ES2374231A1 - Circuito magnético del conversor eléctrico universal. - Google Patents
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Abstract
Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio que convierte magnitud y/o fase y/o frecuencia entre sistemas con mejoras en la calidad de onda que comprende un núcleo magnético cerrado o más de un núcleo magnético cerrado contenidos unos dentro de otros y con no necesariamente igual permeabilidad, dos o más sistemas eléctricos siendo al menos uno de los sistemas eléctricos de varios polos magnéticos dispuestos angularmente, y donde cada sistema eléctrico está comprendido por al menos un devanado eléctrico ranurado dispuesto radialmente de forma que todo el flujo magnético queda confinado dentro del núcleo o núcleos magnéticos.
Description
Circuito magnético del conversor eléctrico
universal.
La presente invención se refiere a un nuevo
conversor que permite la explotación de las propiedades de los
campos magnéticos giratorios en conversiones exclusivamente
eléctricas mejorando tanto el rendimiento como su facilidad de
construcción.
Las conversiones eléctricas abarcan la totalidad
de los parámetros, es decir, magnitud, fase y frecuencia de las
variables eléctricas.
El campo de la técnica al que se refiere la
presente invención es el de los convertidores eléctricos.
Las conversiones eléctricas complejas se basan
en el uso de semiconductores integrados dentro de un sistema de
conmutación que permite transformar los parámetros de magnitud, fase
y frecuencia.
Las estrategias de conversión suelen ser
sofisticadas y requerir que sus componentes trabajen a frecuencias
elevadas.
Los transformadores convencionales pueden
clasificarse como una aplicación de circuito magnético de campo
lineal, es decir, aquellos en los que el flujo magnético sólo tiene
una dirección espacial.
Otro tipo de circuito magnético es el que
permite un campo magnético giratorio, el cual se ha explotado
únicamente en aplicaciones electromecánicas, siendo su uso en
aplicaciones puramente eléctricas escaso.
Este escaso uso en aplicaciones eléctricas es
debido a que los circuitos magnéticos de campo giratorio usados hoy
en día, es decir, los utilizados en aplicaciones electromecánicas,
presentan un entrehierro de aire que provoca rendimientos bajos.
Entre la literatura de patentes revisada se han
encontrado algunas patentes que hacen uso de distintas
permeabilidades dentro de los circuitos magnéticos.
La patente US 5,062,197 presenta conductores que
son paralelos a la base completando total o parcialmente el arco
angular en la geometría cilíndrica donde el flujo discurre de forma
longitudinal por las paredes externas e internas del "pot
core"
Sin embargo la presente invención requiere de
conductores predominantemente longitudinales en geometrías
cilíndricas donde no se presenta ningún flujo que recorra
longitudinalmente el circuito.
La patente US 5,748,013 presenta una topología
de circuito lineal usando un núcleo magnético de tipo transformador
convencional de columnas o toroidal, sin embargo la presente
invención necesita dos o más núcleos magnéticos cerrados contenidos
unos dentro de otros o un núcleo magnético de tipo cilíndrico con
devanados que atraviesen el núcleo.
La patente US 2003/0030529 A1 únicamente utiliza
un único núcleo magnético de tipo transformador convencional de
columnas o toroidal, sin embargo, la presente invención necesita dos
o más núcleos magnéticos cerrados contenidos unos dentro de otros o
un núcleo magnético de tipo cilíndrico con devanados que atraviesen
el núcleo.
La patente WO 2007/045985 A1 presenta una
segunda permeabilidad que se encuentra formando una rama en paralelo
con el núcleo principal que es de tipo transformador convencional de
columnas, sin embargo, la presente invención necesita dos o más
núcleos magnéticos cerrados contenidos unos dentro de otros o un
núcleo magnético de tipo cilíndrico con devanados que atraviesen el
núcleo.
La patente GB 2138215 A presenta un único núcleo
cerrado que puede tener varios entrehierros pero los devanados no
atraviesan el núcleo.
La patente EP 0 340800 A1 presenta un diseño que
comprende un entrehierro vacío a diferencia de la presente invención
que no presenta ningún entrehierro vacío.
El circuito magnético de la invención, con la
topología y sistema de conmutación adecuados, permite la conversión
entre sistemas eléctricos de no necesariamente igual magnitud, fase
y frecuencia como una forma alternativa del estado actual de la
técnica, con mejoras en la calidad de onda, rendimientos y sencillez
de operación.
\newpage
Por tanto, el objeto de la presente invención es
proveer un conversor de energía eléctrica estático de campo
magnético giratorio que mejora el rendimiento y supera las
deficiencias mencionadas anteriormente.
Otro objeto de la presente invención es proveer
un conversor universal, es decir, que convierte magnitud y/o fase
y/o frecuencia entre sistemas con mejoras en la calidad de onda.
Un circuito magnético viene definido por la
combinación de la disposición física de materiales y de las zonas de
fuerza magnetomotriz cuyas características determinan las
propiedades singulares de los flujos resultantes tales como magnitud
y dirección.
Así pues, la presente invención expone un
circuito magnético, de geometría no necesariamente cilíndrica, que
comprende, un núcleo magnético cerrado o más de un núcleo magnético
cerrado contenidos unos dentro de otros y con no necesariamente
igual permeabilidad, dos o más sistemas eléctricos siendo al menos
uno de los sistemas eléctricos de varios polos magnéticos dispuestos
angularmente, y donde cada sistema eléctrico está comprendido por al
menos un devanado eléctrico ranurado dispuesto radialmente de forma
que todo el flujo magnético queda confinado dentro del núcleo o
núcleos magnéticos.
Para un funcionamiento óptimo en campos
giratorios, cuando disponemos de un único núcleo magnético, la
superficie exterior de esta región magnética ha de ser lo más
cercana posible a un cilindro en geometrías cilíndricas, al mismo
tiempo, al menos uno de los sistemas eléctricos posee devanados
concéntricos con la superficie exterior.
Cuando el circuito magnético comprende más de
dos núcleos, éstos pueden ser macizos o alternativamente el núcleo
magnético comprendido entre dos núcleos magnéticos macizos puede ser
hueco, el cual a su vez comprende una sustancia distinta del aire
con propiedades magnéticas.
Opcionalmente, se pueden añadir al menos un
puente que conecta al menos dos núcleos magnéticos, donde el
material de dicho puente es el mismo que el de los núcleos que
conecta produciendo de facto un único núcleo magnético.
Los puentes se diseñan para que no trabajen
magnéticamente, ya sea mediante saturación magnética o tratamiento
del material del puente por lo que se puede considerar a efectos
prácticos como dos núcleos magnéticos, uno exterior y otro interior,
separados por un núcleo intermedio.
El circuito magnético de la invención en
comparación a los circuitos magnéticos lineales actuales mejora las
autoinducciones alcanzables y transmite mejor el calor a la
superficie exterior resultando en un mejor rendimiento.
Por otro lado, si lo comparamos a un circuito
magnético de campo giratorio con aire en el entrehierro, la
invención alcanza mejores rendimientos con costes de construcción
menores.
Además, al generar un campo magnético giratorio,
añade un nuevo campo de aplicaciones dentro de las conversiones
entre sistemas eléctricos que incluye entre otras, la
interconversión de energía eléctrica entre corriente alterna y
corriente continua, corriente alterna y corriente alterna de
distinta frecuencia, corriente alterna y corriente alterna de la
misma frecuencia y la misma o distinta fase, es decir la presente
invención permite la conversión de magnitud y/o fase y/o frecuencia
entre sistemas. Por lo que se puede denominar un conversor universal
de sistemas eléctricos.
El uso de la invención expuesta junto a dichas
aplicaciones permite el uso de sistemas de conmutación a menor
frecuencia, con estrategias menos sofisticadas y beneficios varios
como en la calidad de onda y/o flexibilidad de operación entre
otros.
La Figura 1 es una vista de la sección
transversal según la invención de un conversor trifásico de campo
magnético giratorio con tres núcleos magnéticos en donde se aprecia
un núcleo magnético interior (103), un núcleo magnético exterior o
corona (101), un núcleo magnético intermedio (102), orificios del
centro (106), orificios de la corona (105) y ranuras (104).
La Figura 2 es una vista en explosión de un
cuarto de un conversor trifásico de campo magnético giratorio sujeto
por puentes, en donde se aprecia el puente (205), núcleo magnético
interior (201), separación de la ranura (206), núcleo magnético
exterior o corona (204), dos núcleos magnéticos intermedios (202 y
207), ranura (208) y devanados con la forma de la ranura (203).
La Figura 3 es una vista de la sección
transversal según la invención de un conversor trifásico de alta
frecuencia formado por un núcleo magnético interior (302), un núcleo
magnético exterior (301) de diferentes permeabilidades y ranuras
hexagonales (303).
La Figura 4 es una vista de la sección
transversal según la invención de un conversor trifásico de alta
frecuencia formado por un único núcleo magnético (401) en donde se
aprecian ranuras hexagonales (402).
La Figura 5 es una vista frontal según la
invención de un modo de realización de la ranura (501) en donde se
aprecia que las líneas (502) y (503) son rectas y la línea (504) es
curva.
Se describen a continuación distintas formas de
llevar cabo la invención que no son las únicas, por lo que quedarán
igualmente protegidas por la presente invención aquellas ejecuciones
posibles que adopten los elementos técnicos esenciales que
caracterizan a la presente.
La primera forma de realización del conversor
será descrita en relación a la figura 1.
El conversor mostrado en la figura 1 comprende
un núcleo magnético interior macizo (103), un núcleo magnético
exterior o corona macizo (101), un núcleo magnético intermedio
(102), orificios del centro (106), orificios de la corona (105) y
ranuras triangulares (104) con devanados que lo recorren
interiormente, donde los núcleos magnéticos son cerrados,
concéntricos, estáticos y con geometría cilíndrica.
Para aplicaciones en frecuencias industriales de
50/60 Hz, los materiales del núcleo magnético interior (103) y del
núcleo magnético exterior (101) tienen altas permeabilidades,
saturaciones elevadas y con pocas pérdidas de histéresis, como por
ejemplo puede ser acero al silicio entre otros.
Para evitar las pérdidas por corrientes de
Foucault, se recurre al apilamiento de las chapas magnéticas de
forma longitudinal, con espesores comprendidos entre
0.5-0.35 mm, que se sujetan con elementos mecánicos
alojados en la propia chapa por medio de unos orificios que permiten
el paso de los componentes mecánicos citados anteriormente para
sujetar las chapas como puede verse en la figura 1, donde se
muestran los orificios de la corona (105) y los orificios del centro
(106).
El núcleo magnético intermedio (102) está
ocupado de forma continua por una única sustancia que la denominamos
dopado magnético y cuya permeabilidad depende de los materiales del
núcleo magnético interior (103), del núcleo magnético exterior o
corona (101) y la separación del mismo núcleo intermedio (102).
Al ser esta sustancia continua de forma
longitudinal, se le requiere que tenga una alta resistividad que
impida las corrientes de Foucault.
La permeabilidad de la sustancia del núcleo
magnético intermedio (102) es menor que la del núcleo magnético
interior (103) y exterior (101) y su saturación magnética es igual o
mayor que la del núcleo magnético interior (103) y exterior
(101).
La permeabilidad del dopado magnético \mu_{2}
de un núcleo magnético intermedio (102) tal como el mostrado en la
figura 1, viene dada por:
Donde D_{3} es la distancia comprendida entre
(107) y (108), D_{2} es la distancia comprendida entre (111) y
(112), D_{1} es la distancia comprendida entre (113) y (114),
\mu es la permeabilidad magnética de la corona (101) y del centro
(102) y \mu_{2} es la permeabilidad magnética del dopado
magnético (103).
\vskip1.000000\baselineskip
La forma de las ranuras (104) que produce el
máximo rendimiento es la que se muestra en la figura 5, es decir una
forma parecida a un triángulo donde la línea (502) y (503) son
rectas y línea (504) es curva, cuando D_{2} = (1/4)D_{3}
y D_{re} = (3/4)D_{3} donde D_{re} es la distancia
comprendida entre (109) y (110) siendo la distancia entre dos
ranuras consecutivas constante.
Los devanados, los cuales comprenden
conductores, se aíslan por métodos convencionales.
El devanado primario y secundario de la máquina
se realiza como en un motor de inducción trifásico bipolar, es
decir, cada uno de los tres devanados ocupa la tercera parte del
arco angular, estando los devanados primarios y secundarios
agrupados compartiendo las mismas ranuras (104) y donde la relación
de transformación entre primario y secundario viene dada por la
relación del número de conductores entre un devanado primario y su
contrapartida secundaria, como en un transformador convencional.
La segunda forma de realización es una variante
del primer modo de realización y comprende la figura 2 donde se
muestran las características que modifican a la primera forma de
realización.
El conversor de la segunda forma de realización
comprende un núcleo magnético interior macizo (201), un núcleo
magnético exterior o corona macizo (204), dos núcleos magnéticos
intermedios (202 y 207), ranuras (208), devanados (203) y al menos
un puente (205), y donde los núcleos magnéticos son concéntricos,
estáticos y con geometría cilíndrica.
En esta segunda forma de realización, la
estaticidad y concentricidad de los núcleos se consigue por medio de
la utilización de puentes (205) que unen el núcleo magnético
interior macizo (201) con uno de los núcleos magnéticos intermedios
(207).
Las ranuras (208) se separan del núcleo
magnético intermedio (202) como se muestra en la figura 2.
Las dimensiones de los puentes y la separación
(206) de la ranura son las que permiten que se saturen los puentes y
la separación en condiciones de trabajo.
Alternativamente o adicionalmente para minimizar
el impacto de los puentes (205) y la separación (206) sobre la
calidad de los parámetros eléctricos cuando no están saturados se
giran las chapas de forma longitudinal repartiendo la posición del
puente y la separación (206) en todo el arco angular.
Un tercer modo de realización se muestra en la
figura 3, donde el conversor comprende un núcleo magnético interior
macizo (302), un núcleo magnético exterior o corona macizo (301),
ranuras hexagonales (303) donde se encuentran alojados los
devanados, y donde los núcleos magnéticos son concéntricos,
estáticos, con geometría cilíndrica y con permeabilidades magnéticas
diferentes.
Mediante este conversor se puede trabajar en
frecuencias elevadas, eligiéndose en tal caso materiales típicos
para trabajar en este rango de frecuencias como pueden ser las
ferritas, pudiéndose modificar la permeabilidad global al modificar
los materiales de cada uno de los núcleos que comprende el
conversor.
Un cuarto modo de realización se muestra en la
figura 4, donde el conversor comprende un único núcleo magnético
(401) y ranuras (402) donde se en encuentran alojados los
devanados.
Debido a que en los conversores con un único
núcleo magnético el flujo magnético giratorio presenta una cantidad
muy elevada de armónicos que altera la calidad de los sistemas
eléctricos conectados, se construyen devanados de forma que los
factores de devanado en sus armónicos cumplan las siguientes
condiciones:
1.- La relación de cada uno de los factores de
devanado (\xi_{n}) respecto al fundamental (\xi_{1}) está
limitado por:
2.- La distorsión total acumulada está limitada
por:
Donde n son los armónicos en la descomposición
de la serie de Fourier de los factores de devanado y n comprende
cualquier valor de la siguiente sucesión n = 1+2x, donde x es un
número natural comprendido entre 1 y 12.
\vskip1.000000\baselineskip
Opcionalmente, en todas las formas de
realización descritas anteriormente el núcleo magnético interior
puede comprender un hueco concéntrico con el o los núcleos
magnéticos restantes.
Claims (9)
1. Conversor de energía eléctrica estático de
campo giratorio caracterizado porque comprende un núcleo
magnético cerrado o más de un núcleo magnético cerrado contenidos
unos dentro de otros y con no necesariamente igual permeabilidad,
dos o más sistemas eléctricos siendo al menos uno de los sistemas
eléctricos de varios polos magnéticos dispuestos angularmente, y
donde cada sistema eléctrico está comprendido por al menos un
devanado eléctrico ranurado dispuesto radialmente de forma que todo
el flujo magnético queda confinado dentro del núcleo o núcleos
magnéticos.
2. Conversor de energía eléctrica estático de
campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque
el factor de devanado (\xi_{n}) respecto al factor de devanado
fundamental (\xi_{1}) corresponde a la fórmula:
\vskip1.000000\baselineskip
3. Conversor de energía eléctrica estático de
campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque
D_{2} esta comprendido entre el 10% y 40% de D_{3} y D_{re}
está comprendido entre el 50% y 80% de D_{3}.
4. Conversor de energía eléctrica estático de
campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque
\mu_{2}(D_{2}+D_{1})/\mu(D_{2}-D_{1})
es al menos 0,12.
5. Conversor de energía eléctrica estático de
campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque
la forma de la ranura es poligonal.
6. Conversor de energía eléctrica estático de
campo giratorio según reivindicaciones 1 y 5 caracterizado
porque de las tres líneas que conforman la forma de la ranura, dos
son líneas rectas y la otra es una línea curva.
7. Conversor de energía eléctrica estático de
campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque
comprende al menos un puente que conecta al menos dos núcleos
magnéticos.
8. Conversor de energía eléctrico estático de
campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque
los devanados de los sistemas eléctricos están alojados juntos.
9. Conversor de energía eléctrico estático de
campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque
el núcleo magnético interior comprende un hueco concéntrico con el o
los núcleos magnéticos restantes.
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FD2A | Announcement of lapse in spain |
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