ES2739876B2 - Dispositivo de acople inductivo y transformador electronico que hace uso del mismo - Google Patents

Description

D E S C R I P C I Ó N

DISPOSITIVO DE ACOPLE INDUCTIVO Y TRANSFORMADOR ELECTRÓNICO QUE

HACE USO DEL MISMO

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención se enmarca en el campo técnico de la física, más concretamente en el campo técnico de la conversión eléctrica.

El objeto de la invención permite proveer de un acople por aire o medio dieléctrico a convertidores multinivel de potencia en aplicaciones de adecuación de nivel de muy alta tensión DC y AC.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Hoy en día son de uso común las aplicaciones que hacen uso de conversión de potencia, aplicaciones en las cuales normalmente se hace uso de transformadores convencionales con núcleo magnético o ferromagnético. Por un lado, este tipo de transformadores representan una parte muy significativa del volumen y peso total del transformador de estado sólido y, por tanto, es un factor limitante con respecto a las posibilidades de escalado y transporte de este tipo de dispositivos. Por otro lado, requieren de un diseño muy complejo para garantizar el aislamiento cuando se escala a tensiones muy altas. Asimismo, el núcleo magnético debe estar aislado eléctricamente del bobinado primario y del secundario para evitar la aparición de arcos y garantizar que se provea de un aislamiento galvánico.

Un transformador electrónico es un tipo especial de convertidor de electrónica de potencia multinivel. Este tipo de dispositivos proporcionan un trasvase de potencia entre la entrada y salida del convertidor, en dónde se establecen niveles distintos de tensión y/o frecuencia. Está compuesto por una sucesión de módulos independientes interconectados en cascada a su entrada, tal y como puede verse en la siguiente figura 1, y las salidas correspondientes a cada módulo pueden agruparse en serie o en paralelo dependiendo del nivel de tensión requerido a la salida:

Figura 1: Agrupamiento en cascada de un convertidor de potencia multinivel.

A su vez, cada celda de forma independiente está formada por tres etapas: La primera etapa “Entrada/HF” es un convertidor de electrónica de potencia que adapta la corriente de entrada a una corriente alterna de alta frecuencia. El segundo módulo “HF/HF” se trata de un acople de alta frecuencia que proporciona aislamiento galvánico y adapta el nivel de tensión de la entrada al nivel deseado en la salida mediante una relación de transformación. Finalmente, el módulo “HF/Salida” adapta la corriente de alta frecuencia de la salida del segundo módulo a los niveles de tensión y frecuencia requeridos a la salida del convertidor. Dentro de cada celda existen varios subsistemas para dotar de total funcionalidad al sistema, representados en la parte derecha de la figura 8. Cada subcelda, primaria y secundaria, dispondrá aparte de su etapa de conversión de potencia a alta frecuencia y del acople inductivo los siguientes subsistemas: Un sistema de refrigeración, un controlador local, y un sistema de alimentación auxiliar para la electrónica y los otros subsistemas. Así mismo, los controladores locales recibirán las consignas de control apropiadas de un maestro externo a la celda. Los acoples entre los módulos se llevan a cabo normalmente usando un transformador HF con núcleo magnético cerrado.

Por otra parte, son conocidas las aplicaciones de recarga inductiva para, por ejemplo, coches eléctricos, se hace uso de transmisión inductiva de potencia a través del aire; es decir, se hace uso de esta tecnología para trasvase de potencia, sin tener en cuenta la adecuación de tensión, para proveer un enlace de potencia sin cables. Las topologías empleadas en sistemas de recarga inalámbrica difieren de las planteadas en las aplicaciones de transformadores de estado sólido debido principalmente a que estas últimas requieren tensiones mucho mayores.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención permite proveer una etapa de adecuación de tensión en aplicaciones de transformadores electrónicos.

El objeto de la invención permite proveer acople por aire o medio dieléctrico para convertidores multinivel de potencia en aplicaciones de adecuación de nivel de muy alta tensión DC/DC, DC/AC y AC/AC (Solid State Transformers).

El objeto de la invención se basa en la inclusión de un aislamiento eléctrico en el circuito magnético del transformador, en lugar de entre los conductores eléctricos y el núcleo monolítico o cerrado como se hace convencionalmente.

En el objeto de la invención cada celda individual tiene asociado su correspondiente sistema de apantallamiento; para ello se puede hacer uso en aquellas realizaciones que lo requieran de una carcasa compuesta por dos mitades, que envuelve conjuntamente los conductores del acoplamiento, de material con alta permeabilidad magnética (ferrita o similar), contenida en una caja de material con alta conductividad eléctrica (aluminio, cobre o similar). Tanto la bobina del primario como del secundario se disponen preferentemente conforme a una distribución planar o axial. Además, cada bobina de los bobinados primario y secundario pueden ser independientes, de tal forma que no solo sea modular cada celda de apilamiento, sino también sea fácilmente sustituibles cada bobina de forma individual. Entre el primario y el secundario se dispone al menos una capa de material dieléctrico que provee de aislamiento entre las dos partes del acople o una distancia suficiente en el aire, que proporcione el nivel de aislamiento requerido.

El objeto de la invención contempla al menos dos posibles realizaciones, una posible realización en la cual se tiene un núcleo magnético partido y separado físicamente por la capa dieléctrica, y una posible realización alternativa en la cual se elimina gran parte del material ferromagnético, dejando un circuito magnético formado prácticamente en su totalidad por aire o material dieléctrico.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1.- Muestra una vista de una topología modular en cascada.

Figuras 2a - 2c.- Muestra una serie de diagramas donde se aprecian la disposición actual del bobinado con un transformador de núcleo cerrado (2a), como las dos posibles realizaciones del objeto de la invención consistentes en un acople de núcleo ferromagnéticos partido (2b) o bien, sin material ferromagnético (2c), con una separación en ambos casos a través de un material dieléctrico.

Figura 3.- Muestra un esquema eléctrico de una celda WPT (Wireless Power Transfer) con topología SS.

Figura 4a-4c.- Muestra un corte transversal del acople inductivo indicando las cotas más importantes. Muestra dos variantes de la sección de núcleo ferromágnetico para la variante 2b y un corte transversal para la variante 2c.

Figuras 5a-5c.- Muestran unas vistas del acople inductivo de la variante 2b donde en la figura 5a se aprecia una vista completa del acople, en la figura 5b se aprecia el acople con una sección trasversal de un cuarto y en la figura 5c con una sección longitudinal para mostrar la disposición del bobinado debajo de la carcasa de alta conductividad eléctrica.

Figuras 6a-6b - Muestran una serie de vistas en explosión donde se aprecian todas las capas presentes en la estructura.

Figura 7.- Muestra un diagrama de la disposición de las celdas.

Figura 8.- Muestra una diagrama donde se aprecia la distribución de los distintos módulos.

Figuras 9a y 9b.- Muestra una vista en sección del objeto de la invención en posición de acople (9) y posición de acople separado (9b).

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

En la puesta en práctica del objeto de la invención, contrariamente al estado de la técnica conocido y representado en la figura 2a donde se tiene una disposición del bobinado con un transformador de núcleo cerrado, se tiene una realización preferente en la cual se tiene un acople de núcleo ferromagnético partido mostrado en la figura 2b o bien, una posible realización alternativa mostrada en la figura 2c donde el acople se realiza a través de un circuito magnético formado casi en su totalidad por aire o material dieléctrico. En cualquiera de las posibles realizaciones del objeto de la invención se hace uso de material dieléctrico dispuesto entre las dos partes del circuito magnético.

El objeto de la invención puede hacer uso de una celda WPT con topología SS para el acople inductivo. Por lo tanto, el citado acople respondería, en esta posible realización, a un esquema como el mostrado en la figura 3 donde se aprecian unos condensadores (C1, C2) de resonancia, presentes tanto en lado del bobinado primario (3) como en el lado del bobinado secundario (6), colocados en una configuración en serie. En dicha figura 3 pueden observarse las bobinas del bobinado primario (3) y las bobinas del bobinado secundario (6), convenientemente enfrentadas para una correcta canalización del flujo magnético. Por último, se indica la disposición del núcleo magnético (10) formado por ferritas en el lado interior del bobinado primario (3) y del bobinado secundario (6) para la mejor canalización del flujo magnético.

El objeto de la invención puede presentar una estructura como una de las mostradas en la figuras 4a-4c, donde se muestra un corte transversal de una de las mitades simétricas de la estructura, así como las principales medidas a considerar dónde los valores a, b, c, d, e, f, g, h, i, j, k, l, m, n, o, p, q, r, s, t, u, v, N1, S1, N2, y S2 se ajustarán en función de los requerimientos del sistema, representando las letras minúsculas distancias, y las letras mayúsculas el número de espiras y el tamaño de su sección. Siguiendo dicho esquema, se tiene que el bobinado primario (3) comprende unas primeras espiras (N1) con una primera sección (S1) cada una de ellas, mientras que el bobinado secundario (6) comprende unas segundas espiras (N2) con una segunda sección (S2) cada una de ellas.

El dispositivo de la invención se puede encontrar dispuesto en una carcasa a modo de envolvente metálica, preferentemente de aluminio con forma cilíndrica-de radio s, altura p, y espesor g , dividida físicamente en dos mitades por al menos una capa de material dieléctrico (4, 5) de espesores l y m tal y como se aprecia la figura 4, donde se tiene una primera capa de material dieléctrico (4) de un espesor l y una segunda capa de material dieléctrico (5) de un espesor m, en los lados del bobinado primario (3) y bobinado secundario (6) respectivamente tal y como se observa en la figura 4.

Quedando por tanto una estructura tal y como se observa en la figura 4 o en la figuras 6a-6b, con altura n en el lado primario, y otra de altura o en el lado secundario. El objeto de la invención puede venir definido en el interior de una la carcasa metálica que comprende una capa superior (1) y una capa inferior (8) y que presenta un saliente de lado q, tal y como se aprecia en la figura 4, de esta manera al menos una de las capas de material dieléctrico (4, 5), sobresale de la carcasa metálica, alcanzando cada lado una longitud total 2t, con el objeto que está capa se una a la siguiente capa de material dieléctrico de los módulos circundantes del convertidor de potencia. Por tanto, de forma global, quedará una única capa continua de material dieléctrico que disminuye la distancia de línea de fuga entre primario y secundario.

En el interior, se situará a unas respectivas alturas a y f con respecto a la caja en sus lados correspondientes al bobinado primario (3), lado primario, y al bobinado secundario (6), lado secundario, el primer elemento de material ferromagnético (2) preferentemente en forma de disco, de espesor b y e en los lados primario y secundario, respectivamente. Este disco de material ferromagnético puede ser hueco en su parte central (realizaciones mostradas en las figuras 4a y 4b) y está centrado a una distancia r del centro de la estructura definida por el conjunto de elementos en la carcasa, y con una sección de longitud h, teniendo una altura j en el lado primario y k en el lado secundario. Así mismo, las primeras espiras (N1) -del bobinado primario (3)- y las segundas espiras (N2) -del bobinado secundario (6)- también están ubicadas centrándose a una distancia r del centro de la estructura. Finalmente, se definen la distancia i como la distancia entre los dos bobinados (3, 6), y las distancias c y d definen la distancia entre la cara interior del núcleo ferromágnetico (11) y el borde de la mitad de la estructura para bobinado primario (3) y bobinado secundario (6) respectivamente.

Tal y como se desprende de la figura 6, el acople inductivo o dispositivo de acople de la invención presenta una serie de elementos dispuestos en una estructura tipo sándwich a la vista de la sección de dicha figura 6 donde se tiene una capa superior (1) que delimita la carcasa y por tanto el dispositivo por su parte superior, del dispositivo de acople de la invención donde preferentemente se dispone el bobinado primario (3). Esta capa superior (1) puede tener un recubrimiento interior aislante para evitar la aparición de arco eléctrico con el correspondiente bobinado. Así mismo, una capa inferior (8), es la parte de la carcasa correspondiente al lado inferior del dispositivo de acople de la invención donde preferentemente se ubica el bobinado secundario (6) del acople. La carcasa y por tanto sus capas (1, 8) son preferentemente de aluminio, cobre, o similar. El citado primer el de material ferromágnetico (2) y un segundo elemento de material ferromágnetico (7), preferentemente con forma de disco, se encuentran respectivamente dispuestos con respecto del bobinado primario (3) y el bobinado secundario (6). A continuación, en la citada figura, se tienen dispuestos, el primer bobinado (3), el cual es el bobinado de cobre en forma de espira de la etapa primaria, y de manera equivalente se tiene el segundo bobinado (6), que es el bobinado de cobre en forma de espira de la etapa secundaria. Dichos bobinados (3, 6) pueden estar dispuestos con distribución planar (como se aprecia en la figura2b, correspondiente con las figuras 4a y 4b), o con distribución axial (como se aprecia en la 2c, correspondiente con la figura 4c). Finalmente, se tiene que la primera capa dieléctrica (4), y la segunda capa dieléctrica (5) pueden estar fabricadas en un material aislante dieléctrico de alta densidad, estando estas ubicadas en relación al primer bobinado (3) y al segundo bobinado (6), respectivamente, de tal manera que se definen dos mitades independientes de la estructura delimitada por las capas(1, 8) de la carcasa.

El dispositivo de acople de la invención tiene una especial aplicación en transformadores electrónicos, como ejemplo de dicha aplicación, es objeto de la invención un transformador electrónico que comprende: un primer módulo convertidor de electrónica de potencia (Entrada/HF) destinado a adaptar la corriente de entrada a una corriente alterna de alta frecuencia, un segundo módulo "HF/HF” destinado a proporcionar aislamiento galvánico y adaptar el nivel de tensión de la tensión de la entrada al nivel deseado en la salida mediante una relación de transformación, y un módulo de salida (HF/Salida) destinado a adaptar la corriente de alta frecuencia de la salida del segundo módulo a los niveles de tensión y frecuencia requeridos a la salida del convertidor, estando el dispositivo de acople inductivo anteriormente descrito, ubicado en el segundo módulo.

Claims (6)

R E I V I N D I C A C I O N E S

1. - Dispositivo de acople inductivo que comprende:

a. - una carcasa metálica que a su vez comprende una capa superior (1) y una capa inferior (8),

b. - un primario que comprende:

i. - un primer bobinado (3) de distribución planar con unas primeras espiras (N1) con una primera sección (S1) cada una de ellas, ubicado a continuación de la capa superior (1) de la carcasa, y

ii. - un primer elemento de material ferromagnético (2) en forma de disco correspondiente al núcleo ferromagnético (11), dispuesto a continuación del primer bobinado (3), y

b.- un secundario que comprende:

i. - un segundo bobinado (6) de distribución planar, con unas segundas espiras (N2), con una segunda sección (S2) cada una de ellas, y

ii. - un segundo elemento de material ferromagnético (7) en forma de disco correspondiente al núcleo ferromagnético (11) dispuesto entre el segundo bobinado (6) y la capa inferior (8) de la carcasa,

caracterizado por que el núcleo ferromagnético (11) se encuentra dividido en dos partes independientes y porque el dispositivo adicionalmente comprende al menos una capa de material dieléctrico (4,5) dispuesta entre el primer bobinado (3) y el segundo bobinado (6), y que separa la capa superior (1) de la capa inferior (8) de la carcasa.

2. - Dispositivo de acople inductivo que comprende:

a. - una carcasa metálica que a su vez comprende una capa superior (1) y una capa inferior (8),

b. - un primario ubicado en el interior de la carcasa que comprende un primer bobinado (3) con unas primeras espiras (N1) con una primera sección (S1) cada una de ellas, ubicado a continuación de la capa superior (1) de la carcasa, y

c. - un secundario que comprende un segundo bobinado (6) con unas segundas espiras (N2), con una segunda sección (S2) cada una de ellas,

caracterizado por que comprende un una capa de material dieléctrico (4,5) dispuesta entre el primer bobinado (3) y el segundo bobinado (6).

3. - Dispositivo de acople inductivo según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende unos condensadores (C1, C2) de resonancia respectivamente asociados a los bobinados (3,6).

4. - Dispositivo de acople inductivo según una de las reivindicaciones 1 o 3, caracterizado por que al menos una de: la capa superior (1) y la capa inferior (8), comprende un recubrimiento interior aislante para evitar la aparición de arco eléctrico con el correspondiente bobinado.

5. - Transformador electrónico caracterizado por que comprende un dispositivo de acople inductivo como el descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.

6. - Transformador electrónico según reivindicación 5, caracterizado por que comprende:

a. - un primer módulo convertidor de electrónica de potencia (HF/HF) destinado a adaptar una señal de entrada a una señal de alta frecuencia,

b. - un segundo módulo "HF/HF” destinado a proporcionar aislamiento galvánico y adaptar el nivel de tensión de la tensión de la entrada al nivel deseado en la salida mediante una relación de transformación, y

c. - un módulo de salida (HF/Salida) destinado a adaptar la señal de alta frecuencia de la salida del segundo módulo a los niveles de tensión y frecuencia requeridos a la salida del convertidor,

estando el dispositivo de acople inductivo ubicado en el segundo módulo.