencia a las figuras
2, 7 y 8.
El dispositivo de conversión, por tanto, está
adaptado a la naturaleza de las cargas 4_{1} a 4_{n}.
En la figura 2 se representa la arquitectura de
una matriz 12_{j} de conmutación, tal como las utilizadas en la
invención.
\newpage
El bloque 6_{j} de conmutación comprende un
borne 7_{j} de entrada al que se conecta el borne 2_{j} de
alimentación de una fuente 1_{j} de tensión alterna, un borne
10_{j} de salida y un borne 9_{j} de referencia.
El bloque 6_{j} de conmutación comprende una
matriz 12_{j} de conmutación formada por condensadores
20_{j,1,1} a 20_{j,n,p} y por celdas 22_{j,1,1} a
22_{j,n,p} de conmutación.
Cada celda 22_{j,i,k} de conmutación, está
constituida por dos interruptores 24_{j,i,k} y 26_{j,i,k}, y,
está unida para su pilotaje, a medios 28_{j,i,k} de control
específicos de ella.
En este dispositivo, los interruptores son
unidireccionales en tensión y bidireccionales en corriente y
formando los componentes electrónicos que forman los interruptores
24_{j,i,k} y 26_{j,i,k} de las celdas 22_{j,1,1} a
22_{j,n,p} de conmutación, son unidireccionales en corriente y en
tensión, tal como se describe en referencia a la figura 8.
El conjunto de los condensadores 20_{j,i,k} y
de las celdas 22_{j,i,k} de conmutación que forman la matriz
12_{j} está ordenado en n etapas 30_{j,1} a 30_{j,n} y en p
rangos 32_{j,1} a 32_{j,p}.
Eventualmente, cada matriz 12_{j} comprende
una sola etapa 30_{j,1,1} y un solo rango 32_{j,1,1}. En este
caso, la matriz 12_{j} está constituida por una sola celda
22_{j,1,1} de conmutación y por un solo condensador
20_{j,1,1}.
Las n etapas de la matriz 12_{j} definen n + 1
grupos de interruptores.
El primer grupo de interruptores está
constituido por interruptores 24_{j,1,1} a 24_{j,1,p,} de las p
celdas de conmutación de la primera etapa, conectados en serie. El
(n+1)ésimo grupo de interruptores está constituido por
interruptores 26_{j,n,1} a 26_{j,n,p}, de las p celdas de
conmutación de la enésima etapa, conectados en serie. El (n+1)ésimo
grupo de interruptores está constituido por interruptores
26_{j,n,1} a 26_{j,n,p} de las p celdas de conmutación de la
enésima etapa, conectados en serie. El iésimo grupo de
interruptores, con 1<i\leqn, está constituido por interruptores
24_{j,i,1} a 24_{j,i,p}, de las p celdas de conmutación de la
iésima etapa y por los interruptores 26_{j,i-1,1}
a 26_{i,i-1,p}, de las p celdas de conmutación de
la (i-1)ésima etapa, conectados alternativamente en
serie.
Todos los grupos de interruptores están unidos
por uno de sus extremos al borne 10_{j} de salida del bloque
6_{j} de conmutación.
La matriz 12_{j} del bloque 6_{j} de
conmutación define además dos grupos extremos de interruptores. El
primero está unido por un extremo al borne 10_{j} de salida y por
el otro extremo al borne 9_{j} de referencia. El (n+1)ésimo está
unido por un extremo al borne 10_{j} de salida y por el otro
extremo al borne 7_{j} de entrada.
Entre dos rangos 32_{j,k} y 32_{j,k+1}
sucesivos, n condensadores 20_{j,1,k} a 20_{j,n,k}, de rango k,
están conectados en serie a razón de uno por etapa. Así pues, en la
iésima etapa, el condensador 20_{j,i,k} está conectado por una
parte al iésimo grupo de interruptores, y por otra parte al
(i+1)ésimo grupo de interruptores.
Cada condensador 20_{j,i,k} está adaptado para
mantener entre sus bornes una tensión de carga, función creciente
de su rango k y que representa una fracción de la tensión parcial de
la fuente 1_{j} de tensión.
El conjunto de los bloques 6_{j,} a 6_{n} de
conmutación puesto en práctica en un dispositivo de conversión
según la invención, así como el bloque 14 de desfase, están
constituidos de la misma manera que el bloque 6_{j} de
conmutación descrito en referencia a la figura 2.
Además, en un mismo dispositivo, todos los
bloques 6_{1,} a 6_{n} de conmutación comprenden una matriz
12_{1,} a 12_{n} que comprende el mismo número de etapas y de
rangos y, por tanto, el mismo número de celdas de conmutación y de
condensadores.
A continuación va a explicarse el funcionamiento
de un dispositivo de este tipo.
Cada uno de estos bloques 6_{1,} a 6_{n} de
conmutación tiene dos modos de funcionamiento impuestos por los
medios 13_{1,} a 13_{n} de inhibición.
En un primer modo de funcionamiento, un bloque
6_{j,} de conmutación convierte la señal de entrada en una señal
de salida de la misma naturaleza y la misma frecuencia.
En este primer modo de funcionamiento, las
celdas 22_{j,i,k} de conmutación de los bloques 6_{1,} a 6_{n}
de conmutación están controladas con objeto de mantener los dos
interruptores de cada celda en estados opuestos.
La tensión entre el borne 7_{j} de
entrada_{,} y el borne 9_{j} de referencia es por tanto de signo
constante. Su signo está determinado por la orientación de los
componentes en la matriz 12_{j}.
Por ejemplo, una cierta orientación de los
componentes, descrita más adelante en referencia a la figura 8,
llega a una diferencia de potencial entre el borne 7_{j} de
entrada y el borne 9_{j} de referencia, constantemente
positiva.
En este caso, cuando los medios de comparación
de los medios 13_{j} de inhibición detectan que la tensión entre
el borne 7_{j} de entrada y un borne de potencial común a todos
los bloques 6_{1} a 6_{n} tal como el borne 3_{1} a 3_{n}
de neutro, el borne 5_{1} a 5_{n} de salida o el borne 9_{1} a
9_{n} de referencia, es inferior a las tensiones entre los bornes
de entrada de los demás bloques del sistema, y el mismo borne de
potencial común, los medios 13_{j} de inhibición envían al bloque
6_{j} de conmutación una señal de inhibición.
El bloque de conmutación bascula por tanto a un
segundo modo de funcionamiento, llamado "inhibición de bloque de
conmutación", el conjunto de los interruptores que forman las
celdas de conmutación de un bloque 6_{j} de conmutación se
cierran cortocircuitando así el borne 7_{j} de entrada, el borne
9_{j} de referencia y el borne 10_{j} de salida del bloque
6_{j} de conmutación.
En el caso en que la orientación de los
componentes impone una tensión entre los bornes 7_{j} y 9_{j}
constantemente negativa durante las fases de conmutación, el
criterio de inhibición se invierte.
Debido a las condiciones de inhibición de un
bloque de conmutación descritas anteriormente, sólo puede haber un
bloque de conmutación funcionando a la vez en modo de inhibición en
el conjunto de los bloques 6_{1} a 6_{n} de conmutación del
dispositivo de conversión.
En el caso en que el dispositivo comprende un
bloque de desfase, éste funciona de la misma manera que un bloque
de conmutación no inhibido.
Estando desfasadas las fuentes 1_{1} a 1_{n}
de tensión alterna de entrada entre sí, cada uno de los bloques
6_{1} a 6_{n} de conmutación bascula en modo inhibido durante un
periodo de \frac{2 \Pi}{n}.
En un dispositivo de este tipo, la puesta al
mismo potencial de todos los bornes 9_{1} a 9_{n} de referencia
y de todos los bornes 3_{1} a 3_{n} de neutro, los periodos de
inhibición controlados por los medios de inhibición y la
orientación de los componentes, garantizan el mantenimiento de la
tensión entre el borne 7_{1} a 7_{n} de entrada y el borne
9_{1} a 9_{n} de referencia de cada uno de los bloques de
conmutación, en un signo constante o nulo.
Estas tensiones, llamadas respectivamente
Vb_{1} a Vb_{n}, permanecen directamente unidas a las tensiones
de las fuentes 1_{1} a 1_{n} llamadas V1_{1} a V1_{n}.
En efecto, resulta que en todo momento se
verifica la relación
Vb_{1}-Vb_{3}=V1_{1}-V1_{3}.
Esta relación se verifica para todos los bloques por permutación
circular.
Asimismo, las tensiones compuestas de salida de
los bloques llamadas V10_{1}-V1_{j} también son
sinusoidales y generan las cargas 4_{1} a 4_{n} de las
corrientes sinusoidales de la misma frecuencia que las fuentes
1_{1} a 1_{n} de tensión alterna de entrada y desfasadas entre
sí por \frac{2 \Pi}{n}.
En la figura 3 se define la arquitectura de un
dispositivo según la invención conectado a una sola fuente 1 de
tensión alterna de entrada.
El dispositivo está conectado a una carga 4
asociada a una fuente 1 de tensión alterna de entrada cuyo borne 3
de neutro es accesible y comprende un bloque 6 de conmutación.
El bloque 6 de conmutación comprende un borne 7
de entrada conectado al borne 2 de alimentación de la fuente 1 de
tensión alterna de entrada. Comprende además un borne 9 de
referencia, un borne 10 de salida unido a la carga 4 y una matriz
12 de conmutación asociada a medios 13 de inhibición.
En esta configuración, el dispositivo comprende
además un primer condensador 20 conectado entre el borne 3 de
neutro de la fuente 1 y el borne 5 de salida de la carga 4 y un
segundo 22 condensador conectado entre el borne 5 de salida de la
carga 4 y el borne 9 de referencia del bloque 6 de conmutación.
Por tanto, se obtiene un circuito adaptado para
mantener constantemente una diferencia de potencial entre el punto
9 de referencia del bloque 6 de conmutación y el borne 3 de neutro
de la fuente 1 de tensión alterna de entrada.
Además, en esta configuración, los medios 13 de
inhibición del bloque 6 de conmutación comprenden medios de
evaluación del signo de la diferencia de potencial entre el borne 7
de entrada y el borne 3 de neutro, lo que corresponde a la
diferencia de potencial en los bornes de la fuente 1.
Cuando esta tensión es de un signo dado, es
decir, por ejemplo, positiva o nula, el bloque 6 funciona en bloque
de conmutación. Si esta tensión es de signo opuesto, en el ejemplo,
negativa, los medios 13 de inhibición controlan la matriz 12 de
conmutación con objeto de que todos los interruptores se cierren
cortocircuitando así el borne 7 de entrada, el borne 9 de
referencia y el borne 10 de salida, el bloque 6 bascula por tanto a
modo inhibido.
Ventajosamente, para reconstituir la totalidad
de una señal sinusoidal, el circuito debe comprender medios de
desfase de la señal de la fuente 1 de tensión alterna de entrada
para que la tensión de entrada sea siempre positiva o nula.
En la figura 4, se representa el caso de un
dispositivo según la invención conectado a una sola fuente 2 de
tensión alterna de entrada cuyo borne 3 de neutro es accesible y que
comprende un bloque 14 de desfase.
Tal como se ha descrito en referencia a la
figura 3, el dispositivo está conectado a la fuente 1 de tensión
alterna de entrada asociada a la carga 4 que sirve de fuente de
corriente de salida, y que comprende el bloque 6 de
conmutación.
El bloque 6 de conmutación comprende la matriz
12 asociada a los medios 13 de inhibición.
El dispositivo comprende además un bloque 14 de
desfase que dispone de un borne 15 de entrada conectado al borne 3
de neutro de la fuente 1, de un borne 17 de salida conectado al
borne 5 de salida de la carga 4 y de un borne 16 de referencia,
conectado al borne 9 de referencia del bloque 6 de conmutación.
El bloque 14 de desfase permite modificar el
potencial del borne 5 de salida de la carga 4, tal como se describe
en referencia a las figuras 2, 7 y 8.
En la figura 5, se representa una variante del
caso de un dispositivo según la invención conectado a una sola
fuente 1 de tensión alterna de entrada cuyo borne 3 de neutro es
accesible.
En el caso en que el dispositivo está conectado
a una única fuente 1 de tensión alterna de entrada cuyos bornes 2
de alimentación y 3 de neutro son accesibles, esta fuente 1 alterna
de entrada puede considerarse como que está formada por dos fuentes
1_{1} y 1_{2} alternas en oposición de fase.
El dispositivo comprende por tanto dos bloques
6_{1} y 6_{2} de conmutación que están conectados a dos fuentes
1_{1} y 1_{2} virtuales de manera clásica tal como se ha
descrito en referencia a la figura 1, sirviendo el borne 3 de
neutro de borne 2_{2} de alimentación.
El bloque 6_{1} de conmutación está asociado a
una carga 4_{1} y el bloque 6_{2} de conmutación está asociado
a una carga 4_{2}. Estas dos cargas 4_{1} y 4_{2} están
conectadas entre sí por sus bornes 5_{1} y 5_{2} de salida.
Eventualmente, las dos cargas 4_{1} y 4_{2}
pueden sustituirse por una única carga 4 conectada entre los puntos
10_{1} y 10_{2} de salida de los bloques 6_{1} y 6_{2} de
conmutación.
Un dispositivo de este tipo funciona de la misma
manera que el dispositivo general descrito en referencia a la
figura 1.
Sin embargo, en una configuración física de este
tipo, no se puede conectar un bloque de desfase.
El funcionamiento del dispositivo según la
invención se describe basándose en el caso particular descrito en
referencia a las figuras 6 a 8.
En la figura 6 se representa un dispositivo de
conversión según la invención en el caso particular en que está
conectado a tres fuentes 1_{1}, 1_{2} y 1_{3} de tensión
alterna de entrada asociadas a tres cargas 4_{1}, 4_{2} y
4_{3} por medio de los bloques 6_{1}, 6_{2} y 6_{3} de
conmutación.
Las tres fuentes 1_{1}, 1_{2} y 1_{3} de
tensión alterna de entrada envían la misma señal alterna sinusoidal
de frecuencia f y están desfasadas entre sí por una desviación
temporal de \frac{1}{3f}. Presentan, cada una, un borne 2_{1},
2_{2} y 2_{3} de alimentación y un borne 3_{1}, 3_{2} y
3_{3} de neutro que puede ser accesible o no.
Por ejemplo, en el caso de una red de
alimentación trifásica, cada una de las fuentes de tensión alterna
de entrada representa una fase de la red.
Cada bloque 6_{1}, 6_{2} y 6_{3} de
conmutación comprende un borne 7_{1}, 7_{2} y 7_{3} de entrada
y un borne 9_{1}, 9_{2} y 9_{3} de referencia y un borne
10_{1}, 10_{2} y 10_{3} de salida. Los bornes 7_{1},
7_{2} y 7_{3} de entrada están unidos a los bornes 2_{1},
2_{2} y 2_{3} de alimentación y se representan mediante las
mismas referencias 7_{1}, 7_{2} y 7_{3}.
Comprenden respectivamente matrices 12_{1},
12_{2} y 12_{3} de conmutación asociadas a medios 13_{1},
13_{2} y 13_{3} de inhibición.
En un caso particular, cada matriz 12_{1},
12_{2} y 12_{3} de conmutación sólo comprende una etapa y un
rango y por ello sólo se asocia una celda de conmutación a un único
condensador.
Tal como se ha definido en referencia a la
figura 1, los bornes 3_{1}, 3_{2} y 3_{3} de neutro están
todos conectados entre sí y definen un neutro común a las tres
fuentes 1_{1}, 1_{2} y 1_{3} de tensión alterna de
entrada.
Los bornes 9_{1}, 9_{2} y 9_{3} de
referencia están conectados entre sí al igual que los bornes
5_{1}, 5_{2} y 5_{3} de salida de las cargas 4_{1}, 4_{2}
y 4_{3}.
En referencia a las figuras 7 y 8 se describe el
detalle del bloque 6_{1} de conmutación y de su sistema de
control.
La matriz 12_{1} del bloque 6_{1} comprende
dos etapas 30_{1,1} y 30_{1,2} y dos rangos 32_{1,1} y
32_{1,2}. Comprende por tanto cuatros celdas 22_{1,1,1},
22_{1,1,2}, 22_{1,2,1} y 22_{1,2,2} de conmutación asociadas
a los cuatros condensadores 20_{1,1,1}, 20_{1,1,2}, 20_{1,2,1}
y 20_{1,2,2} y controladas respectivamente por cuatros
dispositivos 28_{1,1,1}, 28_{1,1,2}, 28,_{1,2,1} y
28_{1,2,2} de control.
El sistema de control está constituido por un
módulo 34 de sincronización que comprende medios 36 de generación
de señales triangulares alternas simétricas de frecuencia F así como
un circuito 38 retardo, que genera dos señales Sd_{1} y Sd_{2}
desfasadas por una desviación temporal igual a \frac{1}{2F} y que
se alimentan respectivamente a los dispositivos 28_{11,1},
28_{1,2},_{1} de control del primer rango, y 28_{1,1,2},
28_{1,2,2} del segundo rango.
Evidentemente, en el caso en que cada matriz de
conmutación comprende p rangos, las señales triangulares procedentes
del módulo 34 de sincronización, están todas desfasadas por una
desviación temporal de \frac{1}{pF}.
Estas señales de sincronización son utilizadas
por todos los bloques de conmutación del dispositivo.
En el modo de realización descrito en este caso,
la frecuencia F es netamente superior a la frecuencia f de las
fuentes 1_{1}, 1_{2} y 1_{3} de tensión alterna y se elige
para representar más precisamente un múltiplo de f por motivos de
simplicidad.
El dispositivo también comprende un generador 40
de señal de pilotaje que envía una señal Sr de referencia continua
que varía entre 0 y 1 que corresponde al reglaje de la cantidad de
energía que hay que transferir entre la fuente 6_{1} de tensión
alterna de entrada y la fuente 4_{1} de corriente.
Esta señal Sr de referencia se trata en la
salida del generador 40 de pilotaje por dos módulos 42 y 44 de
tratamiento respectivos de primera y segunda etapa, para
proporcionar respectivamente en la salida, dos señales Sr_{1} y
Sr_{2} secundarias de referencia. Estas dos señales Sr_{1} y
Sr_{2} se alimentan respectivamente a los dispositivos
28_{1,1,1}, 28_{1,1,2} de la primera etapa y 28_{1,2,1},
28_{1,2,2} de la segunda etapa.
Estas señales de control secundarias son
utilizadas por todos los bloques de conmutación del dispositivo.
Los cuatros dispositivos 28_{1,1,1} a
28_{1,2,2} de control están sincronizados y envían señales de
control a una frecuencia F, adaptadas para garantizar aparte de los
periodos de inhibición del bloque 6_{1}, las conmutaciones a
estados opuestos de dos interruptores de cada celda.
Cada dispositivo 28_{1,1,1} a 28_{1,2,2} de
control comprende, por ejemplo, un comparador cuyo estado lógico en
la salida es el resultado de la comparación de tres señales, de las
cuales una procede del módulo 34 de sincronización, otra del
generador 40 de pilotaje, y una tercera de los medios 13_{1} de
inhibición.
El dispositivo 28_{1,i,k} de control
proporciona por tanto en la salida una señal Sc_{1,i,k} cuyo valor
determina el estado de la celda 22_{1,i,k} de conmutación.
Esta señal Sc_{1,i,k} de control debe permitir
diferenciar los tres estados de una celda de conmutación, es decir,
los dos estados de conmutación opuesta de los interruptores y el
estado de inhibición en el que se cierran los dos
interruptores.
Un ejemplo de realización de un sistema de
control de este tipo se describe en la figura 8.
En el modo de realización descrito, se observa
que los interruptores de los grupos extremos son susceptibles de
soportar una tensión doble de la soportada por los interruptores del
grupo intermediario.
Ventajosamente, los interruptores 24_{1,1,1},
24_{1,2,1}, 26_{1,1,2} y 26_{1,2,2}, de los grupos extremos
están formados por dos interruptores 50 elementales idénticos
montados en serie y controlados para estar en el mismo estado en
todo momento. Cada interruptor 50 elemental está formado por un
transistor 52 montado con un diodo 54 en antiparalelo. Así, todos
los componentes electrónicos que forman los interruptores de un
bloque de conmutación son idénticos.
Además, todos los componentes electrónicos que
forman los interruptores 50 elementales de todos los bloques de
conmutación de un dispositivo según la invención, son
unidireccionales en corriente y en tensión.
En el ejemplo descrito en referencia a la figura
8, la tensión entre el borne 7_{1} de entrada y el borne 9_{1}
de referencia es siempre positiva o nula.
En el caso en que se invierten todos los
componentes electrónicos polarizados del dispositivo, esta tensión
es positiva o nula.
A continuación, se va a detallar una variante
del sistema de control al nivel de los interruptores de una celda
de conmutación, y más precisamente de la celda 22_{1,2,2} de
conmutación.
Esta celda comprende un primer interruptor
24_{1,2,2} formado por un único interruptor 50 elemental y un
segundo interruptor 26_{1,2,2} formado por dos interruptores 50
elementales. Está controlada por el dispositivo 28_{1,2,2} de
control.
Este dispositivo 28_{1,2,2} de control genera
una señal Sc_{1,2,2} de control y, está conectado en la salida
directamente a una primera puerta O lógica y, por medio de un
inversor, a una segunda puerta O lógica.
Las dos puertas O están además conectadas a los
medios 13_{1} de inhibición y reciben la señal In1.
La primera puerta O está unida en la salida a
los dos interruptores elementales que constituyen el interruptor
26_{1,2,2}, con el fin de enviar la señal Sc26_{1,2,2} de
control obtenida para una operación de O lógica entre las señales
Sc_{1,2,2} e In1.
La segunda puerta O está unida en la salida al
interruptor 24_{1,2,2} con el fin de enviar la señal
Sc24_{1,2,2} de control obtenida por una operación de O lógica
entre las señales Sc_{1,2,2} e In1.
Resulta por tanto que cuando la señal In_{1}
de inhibición vale 0, las señales Sc 24_{1,2,2} y Sc26_{1,2,2}
de control son complementarias, lo que permite garantizar una
conmutación a estados opuestos de los dos interruptores que forman
la celda 22_{1,2,2}.
Cuando la señal In_{1} vale 1, las dos señales
Sc 24_{1,2,2} y Sc 26_{1,2,2} de control valen 1, lo que
corresponde al cierre de los interruptores 24_{1,2,2} y
26_{1,2.2}. La celda 22_{1,2,2} por tanto se inhibe.
Las otras celdas del dispositivo son controladas
de manera análoga.
En otro ejemplo, las señales de control están
constituidas por un control digital codificado en dos bits.
Así, cuando la señal In_{1} de inhibición vale
0 la señal Sc_{1,1,k} de control vale 01 ó 00. En el caso en que
vale 01, el interruptor 24_{1,1,k} de la celda 22_{1,1,k} de
conmutación se bloquea y el interruptor 26_{1,1,k} de esta misma
celda es pasante. Al contrario, cuando la señal Sc_{1,i,k} de
control vale 00, el interruptor 24_{1,i,k} de la celda
22_{1,i,k} de conmutación es pasante y el interruptor 26_{1,i,k}
de esta misma celda se bloquea.
Finalmente, en caso de inhibición del bloque
6_{1} de conmutación, la señal In_{1} de inhibición vale 1, la
señal Sc_{1,1,k} vale 11 o 10, y todos los interruptores de las
celdas 22_{1,1,1} a 22_{1,2,2} de conmutación se cierran.
En el caso en que el dispositivo comprende un
bloque de desfase, se controla de la misma manera que un bloque de
conmutación en ausencia de la señal de inhibición. Todos los
interruptores están por tanto controlados en conmutaciones
opuestas.
El control simultáneo de los dos interruptores
de una misma celda no se describirá adicionalmente en lo sucesivo,
considerándose conocido en el estado de la técnica.
Como aparece en referencia a la figura 9, la
señal Sr_{1} destinada a los dispositivos de control de la
primera etapa 30_{1,1}, vale 2x Sr entre 0 y 1/2 y se fija en 1
entre 1/2 y 1. La señal Sr_{2} destinada a los dispositivos de
control de la segunda etapa 30_{1,2} vale 0 hasta 1/2 y después 2x
Sr entre 1/2 y 1.
En el caso en que las matrices 12_{1} a
12_{3} de los bloques 6_{1} a 6_{3} de conmutación comprenden
tres etapas, conviene determinar tres señales de control
segundarias. La primera vale 3x Sr entre 0 y 1/3 y fijándose
después en 1, la segunda vale 0 antes de 1/3, 3x Sr entre 1/3 y 2/3
y 1 después de 2/3 y la tercera vale 0 antes de 2/3 y 3x Sr entre
2/3 y 1. De manera general, un dispositivo que comprende n etapas
presenta n señales Sr_{1} a Sr_{n}.
Por ejemplo, en el dispositivo descrito en
referencia a las figuras 6 a 9, si la señal Sr vale 0,25, la señal
Sr_{1} vale 0,5 y la señal Sr_{2} es nula.
La figura 10 representa, por una parte, la forma
de las tres señales Sr_{1}, Sd_{1} e In_{1} proporcionadas en
la entrada del dispositivo 28_{1,1,1} de control y, por otra
parte, la forma de la señal Sc26_{1,1,1} de control proporcionada
por el dispositivo 28_{1,1,1} de control, hacia el interruptor
26_{1,1,1} en función de las señales recibidas de control en la
entrada.
La señal Sc24_{1,1,1} dirigida al interruptor
24_{1,1,1} no se representa.
La señal Sd1 es una señal triangular de amplitud
variable entre 0 y 1 y de frecuencia F que vale en este caso
20f.
Para el primer rango de la primera etapa, cuando
la señal In_{1} de inhibición es nula, la señal Sc26_{1,1,1} es
una señal cuadrada, de valor nulo cuando se verifica la relación Sd1
> Sr1 y, de valor unidad cuando se verifica la relación Sd1 <
Sr1 tal como se representa en referencia a la figura 10.
Esta señal y la señal Sc24_{1,1,1} son
complementarias y generan la conmutación a estados opuestos de los
interruptores de la celda 22_{1,1,1} de conmutación.
Cuando la señal In_{1} vale 1, las señales
Sc24_{1,1,1} y Sc26_{1,1,1} se fijan en 1 y todos los
interruptores de la celda 22_{1,1,1} de conmutación se
cierran.
El conjunto de las celdas de la matriz de
conmutación recibe la misma señal In_{1} de inhibición, todos los
interruptores por tanto se cierran. El bloque está por tanto en modo
de inhibición.
Para el primer rango de la segunda etapa, en el
ejemplo elegido con Sr = 0,25, la señal Sr_{2} es nula. Por ello,
cuando In_{1} es nula, siendo Sr_{2} inferior a Sd_{1}, la
señal Sc_{1,2,1} vale cero. La celda de conmutación 22_{1,2,1}
está en un estado fijo. Estando abierto el interruptor 26_{1,2,1}
y estando cerrado el interruptor 24_{1,2,1}.
Cuando In_{1} vale 1, el bloque 6 de
conmutación se inhibe, las señales Sc24_{1,2,1} y Sc26_{1,2,1}
se fijan en 1 y todos los interruptores se cierran.
Para el segundo rango del dispositivo, la señal
Sd_{2} es una señal triangular de amplitud variable entre 0 y 1 y
de frecuencia F, desfasada por una desviación temporal igual a
\frac{1}{2F} con respecto a la señal Sd_{1}. Las señales
Sc_{1,1,2} y Sc_{1,2,2} son, por tanto, señales cuadradas,
desfasadas por una desviación temporal igual a \frac{1}{2F} con
respecto a las señales Sc_{1,1,1} y Sc_{1,2,1}.
Por otro lado, la señal In_{1} de inhibición
es común a todas las celdas del bloque. Por eso, los diferentes
rangos de una misma etapa se comportan de manera análoga presentando
una desviación temporal de \frac{1}{2F}.
En la figura 11 se representa la tensión de
entrada de uno de los bloques de conmutación del dispositivo
descrito en referencia a las figuras 6 a 10.
La tensión Vb_{1} corresponde a la diferencia
de potencial entre el borne 7_{1} de entrada del bloque 6_{1}
de conmutación y el borne 9_{1} de referencia.
Resulta que, aunque la fuente 1_{1} de tensión
asociada al bloque 6_{1} sea una fuente alterna sinusoidal, la
tensión Vb_{1} tiene una forma particular debido a las variaciones
del potencial del borne 9_{1} de referencia y del periodo de
inhibición del bloque 6_{1} de conmutación.
Presenta una parte positiva con una curvatura
doble sobre un periodo de 2/3 de f y una parte nula sobre el
periodo de 1/3 de f correspondiente al periodo de inhibición del
bloque 6_{1}.
Las tensiones Vb_{2} y Vb_{3} tienen la
misma forma que la tensión Vb_{1} estando al mismo tiempo
desfasados entre sí por un tercio de periodo.
En efecto, cada uno de los bloques 6_{1},
6_{2} y 6_{3} de conmutación se inhibe durante un tercio del
periodo correspondiente a la frecuencia f de las fuentes
1_{1},1_{2} y 1_{3} de tensión alterna de entrada.
Además, las tres fuentes 1_{1},1_{2} y
1_{3} de tensión están desfasadas entre sí por un tercio de
periodo.
En referencia a la figura 12 se representan las
tensiones de salida de los bloques 6_{1},6_{2} y 6_{3} de
conmutación.
Estas tensiones Vs_{1}, Vs_{2} y Vs_{3} de
salida corresponden a la diferencia de potencial entre los bornes
10_{1},10_{2} y 10_{3} de salida de los bloques
6_{1},6_{2} y 6_{3} de conmutación y sus bornes
9_{1},9_{2} y 9_{3} de referencia.
Presentan una envolvente que corresponde a la
forma general de las tensiones Vb_{1},Vb_{2} y Vb_{3} de
entrada moduladas a la frecuencia F de los medios de control.
La representación realizada en la figura 12 es
simbólica y la proporción 20 entre las frecuencias f y F no se ha
respetado.
En referencia a la figura 13 se representan las
corrientes de carga que aparecen en las cargas 4_{1}, 4_{2} y
4_{3}.
Resulta que las corrientes I4_{1}, I4_{2} y
I4_{3} de cargas impuestas por las tensiones compuestas
Vs_{1}-Vs_{2}, Vs_{2}-Vs_{3}
y Vs_{3}-Vs_{1}, son sinusoidales y de la misma
frecuencia f que las fuentes 1_{1}, 1_{2} y 1_{3} de tensión
alterna de entrada.
La intensidad de estas corrientes se fija de
manera continua por la determinación de la señal Sr de control.
Resulta claramente que un dispositivo de
conversión de energía eléctrica según la invención presenta la
ventaja, debido a que la tensión de entrada de los bloques de
conmutación es siempre del mismo signo o nula, de poder utilizar
componentes electrónicos menos costosos y que ocupan menos espacio
que los dispositivos existentes.
Además, los componentes electrónicos puestos en
práctica están sometidos a limitaciones de tensión menos importantes
que los de los dispositivos existentes.
Un dispositivo de este tipo, por tanto, es
adecuado para efectuar una conversión de energía eléctrica de
potencia media o grande entre una o varias fuentes de tensión
alterna de entrada y una o varias fuentes de corriente alterna,
utilizando elementos de bajo coste, una regulación rápida, continua
y fiable.
Además, los filtros clásicos se disponen en cada
una de las fuentes de tensión alterna de entrada y en cada una de
las fuentes de corriente de salida.
Claims (21)
1. Dispositivo de conversión reversible de
energía eléctrica que puede conectarse entre al menos una fuente
(1_{1} a 1_{n}) de tensión alterna de entrada y al menos una
carga (4_{1} a 4_{n}) que forma una fuente (4_{1} a 4_{n})
de corriente alterna de salida, presentando cada fuente (1_{1} a
1_{n}) de tensión alterna de entrada un borne (2_{1} a 2_{n})
de alimentación y un borne (3_{1} a 3_{n}) de neutro,
comprendiendo el dispositivo al menos un bloque (6_{1} a 6_{n})
de conmutación, adaptado para estar asociado a una fuente (4_{1}
a 4_{n}) de corriente alterna de salida y comprendiendo un borne
(7_{1} a 7_{n}) de entrada al que puede conectarse el borne
(2_{1} a 2_{n}) de alimentación de la fuente (1_{1} a 1_{n})
de tensión alterna de entrada, al menos un borne (9_{1} a
9_{n}) de referencia y un borne (10_{1} a 10_{n}) de salida
al que puede conectarse dicha carga (4_{1} a 4_{n}) que forma
una fuente de corriente alterna de salida, comprendiendo también
dicho bloque (6_{1} a 6_{n}) una matriz (12_{1} a 12_{n}) de
conmutación formada por condensadores (20_{j,i,k}) y por celdas
(22_{j,i,k}) de conmutación, celdas que son controladas de manera
individual por medios (28_{j,i,k}) de control de su
funcionamiento, caracterizado porque el o cada bloque
(6_{1} a 6_{n}) de conmutación comprende un único borne (9_{1}
a 9_{n}) de referencia que está a un potencial de referencia
diferente del potencial de dicho borne (3_{1} a 3_{n}) de neutro
de dicha fuente (1_{1} a 1_{n}) y porque comprende medios
(13_{1} a 13_{n}, 50) de mantenimiento permanente, en un signo
constante o nulo, de la diferencia de potencial entre dicho borne
(7_{1} a 7_{n}) de entrada y dicho borne (9_{1} a 9_{n}) de
referencia del o de cada bloque (6_{1} a 6_{n}) de
conmutación.
2. Dispositivo de conversión según la
reivindicación 1, caracterizado porque la matriz (12_{1} a
12_{n}) del o de cada bloque (6_{1} a 6_{n}) comprende al
menos una etapa (30_{j,1} a 30_{j,n}) que comprende al menos un
rango (32_{j,1} a 32_{j,p}) de celdas (22_{j,i,k}) de
conmutación, dispuestas a razón de un sola celda (22_{j,i,k}) de
conmutación para cada etapa (32_{j,1} a 32_{j,p}) de un mismo
rango (30_{j,1} a 30_{j,n}), estando compuesta cada celda
(22_{j,i,k}) de conmutación por dos elementos que forman un
interruptor (24_{j,i,k}, 26_{j,i,k}), definiendo la o cada etapa
(30_{j,1} a 30_{j,n}) dos grupos de interruptores unidos en
serie y definiendo por tanto dicha matriz (12_{1} a 12_{n}) de
conmutación dos grupos extremos de interruptores, estando asociada
cada celda (22_{j,i,k}) de conmutación a un condensador
(20_{j,i,k}) dimensionado para mantener entre los bornes homólogos
de los dos interruptores (24_{j,i,k}, 26_{j,i,k}) de cada celda
(22_{j,i,k}) de conmutación, una tensión de carga igual a una
fracción de la tensión de la fuente de tensión (1_{1} a 1_{n})
alterna de entrada, decreciente en función de su rango a partir de
esta fuente, estando conectados en serie los condensadores
(20_{j,i,k}) de un mismo rango (32_{j,1} a 32_{j,p}) entre
los dos grupos extremos de interruptores.
3. Dispositivo según la reivindicación 2,
caracterizado porque todos los interruptores (24_{j,i,k},
26_{j,i,k}) de cada celda (22_{j,i,k}) de conmutación son
unidireccionales en tensión y bidireccionales en corriente.
4. Dispositivo según la reivindicación 3,
caracterizado porque todos los interruptores (24_{j,i,k},
26_{j,i,k}) de cada celda (22_{j,i,k}) de conmutación, están
formados por componentes (52, 54) electrónicos que son
unidireccionales en tensión y unidireccionales en corriente.
5. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque todos los
interruptores (24_{j,i,k}, 26_{j,i,k}) de cada celda
(22_{j,i,k}) de conmutación están formados por componentes (52,
54) electrónicos todos idénticos, y porque cada interruptor está
constituido por interruptores (50) elementales idénticos conectados
en serie cuyo número es función de la tensión máxima aplicable entre
los bornes.
6. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque comprende medios
(34, 40, 42, 44) de pilotaje de los medios (28_{j,i,k}) de
control que comprenden medios (42, 44) de tratamiento de una señal
(Sr) de referencia para enviar en la salida una pluralidad de
señales (Sr_{1} a Sr_{n}) secundarias de referencia, y medios
de transmisión de cada señal secundaria de referencia a todos los
medios (28_{j,i,k}) de control de las celdas de conmutación de
una misma etapa de todas las matrices (12_{1} a 12_{n}) de
todos los bloques (6_{1} a 6_{n}) del dispositivo.
7. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque dichos medios (42, 44) de tratamiento
están adaptados para enviar una pluralidad de señales (Sr_{1} a
Sr_{n}) secundarias de referencia que son funciones afines por
trozo de la señal (Sr) de referencia, siendo cada señal (Sr_{1} a
Sr_{n}) secundaria de referencia de una etapa (30_{j,k}) que es
en cada instante de valor superior o igual al valor de una señal
secundaria de referencia de una etapa más próxima a la fuente
(1_{1} a 1_{n}) de tensión.
8. Dispositivo según la reivindicación 6,
caracterizado porque dichos medios (34, 40, 42, 44) de
pilotaje comprenden medios de generación de una señal (34) de
sincronización para enviar en la salida una pluralidad de señales
(Sd_{1} a Sd_{p}) secundarias de sincronización, y medios de
transmisión de cada señal (Sd_{1} a Sd_{p}) secundaria de
sincronización a todos los medios (28_{j,i,k}) de control de las
celdas de conmutación de un mismo rango de todas las matrices
(12_{1} a 12_{n}) de todos los bloques (6_{1} a 6_{n}) del
dispositivo.
9. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende un
único bloque (6) de conmutación y puede conectarse a una sola
fuente (1) de tensión alterna de entrada cuyo dicho borne (3) de
neutro es accesible para permitir una conexión y que está asociado a
una sola carga (4) que forma una fuente de corriente alterna de
salida, y porque comprende además un primer condensador (20) que
puede conectarse entre dicho borne (3) de neutro de dicha fuente
(1) y un borne (5) de salida de la carga (4) y un segundo
condensador (22) que puede conectarse entre el borne (9) de
referencia de dicho bloque (6) de conmutación y el borne (5) de
salida de la carga (4).
10. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende un
único bloque (6) de conmutación y puede conectarse a una sola
fuente (1) de tensión alterna de entrada cuyo dicho borne (3) de
neutro es accesible para permitir una conexión y que está asociado a
una sola carga (4) que forma una fuente de corriente alterna de
salida, y porque comprende un bloque (14) de desfase que comprende
un borne (15) de entrada adaptado para unirse a dicho borne (3) de
neutro de dicha fuente (1), un borne (16) de referencia unido al
borne (9) de referencia del bloque (6) de conmutación, y un borne
(17) de salida que puede conectarse al borne (5) de salida de la
carga (4), permitiendo dicho bloque (14) de desfase modificar el
potencial del borne (17) de salida que puede conectarse a un borne
(5) de salida de la carga (4).
11. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende un
primer y un segundo bloques (6_{1}, 6_{2}) de conmutación y
puede conectarse a una sola fuente (1) de tensión alterna de
entrada cuyo dicho borne (3) de neutro es accesible para permitir
una conexión y que está asociado con una sola carga (4) que forma
una fuente de corriente alterna de salida, estando unidos entre sí
los bornes de referencia de los dos bloques (6_{1}, 6_{2}) de
conmutación, estando adaptado el primer bloque (6_{1}) de
conmutación para conectarse por su borne (7_{1}) de entrada al
borne (2) de alimentación de dicha fuente (1), estando adaptado el
segundo bloque (6_{2}) de conmutación para conectarse por su borne
(7_{2}) de entrada al borne (3) de neutro de dicha fuente (1),
estando además adaptado dicho dispositivo para la conexión de dicha
carga (4) entre los bornes (10_{1}, 10_{2}) de salida de los dos
bloques de conmutación.
12. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 9 a 11, caracterizado porque los medios de
mantenimiento permanente, en un signo constante o nulo de la
diferencia de potencial entre dicho borne (7; 7_{1}, 7_{2}) de
entrada y dicho borne (9; 9_{1}, 9_{2}) de referencia
comprenden, asociados al o a cada bloque (6; 6_{1}, 6_{2}) de
conmutación, medios (13; 13_{1}, 13_{2}) de inhibición que
comprenden medios de evaluación del signo de la diferencia de
potencial entre dicho borne (7) de entrada y dicho borne (3) de
neutro de la fuente (1), adaptados para enviar en la salida una
señal de inhibición del bloque (6) de conmutación, y porque el o
cada bloque (6; 6_{1}, 6_{2}) de conmutación está adaptado para
unir entre sí su borne (7; 7_{1}, 7_{2}) de entrada, su borne
(9; 9_{1}, 9_{2}) de referencia y su borne (10; 10_{1},
10_{2}) de salida, durante la recepción de dicha señal de
inhibición.
13. Dispositivo según la reivindicación 12,
caracterizado porque dichos medios (13) de inhibición están
adaptados para enviar dicha señal de inhibición cuando la
diferencia de potencial entre dicho borne (7) de entrada y dicho
borne (3) de neutro de la fuente (1) es negativo, estando además la
matriz (12) de conmutación formada por componentes (52, 54)
electrónicos orientados de tal manera que dicho bloque de
conmutación soporta únicamente una tensión positiva o nula.
14. Dispositivo según la reivindicación 12,
caracterizado porque dichos medios (13) de inhibición están
adaptados para enviar dicha señal de inhibición cuando la
diferencia de potencial entre dicho borne (7) de entrada y dicho
borne (3) de neutro de la fuente (1) es positiva, estando además la
matriz (12) de conmutación formada por componentes (52, 54)
electrónicos orientados de tal manera que dicho bloque de
conmutación soporta únicamente una tensión negativa o nula.
15. Dispositivo según una de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque puede conectarse
a al menos dos fuentes (1_{1} a 1_{n}) de tensión alterna de
entrada cuyos bornes (3_{1} a 3_{n}) de neutro están todos
unidos entre sí, asociados al mismo número de cargas (4_{1} a
4_{n}) que forman fuentes de corriente alterna de salida y cuyos
bornes (5_{1} a 5_{n}) de salida están también todos unidos
entre sí y porque comprende una pluralidad de bloques (6_{1} a
6_{n}) de conmutación, estando todos los bornes (9_{1} a 9n) de
referencia de los bloques (6_{1} a 6_{n}) de conmutación unidos
entre sí.
16. Dispositivo según la reivindicación 15,
caracterizado porque dichos bornes (3_{1} a 3_{n}) de
neutro de dichas fuentes (1_{1} a 1_{n}) son accesibles para
permitir una conexión, y porque comprende un bloque (14) de desfase
que comprende un borne (15) de entrada adaptado para unirse a dichos
bornes (3_{1} a 3_{n}) de neutro, un borne (16) de referencia
unido al conjunto de los bornes (9_{1} a 9_{n}) de referencia de
los bloques (6_{1} a 6_{n}) de conmutación y un borne (17) de
salida puede conectarse al conjunto de los bornes (5_{1} a
5_{n}) de salida de las cargas (4_{1} a 4_{n}) que forman una
fuente de corriente alterna de salida, permitiendo dicho bloque
(14) de desfase modificar el potencial del borne (17) de salida que
puede conectarse a los bornes (5_{1} a 5_{n}) de salida de las
cargas (4_{1} a 4_{n}).
17. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 15 y 16, caracterizado porque los medios de
mantenimiento permanente, en un signo constante o nulo de la
diferencia de potencial entre dicho borne (7_{1} a 7_{n}) de
entrada y dicho borne (9_{1} a 9_{n}) de referencia comprenden,
asociados al o a cada bloque (6_{1} a 6_{n}) de conmutación,
medios (13_{1} a 13_{n}) de inhibición que comprenden medios de
comparación de la diferencia de potencial entre los bornes (7_{1}
a 7_{n}) de entrada y un borne de potencial común a todos los
dichos bloques (6_{1} a 6_{n}) de conmutación, tal como los
bornes (3_{1} a 3_{n}) de neutro de las fuentes (1_{1} a
1_{n}), los bornes (5_{1} a 5_{n}) de salida de las cargas
(4_{1} a 4_{n}) o los bornes (9_{1} a 9_{n}) de referencia,
adaptados para enviar en la salida señales de inhibición de los
bloques (6_{1} a 6_{n}) de conmutación y porque el o cada bloque
(6_{1} a 6_{n}) de conmutación está adaptado para unir entre sí
su borne (7_{1} a 7_{n}) de entrada, su borne (9_{1} a
9_{n}) de referencia y su borne (10_{1} a 10_{n}) de salida,
durante la recepción de dicha señal de inhibición.
18. Dispositivo según la reivindicación 17,
caracterizado porque dichos medios (13_{1} a 13_{n}) de
inhibición están adaptados para enviar una señal de inhibición
únicamente al bloque cuya diferencia de potencial entre los bornes
(7_{1} a 7_{n}) de entrada y un borne de potencial común a todos
los bloques (6_{1} a 6_{n}) de conmutación, tal como los bornes
(3_{1} a 3_{n}) de neutro de las fuentes (1_{1} a 1_{n}),
los bornes (5_{1} a 5_{n}) de salida de las cargas (4_{1} a
4_{n}) o los bornes (9_{1} a 9_{n}) de referencia, es la más
pequeña, estando además las matrices (12_{1} a 12_{n}) de
conmutación formadas por componentes (52, 54) electrónicos
orientados de manera que dichos bloques (6_{1} a 6_{n}) soportan
únicamente una tensión positiva o nula.
19. Dispositivo según la reivindicación 18,
caracterizado porque dichos medios (13_{1} a 13_{n}) de
inhibición están adaptados para enviar una señal de inhibición
únicamente al bloque cuya diferencia de potencial entre los bornes
(7_{1} a 7_{n}) de entrada y un borne de potencial común a todos
los dichos bloques (6_{1} a 6_{n}) de conmutación, tal que los
bornes (3_{1} a 3_{n}) de neutro de las fuentes (1_{1} a
1_{n}), los bornes (5_{1} a 5_{n}) de salida de las cargas
(4_{1} a 4_{n}) o los bornes (9_{1} a 9_{n}) de referencia,
es la más grande, estando además las matrices (12_{1} a 12_{n})
de conmutación formadas por componentes (52, 54) electrónicos
orientados de manera que dichos bloques (6_{1} a 6_{n}) soportan
únicamente una tensión negativa o nula.
20. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque está
adaptado para estar conectado a tres fuentes (1_{1} a 1_{3}) de
tensión alterna de entrada que forman las tres fases de una red de
alimentación de energía eléctrica trifásica.
21. Dispositivo según la reivindicación 20,
caracterizado porque cada matriz (12_{1}, 12_{2} y
12_{3}) de cada bloque (6_{1}, 6_{2}, 6_{3}) de conmutación
comprende un único condensador (20_{j,i,k}) y una única celda
(22_{j,i,k}) de conmutación.
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