ES2636909T3 - Método para el accionamiento de inversores, e inversor adaptado para reducir pérdidas de conmutación - Google Patents

Método para el accionamiento de inversores, e inversor adaptado para reducir pérdidas de conmutación Download PDF

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Luigi FRATELLI
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Abstract

Un método para el control de la conmutación de un inversor (1), en el que se adapta un puente (2) para trocear una tensión desde una fuente de tensión continua (4) para alimentar una tensión troceada a un primario (L1) de un transformador (5); comprendiendo el inversor (1) un circuito rectificador de diodos (6) que recibe la tensión de entrada desde el secundario (L2) del transformador (5) para conseguir una tensión alimentada a un troceador (7) que alimenta una carga (M); comprendiendo dicho puente (2) al menos una primera rama (8) y una segunda rama (9), estando formada cada una por un par de interruptores electrónicos (8A, 8B y 9A, 9B) dispuestos en serie entre sí; los terminales comunes de los interruptores electrónicos (8A, 8B y 9A, 9B) se conectan a los terminales de dicho primario (L1); estando provisto cada interruptor electrónico (8A, 8B y 9A, 9B) con un diodo de recirculación (10A, 10B y 11A, 11B) dispuesto en paralelo, comprendiendo el método la ejecución de: - una etapa en la que los interruptores de dicho puente (2) se accionan de modo que la fuente de suministro de alimentación (4) se desconecta de dicho primario (L1) y cuyos terminales se conectan recíprocamente mediante al menos dos de dichos interruptores electrónicos y dichos diodos de recirculación de modo que la tensión presente en el secundario (L2) de dicho transformador es nula; estando el método caracterizado por que comprende la ejecución de la conmutación de al menos un interruptor electrónico de una rama de dicho troceador cuando la tensión en el secundario es sustancialmente nula debido a que dicha tensión (4) no se aplica al primario (L1) que tiene terminales conectados en cortocircuito entre sí mediante dos componentes de la primera / segunda rama (8, 9) para minimizar las pérdidas de conmutación debido a la apertura/cierre de dicho interruptor electrónico de dicho troceador.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para el accionamiento de inversores, e inversor adaptado para reducir perdidas de conmutacion Campo tecnico
La presente invencion se refiere a un metodo para el accionamiento de inversores y a un inversor adaptado para reducir las perdidas de conmutacion.
Antecedentes de la tecnica
Son conocidos inversores en los que se adapta un puente (por ejemplo un puente en H) para trocear una tension a partir de una fuente de tension continua para la alimentacion de una tension alterna a un primario de un transformador; el inversor comprende adicionalmente un circuito rectificador-alisador de diodos que recibe la tension alterna de entrada desde el secundario del transformador para conseguir una tension alisada alimentada a un troceador que a su vez alimenta la carga. El troceador incluye generalmente una pluralidad de ramas en paralelo (son posibles diferentes estructuras de troceador con dos, tres o mas etapas), cada una de las cuales consiste en un par de interruptores de semiconductor electronicos dispuestos en serie e interpuestos entre una lmea de suministro de alimentacion positiva y una lmea de suministro de alimentacion negativa desde el circuito rectificador-alisador. Los terminales comunes de los interruptores electronicos del troceador comunican con las lmeas de suministro de alimentacion de la carga; cada interruptor electronico del troceador esta provisto tambien con un diodo de recirculacion dispuesto en paralelo.
La conmutacion de los interruptores electronicos del troceador esta controlada por una unidad electronica que opera con un cierto programa de alimentacion de cargas (por ejemplo, si dicha carga es un motor electrico, la velocidad de rotacion del motor y la potencia entregada por el motor en sf puede fijarse y ajustarse).
Las unidades electronicas conocidas controlan la conmutacion de los interruptores del troceador, bajo muchas condiciones de operacion, en presencia de tension en los extremos de los interruptores en sf mismos; dicha operacion —tal como es conocida por la ffsica de semiconductores— da como resultado una disipacion de potencia que contribuye a una parte considerable de las perdidas de conmutacion.
El documento de la tecnica anterior US 2005/180175 A1 divulga un metodo para el control de la conmutacion de un inversor y un inversor con las caractensticas de los preambulos de las reivindicaciones 1 y 4.
Divulgacion de la invencion
Es el objeto de la presente invencion proporcionar un metodo para el control de un inversor y un inversor en el que dichas perdidas de conmutacion se minimizan.
El objeto anterior se consigue por la presente invencion dado que se refiere a un metodo de control de la conmutacion de un inversor, en la que se adapta un puente para trocear una tension a partir de una fuente de
tension continua para alimentar una tension troceada a un primario de un transformador; comprendiendo el inversor
un circuito rectificador de diodos que recibe la tension de entrada desde el secundario del transformador para conseguir una tension alimentada a un troceador que alimenta una carga; comprendiendo dicho puente al menos en una primera rama y una segunda rama, consistiendo cada una en un par de interruptores electronicos dispuestos en serie; los terminales comunes de los interruptores electronicos se conectan a los terminales de dicho primario; estando provisto cada interruptor electronico con un diodo de recirculacion dispuesto en paralelo, estando caracterizado el metodo por que comprende la ejecucion de: una etapa en la que los interruptores de dicho puente son accionados de modo que la fuente de suministro de alimentacion se desconecta desde dicho primario y cuyos terminales se conectan redprocamente por al menos dos de dichos interruptores electronicos y dichos diodos de recirculacion de modo que la tension presente en el secundario de dicho transformador sea nula; conmutacion de al menos un interruptor electronico de una rama de dicho troceador cuando la tension del secundario es sustancialmente nula debido a que dicha tension no se aplica al primario que tiene terminales conectados en
cortocircuito entre sf mediante dos componentes de la primera/segunda rama para minimizar las perdidas de
conmutacion debido a la apertura/cierre de dicho interruptor electronico de dicho troceador.
En particular, se conecta un condensador que tiene un primer terminal a una primera lmea desde el rectificador y se conecta un segundo terminal a una segunda lmea desde el rectificador a traves de un diodo que permite que el condensador se cargue con la corriente desde la carga M en condiciones de bajo factor de potencia, impidiendo asf la sobretension en la primera y segunda lmeas; comprendiendo dicho metodo la etapa de cerrar un interruptor dispuesto en paralelo con el diodo mediante la descarga del condensador hacia la carga para recuperar la energfa almacenada, incrementando asf la eficiencia del circuito.
Mas aun, se proporciona un condensador amortiguador, del que un primer terminal se conecta a una primera lmea desde el rectificador y se conecta un segundo terminal a una segunda lmea desde el rectificador, lo que permite que
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todos los interruptores de dicho troceador se conmuten con tension cero incluso en presencia de corriente negativa hacia la carga.
Breve descripcion de los dibujos
Se divulgara ahora la invencion con referencia a los dibujos adjuntos que muestran una realizacion preferida de la misma, en los que:
la figura 1 muestra un inversor que opera de acuerdo con el metodo de la presente invencion; y las figuras 2-9 muestran etapas consecutivas operadas por el metodo.
Mejor modo de llevar a cabo la invencion
En la figura 1, el numero de referencia 1 indica como un conjunto un inversor 1 de acuerdo con la presente invencion al que se aplica un metodo de accionamiento de acuerdo con la presente invencion.
En particular, el inversor 1 incluye un puente en H 2 que esta adaptado para trocear una tension a partir de una fuente de tension continua 4 (por ejemplo V = 1500 voltios) para la alimentacion de una tension troceada a un primario L1 de un transformador 5. El inversor 1 comprende adicionalmente un circuito rectificador de diodos 6 que recibe la tension alterna de entrada desde el secundario L2 del transformador 5 para conseguir una tension alimentada a un troceador trifasico 7 que, en el ejemplo, alimenta una carga trifasica M, tal como un motor electrico.
Con mayor detalle, el puente en H 2 incluye una primera rama 8 y una segunda rama 9, consistiendo cada una en un par de interruptores electronicos 8A, 8B y 9A, 9B (tal como MOS) dispuestos en serie. Los terminales comunes de los interruptores electronicos 8A, 8B y 9A, 9B se conectan a los terminales del primario L1, mientras que los lados opuestos de las ramas 8 y 9 se conectan al terminal positivo//negativo de la fuente de tension continua 4.
Cada interruptor electronico 8A, 8B y 9A, 9B esta provisto con un diodo de recirculacion 10A, 10B y 11A, 11B dispuesto en paralelo y que opera de una forma conocida.
El circuito rectificador 6 comprende una primera rama 12 y una segunda rama 13, consistiendo cada una en un par de diodos 14A, 14B y 15A, 15B dispuestos en serie. Los terminales comunes de los diodos 14A, 14B y 15A, 15B se conectan a los terminales del secundario L2, mientras que los lados opuestos de las ramas 12 y 13 se conectan a una lmea de alimentacion positiva 16 y a una lmea de alimentacion negativa 17, respectivamente.
Se dispone un condensador amortiguador 50 entre las lmeas 16 y 17.
El troceador trifasico 7 incluye una primera, una segunda y una tercera rama 21, 22 y 23 interpuestas entre las lmeas 16 y 17.
Cada rama 21, 22 y 23 comprende un par de interruptores electronicos 25A, 25B-26A, 26B-27A, 27B (tal como MOS) dispuestos en serie; una primera, una segunda y una tercera lmea 31, 32 y 33 para la alimentacion de la carga M ramificadas desde los terminales comunes de los interruptores 25A, 25B-26A, 26B-27A, 27B.
El troceador trifasico 7 comprende, para cada interruptor 25A, 25B-26A, 26B-27A, 27B, un diodo de recirculacion respectivo 35A, 35B-36A, 36B-37A, 37B dispuesto en paralelo y operando de una forma conocida.
La conmutacion de los interruptores 8A, 8B y 9A, 9B para el puente en H 2 y de los interruptores 25A, 25B-26A, 26B- 27A, 27B se controla mediante una unidad de control 40 que opera de acuerdo con el metodo de la presente invencion.
Un condensador 43 con una gran capacidad tiene un primer terminal conectado a una primera lmea (la lmea negativa 17 en el ejemplo) y un segundo terminal conectado a una segunda lmea (la lmea positiva 16) a traves de un diodo de bloqueo 46 lo que permite al condensador 43 cargarse con la corriente desde la carga M si es de tipo inductivo (tal como un caso que se ejemplificara en el presente documento a continuacion).
Se dispone un interruptor electronico 47 (tal como un MOS) en paralelo con el diodo 46; el cierre de dicho interruptor 47 permite al condensador 43 descargarse hacia la carga M para recuperar eficientemente la energfa previamente almacenada. Las operaciones del metodo de la presente invencion se ejemplificaran con la ayuda de las figuras 2-9, que muestran una secuencia posible de operaciones de conmutacion de acuerdo con el presente metodo.
ETAPA 1 (figura 2). Los interruptores 8A y 9B se cierran (los interruptores 8B y 9A se mantienen abiertos) y la tension V de la fuente 4 se aplica al devanado primario L1.
Se induce una tension k V (en la que k es la relacion de transformacion del transformador 5) en el devanado secundario L2, cuya tension kV es rectificada por el circuito 6 en el que conducen los diodos 14A y 15B. La tension
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presente en las lmeas 16 y 17 se aplica al motor M por medio de los interruptores 25B, 26A y 27A que se cierran (los otros interruptores se abren). Los interruptores cerrados/abiertos pueden ser obviamente otros distintos a aquellos mostrados; esta es una simplificacion.
ETAPA 2 (figura 3). El interruptor 8A se deja cerrado y el interruptor 9B se abre (los interruptores 8B y 9A se mantienen abiertos); para continuidad de la corriente en el devanado L1, la corriente en el primario L1 cierra la malla formada por el interruptor 8A y el diodo de recirculacion 11A que conduce. La tension en el secundario del transformador L2 va asf a cero y asf lo hace la tension presente entre las lmeas 16 y 17. El condensador amortiguador 50 descarga sobre la carga a traves de las lmeas 16 y 17 y los interruptores 25B, 26A y 27A. La disposicion de los interruptores del troceador trifasico 7 se mantiene igual a la de la ETApA 1.
ETAPA 3 (figura 4). Se inicia la operacion de cierre del interruptor 9A (dicha operacion se indica por la lmea discontinua); el interruptor 9A se cierra con una tension igual a cero, dado que conduce el diodo de recirculacion 11A. La tension de las lmeas 16 y 17 se anula a traves de los diodos 15A y 15b. La disposicion de los interruptores del troceador trifasico 7 se mantiene igual a la de la ETAPA 1.
ETAPA 4 (figura 5). La disposicion del puente en H 2 permanece sin cambiar; de acuerdo con la presente invencion, se controla una conmutacion de al menos una rama del troceador trifasico (en el ejemplo, el interruptor 26A previamente cerrado es controlado hacia apertura y el interruptor 26B previamente abierto se controla a cierre; son obviamente posibles otras operaciones de conmutacion), cuando la tension entre las lmeas 16 y 17 es proxima a cero debido a que, en el puente en H, la tension continua de la fuente 4 no se aplica al primario del transformador 5, cuyos extremos se conectan entre sf mediante dos componentes (en el ejemplo, el interruptor 8A y el diodo de recirculacion 11A o el interruptor 9A) del puente 2. Si la corriente en la lmea 32 es positiva hacia la carga, el diodo 36B conduce, permitiendo asf que el interruptor 26B se inicie mientras la tension es cero. Si la corriente en la lmea 32 en el ejemplo es negativa hacia la carga, el condensador amortiguador 50 permite la cafda a cero de la corriente en el interruptor 26B mientras la tension en las lmeas 16 y 17 es aun baja. La conmutacion de la rama ocurre asf, en cualquier caso, cuando la tension es cero o casi cero, y por lo tanto con muy pocas perdidas.
ETAPA 5 (figura 6). Tras el patron de cambios previos descrito en la ETAPA 4, la tension en la lmea 16 podna incrementarse hasta polarizar directamente el diodo de bloqueo 46 debido a la inductancia de fugas, y basandose en la corriente inicial en el devanado L2. En este caso, la carga en exceso es absorbida por el condensador 43 (con un alto valor de capacidad), lo que limita la tension entre las lmeas 16 y 17. En particular, la tension en los extremos del condensador 43 se ajusta y mantiene constante en el valor de pico de las curvas sinusoidales de salida.
En este caso, como se resumira posteriormente, el exceso de carga almacenado en el condensador 43 se recupera mediante el cierre del interruptor 47 y disponiendo el condensador 43 entre las lmeas 16 y 17; de ese modo, en el siguiente ciclo, la energfa del condensador 43 se devolvera de nuevo a la carga M, obteniendo asf una alta eficiencia energetica.
ETAPA 6 (figura 7). Se abre el interruptor 8A y se cierra el interruptor 8B del puente en H 2 para invertir la direccion de la corriente que circula en el devanado primario L1.
ETAPA 7 (figura 8). Primero, dada la magnetizacion previa del primario L1, la corriente circula en los diodos 10B y 11A. Sin embargo, como L1 esta asf sometido a una tension en la direccion opuesta con respecto a la corriente inicial, se desmagnetiza y la corriente que fluye a su traves se invierte en direccion con respecto a la tomada durante la ETAPA 1, a traves de los interruptores 9A y 8B; en consecuencia, la tension en los extremos del secundario L2 tambien se invierte con respecto a la presente en la ETAPA 1. El ciclo descrito se repite comenzando desde una etapa similar a la de la ETAPA 1 y simetrica de acuerdo con la configuracion de los interruptores del puente en H 2. En la repeticion del siguiente ciclo, la conmutacion de uno de los interruptores de las ramas 21, 22 y 23 se operara cuando la tension entre las lmeas 16 y 17 es igual a cero, dado que los terminales del primario cierran por medio del interruptor 8B y del diodo 11B (o interruptor 9B).
El metodo anteriormente descrito permite asf que las perdidas de conmutacion de todo el convertidor 1 se reduzcan significativamente. De hecho, comparado con una topologfa convencional, la denominada conmutacion dura, la conmutacion del troceador 5 tiene lugar, para todos los interruptores del mismo, sin perdidas, debido a que conmutan a ZV (tension nula). Lo mismo se aplica a los interruptores del puente en H 2, que es accionado con una tecnica de desplazamiento de fase (de tipo conocido), lo que permite per se la conmutacion a ZV (tension nula).
La descripcion de la ETAPA 4 en la figura 4 se refiere a una carga M que es meramente de naturaleza resistiva. Por el contrario, en presencia de una carga M inductiva, y que, por ejemplo, tenga un factor de potencia menor de 0,866, durante la ETAPA 4 habna en ciertos momentos un flujo de potencia a lo largo de las lmeas 31, 32 y 33 desde la carga M hacia el convertidor 1; dicho fenomeno producina una sobretension inducida en las lmeas 16 y 17. En consecuencia, la conmutacion de la rama en la ETAPA 4 ocurrina con una tension potencialmente mas alta que la nominal, dando como resultado asf la posible rotura de los interruptores del troceador. Dicho inconveniente se resuelve con la presencia del diodo 46 que, en la ETAPA 4, junto con el condensador 43 de alto valor, limita la tension entre las lmeas 16 y 17. La descarga del condensador 43 hacia la carga M tiene lugar en la siguiente etapa,
con el cierre del interruptor 47 (figura 9).

Claims (6)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un metodo para el control de la conmutacion de un inversor (1), en el que se adapta un puente (2) para trocear una tension desde una fuente de tension continua (4) para alimentar una tension troceada a un primario (L1) de un transformador (5); comprendiendo el inversor (1) un circuito rectificador de diodos (6) que recibe la tension de entrada desde el secundario (L2) del transformador (5) para conseguir una tension alimentada a un troceador (7) que alimenta una carga (M);
    comprendiendo dicho puente (2) al menos una primera rama (8) y una segunda rama (9), estando formada cada una por un par de interruptores electronicos (8A, 8B y 9A, 9B) dispuestos en serie entre sf; los terminales comunes de los interruptores electronicos (8A, 8B y 9A, 9B) se conectan a los terminales de dicho primario (L1); estando provisto cada interruptor electronico (8A, 8B y 9A, 9B) con un diodo de recirculacion (10A, 10B y 11A, 11B) dispuesto en paralelo,
    comprendiendo el metodo la ejecucion de:
    - una etapa en la que los interruptores de dicho puente (2) se accionan de modo que la fuente de suministro de alimentacion (4) se desconecta de dicho primario (L1) y cuyos terminales se conectan redprocamente mediante al menos dos de dichos interruptores electronicos y dichos diodos de recirculacion de modo que la tension presente en el secundario (L2) de dicho transformador es nula;
    estando el metodo caracterizado por que comprende la ejecucion de la conmutacion de al menos un interruptor electronico de una rama de dicho troceador cuando la tension en el secundario es sustancialmente nula debido a que dicha tension (4) no se aplica al primario (L1) que tiene terminales conectados en cortocircuito entre sf mediante dos componentes de la primera / segunda rama (8, 9) para minimizar las perdidas de conmutacion debido a la apertura/cierre de dicho interruptor electronico de dicho troceador.
  2. 2. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que se conecta un condensador (43) que tiene un primer terminal a una primera lmea (16) desde el rectificador (6) y se conecta un segundo terminal a una segunda lmea (17) desde el rectificador (6) a traves de un diodo (46) que permite que el condensador (43) se cargue con la corriente desde la carga M en condiciones de bajo factor de potencia, impidiendo asf la sobretension en la primera y segunda lmeas (16 y 17); comprendiendo dicho metodo la etapa de cerrar un interruptor (47) dispuesto en paralelo con el diodo (46) mediante la descarga del condensador (43) hacia la carga (M) para recuperar la energfa almacenada, incrementando asf la eficiencia del circuito.
  3. 3. Un metodo de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que dicho interruptor (47) se cierra una vez se ha cerrado el interruptor electronico de una rama de dicho troceador, lo que modifica el patron previo del propio troceador para disponer dicho condensador (43) entre las lmeas de alimentacion (16, 17) de dicho troceador, impidiendo asf una variacion de tension debido a un efecto inductivo debido a la variacion del patron.
  4. 4. Un inversor (1), un puente (2) del cual se adapta para trocear una tension continua desde una fuente (4) para alimentar una tension troceada a un primario (L1) de un transformador (5); el inversor (1) comprende un circuito rectificador de diodos (6) que recibe la tension de entrada desde el secundario (L2) del transformador (5) para conseguir una tension alimentada a un troceador (7) que alimenta una carga (M); comprendiendo dicho puente (2) al menos una primera rama (8) y una segunda rama (9), consistiendo cada una en un par de interruptores electronicos (8A, 8B y 9A, 9B) dispuestos en serie entre sf; los terminales comunes de los interruptores electronicos (8A, 8B y 9A, 9B) se conectan a los terminales de dicho primario (L1); estando provisto cada interruptor electronico (8A, 8B y 9A, 9B) con un diodo de recirculacion (10A, 10B y 11A, 11B) dispuesto en paralelo,
    comprendiendo el inversor medios de control electronicos de dicho puente y de dicho troceador configurados para accionar los interruptores de dicho puente (2) en una etapa (ETAPA 4) en la que la fuente de suministro de alimentacion (4) se desconecta de dicho primario (L1), cuyos terminales se conectan redprocamente mediante al menos dos de dichos interruptores electronicos y dichos diodos de recirculacion de modo que la tension presente en el secundario (L2) de dicho transformador es nula;
    estando el inversor caracterizado por que dichos medios de control electronico estan adaptados para conmutar al menos un interruptor electronico de una rama de dicho troceador para la alimentacion de dicha carga (M) cuando la tension en el secundario es sustancialmente nula debido a que dicha tension (4) no se aplica al primario (L1) que tiene terminales conectados en cortocircuito entre sf mediante dos componentes de la primera / segunda rama (8, 9), para minimizar las perdidas de conmutacion debido a la apertura/cierre de dicho interruptor electronico de dicho troceador.
  5. 5. Un inversor de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que se incluye un condensador (43), que tiene un primer terminal conectado a una primera lmea (16) desde el rectificador (6) y un segundo terminal conectado a una segunda lmea (17) desde el rectificador (6) a traves de un diodo (46), lo que permite que el condensador (43) se cargue con la corriente desde la carga M en condiciones de bajo factor de potencia, impidiendo asf la sobretension en la primera y segunda lmeas (16 y 17); estando adaptados dichos medios de control electronico para cerrar un interruptor (47) dispuesto en paralelo con el diodo (46) mediante la descarga del condensador (43) hacia la carga (M) para recuperar la energfa almacenada, incrementando asf la eficiencia del circuito.
  6. 6. Un inversor de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que se incluye un condensador amortiguador (50), que tiene un primer terminal conectado a una primera lmea (16) desde el rectificador (6) y un segundo terminal conectado a una segunda lmea (17) desde el rectificador (6), lo que permite que los interruptores del troceador (5) se conmuten a tension cero (ZV) incluso en presencia de corriente negativa hacia la carga (M).
    5
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