ES2348916T3 - Convertidor conmutado unipolar o bipolar con dos devanados magneticamente acoplados. - Google Patents
Convertidor conmutado unipolar o bipolar con dos devanados magneticamente acoplados. Download PDFInfo
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Abstract
Convertidor conmutado que, alimentado mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa, entrega una tensión de salida entre un primer borne de salida (SP) y un segundo borne de salida (SM), estando este último unido directamente a la masa o a través de una resistencia, que comprende dos devanados (Ls, Lp) arrollados en oposición alrededor de un núcleo magnético, siendo el número de espiras del segundo devanado (Lp) superior al número de espiras del primer devanado (Ls), estando el primer extremo del primer devanado (Ls) unido a un punto medio de una primera rama que une la tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm) y comprendiendo un primer diodo (D1) y un segundo diodo (D2) en montaje inverso, estando el punto medio de la primera rama situado entre el primer diodo (D1) y el segundo diodo (D2), estando el segundo extremo del primer devanado (Ls) unido a la masa, estando el primer extremo del segundo devanado (Lp) unido a un punto medio de una segunda rama que une la tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm), comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión positiva (Vp), dispuestos en serie, un primer medio en configuración de interruptor (Q1) y un tercer diodo (D3) en montaje directo respecto a la tensión positiva (Vp) y que juntos forman un interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso, comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión negativa (Vm), dispuestos en serie, un segundo medio en configuración de interruptor (Q2) y un cuarto diodo (D4) en montaje directo respecto a la tensión negativa (Vm) y que juntos forman un interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso, estando el segundo extremo del segundo devanado (Lp) unido al borne de salida (S).
Description
Convertidor conmutado unipolar o bipolar con dos
devanados magnéticamente acoplados.
La invención se refiere a un convertidor
conmutado unipolar o bipolar, que funciona en los cuadrantes (Is
> 0; Vs > 0) e (Is < 0; Vs < 0), así como con corriente
o tensión de salida nulas, que posee devanados magnéticamente
acoplados, pudiendo ser configurado con el modo de regulación
adaptado como fuente de corriente o fuente de tensión. Ésta tiene
aplicación en todos los tipos de equipo terrestre, naval o aéreo que
utilizan este tipo de convertidor conmutado, en particular los
controles de actuador electromecánico de los autómatas de
regulación para turbomotor.
El gobierno de actuadores eléctricos que
presentan una carga de tipo RL (resistencia e inductancia en serie)
se puede realizar bien mediante aplicación de una tensión regulada
en los bornes de la bobina de mando del actuador, o bien mediante
una fuente de corriente, prefiriéndose a menudo esta última solución
en entorno severo, ya que esencialmente permite limitar la potencia
utilizada para gobernar el accesorio.
Las fuentes de corriente conmutadas se pueden
agrupar de forma clásica entre las fuentes de corriente que
utilizan la inductancia de la carga como elemento de almacenamiento
de la energía durante la operación de troceo, hecho que implica la
aplicación en los bornes de la carga, a la frecuencia de conmutación
o troceo, de una tensión alternativamente positiva y negativa,
pudiendo considerarse idealmente que las transiciones entre estos
dos estados son instantáneas, y las fuentes de corriente que
suministran una corriente continua y, consiguientemente, una
tensión continua en los bornes de la carga, cuyo elemento de
almacenamiento de energía para el troceo está situado sobre la
propia placa de control.
Las fuentes de corriente conmutadas que utilizan
la inductancia de la carga como elemento de almacenamiento de
energía tienen la ventaja de que presentan un control que, a primera
vista, es simple. Incorporan pocos o eventualmente ningunos
elementos inductivos, lo que lleva a una evidente ganancia en las
dimensiones del circuito. Por el contrario, éstas presentan cierto
número de inconvenientes. Éstas presentan una gran dependencia
respecto al valor de la inductancia de la carga: la capacidad de
controlar la corriente instantánea en los interruptores de la
fuente de corriente depende directamente del valor de la inductancia
de carga. La resistencia a los cortocircuitos entre los bornes de
salida del convertidor o entre cualquier otro borne de salida y la
masa es muy difícil. En efecto, en caso de cortocircuito de la
carga, no es posible, a menos que se añadan componentes, limitar la
corriente instantánea. Así pues, es fuerza en la práctica añadir una
inductancia a la salida del convertidor al objeto de limitar la
corriente de cortocircuito, añadir un dispositivo de protección y
de corte muy rápido para limitar el valor máximo de la corriente de
cortocircuito, añadir un circuito de desmagnetización de la
inductancia de salida para gestionar el corte tras la detección del
cortocircuito a la salida, sobredimensionar las interfaces
(condensador de filtrado de entrada) para que puedan soportar la
corriente de cortocircuito. En lo referente al aspecto
compatibilidad electromagnética (emisiones conducidas
esencialmente), es difícil hacer estos convertidores compatibles con
las normas de emisión aeronáuticas, si se quiere una frecuencia de
conmutación elevada para limitar el volumen ocupado por los
componentes pasivos de los convertidores, sobre todo si la carga es
gobernada al final de varios metros de cable. Consecuencia de ello
es una frecuencia de conmutación reducida típicamente por debajo de
10 kHz y una obligación de dimensionar un filtro de salida (modo
común y modo diferencial) que desempeñará una función capital en la
estabilidad del conjunto y ocupará un espacio significativo. Este
tipo de fuente de corriente conmutada queda restringido a
aplicaciones de gran potencia, para las que una débil frecuencia de
conmutación no es necesariamente una desventaja.
Para los convertidores que suministran una
tensión continua en los bornes de la carga, el troceo ya no se
efectúa en la carga, sino que la corriente (o la tensión) se regula
a la salida de un convertidor conmutado que comprende una
inductancia que almacena como mínimo toda la energía transferida a
la carga y se añade un condensador para alisar la tensión de
salida. Así pues, la tensión de salida es prácticamente continua en
los bornes de la carga. Por lo tanto, hay menos dificultades para
cumplir las normas aeronáuticas de ruido emitido en conducción. En
caso de cortocircuito de la carga, obviamente la corriente en el
convertidor se mantiene limitada. Se pueden contemplar frecuencias
de conmutación que superen los 100 kHz, limitadas de hecho por el
rendimiento del convertidor y la eficacia de los circuitos de
control de puerta de los elementos interruptores.
La figura 1a es un esquema de conexiones
eléctricas de un convertidor de la técnica anterior que suministra
una tensión continua en los bornes de una carga. El circuito es
alimentado mediante una tensión positiva Vp (por ejemplo +25 V) y
una tensión negativa Vm (por ejemplo -25 V) respecto a la masa. Éste
comprende dos elementos T1 y T2 que comprenden cada uno de ellos
dos devanados acoplados magnéticamente alrededor de un núcleo
magnético. Los devanados de un mismo elemento T1 o T2 están
arrollados en oposición, tal como se indica por un punto en la
figura 1a. El devanado E1 del elemento T1 posee un primer extremo
unido a la tensión Vp por mediación de un diodo D5 en montaje
inverso respecto a la tensión Vp, siendo la masa su segundo extremo.
El devanado E2 del elemento T1 posee un primer extremo unido a un
primer borne de un interruptor Q3 cuyo segundo borne está unido a
la tensión Vp. El segundo extremo del devanado E2 está unido al
borne de salida S1P del circuito. El devanado E3 del elemento T2
posee un primer extremo unido a la tensión Vm por mediación de un
diodo D6 en montaje inverso respecto a la tensión Vm, siendo la
masa su segundo extremo. El devanado E4 del elemento T2 posee un
primer extremo unido a un primer borne de un interruptor Q4 cuyo
segundo borne está unido a la tensión Vm. El segundo extremo del
devanado E4 está unido al borne de salida S1P del circuito. Entre la
salida S1P y la masa se conecta un condensador de alisado C1.
El convertidor se transforma en fuente de
corriente mediante el aporte de un medio de medida de la corriente
de salida, de una regulación y de un modulador adaptados. Tal es lo
que muestra la figura 1b, en la que la carga conectada a la salida
del convertidor está representada en forma de una resistencia Rc y
de una inductancia Lc conectadas en serie. La corriente de salida
es medida por un medio de medida 1 que entrega una señal
representativa a una primera entrada de un medio de regulación (o
corrector) 2. Una segunda entrada Ec del medio de regulación 2
recibe una señal de consigna. La señal de salida del medio de
regulación 2 se destina a la entrada de un modulador 3 que entrega
una señal de control SQ3 al interruptor Q3 y una señal de control
SQ4 al interruptor Q4.
El convertidor ilustrado mediante la figura 1a
comprende pues cuatro devanados y dos núcleos magnéticos, lo que
conduce a un coste relativamente alto y un volumen ocupado por el
circuito relativamente grande.
El documento
EP-A-0913919 describe un convertidor
conmutado alimentado mediante una tensión positiva y una tensión
negativa respecto a la masa, con dos interruptores en serie que
entregan una tensión de salida a un punto común, y con dos diodos
montados en paralelo con los dos interruptores, con unos devanados
primarios en el circuito de salida sobre una carga y con un
devanado secundario en serie con una bobina para evacuar la energía
en la fuente de tensión cuando se abren los interruptores.
Con el fin de disminuir el coste y el exceso de
volumen de un convertidor conmutado que suministra una tensión
continua positiva, negativa o nula en los bornes de una carga, se
propone, de acuerdo con la presente invención, un circuito con dos
devanados acoplados sobre un único núcleo magnético. Es entonces
necesario añadir dos diodos al circuito, pero estos elementos son
de coste reducido y de escasa exigencia de espacio.
Un primer objeto de la invención consiste en un
convertidor conmutado que, alimentado mediante una tensión positiva
y una tensión negativa respecto a la masa, entrega una tensión de
salida entre un primer borne de salida y un segundo borne de
salida, que comprende dos devanados arrollados en oposición
alrededor de un núcleo magnético, siendo el número de espiras del
segundo devanado superior al número de espiras del primer devanado,
hallándose el primer extremo del primer devanado unido a un punto
medio de una primera rama que une la tensión positiva a la tensión
negativa y comprendiendo un primer diodo y un segundo diodo en
montaje inverso, hallándose el punto medio de la primera rama
situado entre el primer diodo y el segundo diodo, hallándose el
segundo extremo del primer devanado unido a la masa, hallándose el
primer extremo del segundo devanado unido a un punto medio de una
segunda rama que une la tensión positiva a la tensión negativa,
comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a
la tensión positiva, dispuestos en serie, un primer medio en
configuración de interruptor y un tercer diodo en montaje directo
respecto a la tensión positiva y que juntos forman un interruptor
unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso, comprendiendo
la parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión
negativa, dispuestos en serie, un segundo medio en configuración de
interruptor y un cuarto diodo en montaje directo respecto a la
tensión negativa y que juntos forman un interruptor unidireccional
con poder de bloqueo directo e inverso, hallándose el segundo
extremo del segundo devanado unido al borne de salida.
Ventajosamente, entre el primer borne de salida
del convertidor y la masa se conecta un condensador de alisado.
También ventajosamente, en la segunda rama que
une la tensión positiva a la tensión negativa, dicha disposición en
serie consiste en disponer los medios en configuración de
interruptor primero y segundo en el lado de las respectivas
tensiones positiva o negativa y en disponer los diodos tercero y
cuarto en el lado del punto medio de la segunda rama.
Los medios en configuración de interruptor se
pueden elegir de entre los transistores MOS, los transistores
bipolares y los transistores IGBT o cualquier otro interruptor que
tenga un poder de conducción bidireccional y un poder de bloqueo
directo.
El convertidor puede comprender además un medio
de medida de la tensión de salida del convertidor, medio de medida
que entrega una señal de salida representativa de la tensión de
salida a una primera entrada de un medio de regulación con una
segunda entrada que recibe una señal de consigna, entregando el
medio de regulación una señal suministrada a la entrada de un
modulador con una primera salida que envía una señal de control al
primer medio en configuración de interruptor y con una segunda
salida que envía una señal de control al segundo medio en
configuración de interruptor, quedando así el convertidor
configurado como fuente de tensión.
El convertidor puede comprender además un medio
de medida de la corriente de salida (is) del convertidor, medio de
medida que entrega una señal de salida representativa de la
corriente de salida del convertidor a una primera entrada de un
medio de regulación con una segunda entrada que recibe una señal de
consigna, entregando el medio de regulación una señal suministrada
a la entrada de un modulador con una primera salida que envía una
señal de control al primer medio en configuración de interruptor y
con una segunda salida que envía una señal de control al segundo
medio en configuración de interruptor, quedando el convertidor
configurado como fuente de corriente.
El convertidor conmutado según la invención
puede equipar un control de actuador electromecánico, un autómata
de regulación, un turbomotor o un equipo terrestre, naval o
aeronáutico.
El convertidor conmutado según la presente
invención puede funcionar según los siguientes procedimientos.
Un primer procedimiento comprende las siguientes
etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la
carga una corriente negativa:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor está abierto, el cuarto diodo
es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor está
cerrado y los diodos primero, segundo y tercero están en corte
durante una primera parte de ciclo, funcionando el convertidor en
modo continuo o en modo discontinuo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso los medios en configuración de interruptor
primero y segundo están abiertos, el segundo diodo es conductor y
los diodos primero, tercero y cuarto están en corte durante una
segunda parte de ciclo, segunda parte de ciclo que no termina el
ciclo si el convertidor funciona en modo discontinuo y que termina
el ciclo si el convertidor funciona en modo continuo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa si el convertidor funciona en modo discontinuo, en cuyo
transcurso los medios en configuración de interruptor primero y
segundo están abiertos y los diodos primero, segundo, tercero y
cuarto están en corte durante una tercera parte de ciclo que termina
al final del ciclo.
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Un segundo procedimiento comprende las
siguientes etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer
pasar por la carga una corriente positiva:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor está cerrado, el tercer diodo
es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor está
abierto y los diodos primero, segundo y cuarto están en corte
durante una primera parte del ciclo, funcionando el convertidor en
modo continuo o en modo discontinuo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso el primer diodo es conductor, los medios
en configuración de interruptor primero y segundo están abiertos y
los diodos segundo, tercero y cuarto están en corte durante una
segunda parte del ciclo, segunda parte de ciclo que no termina el
ciclo si el convertidor funciona en modo discontinuo y que termina
el ciclo si el convertidor funciona en modo continuo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa si el convertidor funciona en modo discontinuo, en cuyo
transcurso los medios en configuración de interruptor primero y
segundo están abiertos, los diodos primero, segundo, tercero y
cuarto están en corte, durante una tercera parte del ciclo que
termina al final del ciclo.
\vskip1.000000\baselineskip
Un tercer procedimiento comprende las siguientes
etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la
carga una corriente negativa, funcionando el convertidor en modo
continuo:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor está cerrado, el tercer diodo
es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor está
abierto y los diodos primero y cuarto están en corte, estando en
corte el segundo diodo si la tensión en la primera salida respecto a
la masa es, en valor absoluto, suficientemente débil, durante una
primera parte del ciclo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso el primer diodo es conductor, los medios
en configuración de interruptor primero y segundo están abiertos y
los diodos segundo, tercero y cuarto están en corte durante una
segunda parte del ciclo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa, en cuyo transcurso el segundo medio en configuración de
interruptor está cerrado, el cuarto diodo es conductor, el primer
medio en configuración de interruptor está abierto y los diodos
primero, segundo y tercero están en corte, durante una tercera parte
del ciclo,
- una cuarta etapa, que sigue a la tercera
etapa, en cuyo transcurso el segundo diodo es conductor, los medios
en configuración de interruptor primero y segundo están abiertos y
los diodos primero, tercero y cuarto están en corte, durante una
cuarta parte del ciclo que termina al final del ciclo.
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Un cuarto procedimiento comprende las siguientes
etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la
carga una corriente positiva, funcionando el convertidor en modo
continuo:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor está cerrado, el tercer diodo
es conductor, el segundo medio en configuración de interruptor está
abierto y los diodos primero, segundo y cuarto están en corte
durante una primera parte del ciclo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso el primer diodo es conductor, los medios
en configuración de interruptor primero y segundo están abiertos y
los diodos segundo, tercero y cuarto están en corte durante una
segunda parte del ciclo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa, en cuyo transcurso el segundo medio en configuración de
interruptor está cerrado, el cuarto diodo es conductor, el primer
medio en configuración de interruptor está abierto y los diodos
segundo y tercero están en corte, estando en corte el primer diodo
si la tensión en la primera salida respecto a la masa es, en valor
absoluto, suficientemente débil, durante una tercera parte del
ciclo,
- una cuarta etapa, que sigue a la tercera
etapa, en cuyo transcurso el segundo diodo es conductor, los medios
en configuración de interruptor primero y segundo están abiertos y
los diodos primero, tercero y cuarto están en corte, durante una
cuarta parte del ciclo que termina al final del ciclo.
Se entenderá mejor la invención y se harán más
evidentes otras ventajas y particularidades con la lectura de la
descripción subsiguiente, dada a título de ejemplo no limitativo,
acompañada de los dibujos que se adjuntan, en los que:
la figura 1a es un esquema de conexiones
eléctricas de un convertidor conmutado de la técnica anterior que
suministra una tensión continua en los bornes de una carga,
la figura 1b es un esquema de conexiones
eléctricas del convertidor de la figura 1a utilizado como fuente de
corriente conmutada mediante aporte de un medio de medida de la
corriente de salida, así como de un corrector y modulador
adecuados,
la figura 2 es un esquema de conexiones
eléctricas de un convertidor conmutado que suministra una tensión
continua en los bornes de una carga y que ha llevado al desarrollo
de la presente invención,
la figura 3 es un esquema de conexiones
eléctricas de un convertidor conmutado que suministra una tensión
continua en los bornes de una carga, según la invención,
las figuras 4A a 4N ilustran el modo de
funcionamiento de la presente invención,
las figuras 5A a 5F son cronogramas que
corresponden a diferentes modos de funcionamiento ilustrados por las
figuras 4A a 4N,
la figura 6a muestra el principio de
utilización del convertidor según la invención como fuente de
tensión,
la figura 6b muestra el principio de
utilización del convertidor según la invención como fuente de
corriente.
La figura 2 es un esquema de conexiones
eléctricas de un convertidor conmutado que suministra una tensión
continua en los bornes de una carga y que ha llevado al desarrollo
de la presente invención. Este convertidor se puede convertir, del
mismo modo en relación con el convertidor descrito en las figuras 1a
y 1b, en fuente de corriente conmutada mediante el aporte de un
medio (directo o indirecto) de medida de la corriente de la carga y
de un corrector y modulador adecuados. Al igual que en relación con
la figura 1a, el circuito es alimentado mediante una tensión
positiva Vp (por ejemplo +25 V) y una tensión negativa Vm (por
ejemplo -25 V) respecto a la masa. Éste comprende un elemento que,
en configuración de transformador, comprende tres devanados Lp, Ls1
y Ls2 arrollados alrededor de un núcleo magnético único. El sentido
de devanado está indicado mediante un punto en la figura 2. Los
devanados Ls1 y Ls2 se montan en serie para constituir el secundario
del elemento en configuración de transformador, siendo la masa su
punto común (sus primeros extremos). El devanado Lp constituye el
primario del elemento en configuración de transformador. El segundo
extremo del devanado Ls1 se une a la tensión Vp por mediación de un
diodo D1 en montaje inverso respecto a la tensión Vp. El segundo
extremo del devanado Ls2 se une a la tensión Vm por mediación de un
diodo D2 en montaje inverso respecto a la tensión Vm. El devanado
Lp tiene un primer extremo unido al cátodo de un diodo D3 y al ánodo
de un diodo D4. El segundo extremo del devanado Lp se une al borne
de salida SP del circuito. Un primer borne de un interruptor Q1 se
une al ánodo del diodo D3 y su segundo borne se une a la tensión Vp.
Un primer borne de un interruptor Q2 se une al cátodo del diodo D4
y su segundo borne se une a la tensión Vm. Entre la salida SP y la
masa se conecta un condensador de alisado Cs. La salida SM puede ir
unida a la masa mecánica directamente, o a través de una
resistencia, según la necesidad del
usuario.
usuario.
Los interruptores Q1 y Q2 son ventajosamente
elementos con transistores MOSFET de canal N o de canal P, según
las necesidades del usuario. Se pueden sustituir estos por cualquier
otro interruptor que tenga una capacidad de conducción
bidireccional y una capacidad de bloqueo directo.
\newpage
Siendo Np el número de espiras del devanado Lp,
siendo Ns1 el número de espiras del devanado Ls1 y siendo Ns2 el
número de espiras del devanado Ls2, Np es superior a Ns1 y a Ns2,
por ejemplo Ns1 = Ns2 = 0,75 Np.
La figura 2 menciona las siguientes
tensiones:
- vq1 en bornes de Q1,
- vq2 en bornes de Q2,
- vd1 en bornes de D1,
- vd2 en bornes de D2,
- vd3 en bornes de D3,
- vd4 en bornes de D4,
- vls1 en bornes de Ls1,
- vls2 en bornes de Ls2,
- vlp en bornes de Lp, y
- vs en bornes de Cs, o sea, la tensión de
salida del convertidor.
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La figura 2 menciona asimismo las siguientes
corrientes:
- ils1 atravesando el devanado Ls1,
- ils2 atravesando el devanado Ls2,
- ilp atravesando el devanado Lp, e
- is atravesando la carga Z del convertidor, o
sea, la corriente de salida.
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La fuente de corriente de la figura 2 presenta
una evidente ventaja respecto a la fuente de corriente de la
técnica anterior ilustrada por la figura 1a. Un registro de medidas
efectuadas sobre un montaje tal como se representa en la figura 2
permitió corroborar que, de forma inesperada, el ánodo del diodo D1
y el cátodo del diodo D2 siempre estaban al mismo potencial. Por
tanto se han unido eléctricamente estos dos puntos y se ha
suprimido uno de los devanados secundarios. Tal es lo que muestra la
figura 3, en la que el devanado secundario que queda se denomina
Ls, su número de espiras es tal que Ns es inferior al número de
espiras Np del devanado primario Lp. La figura 3 muestra una carga
Z conectada a la salida del convertidor.
Se va a explicar a continuación, con la ayuda de
las figuras 4A a 4N, el funcionamiento del convertidor conmutado en
función de las órdenes (apertura, cierre) enviadas a los
interruptores Q1 y Q2. En estas figuras, las corrientes que
circulan por el circuito se indican mediante trazos gruesos. Como se
verá, el convertidor según la invención es un convertidor de dos
cuadrantes:
(vs > 0, is
> 0) y (vs < 0, is <
0).
Las figuras 4A a 4F conciernen a un modo de
funcionamiento en el que sólo un transistor Q1 o Q2 (en
configuración de interruptor) conduce cuando la corriente de salida
es positiva (is > 0) o cuando la corriente de salida es negativa
(is < 0).
Las figuras 4A a 4C conciernen a un modo de
funcionamiento en el que la corriente de salida is es negativa,
para un ciclo de funcionamiento (de t = 0 a t = T).
La figura 4A ilustra una primera etapa del ciclo
de funcionamiento entre los instantes t = 0 y t = t_{1} (con
t_{1} < T). El circuito puede funcionar en modo continuo y en
modo discontinuo. En el transcurso de esta etapa, el control del
circuito es tal que:
- Q2 y D4 conducen,
- Q1, D1, D2 y D3 están en corte.
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La figura 4B ilustra una segunda etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{1} y t = t_{2}.
El circuito puede funcionar en modo continuo (en tal caso t_{2} =
T) o en modo discontinuo. En el transcurso de esta etapa, el
control del circuito es tal que:
- D2 conduce,
- Q1, Q2, D1, D3 y D4 están en corte.
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La figura 4C ilustra una tercera etapa del ciclo
de funcionamiento, únicamente para el modo discontinuo, entre t =
t_{2} y t = T. En el transcurso de esta etapa, el control del
circuito es tal que:
- Q1, Q2, D1, D2, D3 y D4 están en corte,
- la corriente is que circula por la carga la
suministra la energía acumulada en el condensador Cs.
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La figura 5A muestra los cronogramas
correspondientes al modo de funcionamiento ilustrado por las figuras
4A a 4C para un modo discontinuo, luego para un ciclo de
funcionamiento que consta de tres etapas.
La figura 5B muestra los cronogramas
correspondientes al modo de funcionamiento ilustrado por las figuras
4A y 4B para un modo continuo, luego un ciclo de funcionamiento que
consta de dos etapas.
Las figuras 4D a 4F conciernen a un modo de
funcionamiento en el que la corriente de salida is es positiva,
para un ciclo de funcionamiento (de t = 0 a t = T).
La figura 4D ilustra una primera etapa del ciclo
de funcionamiento entre los instantes t = 0 y t = t_{1} (con
t_{1} < T). El circuito puede funcionar en modo continuo y en
modo discontinuo. En el transcurso de esta etapa, el control del
circuito es tal que:
- Q1 y D3 conducen,
- Q2, D1, D2 y D4 están en corte.
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La figura 4E ilustra una segunda etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{1} y t = t_{2}.
El circuito puede funcionar en modo continuo (en tal caso t_{2} =
T) o en modo discontinuo. En el transcurso de esta etapa, el
control del circuito es tal que:
- D1 conduce,
- Q1, Q2, D2, D3 y D4 están en corte.
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La figura 4F ilustra una tercera etapa del ciclo
de funcionamiento, únicamente para el modo discontinuo, entre t =
t_{2} y t = T. En el transcurso de esta etapa, el control del
circuito es tal que:
- Q1, Q2, D1, D2, D3 y D4 están en corte,
- la corriente is que circula por la carga la
suministra la energía acumulada en el condensador Cs.
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La figura 5C muestra los cronogramas
correspondientes al modo de funcionamiento ilustrado por las figuras
4D a 4F para un modo discontinuo, luego para un ciclo de
funcionamiento que consta de tres etapas.
La figura 5D muestra los cronogramas
correspondientes al modo de funcionamiento ilustrado por las figuras
4D y 4E para un modo continuo, luego para un ciclo de
funcionamiento que consta de dos etapas.
Las figuras 4G a 4N conciernen a un modo de
funcionamiento en el que los dos transistores Q1 y Q2 (en
configuración de interruptor) conducen cuando la corriente de
salida es negativa (is < 0) y cuando la corriente de salida es
positiva (is > 0). El funcionamiento descrito es en modo
continuo.
Las figuras 4G a 4J conciernen a un modo de
funcionamiento en el que la corriente de salida is es negativa,
para un ciclo de funcionamiento (de t = 0 a t = T).
La figura 4G ilustra una primera etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = 0 y t = t_{1}. En el
transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal que:
- Q1 y D3 conducen,
\global\parskip1.000000\baselineskip
- Q2, D1 y D4 están en corte,
- D2 está en corte si la tensión a la salida SP
respecto a la masa es, en valor absoluto, suficientemente
débil.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4H ilustra una segunda etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{1} y t = t_{2}.
En el transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal
que:
- D1 conduce,
- Q1, Q2, D2, D3 y D4 están en corte.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4I ilustra una tercera etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{2} y t = t_{3}.
En el transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal
que:
- Q2 y D4 conducen,
- Q1, D1, D2 y D3 están en corte.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4J ilustra una cuarta etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{3} y t = T. En el
transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal que:
- D2 conduce,
- Q1, Q2, D1, D3 y D4 están en corte.
\vskip1.000000\baselineskip
Las figuras 4K a 4N conciernen a un modo de
funcionamiento en el que la corriente de salida is es positiva,
para un ciclo de funcionamiento (de t = 0 a t = T).
La figura 4K ilustra una primera etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = 0 y t = t_{1}. En el
transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal que:
- Q1 y D3 conducen,
- Q2, D1, D2 y D4 están en corte.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4L ilustra una segunda etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{1} y t = t_{2}.
En el transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal
que:
- D1 conduce,
- Q1, Q2, D2, D3 y D4 están en corte.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4M ilustra una tercera etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{2} y t = t_{3}.
En el transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal
que:
- Q2 y D4 conducen,
- Q1, D2 y D3 están en corte,
- D1 está en corte si la tensión a la salida SP
respecto a la masa es, en valor absoluto, suficientemente
débil.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4N ilustra una cuarta etapa del ciclo
de funcionamiento, entre los instantes t = t_{3} y t = T. En el
transcurso de esta etapa, el control del circuito es tal que:
- D2 conduce,
- Q1, Q2, D1, D3 y D4 están en corte.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 5E muestra los cronogramas
correspondientes al modo de funcionamiento ilustrado por las figuras
4G a 4J, luego para un ciclo de funcionamiento que consta de cuatro
etapas.
La figura 5F muestra los cronogramas
correspondientes al modo de funcionamiento ilustrado por las figuras
4K a 4N, luego para un ciclo de funcionamiento que consta
igualmente de cuatro etapas.
La figura 6a muestra el principio de utilización
del convertidor según la invención como fuente de tensión mediante
el aporte de un medio de medida 11 de la tensión diferencial entre
las salidas SP y SM, de un corrector adecuado 12 que recibe una
consigna Ec y de un modulador adecuado 13. Las salidas del modulador
13 suministran las tensiones de control SQ1 y SQ2 de los
transistores Q1 y Q2.
La figura 6b muestra el principio de utilización
del convertidor según la invención como fuente de corriente
mediante el aporte de un medio de medida 21 de corriente de salida
is del convertidor, de un corrector adecuado 22 que recibe una
consigna Ec y de un modulador adecuado 23. Las salidas del modulador
23 suministran las tensiones de control SQ1 y SQ2 de los
transistores Q1 y Q2.
Claims (14)
1. Convertidor conmutado que, alimentado
mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm)
respecto a la masa, entrega una tensión de salida entre un primer
borne de salida (SP) y un segundo borne de salida (SM), estando
este último unido directamente a la masa o a través de una
resistencia, que comprende dos devanados (Ls, Lp) arrollados en
oposición alrededor de un núcleo magnético, siendo el número de
espiras del segundo devanado (Lp) superior al número de espiras del
primer devanado (Ls), estando el primer extremo del primer devanado
(Ls) unido a un punto medio de una primera rama que une la tensión
positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm) y comprendiendo un primer
diodo (D1) y un segundo diodo (D2) en montaje inverso, estando el
punto medio de la primera rama situado entre el primer diodo (D1) y
el segundo diodo (D2), estando el segundo extremo del primer
devanado (Ls) unido a la masa, estando el primer extremo del segundo
devanado (Lp) unido a un punto medio de una segunda rama que une la
tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm), comprendiendo la
parte de la segunda rama que une su punto medio a la tensión
positiva (Vp), dispuestos en serie, un primer medio en
configuración de interruptor (Q1) y un tercer diodo (D3) en montaje
directo respecto a la tensión positiva (Vp) y que juntos forman un
interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso,
comprendiendo la parte de la segunda rama que une su punto medio a
la tensión negativa (Vm), dispuestos en serie, un segundo medio en
configuración de interruptor (Q2) y un cuarto diodo (D4) en montaje
directo respecto a la tensión negativa (Vm) y que juntos forman un
interruptor unidireccional con poder de bloqueo directo e inverso,
estando el segundo extremo del segundo devanado (Lp) unido al borne
de salida (S).
2. Convertidor conmutado según la reivindicación
1, en el que entre el primer borne de salida (SP) del convertidor y
la masa está conectado un condensador de alisado (CS).
3. Convertidor conmutado según una de las
reivindicaciones 1 ó 2, en el que, en la segunda rama que une la
tensión positiva (Vp) a la tensión negativa (Vm), dicha disposición
en serie consiste en disponer los medios en configuración de
interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) en el lado de las
respectivas tensiones positiva o negativa y en disponer los diodos
tercero (D3) y cuarto (D4) en el lado del punto medio de la segunda
rama.
4. Convertidor conmutado según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, en el que los medios en configuración
de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2) se eligen entre los
transistores MOS, los transistores bipolares y los transistores
IGBT o cualquier otro interruptor que tenga una capacidad de
conducción bidireccional y una capacidad de bloqueo directo.
5. Convertidor conmutado según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además un medio de medida
(11) de la tensión de salida del convertidor, medio de medida que
entrega una señal de salida representativa de la tensión de salida
a una primera entrada de un medio de regulación (12) con una segunda
entrada que recibe una señal de consigna, entregando el medio de
regulación (12) una señal suministrada a la entrada de un modulador
(13) con una primera salida que envía una señal de control (SQ1) al
primer medio en configuración de interruptor (Q1) y con una segunda
salida que envía una señal de control (SQ2) al segundo medio en
configuración de interruptor (Q2), quedando así el convertidor
configurado como fuente de tensión.
6. Convertidor conmutado según una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además un medio de medida
(21) de la corriente de salida (is) del convertidor, medio de medida
que entrega una señal de salida representativa de la corriente de
salida del convertidor a una primera entrada de un medio de
regulación (22) con una segunda entrada que recibe una señal de
consigna, entregando el medio de regulación (22) una señal
suministrada a la entrada de un modulador (23) con una primera
salida que envía una señal de control (SQ1) al primer medio en
configuración de interruptor (Q1) y con una segunda salida que envía
una señal de control (SQ2) al segundo medio en configuración de
interruptor (Q2), quedando el convertidor configurado como fuente
de corriente.
7. Control de actuador electromecánico que
incorpora un convertidor conmutado según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6.
8. Autómata de regulación que incorpora un
convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones
1 a 6.
9. Equipo terrestre, naval o aeronáutico que
incorpora un convertidor conmutado según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 6.
10. Turbomotor que incorpora un convertidor
conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
11. Procedimiento de funcionamiento de un
convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones
1 a 6, siendo alimentado el convertidor mediante una tensión
positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa,
entregando el convertidor una corriente de salida (is) a una carga
(Z) conectada entre el primer borne de salida (SP) y el segundo
borne de salida (SM), comprendiendo el procedimiento las siguientes
etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la
carga (Z) una corriente negativa:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor (Q1) está abierto, el cuarto
diodo (D4) es conductor, el segundo medio en configuración de
interruptor (Q2) está cerrado y los diodos primero (D1), segundo
(D2) y tercero (D3) están en corte durante una primera parte de
ciclo, funcionando el convertidor en modo continuo o en modo
discontinuo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso los medios en configuración de interruptor
primero (Q1) y segundo (Q2) están abiertos, el segundo diodo (D2)
es conductor y los diodos primero (D1), tercero (D3) y cuarto (D4)
están en corte durante una segunda parte de ciclo, segunda parte de
ciclo que no termina el ciclo si el convertidor funciona en modo
discontinuo y que termina el ciclo si el convertidor funciona en
modo continuo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa si el convertidor funciona en modo discontinuo, en cuyo
transcurso los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y
segundo (Q2) están abiertos y los diodos primero (D1), se-
gundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte durante una tercera parte de ciclo que termina al final del ciclo.
gundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte durante una tercera parte de ciclo que termina al final del ciclo.
\vskip1.000000\baselineskip
12. Procedimiento de funcionamiento de un
convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones
1 a 6, alimentado mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión
negativa (Vm) respecto a la masa, entregando el convertidor una
corriente de salida (is) a una carga (Z) conectada entre el primer
borne de salida (SP) y el segundo borne de salida (SM),
comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas, para un ciclo
de funcionamiento y para hacer pasar por la carga (Z) una corriente
positiva:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor (Q1) está cerrado, el tercer
diodo (D3) es conductor, el segundo medio en configuración de
interruptor (Q2) está abierto y los diodos primero (D1), segundo
(D2) y cuarto (D4) están en corte durante una primera parte del
ciclo, funcionando el convertidor en modo continuo o en modo
discontinuo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso el primer diodo (D1) es conductor, los
medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2)
están abiertos y los diodos segundo (D2), tercero (D3) y cuarto
(D4) están en corte durante una segunda parte del ciclo, segunda
parte de ciclo que no termina el ciclo si el convertidor funciona
en modo discontinuo y que termina el ciclo si el convertidor
funciona en modo continuo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa si el convertidor funciona en modo discontinuo, en cuyo
transcurso los medios en configuración de interruptor primero (Q1) y
segundo (Q2) están abiertos, los diodos primero (D1), se-
gundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte, durante una tercera parte de ciclo que termina al final del ciclo.
gundo (D2), tercero (D3) y cuarto (D4) están en corte, durante una tercera parte de ciclo que termina al final del ciclo.
\vskip1.000000\baselineskip
13. Procedimiento de funcionamiento de un
convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones
1 a 6, alimentado mediante una tensión positiva (Vp) y una tensión
negativa (Vm) respecto a la masa, entregando el convertidor una
corriente de salida (is) a una carga (Z) conectada entre el primer
borne de salida (SP) y el segundo borne de salida (SM),
comprendiendo el procedimiento las siguientes etapas, para un ciclo
de funcionamiento y para hacer pasar por la carga (Z) una corriente
negativa, funcionando el convertidor en modo continuo:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor (Q1) está cerrado, el tercer
diodo (D3) es conductor, el segundo medio en configuración de
interruptor (Q2) está abierto y los diodos primero (D1) y cuarto
(D4) están en corte, estando en corte el segundo diodo (D2) si la
tensión en la primera salida (SP) respecto a la masa es, en valor
absoluto, suficientemente débil durante una primera parte del
ciclo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso el primer diodo (D1) es conductor, los
medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2)
están abiertos y los diodos segundo (D2), tercero (D3) y cuarto
(D4) están en corte durante una segunda parte del ciclo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa, en cuyo transcurso el segundo medio en configuración de
interruptor (Q2) está cerrado, el cuarto diodo (D4) es conductor, el
primer medio en configuración de interruptor (Q1) está abierto y
los diodos primero (D1), segundo (D2) y tercero (D3) están en corte,
durante una tercera parte del ciclo,
- una cuarta etapa, que sigue a la tercera
etapa, en cuyo transcurso el segundo diodo (D2) es conductor, los
medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2)
están abiertos y los diodos primero (D1), tercero (D3) y cuarto
(D4) están en corte, durante una cuarta parte del ciclo que termina
al final del ciclo.
\vskip1.000000\baselineskip
14. Procedimiento de funcionamiento de un
convertidor conmutado según una cualquiera de las reivindicaciones
1 a 6, siendo alimentado el convertidor mediante una tensión
positiva (Vp) y una tensión negativa (Vm) respecto a la masa,
entregando el convertidor una corriente de salida (is) a una carga
(Z) conectada entre el primer borne de salida (SP) y el segundo
borne de salida (SM), comprendiendo el procedimiento las siguientes
etapas, para un ciclo de funcionamiento y para hacer pasar por la
carga (Z) una corriente positiva, funcionando el convertidor en
modo continuo:
- una primera etapa en cuyo transcurso el primer
medio en configuración de interruptor (Q1) está cerrado, el tercer
diodo (D3) es conductor, el segundo medio en configuración de
interruptor (Q2) está abierto y los diodos primero (D1), segundo
(D2) y cuarto (D4) están en corte, durante una primera parte del
ciclo,
- una segunda etapa, que sigue a la primera
etapa, en cuyo transcurso el primer diodo (D1) es conductor, los
medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2)
están abiertos y los diodos segundo (D2), tercero (D3) y cuarto
(D4) están en corte durante una segunda parte del ciclo,
- una tercera etapa, que sigue a la segunda
etapa, en cuyo transcurso el segundo medio en configuración de
interruptor (Q2) está cerrado, el cuarto diodo (D4) es conductor, el
primer medio en configuración de interruptor (Q1) está abierto, los
diodos segundo (D2) y tercero (D3) están en corte, el primer diodo
(D1) está en corte si la tensión en la primera salida (SP) respecto
a la masa es, en valor absoluto, suficientemente débil, durante una
tercera parte del ciclo,
- una cuarta etapa, que sigue a la tercera
etapa, en cuyo transcurso el segundo diodo (D2) es conductor, los
medios en configuración de interruptor primero (Q1) y segundo (Q2)
están abiertos y los diodos primero (D1), tercero (D3) y cuarto
(D4) están en corte, durante una cuarta parte del ciclo que termina
al final del ciclo.
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