ES2374231B1 - 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.
Antecedentes
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.
Descripción de la invención
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.
Varias ventajas resultan de este diseño
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.
Breve descripción de las figuras
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.
Descripción detallada de la invención
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 μ2 de un núcleo magnético intermedio (102) tal como el mostrado en la figura 1, viene dada por:
Donde D3 es la distancia comprendida entre (107) y (108), D2 es la distancia comprendida entre (111) y (112), D1 es la distancia comprendida entre (113) y (114), μ es la permeabilidad magnética de la corona (101) y del centro (102) y μ2 es la permeabilidad magnética del dopado magnético (103).
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 D2 = (1/4)D3 yDre = (3/4)D3 donde Dre 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 (ξn) respecto al fundamental (ξ1) 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 entre1y12.
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 (10)

  1. REIVINDICACIONES
    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. 2.
    Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque el factor de devanado (ξn) respecto al factor de devanado fundamental (ξ1) corresponde a la fórmula:
    y la distorsión total acumulada corresponde a la fórmula:
    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 sucesiónn=1+2x, donde x es un número natural comprendido entre1y12.
  3. 3.
    Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque D2 esta comprendido entre el 10% y 40% de D3 yDre está comprendido entre el 50% y 80% de D3.
  4. 4.
    Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque μ2 (D2+D1)/μ(D2-D1) es al menos 0,12.
  5. 5.
    Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque la forma de la ranura es poligonal.
  6. 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. 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. 8.
    Conversor de energía eléctrico estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque los devanados de los sistemas eléctricos están alojados juntos.
  9. 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.
    OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS
    N.º solicitud: 201000457
    ESPAÑA
    Fecha de presentación de la solicitud: 06.04.2010
    Fecha de prioridad:
    INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA
    DOCUMENTOS RELEVANTES
    Categoria
    @ Documentos citados Reivindicaciones afectadas
    X Y A Y A A A JP 57071275 A (TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO) 04.05.1982, resumen; figuras. US 2005030140 A1 (DAHLGREN MIKAEL et al.) 10.02.2005, descripción; figuras. AMRHEIN et al. "Rotor designs for small inverter-dedicated induction machines," Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC'03. IEEE International, vol. 2, pp. 1279-1285 vol. 2, 1-4 Junio 2003; doi: 10.1109/IEMDC.2003.1210404. KOCABAS et al., "A novel method to reduce the effects of space harmonics in alternating current machines," Industrial Electronics, 2008. ISIE 2008. IEEE International Symposium on, pp. 692-697, Junio 30 2008-Julio 2 2008; doi: 10.1109/ISIE.2008.4677207. 1-6,8,9 7 2-4 7 1-6,8,9 1,6 1,2
    Categoría de los documentos citados X: de particular relevancia Y: de particular relevancia combinado con otro/s de la misma categoría A: refleja el estado de la técnica O: referido a divulgación no escrita P: publicado entre la fecha de prioridad y la de presentación de la solicitud E: documento anterior, pero publicado después de la fecha de presentación de la solicitud
    El presente informe ha sido realizado � para todas las reivindicaciones � para las reivindicaciones nº:
    Fecha de realizaci6n del informe 20.01.2012 Examinador M. P. López Sábater Pagina 1/4
    INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA
    Nº de solicitud: 201000457
    Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) H02M Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de
    búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, IEEE
    Informe del Estado de la Técnica Página 2/4
    OPINION ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000457
    Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 20.01.2012
    Declaraci6n
    Novedad (Art. .1 LP 11/198 )
    Reivindicaciones Reivindicaciones 2-4 1,5,8,9 SI NO
    Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/198 )
    Reivindicaciones Reivindicaciones 2-4,6,7 SI NO
    Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).
    Base de la Opini6n.-
    La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.
    Informe del Estado de la Técnica Página 3/4
    OPINION ESCRITA
    Nº de solicitud: 201000457
    1. Documentos considerados.-
    A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.
    Documento
    Numero Publicaci6n o Identificaci6n Fecha Publicaci6n
    D01
    JP 57071275 A (TOKYO SHIBAURA ELECTRIC CO) 04.05.1982
    D02
    AMRHEIN et al. "Rotor designs for small inverter-dedicated induction machines," Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC'03. IEEE International, vol. 2, pp. 1279-1285 vol. 2, 1-4 Junio 2003; doi: 10.1109/IEMDC.2003.1210404.
    D03
    US 2005030140 A1 (DAHLGREN MIKAEL et al.) 10.02.2005
  10. 2. Declaraci6n motivada segun los articulos 29. y 29.7 del Reglamento de ejecuci6n de la Ley 11/198 , de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaraci6n
    Reivindicación 1:
    El documento D01 es el documento del estado de la técnica más cercano a esta primera reivindicación. En él se divulga un conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio (1) 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. Por lo tanto, esta reivindicación independiente no es nueva según el artículo 6 de la Ley de Patentes 11/86.
    Reivindicación 2 a 4:
    En estas reivindicaciones dependientes de la primera se especifican valores constructivos del devanado de la máquina destinados a limitar la producción de armónicos y la distorsión acumulada. Dado que se trata de condiciones de diseño, estas reivindicaciones carecen de actividad inventiva según el artículo 8 de la Ley 11/86 de Patentes.
    Reivindicación 5:
    Esta reivindicación dependiente desea proteger que la forma de la ranura es poligonal. Como todas las ranuras tienen forma poligonal, cualquier ranura constituye una anterioridad, como por ejemplo las del devanado del conversor de D01. Por lo que esta reivindicación tampoco se considera nueva.
    Reivindicación 6:
    En esta reivindicación dependiente se establece que la forma de la ranura estará conformada por tres líneas de las que dos serán líneas rectas y otra curva. Esto es ampliamente conocido en el estado de la técnica anterior para el caso de máquinas en las que se adoptan ranuras triangulares como se ilustra, por ejemplo, en el documento D02. Esta reivindicación, por lo tanto, también carece de actividad inventiva.
    Reivindicación 7:
    En el documento D01 no se aprecia cómo se han fijado los núcleos magnéticos concéntricos para evitar el movimiento relativo entre ellos. Sin embargo, en varias figuras de D03, como por ejemplo en la figura 14 de este documento, se aprecia que el uso de puentes entre núcleos magnéticos concéntricos es una práctica conocida. Un experto en la materia que dudara de la manera de fijar entre sí los núcleos de D01 no tendría que ejercer actividad inventiva alguna para adoptar la solución de fijarlos mediante puentes. A la vista de lo anterior, esta reivindicación carece de actividad inventiva.
    Reivindicaciones 8 y 9:
    Según se deduce al tener en cuenta el documento D01, estas reivindicaciones dependientes no son nuevas.
    Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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