ES2683630T3 - Dispositivo inversor, dispositivo de accionamiento de motor eléctrico, dispositivo de refrigeración/acondicionador de aire y sistema de generación de potencia eléctrica - Google Patents

Dispositivo inversor, dispositivo de accionamiento de motor eléctrico, dispositivo de refrigeración/acondicionador de aire y sistema de generación de potencia eléctrica Download PDF

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ES2683630T3 ES09843307.1T ES09843307T ES2683630T3 ES 2683630 T3 ES2683630 T3 ES 2683630T3 ES 09843307 T ES09843307 T ES 09843307T ES 2683630 T3 ES2683630 T3 ES 2683630T3
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Koichi Arisawa
Hirokazu Nakabayashi
Takuya Shimomugi
Yosuke Shinomoto
Mitsuharu Tabata
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Abstract

Un dispositivo de accionamiento de motor para accionar un motor (1), que comprende: un dispositivo (2) inversor; un detector (3a, 3b) de corriente que detecta la corriente eléctrica que fluye a través de una bobina de dicho motor (1); y un controlador (11) que controla dicho dispositivo (2) inversor, donde dicho dispositivo (2) inversor es un inversor trifásico en el que seis brazos (4) que pueden conducir y bloquear la corriente están conectados entre sí a través de una conexión en puente, donde tres brazos de los seis brazos (4) están conectados a un lado de alta tensión o un lado de baja tensión de tensión DC suministrada a dicho dispositivo inversor, dichos tres brazos incluyen: una pluralidad de elementos (5, 6) de conmutación que tienen diodos (7, 8) parásitos y que están conectados en serie entre sí; y un diodo (9) de corriente inversa conectado en paralelo con dicha pluralidad de elementos (5, 6) de conmutación, dichos elementos (5, 6) de conmutación están conectados entre sí de modo que la polaridad de un diodo (7, 8) parásito de un elemento (5, 6) de conmutación es opuesta a la polaridad de un diodo (7, 8) parásito de otro elemento (5, 6) de conmutación adyacente al mismo, el diodo (8) parásito de uno de la pluralidad de elementos (6) de conmutación con polaridad inversa relativa a la polaridad de dicho diodo (9) de corriente inversa tiene un tiempo de recuperación inverso más corto que el del diodo (7) parásito de otros elementos (5) de conmutación, los otros tres brazos (4) incluyen un segundo elemento (13) de conmutación y un segundo diodo (9) de corriente inversa conectados en paralelo con dicho segundo elemento (13) de conmutación, y caracterizado por que dicho controlador (11) acciona, basándose en una corriente detectada por dicho detector (3a, 3b) de corriente, dicho motor (1) mediante Modulación por Anchura de Pulsos, PWM, control de dicho dispositivo (2) inversor con modulación de dos fases subyacente, donde un elemento de conmutación de un brazo (4) conectado a dicho lado de alta tensión de una fase que no lleva a cabo una operación de conmutación entre las tres fases se mantiene en un estado ON, o con modulación de dos fases subyacente, donde un elemento de conmutación de un brazo (4) conectado a dicho lado de baja tensión de una fase que no lleva a cabo una operación de conmutación entre las tres fases se mantiene en un estado ON, en un período de un ángulo de rotación de inversor que tiene la misma combinación de un vector de tensión principal que genera un vector de comando de tensión.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo inversor, dispositivo de accionamiento de motor electrico, dispositivo de refrigeracion/acondicionador de aire y sistema de generacion de potencia electrica
Campo de la tecnica
La presente invencion se refiere a un dispositivo inversor, un dispositivo de accionamiento de motor, un acondicionador de aire de refrigeracion, y un sistema de generacion de potencia.
Antecedentes
Los inversores de frecuencia variable / tension variable se han utilizado en la practica y posteriormente se han desarrollado las areas de aplicacion para diferentes tipos de conversores de potencia. Por ejemplo, se utiliza un inversor de tension trifasico como circuito de accionamiento en un dispositivo de accionamiento de motor o similar. El inversor de tension trifasico incluye un circuito puente trifasico o similar con un dispositivo de conmutacion de potencia de semiconductor tal como un tiristor, un transistor, un IGBT o un MOSFET. En este circuito, se puede obtener un elemento de conmutacion para cada fase mediante la conexion directa de sus terminales positivo y negativo a unos terminales positivo y negativo de una fuente de alimentacion de tension de corriente directa (DC), respectivamente. En los ultimos anos, debido al incremento en la eficiencia del dispositivo, se ha realizado una mejora en dicho circuito estandar para hacerlo mas eficiente.
En la tecnologfa convencional, por ejemplo, se propone “un conversor de potencia que incluye: un par de elementos de conmutacion de circuito principal que se conecta en serie con una fuente de tension DC para suministrar potencia a una carga; unos diodos de corriente inversa conectados de manera inversa en paralelo con los elementos de conmutacion de circuito principal respectivos; y un circuito de aplicacion de tension inversa que aplica una tension inversa mas pequena que la fuente de tension DC a los respectivos diodos de corriente inversa cuando cada uno de tales diodos esta bloqueado (ver, por ejemplo, el Documento de Patente 1).
Documento de la tecnica anterior
Documento de patente
Documento de Patente 1: Solicitud de patente japonesa no examinada N° 10-327585.
(Reivindicacion 1)
El documento EP 2110934 A describe que un conmutador de semiconductor esta dotado de un elemento principal que tiene conductividad inversa y que sirve como un elemento de conmutacion accionado por tension que tiene una alta tension soportada, un elemento auxiliar que sirve como un elemento de conmutacion accionado por tension que tiene una tension soportada menor que la del elemento principal, y un diodo antiparalelo de alta velocidad que tiene una tension soportada igual que la del elemento principal.
Descripcion de la invencion
Problemas que resuelve la invencion
El dispositivo convencional descrito anteriormente presenta el problema de que el dispositivo requiere una cara y altamente funcional unidad de control para controlar la temporizacion de la aplicacion de tension inversa para gestionar la variacion en dv/dt de un elemento de conmutacion, o similar. Ademas, como dicha aplicacion de tension inversa se lleva a cabo usando un circuito adicional, existe el problema de que se produce una importante disminucion de la eficiencia del inversor bajo condiciones de falta del circuito adicional.
Ademas, el dispositivo inversor convencional tiene el problema de que un elemento de conmutacion que tiene un diodo parasito provoca perdidas de recuperacion durante la conmutacion.
La presente invencion esta definida por las actuales reivindicaciones independientes y se ha realizado para resolver los problemas anteriores. Un objeto de la presente invencion es proporcionar un dispositivo inversor, un dispositivo de accionamiento de motor, un acondicionador de aire de refrigeracion, y un sistema de generacion de potencia, que pueda reducir la perdida de recuperacion.
Ademas, otro objeto de la presente invencion es proporcionar un dispositivo inversor, un dispositivo de accionamiento de motor, un acondicionador de aire de refrigeracion, y un sistema de generacion de potencia, que puedan mejorar su eficiencia energetica mediante estructuras comparativamente simples.
Medios para resolver los problemas
El dispositivo inversor de la presente invencion incluye una pluralidad de brazos que pueden conducir y bloquear la corriente. Al menos uno de dicha pluralidad de brazos incluye: una pluralidad de elementos de conmutacion, cada uno
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de los cuales tiene un diodo parasito, y que estan conectados en serie uno a otro; y un diodo de corriente inversa conectado en paralelo a dicha pluralidad de elementos de conmutacion.
El dispositivo de accionamiento de motor de la presente invencion se proporciona para accionar un motor e incluye el dispositivo inversor anterior y medios de control para controlar dicho dispositivo inversor.
El acondicionador de aire de refrigeracion de la presente invencion incluye el dispositivo de accionamiento de motor anterior y un motor para ser accionado por dicho dispositivo de accionamiento de motor.
El sistema de generacion de potencia de la presente invencion incluye un generador de potencia para generar potencia DC y el dispositivo inversor anterior. Aqm, dicho dispositivo inversor esta dispuesto para convertir la potencia de corriente directa (DC) generada por dicho generador de potencia en potencia de corriente alterna (AC).
Ventajas
De acuerdo con la presente invencion, como se proporciona un brazo que incluye una pluralidad de elementos de conmutacion con diodos parasitos conectados en serie entre sf, puede reducirse la perdida de recuperacion del brazo durante la conmutacion. Ademas, la eficiencia energetica del mismo puede mejorarse mediante una estructura comparativamente simple.
Breve descripcion de los dibujos.
[Fig. 1] La Fig. 1 es un diagrama que ilustra la configuracion del brazo de un inversor de acuerdo con la Realizacion 1.
[Fig. 2] La Fig. 2 es un diagrama que ilustra la configuracion de un circuito inversor de acuerdo con la Realizacion 1.
[Fig. 3] La Fig. 3 es un diagrama esquematico que ilustra la configuracion de un MOSFET con una estructura SJ de acuerdo con la Realizacion 1.
[Fig. 4] La Fig. 4 es un diagrama que ilustra un ejemplo de la relacion entre tension de fuente de drenaje y resistencia en conduccion con relacion a un MOSFET con una estructura SJ.
[Fig. 5] La Fig. 5 es un diagrama que ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 2.
[Fig. 6] La Fig. 6 es un diagrama de flujo que representa una secuencia de creacion PWM de acuerdo con la realizacion 2.
[Fig. 7] La Fig. 7 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un patron de conmutacion PWM de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 2.
[Fig. 8] La Fig. 8 es un diagrama que ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 3.
[Fig. 9] La Fig. 9 es un diagrama que ilustra el estado logico del brazo superior de un inversor PWM.
[Fig. 10] La Fig. 10 es un diagrama que ilustra la relacion entre un vector de comando de tension y un angulo de rotacion de inversor de un inversor PWM.
[Fig. 11] La Fig. 11 es un diagrama que ilustra un ejemplo de patrones de conmutacion PWM del circuito inversor con modulacion de dos fases subyacente de acuerdo con la Realizacion 3.
[Fig. 12] La Fig. 12 es un diagrama que ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 3.
[Fig. 13] La Fig. 13 es un diagrama que ilustra un ejemplo de patrones de conmutacion PWM del circuito inversor con modulacion de dos fases subyacente de acuerdo con la Realizacion 3.
[Fig. 14] La Fig. 14 es un diagrama que ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 4.
[Fig. 15] La Fig. 15 es un diagrama que ilustra un ejemplo de un comando de tension de fase U y un potencial de fase U de inversor esclavo de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 4.
[Fig. 16] La Fig. 16 es un diagrama que ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 5.
[Fig. 17] La Fig. 17 es un diagrama que ilustra la configuracion de un sistema de generacion de potencia solar de tipo de interconexion de acuerdo con un Ejemplo.
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[Fig. 18] La Fig. 18 es un diagrama que ilustra la configuracion de un acondicionador de aire de refrigeracion de acuerdo con la Realizacion 6.
[Fig. 19] La Fig. 19 es un diagrama que ilustra la configuracion del circuito inversor convencional.
[Fig. 20] La Fig. 20 es un diagrama que ilustra un ejemplo de la formacion de un cortocircuito equivalente usando un diodo parasite del MOSFET convencional.
[Fig. 21] La Fig. 21 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una corriente de cortocircuito en el circuito inversor convencional.
Mejores modos de llevar a cabo la invencion
Realizacion 1
<Configuracion de brazo 4>
La Fig. 1 ilustra la configuracion de un brazo en un circuito inversor de acuerdo con la Realizacion 1.
Como se muestra en la Fig. 1, un brazo 4 incluye un elemento 5 de conmutacion superior, un elemento 6 de conmutacion inferior, y un diodo 9 de corriente inversa. Este brazo 4 es responsable de conducir y bloquear la corriente.
El elemento 5 de conmutacion superior incluye, por ejemplo, un transistor de efecto campo de semiconductor de metal oxido (MOSFET) con una estructura de super union (en adelante, denominada como la “estructura SJ”). El elemento
5 de conmutacion superior tiene un diodo 7 parasito. Aqm, los detalles de la estructura SJ se describiran mas adelante.
El elemento 6 de conmutacion inferior comprende un MOSFET. El elemento 6 de conmutacion inferior tiene un diodo 8 parasito.
El diodo 8 parasito del elemento 6 de conmutacion inferior tiene un tiempo de recuperacion inversa menor que el del diodo 7 parasito del elemento 5 de conmutacion superior.
Aqm, como el elemento 6 de conmutacion inferior no requiere necesariamente una elevada tension soportada, puede estar disponible un elemento con una tension soportada baja. Por ejemplo, el elemento 6 de conmutacion inferior puede tener una tension soportada inferior que el elemento 5 de conmutacion superior.
Incidentalmente, cada uno del elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior son equivalentes a los “elementos de conmutacion” de la presente invencion.
El elemento 5 de conmutacion superior esta en serie con el elemento 6 de conmutacion inferior.
Por ejemplo, un elemento 5 de conmutacion superior que comprende un MOSFET de canal n se conecta en serie con un elemento 6 de conmutacion inferior que comprende un MOSFET de canal p.
Alternativamente, por ejemplo, un elemento 5 de conmutacion superior que comprende un MOSFET de canal p se conecta en serie con un elemento 6 de conmutacion inferior que comprende un MOSFET de canal n.
En otras palabras, cada uno del elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior esta conectado en serie con los MOSFETS de tipo de canal diferente desde el canal de dicho MOSFET.
Ademas, por ejemplo, un elemento 5 de conmutacion superior que comprende un MOSFET de canal n y un elemento
6 de conmutacion inferior que comprende un MOSFET de canal n pueden conectarse inversamente en serie entre sf y a una fuente comun.
En otras palabras, cada uno del elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior esta conectado inversamente en serie con el MOSFET del mismo tipo de canal que el canal de dicho MOSFET.
Por tanto, el elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior estan conectados en serie entre sf de modo que las polaridades de sus diodos 7 y 8 parasitos son opuestas entre sf.
El diodo 9 de corriente inversa se conecta en paralelo con el elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior. Ademas, el diodo 9 de corriente inversa se conecta de modo que tenga la misma polaridad que el diodo 7 parasito del elemento 5 de conmutacion superior.
El diodo 9 de corriente inversa tiene un tiempo de recuperacion inversa corto en comparacion con el diodo 7 parasito y el diodo 8 parasito.
El diodo 9 de corriente inversa sirve para dejar que fluya la corriente circulante cuando tanto el elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior estan OFF.
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En la presente realizacion, se describira la configuracion de los MOSFETS usados como “elementos de conmutacion”, aunque no esta limitada a los mismos. Alternativamente, se puede utilizar cualquier tipo de elemento de conmutacion siempre que incluya un diodo parasito.
En adelante, se describira la presente realizacion haciendo referencia a un ejemplo en el que el brazo 4 esta dotado de dos elementos de conmutacion. De acuerdo con la presente invencion, sin embargo, el numero de elementos de conmutacion no esta limitado a dos. Se pueden montar mas de dos elementos de conmutacion en el brazo 4.
<Configuracion del circuito 2 inversor>
La Fig. 2 ilustra la configuracion de un circuito inversor de acuerdo con la Realizacion 1.
Como se muestra en la Fig. 2, el circuito 2 inversor incluye seis brazos 4a a 4f conectados entre sf a traves de los respectivos puentes.
El circuito 2 inversor conduce y bloquea la corriente usando los respectivos brazos 4a a 4f, y convierte la tension DC suministrada desde una fuente 12 de alimentacion de tension DC en una corriente alterna trifasica de cualquier frecuencia a cualquier tension, para suministrarla a una unidad 16 de carga.
Incidentalmente, el circuito 2 inversor es equivalente al “dispositivo inversor” de la presente invencion.
El dispositivo inversor tambien es denominado un inversor de potencia.
Cada uno de los brazos 4a, 4b, y 4c tiene un extremo conectado al lado de alta tension (lado P) de la fuente 12 de alimentacion de tension DC.
Cada uno de los brazos 4d, 4e, y 4f tiene otro extremo conectado al lado de la baja tension (lado N) de la fuente 12 de alimentacion de tension DC.
Entonces, uno nodo entre el brazo 4a y el brazo 4d, un nodo entre el brazo 4b y el brazo 4e, y un nodo entre el brazo 4c y el brazo 4f se conectan a la unidad 16 de carga.
En la siguiente descripcion, los brazos 4a, 4b, y 4c tambien se denominan “brazos superiores”.
En la siguiente descripcion, los brazos 4d, 4e y 4f tambien se denominan “brazos inferiores”.
Los brazos 4a a 4f incluyen unos elementos 5a a 5f de conmutacion superior, unos elementos 6a a 6f de conmutacion inferior, y unos diodos 9a a 9f de corriente inversa, respectivamente.
Los elementos 5a a 5f de conmutacion superior incluyen diodos 7a a 7f parasitos, respectivamente. Los elementos 6a a 6f de conmutacion inferior incluyen diodos 8a a 8f parasitos, respectivamente.
En la descripcion anterior, se ha descrito la configuracion del brazo 4 y la configuracion del circuito 2 inversor dispuesto en el mismo.
A continuacion, se describiran rasgos caractensticos de un MOSFET con una estructura SJ utilizado para el elemento 5 de conmutacion superior y tambien desventajas del circuito inversor convencional usando el MOSFET con la estructura SJ.
<MOSFET con estructura SJ>
Se han utilizado dispositivos de potencia, tales como IGBTs y MOSFETs, para una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo electrodomesticos y equipos industriales. Actualmente, el desarrollo de dispositivos que utilizan carburo de silicio (SiC), nitruro de galio (GaN), y otros se ha producido de varios modos.
Ademas, han aparecido los MOSFETS de potencia con estructura SJ, obteniendose dispositivos con una menor resistencia de conduccion (resistencia de conduccion ultra baja) que los de estructura convencional.
La Fig. 3 es un diagrama esquematico que ilustra la configuracion del MOSFET con estructura SJ de acuerdo con la Realizacion 1.
Como se muestra en la Fig. 3, el MOSFET con estructura SJ incluye una puerta 21, una fuente 22, un drenaje 23, un sustrato (polaridad n+) 24, una capa p 25, y una capa n 26.
El MOSFET con estructura SJ puede reducir la resistencia de conduccion manteniendo un balance de cargas entre la capa p 25 y la capa n 26, teniendo asf la ventaja de mejorar la tension soportada del dispositivo.
La Fig. 4 es un diagrama que ilustra un ejemplo de la relacion entre tension drenaje-fuente y la resistencia de conduccion del MOSFET con estructura SJ.
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Como se muestra en la Fig. 4, en el MOSFET convencional, la resistencia de conduccion aumenta escalonadamente con un aumento en la tension drenaje-fuente. En contraste, el MOSFET con estructura SJ puede suprimir un aumento en la resistencia de conduccion.
En contraste, en comparacion con el MOSFET convencional, el rasgo caractenstico del MOSFET con estructura SJ es un tiempo de recuperacion inversa prolongado del diodo parasito.
<Desventaja del circuito inversor convencional>
A continuacion, se describira una desventaja de aplicar el MOSFET con estructura SJ que tiene el rasgo caractenstico descrito anteriormente a un circuito inversor.
La Fig. 19 es un diagrama que ilustra la configuracion del circuito inversor convencional.
En el circuito 2 inversor convencional, como se muestra en la Fig. 19, los elementos 101a a 101f de conmutacion que comprenden MOSFETs con estructura SJ se conectan entre sf a traves de puentes. El circuito 2 inversor lleva a cabo un control de conmutacion de los elementos 101a a 101f de conmutacion, por ejemplo, en respuesta a senales PWM desde una unidad 11 de control.
Como resultado, la tension DC desde la fuente 12 de alimentacion de tension DC se convierte en una corriente alterna trifasica de cualquier frecuencia y cualquier tension y luego se suministra a un motor 1 o similar.
Por tanto, en la configuracion tfpica del circuito 2 inversor convencional, los brazos superior e inferior se dotan de los elementos 101a a 101f de conmutacion uno a uno.
Si el motor de accionamiento que utiliza PWM es accionado por dicha configuracion de circuito, no puede despreciarse la perdida de recuperacion de cada uno de los diodos 102a a 102f parasitos en los respectivos elementos 101a a 101f de conmutacion.
La Fig. 20 es un diagrama que ilustra un ejemplo de la formacion de un cortocircuito equivalente usando un diodo parasito en el MOSFET convencional.
Como ejemplo, se describe con detalle la fase U. Ahora, se supone que tanto el elemento 101a de conmutacion en el lado superior de la fase U como el elemento 101d de conmutacion en el lado inferior de la fase U estan OFF. Se describira como el elemento 101a de conmutacion en el lado superior de la fase U se enciende cuando la corriente de carga (corriente inversa) fluye a traves del diodo 102d parasito en el lado inferior de la fase U.
En este caso, unos portadores (cargas) acumulados permiten el flujo de corriente durante el tiempo de recuperacion inversa incluso en el caso de la aplicacion de una polarizacion inversa al diodo 102d parasito.
En otras palabas, el diodo 102d parasito puede considerarse como un tipo de condensador. Por tanto, el circuito esta en un estado de permitir que la corriente pase a traves del mismo hasta que se completa la descarga de cargas acumuladas, es decir, hasta que el diodo 102d parasito pasa a estado OFF.
Por tanto, como se muestra en la Fig. 20, cuando el elemento 101a de conmutacion en el lado superior de la fase U se enciende, se produce un cortocircuito en la fuente 12 de alimentacion de tension DC durante el tiempo de recuperacion inversa del diodo 102d parasito.
En otras palabras, durante este penodo, el elemento 101a de conmutacion en el lado superior de la fase U y el diodo 102d parasito en el lado inferior de la fase U pueden considerarse de manera equivalente como un cortocircuito.
Un penodo de tiempo requerido para la formacion de dicho cortocircuito equivalente depende del tiempo de recuperacion inversa del diodo 102 parasito del MOSFET. Por tanto, cuando mayor es el tiempo de recuperacion inversa, mayor es la perdida de recuperacion provocada.
Como se describe en este ejemplo, cuando se utiliza el MOSFET con la estructura SJ que tiene el tiempo de recuperacion inversa prolongado como el elemento 101 de conmutacion del circuito 2 inversor convencional, el penodo de tiempo para la formacion del cortocircuito equivalente se prolonga por la presencia del diodo 102 parasito, lo que provoca un aumento en la perdida de recuperacion.
La Fig. 21 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una corriente de cortocircuito en el circuito inversor convencional.
La Fig. 21 ilustra la corriente de cortocircuito en el circuito principal (en el lado de la fuente 12 de tension DC) provocada por un cortocircuito equivalente en el momento del paso a conduccion.
Como se muestra en la Fig. 21, cuando cualquier elemento 101 de conmutacion deja de conducir y otro elemento 101 de conmutacion en el lado opuesto comienza a conducir, la corriente de cortocircuito equivalente pasa a traves de un camino cerrado con el circuito principal hasta que se completa la descarga de las cargas del diodo 102 parasito, lo que provoca un aumento de las perdidas.
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<Funcionamiento del circuito 2 inversor>
A continuacion, se describira el funcionamiento del circuito 2 inversor para reducir la perdida de recuperacion al evitar la corriente de cortocircuito segun se describio anteriormente.
La descripcion se realizara haciendo referencia de nuevo a la Fig. 2.
Se suministran senales de puerta con la misma logica tanto al elemento 5 de conmutacion superior como al elemento 6 de conmutacion inferior del brazo 4 respectivo de acuerdo con la presente realizacion. En otras palabras, el elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior del mismo brazo 4 se controlan al estado ON o al estado OFF con la misma temporizacion, respectivamente.
Aqm, por ejemplo, se analiza la fase U. Ahora se supone que tanto el brazo 4a en el lado superior de la fase U como el brazo 4d en el lado inferior de la fase U estan OFF. En este caso, la corriente de carga (corriente inversa) fluye a traves del diodo 9d de corriente inversa del brazo 4d en el lado inferior de la fase U.
En este momento, el diodo 8d parasito del elemento 6d de conmutacion inferior se conecta de modo que su polaridad es opuesta a la del diodo 9d de corriente inversa. Por tanto, el diodo 8d parasito bloquea un camino de conduccion de la corriente de carga hacia el elemento 5 de conmutacion superior. Por tanto, la corriente de carga no puede fluir a traves del diodo 7d parasito que tiene un tiempo de recuperacion inversa prolongado.
Posteriormente, cuando el brazo 4a en el lado superior de la fase U se enciende, la corriente de carga no fluye a traves del diodo 7d parasito incluso aunque se aplique una tension de polarizacion inversa al diodo 7d parasito. Entonces, la corriente de recuperacion no fluye.
En este ejemplo, en el circuito 2 inversor de la presente realizacion, el elemento 5 de conmutacion superior no es un estado de conduccion cuando conmuta incluso se usa si el elemento 5 de conmutacion superior que tiene el diodo 7 parasito con un tiempo de recuperacion prolongado.
Ademas, la corriente de carga fluye a traves del diodo 9 de corriente inversa. Por tanto, el brazo 4 conduce solo durante el tiempo de recuperacion inversa (el tiempo de recuperacion) del diodo 9 de corriente inversa.
Como se ha descrito anteriormente, en el brazo 4 del circuito 2 inversor de la presente realizacion, el diodo 7 parasito del elemento 5 de conmutacion superior y el diodo 8 parasito del elemento 6 de conmutacion inferior estan conectados en serie de modo que sus polaridades son opuestas una a otra.
Por tanto, la corriente inversa no fluye hacia tanto el elemento 5 de conmutacion superior como el elemento 6 de conmutacion inferior. Puede evitarse durante la conmutacion el flujo de corriente de recuperacion a traves del elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior.
Por tanto, incluso en el caso de utilizar el elemento 5 de conmutacion superior que tiene el diodo 7 parasito con un tiempo de recuperacion prolongado, puede reducirse la perdida de recuperacion.
En consecuencia, puede mejorarse la eficiencia del circuito 2 inversor.
Ademas, el diodo 8 parasito del elemento 6 de conmutacion inferior tiene un tiempo de recuperacion inversa mas corto que el del diodo 7 parasito del elemento 5 de conmutacion superior. Por tanto, se bloquea un camino de conduccion de la corriente inversa hacia el elemento 5 de conmutacion superior en el momento en que el brazo 4 lleva a cabo la conmutacion, para acortar el tiempo requerido para la formacion de un cortocircuito equivalente, lo que puede reducir la perdida de recuperacion.
Ademas, el brazo 4 incluye un diodo 9 de corriente inversa conectado en paralelo tanto con el elemento 5 de conmutacion superior como con el elemento 6 de conmutacion inferior. Por tanto, la corriente de carga puede fluir hacia el diodo 9 de corriente inversa.
Ademas, el diodo 9 parasito tiene un tiempo de recuperacion inversa mas corto que el del diodo 7 parasito del elemento 5 de conmutacion superior. Por tanto, el tiempo requerido para la formacion de un cortocircuito equivalente puede acortarse cuando el brazo 4 lleva a cabo la conmutacion, lo que puede reducir la perdida de recuperacion.
Ademas, se usa un MOSFET con estructura SJ como el elemento 5 de conmutacion superior. Por tanto, puede reducirse la resistencia de conduccion y por tanto puede reducirse la perdida de recuperacion sin disminuir una ventaja de aumentar una tension soportada.
Ademas, cuando se usa un MOSFET con una baja tension soportada para el elemento 6 de conmutacion inferior, la resistencia de canal es baja y tambien un potencial embebido (diferencia de potencial generada por un campo electrico en una region de capa de deplecion) es bajo. Por tanto, se puede suprimir un aumento en la tension de conduccion y se puede minimizar una disminucion en la eficiencia debido a un mayor numero de elementos de conmutacion.
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En la presente realizacion, se muestra el circuito 2 inversor que usa un MOSFET con estructura SJ. Alternativamente, sin embargo, puede usarse el circuito inversor que utiliza cualquier elemento que tenga un diodo parasite o una inductancia parasita.
Ademas, el diodo 9 de corriente inversa puede ser de tipo de alta velocidad con un tiempo de recuperacion corto para evitar la formacion de un cortocircuito provocado por una diferencia caractenstica entre el tiempo de recuperacion inversa del elemento 5 de conmutacion superior y el tiempo de recuperacion inversa del elemento 6 de conmutacion inferior en el brazo 4.
Ademas, al menos uno o todos los brazos 4 que constituyen el circuito 2 inversor pueden formarse en un modulo. Dicho modulo puede montarse en el circuito 2 inversor para permitir la eliminacion de factores de ruido tales como un aumento en la inductancia de conductor. Ademas, puede reducirse un area de superficie necesaria para el montaje.
Realizacion 2
En esta realizacion, se describira un dispositivo de accionamiento de motor dotado del circuito 2 inversor de la Realizacion 1.
<Configuracion>
La Fig. 5 es un diagrama que ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 2.
Como se muestra en la Fig. 5, el dispositivo de accionamiento de motor incluye un circuito 2 inversor, medios 3a de deteccion de corriente, medios 3b de deteccion de corriente, medios 10 de deteccion de tension, una unidad 11 de control, y una fuente 12 de alimentacion de tension DC.
Este dispositivo de accionamiento de motor lleva a cabo la operacion de accionamiento de un motor 1.
Aqrn, la unidad 11 de control es equivalente a “medios de control” de la presente invencion.
El motor 1 comprende, por ejemplo, un motor smcrono trifasico. El motor 1 se conecta al circuito 2 inversor.
El circuito 2 inversor tiene la misma configuracion que el de la Realizacion 1 descrita anteriormente. Se asignan los mismos numeros de referencia a los mismos componentes que en la Realizacion 1.
Los medios 3a y 3b de deteccion de corriente detectan la corriente que fluye a traves de la bobina del motor 1 (en adelante denominado como “corriente de motor”). Los medios 3a y 3b de deteccion de corriente comprende, por ejemplo, elementos de deteccion de corriente, y detectan tension correspondiente a la corriente del motor. Entonces, la tension obtenida por los elementos de deteccion de corriente se introduce en la unidad 11 de control.
Los medios 10 de deteccion de tension detectan la tension DC (tension de bus) suministrada al circuito 2 inversor. Los medios 10 de deteccion de tension comprenden, por ejemplo, un divisor de tension que incluye una resistencia, un condensador, y otros, un convertidor A/D, un amplificador, o similares. Los medios de deteccion de tension introducen la tension detectada en la unidad 11 de control.
La unidad 11 de control comprende, por ejemplo, una unidad de procesamiento central (CPU). La unidad 11 de control controla el circuito 2 inversor mediante modulacion por anchura de pulsos (PWM, Pulse Width Modulation) para accionar el motor 1. Mas adelante se describen detalles del funcionamiento.
En la unidad 11 de control, ademas, la tension introducida desde los medios 3a y 3b de deteccion de corriente es convertida por el convertidor A/D o similar en datos numericos que corresponden al valor de la tension. Los datos se convierten entonces en los datos (informacion) de corriente que fluye a traves del motor 1. Aqrn, la deteccion de la corriente no se limita a dicho procedimiento.
En la unidad 11 de control, ademas, la tension introducida desde los medios 10 de deteccion de corriente es convertida por el convertidor A/D o similar en datos numericos que corresponden al valor de la tension. Los datos se convierten entonces en los datos (informacion) de la tension de bus DC. Aqrn, la deteccion de la tension de bus no esta limitada a dicho procedimiento.
En lo anterior, se ha descrito la configuracion del dispositivo de accionamiento de motor.
A continuacion, se describira el funcionamiento del dispositivo de accionamiento de motor de la realizacion. <Funcionamiento>
Aqrn, se describira la operacion de accionamiento de un motor que utiliza modulacion por anchura de pulsos (PWM).
En la presente realizacion, se realiza la descripcion en el caso en que un motor 1 es accionado y operado basandose en los datos (informacion) de la corriente que fluye a traves de la bobina del motor 1, sin usar un sensor de posicion
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de polo magnetico.
En el dispositivo de accionamiento de motor de la presente realizacion, la unidad 11 de control usa los medios 3a y 3b de deteccion de corriente para obtener los datos de la corriente del motor. Ademas, la unidad 11 de control puede obtener los datos de la tension de bus a traves del medio 10 de deteccion de tension. La unidad 11 de control controla la operacion de accionamiento del motor 1 mediante los pasos de: llevar a cabocalculos basandose en estos datos para generar senales de ciclo de trabajo PWM (en adelante, denominadas senales PWM); accionar los elementos 5a a 5f de conmutacion superior y los elementos 6a a 6f de conmutacion inferior en los brazos 4 respectivos; y aplicar tension al motor 1.
Aqm, se describira el proceso de formar una senal PWM, que es emitida desde la unidad 11 de control al circuito 2 inversor basandose en corrientes lu y Iw de motor.
La Fig. 6 es un diagrama de flujo que ilustra la secuencia de creacion PWM de acuerdo con la Realizacion 2.
En adelante, se describira el funcionamiento del motor 1 haciendo referencia a los pasos respectivos en la Fig. 6.
(5201)
La unidad 11 de control calcula corrientes que fluyen a traves de cada una de entre las fases U, V y W a partir de dos corrientes de fase (lu, Iw) obtenidas basandose en los resultados de deteccion de los medios 3a y 3b de deteccion de corriente, mediante el uso de los rasgos caractensticos de un inversor trifasico equilibrado tal como “e total de las tres corrientes de fase se ajusta a cero”.
(5202)
A continuacion, se utilizan medios para determinar la corriente de magnetizacion y la corriente de par, que estan incluidos en la unidad 11 de control, para calcular una componente de corriente de magnetizacion (corriente en el eje Y) Iy y componente de corriente de par (corriente en el eje 8) I5 llevando a cabo la conversion de coordenadas del valor de cada corriente de fase. Espedficamente, la componente Iy de corriente de magnetizacion y la componente de corriente de par I5 se calculan sustituyendo las corrientes del motor IU a Iw en una matriz de conversion [C1] representada mediante la siguiente ecuacion (1) y llevando a cabo la conversion. En la ecuacion (1), sin embargo, 0 representa un angulo de rotacion del inversor que rota en una direccion de las agujas del reloj.
[Ecuacion matematica 1]
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• • • • (1)
Incidentalmente, en el caso de utilizar un sensor para detectar la posicion de un rotor, tal como un encoder de pulsos, una frecuencia angular electrica del rotador es casi coincidente con una frecuencia rotacional del circuito inversor. Por tanto, un sistema de coordenadas donde el circuito inversor rota a una frecuencia igual a la frecuencia angular electrica del rotador es generalmente denominado como un sistema de coordenadas dq.
Por el contrario, cuando un sensor para detectar la posicion de un rotor, tal como un encoder de pulsos no se utiliza, la unidad 11 de control casi no puede detectar la coordenada de ejes dq con precision. De hecho, el circuito inversor rota con una desviacion de una diferencia de fase de A0 con respecto del sistema de coordenadas dp. Bajo dicha suposicion, en general, un sistema de coordenadas que rota a la misma frecuencia que la tension de salida del circuito inversor se denomina como un sistema de coordenadas y8 y se diferencia de un sistema de coordenadas rotacional. En la presente realizacion, el caso del ejemplo no utiliza ningun sensor. Por tanto, las letras y y 8 se adjuntan segun la costumbre.
(S203)
A continuacion, unos medios de operacion aritmetica de tension de comandos de eje y / tension de eje 8 de la unidad 11 de control llevan a cabo diferentes tipos de controles vectoriales incluyendo un control de velocidad usando una corriente Iy de magnetizacion, una corriente I8 de par, y un comando f* de frecuencia para obtener un posterior comando Vy* de tension de eje y posterior y un comando V8* de tension de eje 8.
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A continuacion, unos medios de operacion aritmetica de cada comando de tension de fase de la unidad 11 de control utilizan la siguiente ecuacion (2), que es la matriz inversa de la ecuacion (1), [C1]-1, para obtener cada uno de los comandos Vu* a Vv* de tension de fase.
[Ecuacion matematica 2]
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(S205)
A continuacion, unos medios para crear un ciclo de trabajo de senal PWM, que estan incluidos en la unidad 11 de control, calculan los momentos ON (momentos OFF) Tup a Twn del elemento de conmutacion en cada brazo 4 basandose en la relacion de cada una de las tensiones de comando de tension de fase Vu* a Vv* del circuito 2 inversor con la tension Vdc de bus obtenida de los medios 10 de deteccion de tension (la relacion de cada tension de comando de tension de fase a Vdc).
En la presente realizacion, como se ha descrito anteriormente, aunque cada brazo 4 incluye dos elementos de conmutacion, un elemento 5 de conmutacion superior y un elemento 6 de conmutacion inferior, se supone que estos dos elementos en el brazo 4 tienen la misma logica de senal de puerta. En otras palabras, los dos elementos en el brazo 4 se procesan con la misma senal de puerta para asegurar la compatibilidad con el modelo convencional y realizar la presente realizacion mediante un metodo de control simplificado.
Incidentalmente, el calculo de los momentos ON (o momentos OFF) Tup a Twn de los elementos de conmutacion de cada brazo 4 no esta limitado al anterior. Alternativamente, puede calcularse usando una tecnica, tal como la modulacion de vector espacial convencional.
(S206)
A continuacion, los medios de generation de senal PWM incluidos en la unidad 11 de control convierten los tiempos de conmutacion de un ciclo de portadora en senales PWM y luego transmiten las senales PWM como senales PWM Up a Wn al circuito 2 inversor.
El elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior de cada brazo 4 son operados por la misma senal de puerta basandose en las senales PWM Up a Wn desde la unidad 11 de control y la tension de pulsos correspondiente al funcionamiento es aplicada al motor 1. Y entonces el circuito 2 inversor acciona y opera el motor 1. Como ejemplo, la logica de senal PWM del elemento de conmutacion se muestra en la Fig. 7.
En la presente invention, como se ha descrito anteriormente, se proporciona el mismo circuito 2 inversor que el dela Realizacion 1 y el motor 1 es accionado mediante el control del circuito 2 inversor con PWM basandose en la corriente del motor.
Por tanto, la corriente de carga (corriente inversa) del motor 1 no fluye hacia el elemento 5 de conmutacion superior y el elemento 6 de conmutacion inferior, de modo que puede evitarse que la corriente de recuperation fluya a traves del elemento 5 de conmutacion superior cuando conmuta.
Por tanto, puede reducirse la perdida de recuperacion incluso si se utiliza el elemento 5 de conmutacion superior que tiene un diodo 7 parasito con un tiempo de recuperacion prolongado.
Por tanto, la perdida de recuperacion reducida conduce a un aumento en la eficiencia del circuito 2 inversor, de modo que puede aumentarse la eficiencia energetica del dispositivo de accionamiento del motor.
Realizacion 3
La Fig. 8 es un diagrama que ilustra la configuration de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 3 de la presente invencion.
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En el dispositivo de accionamiento de motor de la presente realizacion, como se muestra en la Fig. 8, la configuracion de un brazo inferior de un circuito 2 inversor es diferente dela de la Realizacion 2 descrita anteriormente. Otros componentes de la presente realizacion son los mismos que los de la Realizacion 2 descrita anteriormente. Se usan los mismos numeros de referencia para identificar porciones similares o correspondientes.
Los brazos inferiores (brazos 4d a 4f) del circuito 2 inversor de la presente realizacion incluyen respectivos elementos 13d a 13f de conmutacion individuales respectivos y diodos 9d a 9f de corriente inversa individuales respectivos conectados en paralelo con los elementos l3d a 13f de conmutacion correspondientes.
Incidentalmente, los brazos superiores (brazos 4a a 4c) del circuito 2 inversor tienen la misma configuracion que los de la Realizacion 2 descrita anteriormente.
Los elementos 13d a 13f de conmutacion estan constituidos por, por ejemplo, elementos tales como IGBTs que tienen una baja velocidad de conmutacion. Alternativamente, los elementos 13d a 13f de conmutacion pueden ser MOSFETs segun varias condiciones (por ejemplo, la frecuencia de portadora, velocidad de conmutacion, grado de perdida de recuperacion, disponibilidad, etc. de los elementos).
Aqm, cada uno de estos elementos 13d a 13f de conmutacion de la presente realizacion es equivalente al “segundo elemento de conmutacion” de la presente invencion.
Ademas, cada uno de los diodos 9d a 9f de corriente inversa de la presente realizacion es equivalente al “segundo diodo de corriente inversa” de la presente invencion.
A continuacion, se describira el funcionamiento del dispositivo de accionamiento de motor de la presente realizacion. La Fig. 9 es un diagrama que ilustra el estado logico del brazo superior del inversor PWM.
La Fig. 10 es un diagrama que ilustra la relacion entre un vector de comando de tension y el angulo de rotacion de inversor del inversor PWM.
En primer lugar, se describira la logica de brazo superior del circuito 2 inversor y la relacion entre el vector de comando de tension y el angulo de rotacion de inversor del inversor PWM.
Incluso en esta realizacion, se hace que dos elementos de conmutacion diferentes de los respectivos brazos 4a a 4c tengan la misma logica de senal de puerta. Por tanto, la logica de las senales de puerta alimentada a los respectivos brazos 4a a 4f enciende cualquiera de entre un brazo superior conectado al lado positivo de un bus DC o un brazo inferior conectado al lado negativo del mismo. Como este estado logico se dispone para cada una de las tres fases, el brazo superior tiene ocho estados logicos diferentes en total (23 = 8). En otras palabras, hay ocho diferentes estados de salida (en adelante denominados como “vectores de tension”). Aqm, para representar los estados de conmutacion de los respectivos brazos 4, el estado ON del brazo superior logico se define como “1” y el estado OFF del mismo se define como “0”. El vector de tension de cada modo de conmutacion con una cierta longitud de vector (en adelante denominado como “vector de tension principal”) se define como sigue.
Es decir, como se muestra en la Fig. 9, cuando se muestra (estado logico del brazo superior de la fase W, estado logico del brazo superior de la fase V, estado logico del brazo superior de la fase U) del bus DC como una representacion, (0, 0, 1) se refiere al vector V1, similarmente (0, 1, 0) al vector V2, (0, 1, 1) al vector V3, (1, 0, 0) al vector V4, (1, 0, 1) al vector V5, y (1, 1, 0) al vector V6.
Ademas, un vector de tension sin ninguna longitud de vector (en adelante denominado como un “vector cero”) se representa como sigue: cuando se muestra (estado logico del brazo superior de la fase W, estado logico del brazo superior de la fase V, estado logico del brazo superior de la fase U) del bus DC como una representacion, (0, 0, 0) se refiere al vector V0, y similarmente (1, 1, 1) al vector V7.
Para rotar el motor 1 suavemente, es necesario obtener un flujo magnetico correspondiente a una tension/frecuencia deseada. Se puede conseguir mediante una combinacion adecuada de los ocho diferentes vectores de tension anteriores.
La Fig. 10 ilustra la relacion entre el angulo 0 de rotacion de inversor y el vector V* de comando de tension usando la direccion del vector V1 (direccion de la fase U) como referencia.
A continuacion, se describira el control PWM de la unidad 11 de control en la presente realizacion.
La Fig. 11 es un diagrama que ilustra un ejemplo de patrones de conmutacion PWM del circuito inversor con modulacion de dos fases subyacente de acuerdo con la Realizacion 3.
La Fig. 11 ilustra un ejemplo de patrones de senal de puerta de los brazos superiores en el momento de la modulacion de dos fases subyacente.
Como se muestra en la Fig. 11, la unidad 11 de control de la presente realizacion lleva a cabo la modulacion de dos
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fases subyacente mediante la combinacion de los vectores de tension segun se describio anteriormente.
Mediante este funcionamiento, en la presente realizacion, se puede conseguir la alta eficiencia mediante el diseno de patrones PWM ademas de la configuracion anterior del circuito 2 inversor, sin aumentar el numero de los elementos.
En esta realizacion, como se ha descrito anteriormente, el brazo superior incluye una combinacion de una pluralidad de MOSFETs con una pequena perdida de conduccion y reduce la perdida de recuperacion. Ademas, el brazo inferior utiliza modulacion de dos fases subyacente con un pequeno numero de operaciones de conmutacion.
Por tanto, se puede mejorar la eficiencia del dispositivo de accionamiento de motor.
Ademas, el brazo inferior esta constituido por un elemento 13 de conmutacion, de modo que puede suprimirse tanto como es posible un aumento en el numero de elementos. Por tanto, contribuye a una reduccion en coste y una reduccion en carga ambiental sobre la tierra.
En la descripcion anterior, el brazo inferior esta constituido por un elemento 13 de conmutacion. Alternativamente, sin embargo, el brazo superior puede estar constituido por un elemento 13 de conmutacion. En este caso, la unidad 11 de control lleva a cabo un control PWM del circuito 2 inversor con modulacion de dos fases subyacente. En adelante, se describira un ejemplo espedfico.
La Fig. 12 ilustra la configuracion del dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 3.
En el circuito 2 inversor del dispositivo de accionamiento de motor, como se muestra en la Fig. 12, la configuracion de los brazos superiores es diferente de la de la Realizacion 2. Otros componentes estructurales de la presente realizacion son los mismos que los de la Realizacion 2 descrita anteriormente. Se usan los mismos numeros de referencia para indicar las porciones correspondientes.
Los brazos superiores (brazos 4a a 4c) del circuito 2 inversor incluyen respectivos elementos 13a a 13c de conmutacion individuales y respectivos diodos 9a a 9c de corriente inversa individuales respectivos conectados en paralelo con los correspondientes elementos 13a a 13c de conmutacion.
Ademas, cada uno de los brazos inferiores (brazos 4d a 4f) del circuito 2 inversor tiene la misma configuracion que la Realizacion 2.
Los elementos 13a a 13c estan constituidos por elementos tales como IGBTs con una baja velocidad de conmutacion. Ademas, se pueden utilizar MOSFETs segun varias condiciones (la frecuencia de portadora, velocidad de conmutacion, grado de perdida de recuperacion, disponibilidad, etc. de los elementos).
Incidentalmente, cada uno de estos elementos 13a a 13c de conmutacion de la presente realizacion es equivalente al “segundo elemento de conmutacion” de la presente invencion.
Ademas, cada uno de los diodos 9a a 9c de corriente inversa de la presente realizacion es equivalente al “segundo diodo de corriente inversa” de la presente invencion.
A continuacion, se describira el control PWM de la unidad 11 de control de la presente realizacion.
La Fig. 13 es un diagrama que ilustra un ejemplo de patrones de conmutacion PWM del circuito inversor con modulacion de dos fases subyacente de acuerdo con la Realizacion 3.
La Fig. 13 ilustra un ejemplo de patrones de senal de puerta del brazo superior en el momento de la modulacion de dos fases subyacente.
Como se muestra en la Fig. 13, la unidad 11 de control de la presente realizacion lleva a cabo la modulacion de dos fases subyacente mediante la combinacion de los vectores de tension descritos anteriormente.
En la presente realizacion, por tanto, en dicha operacion, puede conseguirse la alta eficiencia disenando patrones PWM ademas de la configuracion del circuito 2 inversor, sin incrementar el numero de elementos.
Como se ha descrito anteriormente, el brazo inferior incluye una combinacion de una pluralidad de MOSFETs con pequenas perdidas de conduccion y reduce la perdida de recuperacion, mientras que el brazo superior utiliza una modulacion de dos fases subyacente con un pequeno numero de operaciones de conmutacion.
Por tanto, la eficiencia del dispositivo de accionamiento de motor puede mejorarse.
Por tanto, como el brazo superior esta formado por un elemento 13 de conmutacion, se puede esperar una reduccion en el coste y una reduccion en la carga medioambiental sobre la tierra mediante la supresion del aumento en el numero de elementos tanto como sea posible.
La presente realizacion ha descrito el caso en el que todos los brazos inferiores del circuito 2 inversor incluyen un elemento 13 de conmutacion o el caso en que todos los brazos superiores del circuito 2 inversor incluyen un elemento
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13 de conmutacion. Sin embargo, la presente invencion no se limita a esto. Alternativamente, al menos uno de los brazos superiores o al menos uno de los brazos inferiores puede estar formado por un elemento de conmutacion. Incluso en tal configuracion, se puede conseguir una reduccion de coste mediante la supresion del numero de elementos.
La presente realizacion tambien utiliza MOSFET con estructura SJ como el elemento 5 de conmutacion superior del brazo 4 en el circuito 2 inversor. La presente invencion no se limita a esto. Se puede utilizar cualquier elemento que tenga un diodo parasito o una inductancia parasita.
Incluso en la presente realizacion, factores de ruidos, tales como un incremento en la inductancia de conductor pueden ser eliminados mediante la formacion colectiva de al menos uno de los brazos 4 o todos los brazos 4 en el circuito 2 inversor como un modulo y su montaje. Ademas, puede reducirse un area de superficie requerida para el montaje.
Realizacion 4
La Fig. 14 ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la realizacion 4.
Como se muestra en la Fig. 14, el dispositivo de accionamiento de motor de la presente realizacion incluye: una fuente 12 de tension DC; un circuito 2a inversor (lado maestro) y un circuito 2b inversor (lado esclavo); un motor 1; medios 3a y 3b de deteccion de corriente para detectar la corriente del motor que fluye a traves del motor 1; medios 10 de deteccion de tension; y medios tales como una unidad 11 de control para el control PWM de los circuitos 2a y 2b inversores que accionan el motor 1.
El circuito 2a inversor maestro tiene la misma configuracion que en la Realizacion 1 descrita anteriormente.
El circuito 2b inversor esclavo incluye brazos 15a a 15f conectados entre sf a traves de una conexion en puente.
Los brazos 15a a 15f del circuito 2b inversor incluyen los respectivos elementos 14a a 14f de conmutacion individuales y los respectivos diodos 9a a 9f de corriente inversa conectados en paralelo con los correspondientes elementos 14a a 14f de conmutacion.
Los elementos 14a a 14f de conmutacion estan constituidos por, por ejemplo, elementos tales como IGBTs que tienen una baja velocidad de conmutacion. Alternativamente, los elementos 14a a 14f de conmutacion pueden ser MoSFETs segun varias condiciones (la frecuencia de portadora, velocidad de conmutacion, grado de perdida de recuperacion, disponibilidad, etc. de los elementos).
Incidentalmente, el circuito 2b inversor de la presente realizacion es equivalente al “segundo dispositivo inversor” de la presente invencion.
En la presente realizacion, el circuito 2a inversor maestro esta controlado por la unidad 11 de control con PWM para generar una salida PWM de un modo mostrado en la Realizacion 1.
El circuito 2b inversor esclavo lleva a cabo una operacion de mantener una salida a un potencial P constante (en adelante denominado tambien como “dispuesto en el lado P”) o una operacion de mantener una salida en un potencial N constante (tambien, denominado como “dispuesto en el lado N”) en respuesta a la polaridad de cada tension de comando de tension de salida de fase del circuito 2a inversor maestro.
La Fig. 15 es un diagrama que ilustra un ejemplo de una tension de comando de tension de fase U y un potencial de fase U de inversor esclavo del dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 4.
En el caso de la fase U, por ejemplo, cuando la tension de comando del circuito 2a inversor maestro es positiva, el brazo superior del circuito 2b inversor esclavo esta siempre OFF (dispuesto en el lado N). Ademas, cuando la tension de comando del circuito 2a inversor maestro es negativa, el brazo superior del circuito 2b inversor esclavo esta siempre ON (dispuesto en el lado P).
Cuando la tension de comando del circuito 2a inversor maestro es cero, el brazo superior y el brazo inferior del circuito 2b inversor esclavo estan siempre OFF (sin salida). Alternativamente, el brazo superior del circuito 2b inversor esclavo puede estar dispuesto bien en el lado P o en el lado N.
En esta realizacion, como se ha descrito anteriormente, el circuito 2b inversor esclavo lleva a cabo una operacion de mantener una salida en un potencial P constante o en un potencial N constante, en respuesta a la polaridad de cada comando de tension de salida de fase del circuito 2a inversor maestro. Por este motivo, el numero de operacion de conmutacion del circuito 2b inversor esclavo puede reducirse y tambien puede reducirse la perdida de recuperacion en el circuito 2b inversor esclavo.
Ademas, cada uno de los brazos 15 del circuito 2b inversor esclavo esta formado por un elemento 14 de conmutacion. Por tanto, el numero de partes del circuito 2b inversor puede reducirse y puede reducirse el coste del mismo.
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Ademas, esta configuracion de circuito es aplicable a un sistema en el que un motor 1 es accionado utilizando dos circuitos inversores en combinacion o un dispositivo de alimentacion de potencia. Por tanto, se puede conseguir un sistema relativamente simple con una alta versatilidad mediante la extension del control convencional.
La presente realizacion tambien utiliza MOSFET con una estructura SJ como el elemento 5 de conmutacion superior del brazo 4 en el circuito 2a inversor. Alternativamente, sin embargo, la presente invencion puede aplicarse a una operacion cooperativa de una pluralidad de circuitos inversores usando cualquier elemento de conmutacion que tenga un diodo parasito o una inductancia parasita.
Incluso en la presente realizacion, al menos cualquiera de los brazos 4 o todos los brazos 4 del circuito 2a inversor maestro o brazos en el circuito 2b inversor esclavo puede estar formado colectivamente como al menos un modulo para su montaje. Por tanto, permite eliminar factores de ruido, tales como un aumento en la inductancia de conductor. Ademas, puede reducirse un area de superficie necesaria para el montaje.
Realizacion 5
La Fig. 16 ilustra la configuracion de un dispositivo de accionamiento de motor de acuerdo con la Realizacion 5.
Como se muestra en la Fig. 16, el dispositivo de accionamiento de motor de la presente realizacion incluye: una fuente 12 de alimentacion de tension DC; un circuito 2 inversor; una unidad 16 de carga; medios 3 de deteccion de corriente para detectar una corriente de carga que fluye a traves de la unidad 16 de carga; medios 10 de deteccion de tension; y una unidad 11 de control para controlar el circuito 2 inversor con PWM para controlar la unidad 16 de carga.
Se asignan los mismos numeros de referencia que en las Realizaciones 1 a 4 a la misma configuracion.
El circuito 2 inversor de la presente realizacion incluye cuatro brazos 4a a 4d que forman un unico puente monofasico. Cada uno de los brazos 4a a 4d tiene la misma configuracion que la Realizacion 1 descrita anteriormente.
La configuracion anterior puede obtener el efecto de suprimir la perdida de recuperacion del MOSFET de un modo similar al de las Realizaciones 1 a 4 segun se ha descrito anteriormente, no solo en un caso de equipamiento trifasico, sino tambien en un caso donde el circuito 2 inversor tiene una estructura de puente monofasico como en la presente realizacion.
Por tanto, puede mejorarse la eficiencia energetica incluso en el dispositivo de accionamiento de motor de la presente realizacion.
En la presente realizacion, la presente invencion se ha descrito con respecto al caso en el que cada uno de todos los brazos 4a a 4e comprende dos elementos de conmutacion. La presente invencion no se limita a esto. Alternativamente, al menos uno de los brazos 4 puede comprender un elemento de conmutacion, y opcionalmente un diodo de corriente inversa dependiendo del tipo del elemento. Estos componentes pueden combinarse para formar cualquier configuracion de circuito para optimizar la efectividad del coste al mismo tiempo que se mantiene una eficiencia deseada.
La presente realizacion tambien utiliza MOSFET con una estructura SJ como el elemento 5 de conmutacion superior del brazo 4 en el circuito 2 inversor. Alternativamente, sin embargo, la presente invencion puede aplicarse a cualquier elemento de conmutacion que tenga un diodo parasito o una inductancia parasita.
Incluso en la presente realizacion, al menos cualquiera de los brazos 4 o todos los brazos 4 del circuito 2 inversor puede estar formado colectivamente como un modulo para su montaje. Por tanto, permite eliminar factores de ruido, tales como un aumento en la inductancia de conductor. Ademas, puede reducirse un area de superficie necesaria para el montaje.
Ejemplo
En este ejemplo para una mayor comprension de la presente invencion, como un ejemplo de sistema de generacion de potencia, se describe un ejemplo de un sistema de generacion de potencia solar de tipo de interconexion, en el que la potencia electrica generada por los modulos solares es suministrada a un sistema de potencia electrica comercial conectado a los mismos.
La Fig. 17 es un diagrama que ilustra la configuracion de un sistema de generacion de potencia solar de tipo de interconexion de acuerdo con el ejemplo.
Como se muestra en la Fig. 17, el sistema de generacion de potencia solar de tipo de interconexion incluye una matriz 51 de celulas solares que comprende una pluralidad de modulos de celulas solares y un dispositivo 53 inversor de interconexion que convierte la potencia DC generada por la matriz 51 de celulas solares en potencia AC y al mismo tiempo suministra la potencia AC a un sistema 52 de potencia electrica comercial monofasico interconectado.
Incidentalmente, la matriz 51 de celulas solares es equivalente al “generador de potencia electrica” de la presente invencion.
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El dispositivo 53 inversor de interconexion incluye un circuito 61 elevador, un circuito 2 inversor, un circuito 62 de filtro, un rele 63 de enlace, unos medios 3a de deteccion de corriente, unos medios 3c de deteccion de corriente, y una unidad 64 de procesamiento.
El circuito 61 elevador eleva una tension DC de entrada. El circuito 2 inversor convierte la tension DC en una tension AC de alta frecuencia. El circuito 62 de filtro atenua la componente de conmutacion de alta frecuencia contenida en la tension de salida del circuito 2 inversor. El rele 63 de enlace conecta o desconecta la tension de salida del circuito 62 de filtro con el sistema 52 de potencia electrica comercial monofasica. Los medios 3a de deteccion de corriente detectan la corriente de salida del circuito 2 inversor. Los medios 3c de deteccion de corriente detectan la corriente de salida del circuito 62 de filtro. La unidad 64 de procesamiento emite senales PWM para accionar el circuito 2 inversor basandose en informacion de los medios 3a y 3b de deteccion de corriente.
El circuito 2 inversor del presente ejemplo es un circuito inversor con una estructura de puente como la de la Realizacion 4 e incluye cada uno de los brazos 4a a 4d.
Cada uno de los elementos 5a a 5d de conmutacion superior de los respectivos brazos 4 esta formado por un MOSFET con estructura SJ. Ademas, cada uno de los elementos 6a a 6d de conmutacion inferior de los respectivos brazos 4 esta formado por un MOSFET con una baja tension soportada. Cada uno de estos diodos 9a a 9f de corriente inversa es de tipo de alta velocidad con un tiempo de recuperacion corto.
En el presente ejemplo, se describe el circuito 2 inversor que tiene la misma configuracion que la de la Realizacion 4 descrita anteriormente. Sin embargo, la presente invencion no se limita a esto. Alternativamente, puede utilizarse el circuito 2 inversor que se describe en cualquiera de las Realizaciones 1 a 5 descritas anteriormente.
En este ejemplo, como se ha descrito anteriormente, el sistema de generacion de potencia solar incluye el mismo circuito 2 inversor que se ha descrito en cualquiera de las Realizaciones 1 a 5. Como las Realizaciones 1 a 5 descritas anteriormente, el sistema de generacion de potencia solar puede reducir la corriente de recuperacion del circuito 2 inversor durante la conmutacion y puede accionarse con una alta eficiencia.
En el sistema de generacion de potencia solar, ademas, un aumento en la eficiencia de la conversion de potencia en el circuito 2 inversor provoca un aumento en la cantidad de electricidad generada. Por tanto, el usuario puede obtener una mayor cantidad de electricidad generada debido a un aumento en la eficiencia de la conversion de potencia.
En este ejemplo, ademas, como puede reducirse la perdida de potencia durante la conversion de potencia, existen ventajas en que puede reducirse la generacion de calor en el circuito 2 inversor, puede reducirse la dimension del radiador de calor, y puede conseguirse una mejora en la fiabilidad de los componentes al disminuir un aumento de la temperatura, etc.
Como se ha descrito anteriormente, la presente invencion no solo se aplica a cualquier dispositivo inversor conectado a una carga independiente, tal como el motor 1 y la unidad 16 de carga como en las Realizaciones 1 a 5, sino que tambien se aplica a un dispositivo inversor de interconexion para su enlace a un sistema de potencia electrica comercial como en este ejemplo.
Incidentalmente, en el presente ejemplo, se ha descrito el sistema de generacion de potencia solar de tipo de interconexion conectado al sistema de potencia electrica comercial monofasico. Sin embargo, el presente ejemplo puede aplicarse a otros sistemas, tales como un sistema de generacion de potencia solar de tipo de interconexion para su enlace a un sistema de potencia comercial trifasico y un sistema de generacion de potencia solar de tipo independiente que suministra potencia electrica a una carga independiente sin enlace a otro sistema, para obtener el mismo efecto.
En el presente ejemplo, se ha descrito el sistema de generacion de potencia solar que utiliza modulos solares como elementos de generacion de potencia. Alternativamente, es aplicable del mismo modo a un sistema de generacion de potencia que utiliza cualquier elemento de generacion de potencia que genera potencia DC, tal como una celula de combustible y un aerogenerador, y obviamente puede obtenerse el mismo efecto.
Realizacion 6
La Fig. 18 es un diagrama que ilustra la configuracion de un acondicionador de aire de refrigeracion de acuerdo con la Realizacion 6.
En la Fig. 18, el acondicionador de aire de refrigeracion de la presente realizacion incluye una unidad 201 exterior y una unidad 204 interior. La unidad 201 exterior incluye un compresor 202 refrigerante conectado a un circuito refrigerante (no mostrado) para mostrar un ciclo de refrigeracion y un ventilador 203 dispuesto para que la unidad exterior envfe aire a un intercambiador de calor (no mostrado).
Ademas, tanto el compresor 202 refrigerante como el ventilador 203 son hechos rotar por el motor 1 controlado por cualquiera de los controladores de accionamiento de motor de las Realizaciones 2 a 5 descritas anteriormente.
Incluso si el motor 1 es operado por dicha configuracion, se pueden obviamente obtener los mismos efectos que en
las Realizaciones 1 a 5.
Numeros de referencia
1 motor, 2 circuito inversor, 2a circuito inversor, 2b circuito inversor, 3 medios de deteccion de corriente, 3a medios de deteccion de corriente, 3b medios de deteccion de corriente, 3c medios de deteccion de corriente, 4 brazo, 4a a 4f 5 brazo, 5 elemento de conmutacion superior, 5a a 5f elemento de conmutacion superior, 6 elemento de conmutacion inferior, 6a a 6f elemento de conmutacion inferior, 7 diodo parasito, 7a a 7f diodo parasito, 8 diodo parasito, 8a a 8f diodo parasito, 9 diodo de corriente inversa, 9a a 9f diodo de corriente inversa, 10 medios de deteccion de tension, 11 unidad de control, 12 fuente de tension de corriente directa (DC), 13 elemento de conmutacion, 13a a 13f elemento de conmutacion, 14 elemento de conmutacion, 14a a 14f elemento de conmutacion, 15 brazo, 15a a 15f brazo, 16 unidad 10 de carga, 21 puerta, 22 fuente, 23 drenaje, 24 sustrato (polaridad n+), 25 capa p, 26 capa n, 51 matriz de celulas solares, 52 sistema de potencia comercial monofasico, 53 dispositivo inversor de interconexion, 61 circuito elevador, 62 circuito de filtro, 63 rele de enlace, 64 unidad de procesamiento, 101 elemento de conmutacion 101a a 101f elemento de conmutacion, 102 diodo parasito, 102a a 102f diodo parasito, 201 unidad exterior, 202 compresor de refrigerante, 203 ventilador, 204 unidad interior.
15

Claims (14)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un dispositivo de accionamiento de motor para accionar un motor (1), que comprende: un dispositivo (2) inversor;
    un detector (3a, 3b) de corriente que detecta la corriente electrica que fluye a traves de una bobina de dicho motor (1); y
    un controlador (11) que controla dicho dispositivo (2) inversor, donde
    dicho dispositivo (2) inversor es un inversor trifasico en el que seis brazos (4) que pueden conducir y bloquear la corriente estan conectados entre sf a traves de una conexion en puente,
    donde
    tres brazos de los seis brazos (4) estan conectados a un lado de alta tension o un lado de baja tension de tension DC suministrada a dicho dispositivo inversor, dichos tres brazos incluyen:
    una pluralidad de elementos (5, 6) de conmutacion que tienen diodos (7, 8) parasitos y que estan conectados en serie entre sf; y
    un diodo (9) de corriente inversa conectado en paralelo con dicha pluralidad de elementos (5, 6) de conmutacion,
    dichos elementos (5, 6) de conmutacion estan conectados entre sf de modo que la polaridad de un diodo (7, 8) parasito de un elemento (5, 6) de conmutacion es opuesta a la polaridad de un diodo (7, 8) parasito de otro elemento (5, 6) de conmutacion adyacente al mismo,
    el diodo (8) parasito de uno de la pluralidad de elementos (6) de conmutacion con polaridad inversa relativa a la polaridad de dicho diodo (9) de corriente inversa tiene un tiempo de recuperacion inverso mas corto que el del diodo (7) parasito de otros elementos (5) de conmutacion,
    los otros tres brazos (4) incluyen un segundo elemento (13) de conmutacion y un segundo diodo (9) de corriente inversa conectados en paralelo con dicho segundo elemento (13) de conmutacion,
    y caracterizado por que
    dicho controlador (11) acciona, basandose en una corriente detectada por dicho detector (3a, 3b) de corriente, dicho motor (1) mediante Modulacion por Anchura de Pulsos, PWM, control de dicho dispositivo (2) inversor con modulacion de dos fases subyacente, donde un elemento de conmutacion de un brazo (4) conectado a dicho lado de alta tension de una fase que no lleva a cabo una operacion de conmutacion entre las tres fases se mantiene en un estado ON, o con modulacion de dos fases subyacente, donde un elemento de conmutacion de un brazo (4) conectado a dicho lado de baja tension de una fase que no lleva a cabo una operacion de conmutacion entre las tres fases se mantiene en un estado ON, en un penodo de un angulo de rotacion de inversor que tiene la misma combinacion de un vector de tension principal que genera un vector de comando de tension.
  2. 2. El dispositivo de accionamiento de motor de la reivindicacion 1, donde
    dicho elemento (5, 6) de conmutacion es un transistor de efecto campo de semiconductor de metal oxido, MOSFET.
  3. 3. El dispositivo de accionamiento de motor de la reivindicacion 2, donde
    dicho MOSFET esta conectado en serie a otro MOSFET con un tipo de canal diferente que un canal del MOSFET.
  4. 4. El dispositivo de accionamiento de motor de la reivindicacion 2, donde
    dicho MOSFET esta conectado inversamente en serie a otro MOSFET con el mismo tipo de canal que un canal del MOSFET.
  5. 5. El dispositivo de accionamiento de motor de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, donde
    al menos uno de dicha pluralidad de MOSFETs es un MOSFET con una estructura de super union.
  6. 6. El dispositivo de accionamiento de motor de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, donde
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    10
    15
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    entre dicha pluralidad de MOSFETs, un MOSFET que tiene un diodo (7, 8) parasito con la misma polaridad que la de dicho diodo (9) de corriente inversa es un MOSFET con una estructura de super union.
  7. 7. El dispositivo de accionamiento de motor de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, donde
    entre dicha pluralidad de MOSFETs, un MOSFET que tiene dicho diodo (7, 8) parasito con polaridad inversa con relacion a la de dicho diodo (9) de corriente inversa es un MOSFET con una baja tension soportada en comparacion con otros MOSFETs.
  8. 8. El dispositivo de accionamiento de motor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, donde
    dicho diodo (9) de corriente inversa tiene un tiempo de recuperacion corto en comparacion con el de dicho diodo (7, 8) parasito.
  9. 9. El dispositivo de accionamiento de motor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, donde dicho segundo elemento (13d a 13f) de conmutacion es un IGBT o un MOSFET.
  10. 10. El dispositivo de accionamiento de motor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde al menos uno de dichos seis brazos (4) esta modularizado.
  11. 11. El dispositivo de accionamiento de motor de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que ademas comprende:
    un segundo dispositivo (2) inversor para accionar un motor (1), donde
    dicho segundo dispositivo (2b) inversor tiene al menos un brazo (15) que incluye un elemento (14) de conmutacion y un diodo (9) de corriente inversa, y
    dicho controlador (11) controla dicho dispositivo (2) inversor y dicho segundo dispositivo (2b) inversor.
  12. 12. El dispositivo de accionamiento de motor de la reivindicacion 11, donde dicho controlador (11) lleva a cabo:
    calculo de cada valor de comando de tension de fase basandose en la corriente detectada por dichos medios (3) de deteccion de corriente;
    control de dicho dispositivo (2) inversor con PWM basandose en dicho valor de comando de tension de fase;
    y
    control de dicho dispositivo (2b) inversor basandose en una polaridad de tension de cada uno de dichos valores de comando de tension de fase.
  13. 13. El dispositivo de accionamiento de motor de la reivindicacion 11 o 12, donde
    al menos uno de entre dicho dispositivo (2) inversor y dicho segundo dispositivo (2b) inversor esta modularizado.
  14. 14. Un acondicionador de aire de refrigeracion, que comprende
    un dispositivo de accionamiento de motor segun se describe en cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13; y un motor (1) para ser accionado por dicho dispositivo de accionamiento de motor.
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