ES2593826T3 - Sistema de control de una carga eléctrica alimentado por fuentes de corriente continua - Google Patents

Sistema de control de una carga eléctrica alimentado por fuentes de corriente continua Download PDF

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Abstract

Sistema de control de una carga eléctrica alterna, que incluye un variador (10) de velocidad que comprende un módulo (11) rectificador provisto de varios bornes (L1, L2, L3) de alimentación y que proporciona una tensión continua entre una línea (14) positiva y una línea (15) negativa de un bus de potencia y que comprende un módulo (12) ondulador alimentado por el bus de potencia y que proporciona una tensión variable a la carga (M) eléctrica, caracterizado porque el sistema de control incluye varias fuentes (21, 22, 23) de alimentación de corriente continua que comprenden cada una un borne positivo y un borne negativo, estando el borne positivo de cada fuente (21, 22, 23) de alimentación de corriente continua empalmado a un borne (L1, L2, L3) de alimentación distinto del módulo (11) rectificador y estando los bornes negativos de las fuentes (21, 22, 23) de alimentación de corriente continua empalmados a la línea (15) negativa del bus de potencia.

Description

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DESCRIPCION
Sistema de control de una carga electrica alimentado por fuentes de corriente continua
La presente invencion se refiere a un sistema de control de una carga electrica alterna, tal como un motor electrico trifasico, incluyendo el sistema de control un variador de velocidad y estando alimentado por varias fuentes de alimentacion de corriente continua, tales como celulas fotovoltaicas.
Un variador de velocidad de tipo convertidor de frecuencia esta destinado a pilotar un motor alterno. Incluye habitualmente un modulo ondulador que esta alimentado por una tension continua suministrada por un bus de potencia y que suministra una tension alterna de frecuencia variable a los arrollamientos del estator del motor. El modulo ondulador incluye unos interruptores de potencia controlados para efectuar una modulacion de tension por ancho de pulsos (MAP o PWM - Pulse Width Modulation). La tension continua del bus de potencia esta proporcionada habitualmente por un modulo rectificador que esta alimentado por una tension de alimentacion alterna que proviene de una red de alimentacion exterior y que suministra a la salida una tension rectificada que forma el bus de potencia. El modulo rectificador incluye unos puentes de diodos o de tiristores para rectificar la tension de alimentacion alterna.
Resulta que, en ciertas aplicaciones, la red de alimentacion exterior que alimenta el variador de velocidad no proporciona una tension alterna, sino una tension continua. Este caso se produce, en concreto, cuando la fuente de energfa es fotovoltaica o electroqmmica. En este caso, si se quiere utilizar un variador de velocidad convencional, hay que anadir un modulo convertidor que permite pasar de la tension continua que proviene de la red de alimentacion a una tension alterna que alimenta el variador de velocidad. Esta situacion complica de manera evidente la solucion de forma importante.
Otra solucion consiste en servirse directamente de la tension continua de alimentacion como bus de potencia que alimenta el modulo ondulador del variador. Esta solucion mas sencilla presenta, no obstante, el inconveniente de que el variador de velocidad que se utiliza en este caso no es un variador estandar, lo que puede ser penalizador en cuanto a coste para instalaciones pequenas. Una solucion de este tipo se presenta, por ejemplo, en el documento US7.126.294 o EP 1 986 306 que muestra una celula fotovoltaica cuyos bornes de salida estan enlazados al bus de potencia que alimenta el modulo ondulador de un variador de velocidad. Por lo demas, esta solucion no permite gestionar de manera sencilla el caso en que la red de alimentacion exterior incluye varias fuentes de alimentacion de corriente continua en paralelo.
De hecho, determinadas fuentes de energfa, como las celulas fotovoltaicas, que no tienen un funcionamiento constante ya que dependen de la exposicion solar recibida por la celula, puede ser por tanto deseable, disponer de varias fuentes de alimentacion en paralelo para una mejor disponibilidad de la instalacion.
El documento WO 2006/050878 describe un variador de velocidad que puede estar alimentado por un modulo de alimentacion que incluye varias fuentes discontinuas, como unas celulas fotovoltaicas, en que el modulo de alimentacion esta directamente empalmado a los bornes de entrada del rectificador del variador.
Por lo tanto, la finalidad de la invencion es proponer una solucion sencilla y economica que permita alimentar un variador de velocidad estandar por varias fuentes de alimentacion de corriente continua, sin anadir componentes suplementarios y sin necesitar una modificacion del variador, con la finalidad de controlar un motor electrico.
Para ello, la invencion describe un sistema de control de una carga electrica alterna, que incluye un variador de velocidad que comprende un modulo rectificador provisto de varios bornes de alimentacion y que proporciona una tension continua entre una lmea positiva y una lmea negativa de un bus de potencia y que comprende un modulo ondulador alimentado por el bus de potencia y que proporciona una tension variable a la carga electrica alterna.
Segun una variante A, el sistema de control incluye varias fuentes de alimentacion de corriente continua que comprenden cada una un borne positivo y un borne negativo, estando el borne positivo de cada fuente de alimentacion de corriente continua empalmado a un borne de alimentacion distinto del modulo rectificador y estando los bornes negativos de las fuentes de alimentacion de corriente continua empalmados a la lmea negativa del bus de potencia. Segun una variante B equivalente, el sistema de control incluye varias fuentes de alimentacion de corriente continua que comprenden cada una un borne positivo y un borne negativo, estando el borne negativo de cada fuente de alimentacion de corriente continua empalmado a un borne de alimentacion distinto del modulo rectificador y estando los bornes positivos de las fuentes de alimentacion de corriente continua empalmados a la lmea positiva del bus de potencia.
Segun una caractenstica, el modulo rectificador incluye varias ramas paralelas conectadas entre la lmea positiva y la lmea negativa del bus de potencia, comprendiendo cada rama dos diodos en serie, estando cada borne de alimentacion del variador conectado respectivamente a un punto medio entre los diodos del modulo rectificador.
Otras caractensticas y ventajas se mostraran tras la descripcion detallada que sigue haciendo referencia a un modo de realizacion dado a tttulo de ejemplo y representado por los dibujos adjuntos en los que:
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- la figura 1 muestra una arquitectura simplificada de un sistema de control conforme a la variante A de la invencion,
- la figura 2 muestra una arquitectura simplificada de un sistema de control conforme a la variante B de la invencion,
- la figura 3 representa otro modo de realizacion de la figura 1.
Con referencia a la figura 1, un sistema de control esta destinado a pilotar una carga electrica, en este caso un motor M electrico trifasico. El sistema de control incluye un variador 10 de velocidad, de tipo convertidor de frecuencia, que suministra una tension alterna de frecuencia variable al motor con la ayuda de un modulo 12 ondulador que incluye tres ramas provistas cada una de dos interruptores 28, 29 de potencia en serie. Estos interruptores de potencia son, por ejemplo, unos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), unos transistores de potencia de efecto de campo (FET) u otros y estan pilotados por una unidad de control del variador 10 (no representada). Las ramas del modulo 12 ondulador estan alimentadas por un bus de potencia que presenta una tension continua entre una lmea 14 positiva y una lmea 15 negativa.
Aguas arriba del modulo 12 ondulador, el variador 10 de velocidad comprende igualmente un modulo 11 rectificador que suministra una tension continua entre la lmea 14 positiva y la lmea 15 negativa del bus de potencia. Un condensador 13 de bus esta colocado por lo general entre el modulo 11 rectificador y el modulo 12 ondulador y esta empalmado entre la lmea 14 positiva y la lmea 15 negativa.
De manera habitual, el modulo 11 rectificador de un variador 10 de velocidad esta alimentado por una red de alimentacion exterior que proporciona por lo general una tension alterna que puede ser monofasica o trifasica, en funcion de las aplicaciones. El modulo 11 rectificador incluye varias ramas paralelas, estando cada rama compuesta por dos diodos 26, 27 en serie y estando empalmada entre la lmea 14 positiva y la lmea 15 negativa del bus de potencia. El punto medio entre los diodos 26 y 27 de cada rama del modulo 11 rectificador se denomina M1, M2, M3. Los diodos 26 superiores tienen su catodo que esta conectado por el lado de la lmea 14 positiva y su anodo que esta conectado a un punto medio. Los diodos 27 inferiores tienen su anodo que esta conectado por el lado de la lmea 15 negativa y su catodo que esta conectado a un punto medio. Los diodos 26, 27 pueden sustituirse por otros componentes interruptores como unos tiristores en concreto. El numero de ramas del modulo 11 rectificador depende del numero de fases de la tension alterna de alimentacion de la red exterior.
En el caso de un variador 10 destinado a estar alimentado por una tension alterna trifasica, el modulo 11 rectificador incluye tres ramas paralelas e incluye tres bornes L1, l2, L3 de alimentacion alternos, estando cada borne de alimentacion alterno destinado a estar empalmado a una de las tres fases de la tension de alimentacion trifasica. Los tres bornes L1, L2, L3 de alimentacion estan conectados respectivamente a un punto M1, M2, M3 medio entre los diodos 26 y 27 de cada rama del modulo 11 rectificador, como se indica en la figura 1.
En el caso de un variador 10' destinado a estar alimentado por una tension alterna monofasica, el modulo 11' rectificador incluye solamente dos ramas paralelas e incluye dos bornes L1, L2 de alimentacion alternos, estando cada borne de alimentacion alterno destinado a estar empalmado a una de las dos fases (o fase-neutro) de la tension de alimentacion. Los dos bornes L1, L2 de alimentacion estan conectados respectivamente a un punto M1, M2 medio entre los diodos 26 y 27 de cada rama del modulo 11' rectificador, como se indica en la figura 3.
La invencion tiene como finalidad proporcionar una solucion sencilla y economica para las aplicaciones en que un variador de velocidad estandar esta alimentado no por una tension de alimentacion alterna monofasica o trifasica, sino por varias fuentes de alimentacion de corriente continua, compuestas, por ejemplo, por varias celulas fotovoltaicas o paneles solares.
De esta manera, el sistema de control representado en las figuras 1 y 2 incluye tres fuentes 21, 22, 23 o 21', 22', 23' de alimentacion de corriente continua destinadas a alimentar el variador 10. Cada fuente de alimentacion de corriente continua incluye un borne positivo y un borne negativo y esta compuesta por una o varias celulas fotovoltaicas conectadas en serie unas con otras, con la finalidad de proporcionar un nivel de tension suficiente al bus de potencia del variador 10. En los ejemplos de las figuras 1 y 2, cada fuente de alimentacion esta compuesta por cuatro celulas conectadas en serie.
El inconveniente es que si una celula fotovoltaica de una fuente de alimentacion esta a la sombra o deficiente, entonces es toda la fuente de alimentacion la que pierde su potencia, pues la celula a la sombra o deficiente tendra una produccion limitada de corriente. Por lo tanto, parece importante poner varias fuentes de alimentacion en paralelo. Pero entonces cada fuente de alimentacion debe ser independiente, pues si una primera fuente de alimentacion no proporciona la corriente deseada, una segunda fuente de alimentacion corre el riesgo de debilitar la corriente en la primera fuente de alimentacion, que entonces va a consumir de manera inutil (como para un cortocircuito). Por lo tanto, es necesario prever un dispositivo antirretorno entre las diferentes fuentes de alimentacion.
Por este motivo, la invencion preve que, segun una primera variante A representada en la figura 1, el borne positivo de cada fuente 21, 22, 23 de alimentacion de corriente continua este respectivamente empalmado a un borne L1, L2, L3 de alimentacion correspondiente del modulo 11 rectificador. Los bornes negativos de las fuentes 21, 22, 23 de
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alimentacion estan todos empalmados en comun a un borne comun que esta directamente conectado a la lmea 15 negativa del bus de potencia, tambien llamado borne PC. Este borne PC es un borne existente que esta disponible en los variadores de velocidad estandar y, por lo tanto, es muy facil de utilizar.
De esta manera, los tres bornes L1, L2, L3 de alimentacion no estan empalmados a las diferentes fases de una fuente de alimentacion alterna como en el caso de una utilizacion habitual del variador 10, sino que estan directamente empalmados al borne positivo de cada una de las tres fuentes de alimentacion de corriente continua, sin efectuar cualquier modificacion del variador 10, estando los bornes negativos de las fuentes de alimentacion de corriente continua conectados juntos a la lmea 15 negativa del bus de potencia.
Estando los bornes positivos de las fuentes 21, 22, 23 de alimentacion respectivamente empalmados a los puntos M1, M2, M3 medios de las ramas del modulo 11 rectificador, estan conectados, por lo tanto, a la lmea 14 positiva del bus de potencia por medio de los diodos 26 superiores de cada rama del modulo 11 rectificador. De esta manera, en caso de fallo de una fuente 21,22, 23 de alimentacion cualquiera, los diodos 26 superiores de cada rama del modulo 11 rectificador evitan un nuevo cierre del circuito y una puesta en cortocircuito de esta fuente de alimentacion deficiente (funcion antirretorno).
En una segunda variante B presentada en la figura 2 y cuyo funcionamiento es equivalente a la variante A, el sistema de control incluye tres fuentes 21', 22', 23' de alimentacion de corriente continua similares respectivamente a las fuentes 21,22, 23 de la figura 1, pero enchufadas de manera diferente. De hecho, a partir de ahora es el borne negativo de cada fuente 21', 22', 23' de alimentacion de corriente continua el que esta respectivamente empalmado a un borne L1, L2, L3 de alimentacion correspondiente del modulo 11 rectificador. Entonces, los bornes positivos de las fuentes 21', 22', 23' de alimentacion estan todos empalmados en comun a un borne comun que esta directamente conectado a la lmea 14 positiva del bus de potencia, tambien llamado borne PA. Este borne Pa es un borne existente que esta disponible en los variadores de velocidad estandar.
De esta manera, los tres bornes L1, L2, L3 de alimentacion no estan empalmados a las diferentes fases de una fuente de alimentacion alterna como en el caso de una utilizacion habitual del variador 10, sino que estan directamente empalmados al borne negativo de cada una de las tres fuentes de alimentacion de corriente continua, sin efectuar una modificacion cualquiera del variador 10, estando los bornes positivos de las fuentes de alimentacion de corriente continua conectados juntos a la lmea 14 positiva del bus de potencia.
Estando los bornes negativos de las fuentes 21', 22', 23' de alimentacion respectivamente empalmados a los puntos M1, M2, M3 medios de las ramas del modulo 11 rectificador, estan conectados, por lo tanto, a la lmea 15 negativa del bus de potencia por medio de los diodos 27 inferiores de cada rama del modulo 11 rectificador. De esta manera, en caso de fallo de una fuente 21', 22', 23' de alimentacion cualquiera, los diodos 27 inferiores de cada rama del modulo 11 rectificador evitan un nuevo cierre del circuito y una puesta en cortocircuito de esta fuente de alimentacion deficiente.
Las dos variantes A y B son utilizables con un mismo variador 10, pues los bornes PA y PC estan ambos disponibles en un variador estandar. Por lo tanto, en las dos variantes A y B, se saca partido de la estructura estandar del modulo 11 rectificador, en particular de la existencia de los diodos 26 superiores (variante A) y de los diodos 27 inferiores (variante B), para evitar un malfuncionamiento en caso de fallo de una fuente de alimentacion. Por lo tanto, esta solucion sencilla permite alimentar un variador de velocidad estandar a partir de varias fuentes de alimentacion de corriente continua, sin los inconvenientes citados y sin necesitar anadir unos componentes para aislar las diferentes fuentes de alimentacion de corriente continua. Estas dos variantes pertenecen a la misma invencion, ya que resuelven el mismo problema tecnico utilizando unos medios tecnicos identicos, proviniendo la unica diferencia del sentido de empalme de las fuentes de alimentacion al variador 10.
En el caso de las figuras 1 y 2, el variador 10 es un variador trifasico que incluye tres bornes L1, L2, L3 de alimentacion conectados respectivamente al punto M1, M2, M3 medio de las tres ramas del modulo 11 rectificador y el sistema de control incluye tres fuentes 21,22, 23 o 21', 22', 23' de alimentacion de corriente continua conectadas respectivamente a los tres bornes de alimentacion.
En el caso de la figura 3, el variador 10' es un variador monofasico que, por lo tanto, incluye solamente dos bornes L1, L2 de alimentacion conectados respectivamente al punto M1, M2 medio de las dos ramas del modulo 11' rectificador y el sistema de control incluye dos fuentes 21, 22 de alimentacion de corriente continua cuyos bornes positivos estan conectados respectivamente a los dos bornes de alimentacion. La figura 3 se asemeja a la variante A de la figura 1, es decir, con un empalme comun a la lmea 15 negativa del bus de potencia, pero es evidente que podna trasladarse igualmente el caso de la figura 3 a la variante B de la figura 2, es decir, con un empalme comun a la lmea 14 positiva del bus de potencia.
En otro modo de realizacion no representado, sena igualmente posible alimentar un variador trifasico solamente con dos fuentes 21, 22 de alimentacion de corriente continua. En este caso, es suficiente con empalmar las fuentes 21, 22 de alimentacion de corriente continua a dos cualesquiera de entre los tres bornes L1, L2, L3 de alimentacion, por ejemplo, L1, L2 y no empalmar el borne L3 de alimentacion correspondiente a la tercera rama del modulo 11 rectificador.

Claims (7)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
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    35
    REIVINDICACIONES
    1. Sistema de control de una carga electrica alterna, que incluye un variador (10) de velocidad que comprende un modulo (11) rectificador provisto de varios bornes (L1, L2, L3) de alimentacion y que proporciona una tension continua entre una lmea (14) positiva y una lmea (15) negativa de un bus de potencia y que comprende un modulo (12) ondulador alimentado por el bus de potencia y que proporciona una tension variable a la carga (M) electrica, caracterizado porque el sistema de control incluye varias fuentes (21,22, 23) de alimentacion de corriente continua que comprenden cada una un borne positivo y un borne negativo, estando el borne positivo de cada fuente (21, 22, 23) de alimentacion de corriente continua empalmado a un borne (L1, L2, L3) de alimentacion distinto del modulo
    (11) rectificador y estando los bornes negativos de las fuentes (21, 22, 23) de alimentacion de corriente continua empalmados a la lmea (15) negativa del bus de potencia.
  2. 2. Sistema de control de una carga electrica alterna, que incluye un variador (10) de velocidad que comprende un modulo (11) rectificador provisto de varios bornes (L1, L2, L3) de alimentacion y que proporciona una tension continua entre una lmea (14) positiva y una lmea (15) negativa de un bus de potencia y que comprende un modulo
    (12) ondulador alimentado por el bus de potencia y que proporciona una tension variable a la carga (M) electrica, caracterizado porque el sistema de control incluye varias fuentes (21', 22', 23') de alimentacion de corriente continua que comprenden cada una un borne positivo y un borne negativo, estando el borne negativo de cada fuente (21', 22', 23') de alimentacion de corriente continua empalmado a un borne (L1, L2, L3) de alimentacion distinto del modulo (11) rectificador y estando los bornes positivos de las fuentes (21', 22', 23') de alimentacion de corriente continua empalmados a la lmea (14) positiva del bus de potencia.
  3. 3. Sistema de control segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el modulo (11) rectificador incluye varias ramas paralelas conectadas entre la lmea (14) positiva y la lmea (15) negativa del bus de potencia, comprendiendo cada rama dos diodos (26, 27) en serie, estando cada borne (L1, L2, L3) de alimentacion del variador (10) conectado respectivamente a un punto (M1, M2, M3) medio entre los diodos (26, 27) del modulo (11) rectificador.
  4. 4. Sistema de control segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque cada fuente de alimentacion de corriente continua incluye una o varias celulas fotovoltaicas conectadas en serie.
  5. 5. Sistema de control segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el variador (10) es un variador trifasico que incluye tres bornes (L1, L2, L3) de alimentacion y el sistema incluye tres fuentes de alimentacion de corriente continua conectadas respectivamente a los tres bornes de alimentacion.
  6. 6. Sistema de control segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el variador (10') es un variador monofasico que incluye dos bornes (L1, L2) de alimentacion y el sistema incluye dos fuentes (21, 22) de alimentacion de corriente continua conectadas respectivamente a los dos bornes de alimentacion.
  7. 7. Sistema de control segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el variador es un variador (10) trifasico que incluye tres bornes (L1, L2, L3) de alimentacion y el sistema incluye dos fuentes (21, 22) de alimentacion de corriente continua conectadas respectivamente a dos de los tres bornes de alimentacion, no estando el tercer borne de alimentacion empalmado.
ES10710057.0T 2009-04-08 2010-03-25 Sistema de control de una carga eléctrica alimentado por fuentes de corriente continua Active ES2593826T3 (es)

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