ES2883718T3 - SAI multifase de 3 hilos con derivación - Google Patents

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Abstract

Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida, SAI para la conexión de una fuente (112) de CA multifásica de 3 hilos a una carga (114) multifásica de 3 hilos, de manera que el dispositivo (100) SAI esté provisto para un funcionamiento multifásico, que comprende un parte (116) de convertidor, que está conectada a al menos una fuente (112, 128) de alimentación y la carga (114), y una derivación (118) de 3 hilos, que interconecta la fuente (112) de CA a la carga (114), de manera que la derivación (118) comprende un conmutador (130) de derivación, que comprende una unidad (140) de conmutación controlada de manera independiente para cada fase de la fuente (112) de CA, y el dispositivo (100) SAI comprende una unidad (132) de control, que está configurada para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación, de manera que la unidad (132) de control esté configurada para controlar el conmutador (130) de derivación para que una de las tres fases de la carga (114) sea alimentada directamente a través de la derivación (118) por una fase de la fuente (112) de CA, y la unidad (132) de control está configurada para controlar la parte (116) de convertidor para alimentar las dos fases restantes de la carga (114), de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación para rotar una fase de la fuente (112) de CA, que alimenta directamente la carga (114) a través de la derivación (118), entre las fases de derivación.

Description

DESCRIPCIÓN
SAI multifase de 3 hilos con derivación
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de suministros de alimentación ininterrumpida (SAI) multifase de 3 hilos. En particular, la presente invención se refiere a un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para la conexión de una fuente de CA multifase de 3 hilos a una carga multifase de 3 hilos, de manera que el dispositivo SAI se proporcione para un funcionamiento multifásico, que comprende una parte de convertidor, que está conectada a al menos una fuente de alimentación y la carga, y una derivación de 3 hilos, que interconecta la fuente de CA a la carga, de manera que la derivación comprende un conmutador de derivación. La presente invención se refiere también a un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) que comprende múltiples dispositivos SAI, tal como se ha especificado anteriormente, en el que los dispositivos SAI están conectados en paralelo a la carga. La presente invención se refiere además a un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para la conexión de una fuente de CA multifase de 3 hilos a una carga multifase de 3 hilos, de manera que el dispositivo SAI se proporcione para un funcionamiento multifásico, comprendiendo el sistema SAI múltiples partes de convertidor, que están conectadas en paralelo a al menos una fuente de alimentación y la carga, y una derivación de 3 hilos, que interconecta la fuente de CA a la carga. La presente invención proporciona además un método para controlar un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) que conecta una fuente de CA multifase de 3 hilos a una carga multifase de 3 hilos, de manera que el dispositivo SAI se proporcione para un funcionamiento multifásico, que comprende una parte de convertidor, que está conectada a al menos una fuente de alimentación y la carga, y una derivación de 3 hilos, que interconecta la fuente de CA a la carga, y el método comprende controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación.
Técnica antecedente
Las instalaciones de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para potencias más altas pueden distinguirse generalmente en base a dos grandes tipos de instalaciones diferentes. Estos se refieren a una instalación de 3 hilos y una instalación de 4 hilos. La diferencia entre estos tipos de instalaciones es la presencia o la ausencia de un cuarto conductor para el neutro (N). Ambas instalaciones tienen en común el uso de tres fases (L). Una instalación de 3 hilos es común en América del Norte, en particular en el mercado de EE.UU., mientras que una instalación de 4 hilos es común en Europa. El resto del mundo usa uno o ambos tipos de instalación anteriores.
Obviamente, estos tipos de instalación tienen configuraciones de carga diferentes. En la instalación de 3 hilos, el flujo de corriente es forzosamente L-L, es decir, la carga siempre está conectada entre dos fases. En una instalación de 4 hilos, la carga puede estar conectada entre dos fases, es decir, la configuración L-L, o entre una fase y el neutro, es decir, la configuración L-N. Para una gran parte de las instalaciones SAI de 3 hilos, el SAI será un SAI de entradas y salidas de 3-hilos. Típicamente, hay un transformador provisto en un lado de la carga, que convierte una tensión de 3 hilos típica de 480 V a una tensión de 208 V/120 V para 4-hilos, que es aceptado típicamente por los equipos de carga usados comúnmente.
La Fig. 1 muestra un dispositivo 10 SAI de doble conversión genérico según una primera realización, conocido en la técnica. El dispositivo 10 SAI está conectado entre una fuente 12 de CA de 3 hilos y una carga 14 de 3 hilos.
El dispositivo 10 SAI comprende una parte 16 de convertidor y una derivación 18, que están conectadas en paralelo a la fuente 12 de CA y a la carga 14. La parte 16 de convertidor está provista para realizar una doble conversión y comprende un convertidor 20 CA/CC, al que se hace referencia también como rectificador, que está conectado en su lado de CA a la fuente 12 de CA, y un convertidor 22 CC/CA, al que se hace referencia también como inversor, que está conectado en su lado de CA a la carga 14. Un lado de CC del convertidor 20 CA/CC y del convertidor 22 CC/CA está interconectado por un enlace 24 de CC, que aísla la fuente 12 de CA con relación a la carga 14.
La parte 16 de convertidor comprende además un convertidor 26 CC/CC, al que se hace referencia también como convertidor de batería, que conecta una fuente 28 de CC al enlace 24 de CC. La fuente 28 de CC es típicamente una fuente de energía almacenada, en particular, una batería. Sin embargo, son posibles también diferentes tipos de fuente de CC, incluyendo fuentes de energía regenerativa, tales como fuentes fotovoltaicas o aerogeneradores.
La derivación 18 está provista de un conmutador 30 de derivación. El dispositivo 10 SAI comprende también una unidad 32 de control, que está provista de manera integral de una interfaz de usuario. La unidad 32 de control controla el funcionamiento de la parte 16 de convertidor y del conmutador 30 de derivación.
La Fig.2 muestra el dispositivo 10 SAI de doble conversión según una segunda realización, que es esencialmente idéntica al dispositivo 10 SAI de la primera realización. Por lo tanto, solo se describirán en detalle las diferencias entre los dispositivos SAI de la primera realización y la segunda realización. Las características no descritas con respecto a la segunda realización se consideran implementadas tal como se ha descrito con respecto a la primera realización.
El módulo 10 SAI de la segunda realización se muestra operado en el caso de un fallo de la fuente 12 de CA. Por lo tanto, cuando se opera en este estado, algunos componentes no son necesarios y, por lo tanto, se omiten con el fin de simplificar el dibujo de la Fig. 2 En particular, en el caso de fallo de la fuente 12 de CA, el convertidor 20 de CA/CC no puede operar y, por lo tanto, se omite. Por consiguiente, las partes funcionales de la parte 16 de convertidor en este estado operativo son el convertidor 22 CC/CA y el convertidor 26 CC/CC, mostrados en la Fig. 2.
Además, tal como se indica en la Fig.2, la derivación 30 contiene una impedancia 34 en serie adicional, que es típicamente un inductor. Se proporciona también un cargador 36 separado para cargar la fuente 28 de CC.
Una consideración importante para los dispositivos o sistemas SAI anteriores es la eficiencia operativa a nivel del sistema. Los SAIs de doble conversión estándar de la industria tienen una eficiencia comprendida en el intervalo 96%-97%. Es difícil conseguir un aumento de la eficiencia basado en mejoras en el hardware disponible actualmente. Típicamente, dichas mejoras basadas en hardware requieren el uso de componentes más costosos. Como consecuencia, en entornos en los que la calidad de la energía de la red pública es buena, el SAI funciona más frecuentemente en un modo 'eco' o en un modo 'interactivo con la línea'.
En el modo eco, la carga está conectada continua y directamente a la fuente de CA a través de un circuito de derivación controlado, que deriva una parte de convertidor del dispositivo SAI. El soporte de carga depende de una respuesta rápida de la parte de convertidor y del conmutador de derivación, que está provisto en el circuito de derivación, cuando se produce un evento de calidad de energía. Más frecuentemente, el evento de calidad de energía es un fallo completo de la fuente de CA. El funcionamiento en modo eco permite conseguir una eficiencia del SAI incluso superior al 99%.
En el modo interactivo con la línea, la carga se alimenta también a través de la derivación. Sin embargo, la parte de convertidor se opera para corregir las pequeñas desviaciones de tensión de derivación con relación a la especificación de carga. En particular, al menos el convertidor de CC/CA de la parte de convertidor se opera para proporcionar energía de CA desde un enlace de CC a la carga. Además, los armónicos de la carga o de la fuente pueden compensarse de manera activa para obtener un factor de potencia elevado frente a la fuente. Una corriente de compensación puede pasar solo a través del enlace de CC ('capacitancia') o también en parte a través de un dispositivo de almacenamiento de energía almacenada, es decir, la batería.
Generalmente, el enlace de CC puede ser alimentado por una fuente de CA, una fuente de CC u otras. Debido a la operación de la parte de convertidor, se añade una pérdida global, reduciendo de esta manera la eficiencia global del SAI. Sin embargo, dependiendo de las condiciones particulares de la fuente de CA, todavía puede haber un modo interactivo con la línea con una ganancia de eficiencia que valga la pena.
Durante un fallo total de la fuente, la carga es suministrada por la batería a través del convertidor de CC/CA. La carga de la batería puede pasar también en dirección inversa a través del convertidor de CC/CA o del cargador separado. En el caso en el que la batería se carga a través del enlace de CC, el convertidor de CC/CC escala la tensión y/o la corriente entre la batería y el enlace de CC.
En el caso en el que la derivación esté fuera de la tolerancia de la carga, tanto el modo eco como el modo interactivo con la línea vuelven al modo de doble conversión, cuando la carga es alimentada desde la fuente de CA a través del convertidor de CA/CC y el convertidor de CC/CA, o en el caso de un fallo de la fuente de CA, la carga es alimentada desde la fuente de CC a través del convertidor de CC/CA.
El documento AU 638782 B2 describe un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) modular que comprende múltiples módulos SAI monofásicos para proporcionar un suministro de salida, teniendo cada módulo SAI un suministro de entrada y unos medios de conmutación controlables que pueden operarse para derivar el o cada módulo SAI.
Divulgación de la invención
Un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para la conexión de una fuente de CA multifásica de 3 hilos a una carga multifásica de 3 hilos, un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) que comprende múltiples dispositivos SAI, que están conectados en paralelo a la carga, un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para la conexión de una fuente de CA multifásica de 3 hilos a una carga multifásica de 3 hilos y un método para controlar un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI), que conecta una fuente de CA multifásica de 3 hilos a una carga multifásica de 3 hilos, que permiten un funcionamiento mejorado del dispositivo/sistema SAI con alta eficiencia y pérdidas reducidas.
Este objeto se consigue mediante las reivindicaciones independientes. Las realizaciones ventajosas se proporcionan en las reivindicaciones dependientes.
En particular, la presente invención proporciona un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para la conexión de una fuente de CA multifásica de 3 hilos a una carga multifásica de 3 hilos, según la reivindicación 1, de manera que el dispositivo SAI esté provisto para un funcionamiento multifásico, que comprende un parte de convertidor, que está conectada a al menos una fuente de alimentación y a la carga, y una derivación de 3 hilos, que interconecta la fuente de CA a la carga, de manera que la derivación comprenda un conmutador de derivación, que comprende una unidad de conmutación controlada de manera independiente para cada fase de la fuente de CA, y el dispositivo SAI comprende una unidad de control, que controla la parte de convertidor y el conmutador de derivación, de manera que la unidad de control controle el conmutador de derivación para que una de las tres fases de la carga sea alimentada directamente a través de la derivación por una fase de la fuente de CA, y la unidad de control controla la parte de convertidor para alimentar las dos fases restantes de la carga.
La presente invención proporciona también un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) que comprende múltiples dispositivos SAI, tal como se ha especificado anteriormente, en el que los dispositivos SAI están conectados en paralelo a la carga.
La presente invención proporciona además un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para la conexión de una fuente de CA multifásica de 3 hilos a una carga multifásica de 3 hilos, según la reivindicación 13, de manera que el sistema SAI este provisto para un funcionamiento multifásico, comprendiendo el sistema SAI múltiples partes de convertidor, que están conectadas en paralelo a al menos una fuente de alimentación y a la carga, y una derivación de 3 hilos, que interconecta la fuente de CA a la carga, de manera que la derivación comprenda un conmutador de derivación, que comprende una unidad de conmutación controlada de manera independiente para cada fase de la fuente de CA, y el sistema SAI comprende una unidad de control, que controla las múltiples partes de convertidor y el conmutador de derivación, de manera que la unidad de control controle el conmutador de derivación para que una de las tres fases de la carga sea alimentada directamente a través de la derivación por una fase de la fuente de CA, y la unidad de control controla la parte de convertidor múltiple para alimentar las dos fases restantes de la carga.
La presente invención proporciona además un método para controlar un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI), según la reivindicación 14, que conecta una fuente de CA multifásica de 3 hilos a una carga multifásica de 3 hilos, de manera que el dispositivo SAI esté provisto para un funcionamiento multifásico, que comprende una parte de convertidor, que está conectada a al menos una fuente de alimentación y a la carga, y una derivación de 3 hilos, que interconecta la fuente de CA a la carga, de manera que la derivación comprenda un conmutador de derivación, que comprende una unidad de conmutación controlada de manera independiente para cada fase de la fuente de CA, y el método comprende controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación, de manera que el conmutador de derivación sea controlado para que una de las tres fases de la carga sea alimentada directamente a través de la derivación por una fase de la fuente de CA, y la parte de convertidor sea controlada para alimentar las dos fases restantes de la carga.
La idea básica de la invención es implementar un nuevo modo de funcionamiento del dispositivo SAI o del sistema SAI, que está definido por alimentar la carga directamente desde una fase de la fuente de CA a través de la derivación y por alimentar las dos fases restantes desde la parte de convertidor, bien desde la fuente de CA o bien desde la fuente de CC. Esto puede implementarse con la capacidad de conmutar de manera independiente cada fase en el conmutador de derivación. Por lo tanto, la fase conectada directamente a la carga permite un ahorro de energía, ya que no se requieren convertidores y las pérdidas inherentes al convertidor no son aplicables. Al mismo tiempo, el control de las dos fases restantes permite un control total de la tensión de carga en la instalación de 3 hilos. Por lo tanto, pueden combinarse los beneficios de un modo, por ejemplo, el modo eco, en el que la carga se alimenta directa y completamente a través de la derivación, y de un modo, por ejemplo, interactivo con la línea, en el que la parte de convertidor se opera para controlar todas las fases para corregir las pequeñas desviaciones de tensión de derivación con relación a la especificación de carga. Por consiguiente, el modo de funcionamiento consigue reducir las pérdidas junto con la capacidad de corregir las pequeñas desviaciones con relación a la tensión de derivación.
Por lo tanto, pueden combinarse el bloqueo de fase y la modulación de enlace. Un beneficio es una ganancia en la eficiencia con respecto a la doble conversión mientras se mantiene el aislamiento de la carga y la capacidad de controlar la tensión de un convertidor en serie desde la fuente a la carga. La implementación del nuevo modo de funcionamiento puede conseguirse principalmente en base a un hardware existente, con solo cambios de firmware. Además, puede ser necesario proporcionar la tecnología de conmutación requerida al conmutador de derivación para controlar la una fase de la tensión de carga.
La fuente de CA multifásica de 3 hilos y la carga multifásica de 3 hilos se refieren a una fuente de CA o una carga, que no tienen un conductor neutro, que sería una instalación de cuarto hilos. La ausencia de neutro permite un control simplificado de la tensión de la carga, ya que la tensión y la corriente de dos fases determinan la tensión y la fase de la fase restante.
Tal como se especificado anteriormente, el sistema SAI con dispositivos SAI paralelos puede implementarse de diferentes maneras. Los dispositivos SAI pueden estar provistos de derivaciones individuales y conmutadores de derivación respectivos, que son controlados de manera individual por los dispositivos SAI. Por supuesto, el sistema SAI realiza un control global adicional de los dispositivos SAI individuales, de manera que los dispositivos SAI operarán esencialmente en paralelo. De manera alternativa, el sistema SAI puede tener una derivación central y un conmutador de derivación central. En ese caso, los dispositivos SAI individuales no requieren una derivación individual.
La parte de convertidor puede tener diferentes diseños. La parte de convertidor está conectada a al menos una fuente de alimentación. Típicamente, la parte de convertidor está conectada a una fuente de CA, que puede ser la misma fuente de CA, que está conectada a la derivación, o una fuente de CA individual. Preferiblemente, la parte de convertidor comprende o está conectada a diferentes fuentes, por ejemplo, una fuente de CA y una fuente de CC. La fuente de CC es típicamente un dispositivo de almacenamiento de energía, por ejemplo, una batería.
El módulo SAI tiene preferiblemente una interfaz de usuario para propósitos de configuración y de mantenimiento, por ejemplo, una pantalla y un teclado, una pantalla táctil u otros. Además, el dispositivo SAI puede comprender una interfaz de comunicaciones para la conexión a otros módulos SAI, en particular, para conectar la unidad de control a unidades de control de dispositivos SAI paralelos o una unidad/dispositivo de control del sistema SAI.
En el sistema SAI, los módulos SAI individuales pueden conectarse en paralelo a una fuente de CA o a diferentes fuentes de CA. Además, los dispositivos SAI individuales pueden conectarse también a diferentes fuentes de CA, por ejemplo, una fuente de CA que alimenta la derivación y una fuente de CA diferente conectada al convertidor de CA/CC de la parte de convertidor.
Los principios de control descritos con respecto al dispositivo SAI se aplican también al sistema SAI y viceversa.
Según una realización modificada de la invención, cada unidad de conmutación comprende conmutadores semiconductores, que no son conmutados por corriente. Los conmutadores conmutados por corriente, tales como, por ejemplo, los tiristores convencionales, tienen el problema de que puede producirse un hueco en la tensión de carga con una longitud de hasta medio ciclo de la línea hasta que una fuente conductora se autoconmute y la tensión de carga y con la tensión del inversor, se invierte. Sin conmutadores semiconductores conmutados por corriente, este problema puede evitarse. Dichos conmutadores semiconductores no conmutados por corriente se han desarrollado recientemente, y permiten un control de la puerta y una baja caída de tensión que resultan en una alta eficiencia. Un ejemplo de conmutadores semiconductores no conmutados por corriente son, por ejemplo, los tiristores controlados por puerta integrada (IGCT).
Según una realización modificada de la invención, cada unidad de conmutación comprende dos conmutadores semiconductores de conducción y de bloqueo inverso unidireccionales controlados de manera independiente, que forman un par antiparalelo de conmutadores semiconductores. Por lo tanto, el flujo de corriente puede ser controlado completamente para cada fase independientemente de las condiciones de tensión presentes. En el modo de bloqueo inverso, se aplica una tensión en una dirección que sería bloqueada por un diodo. Además, esta configuración de conmutador permite bajas pérdidas de potencia durante el funcionamiento. El bloqueo inverso es una función pasiva que no requiere un control activo de la unidad de conmutación.
Según una realización modificada de la invención, los conmutadores semiconductores están provistos de una capacidad de bloqueo inverso que tiene una capacidad de bloqueo de tensión bidireccional inherente o junto con un dispositivo de bloqueo inverso. El dispositivo de bloqueo inverso puede ser, por ejemplo, un diodo inverso o antiparalelo. Por lo tanto, los dos diseños diferentes permiten una elección esencialmente libre de conmutadores semiconductores.
Según la invención, la unidad de control se proporciona para controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación para rotar la fase de la fuente de CA, que alimenta directamente la carga a través de la derivación, entre las fases de derivación. Por lo tanto, cada fase de la fuente de CA puede alimentar directamente la carga en un momento determinado. Preferiblemente, la rotación se implementa de manera que cada fase contribuya con una parte alterna de tensión y/o corriente de carga tanto positiva como negativa.
Según una realización modificada de la invención, la unidad de control se proporciona para controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación para rotar la fase de la fuente de CA, que alimenta directamente la carga a través de la derivación, entre las fases de derivación con un ángulo de fase de módulo 6. Por lo tanto, la tensión positiva y negativa de cada fase contribuye a la tensión y/o a la corriente de carga. Con la fase total de 360°, cada fase puede alimentar la carga directamente a través de la derivación dos veces para una fase de 60°. A veces, se ha hace referencia a esto como modulación de enlace y se mejora la eficiencia de la parte de convertidor. Por lo tanto, una fase puede bloquearse a la fuente de CA y las otras dos controlan la tensión y la corriente de carga. El bloqueo puede cambiar la fase y la polaridad a través de un ciclo de la línea, tres fases * dos polaridades = módulo 6. El resultado es una ganancia en eficiencia debido a menos eventos de conmutación y, normalmente, puede mantenerse también un enlace de CC más bajo, lo que conduce a menores pérdidas de conmutación, que típicamente son más relevantes en los dispositivos basados en silicio.
Según una realización modificada de la invención, la unidad de control se proporciona para controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación para rotar la fase de la fuente de CA, que alimenta directamente la carga a través de la derivación, entre las fases de derivación para ajustar un ángulo de fase de la rotación de fase de derivación para soportar un cambio de fase de corriente de carga frente a la tensión de derivación. Por lo tanto, la rotación de la fase de la fuente de CA, que alimenta directamente la carga a través de la derivación, puede implementarse libremente con respecto a la frecuencia y la fase. Ni siquiera se requiere que la rotación sea periódica. El dispositivo o sistema SAI puede soportar total o proporcionalmente el cambio de fase de la corriente de carga frente a la tensión de derivación.
Según una realización modificada de la invención, la unidad de control se proporciona para controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación para inyectar un tercer armónico de tensión de derivación a la referencia de control de tensión de carga para permitir un nivel de enlace reducido para mantener la tensión de carga máxima en la especificación de tensión de carga. El tercer armónico tiene una frecuencia tres veces mayor que una frecuencia de las fases de la fuente de CA. Por lo tanto, el tercer armónico puede modular, por ejemplo, una envolvente de las tres fases de la fuente de CA. Preferiblemente, el tercer armónico está en fase con la envolvente de las tres fases de la fuente de CA. Por lo tanto, esto resulta en una reducción del nivel de tensión entre la envolvente y los máximos respectivos de las tres fases de la fuente de CA. La reducción de tensión del enlace incrementa la eficiencia del sistema y, de esta manera, reduce las pérdidas en el dispositivo o sistema SAI.
Según una realización modificada de la invención, la parte de convertidor se proporciona como una parte de convertidor de doble conversión con un convertidor de CA/CC, que puede conectarse a la fuente de CA, un convertidor de CC/CA, que puede conectarse a la carga, un enlace de CC, que interconecta la parte de CC del convertidor de CA/CC y el convertidor de CC/CA, y un convertidor de CC/CC, que puede conectarse a una fuente de CC. Este diseño de la parte de convertidor se refiere a un diseño de SAI de doble conversión típico. Por consiguiente, una fuente de CA es rectificada en primer lugar por el convertidor de CA/CC y, a continuación, es invertida por el convertidor de CC/CA para alimentar la carga. De manera alternativa, la carga puede ser alimentada desde la fuente de CC a través del convertidor de CC/CC. Sin embargo, también son posibles diferentes diseños de las partes de convertidor. En una realización preferida, la fuente de CC es parte del dispositivo SAI o del sistema SAI. Mediante el control de las tensiones entre fases
Según una realización modificada de la invención, la unidad de control se proporciona para controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación para controlar las tensiones entre fases del convertidor de CC/CA para soportar una especificación de tensión de carga. Mediante el ajuste de las tensiones de las dos fases que alimentan la carga mediante la parte de convertidor, las desviaciones de tensión de la fase, que alimenta directamente la carga a través del conmutador de derivación, con relación a una especificación de tensión de carga pueden compensarse sin transferir también la tercera fase a la parte de convertidor. Debido a que el dispositivo SAI o el sistema SAI son instalaciones de 3 hilos, no hay un neutro presente para una corriente de retorno de carga. Por lo tanto, el flujo de corriente de carga y el control de tensión son entre fases. Mediante el ajuste de las tensiones de las dos fases en la parte de convertidor, es posible corregir la diferencia de tensión de derivación con relación a una especificación de tensión de carga.
Según una realización modificada de la invención, la unidad de control se proporciona para controlar la parte de convertidor y el conmutador de derivación para transferir energía de manera bidireccional entre el enlace de CC y la fuente de CA a través de la derivación. Esto permite controlar la potencia reactiva y la distorsión de corriente a/desde la fuente de CA conectada a la derivación.
Según una realización modificada de la invención, el sistema SAI tiene múltiples buses de comunicación paralelos entre los dispositivos SAI y/o entre los conmutadores de derivación de los dispositivos SAI. Por lo tanto, los conmutadores de derivación de los dispositivos SAI paralelos pueden controlarse de manera común para realizar una conmutación en paralelo de la fase de la fuente de CA, que alimenta directamente la carga a través de la derivación.
Breve descripción de los dibujos
Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes a partir de, y se aclararán con referencia a, las realizaciones descritas a continuación.
En los dibujos:
La Fig. 1 muestra una vista esquemática de un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) genérico de doble conversión según una primera realización, tal como se conoce en la técnica,
La Fig. 2 muestra una vista esquemática de un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) según una segunda realización, tal como se conoce en la técnica, en funcionamiento en el caso de un fallo de la fuente de CA,
La Fig. 3 muestra una vista esquemática de un dispositivo de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) de doble conversión según una tercera realización en funcionamiento,
La Fig. 4 muestra una vista esquemática detallada de una unidad de conmutación del dispositivo SAI de la tercera realización,
La Fig. 5a muestra una vista esquemática de una unidad de conmutación para su uso en el dispositivo SAI según una cuarta realización,
La Fig. 5b muestra una vista esquemática de una unidad de conmutación para su uso en el dispositivo SAI según una quinta realización,
La Fig.6 muestra una vista esquemática de un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) según una sexta realización que comprende múltiples dispositivos SAI en paralelo,
La Fig. 7 muestra una vista esquemática de un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) según una séptima realización que comprende múltiples dispositivos SAI en paralelo y una derivación central,
La Fig. 8 muestra una vista esquemática de tres fases de la fuente de CA y las señales de puerta para controlar las unidades de conmutación según un primer modo de funcionamiento,
La Fig.9 muestra una vista esquemática de las tensiones trifásicas de la fuente de CA según una octava realización según un segundo modo de funcionamiento,
La Fig. 10 muestra una vista esquemática de las tensiones trifásicas de la fuente de CA según una octava realización según un tercer modo de funcionamiento,
La Fig. 11 muestra una vista esquemática de las tensiones trifásicas de la fuente de CA según una octava realización según un cuarto modo de funcionamiento, y
La Fig. 12 muestra una vista esquemática de las tres fases de la fuente de CA y las señales de puerta para controlar las unidades de conmutación según un quinto modo de funcionamiento.
Descripción detallada de la invención
La Fig. 3 muestra un dispositivo 100 SAI de doble conversión según una tercera realización. El dispositivo 100 SAI está conectado entre una fuente 112 de CA multifase de 3 hilos y una carga 114 multifásica de 3 hilos. El dispositivo 100 SAI está provisto para un funcionamiento multifase.
El dispositivo 100 SAI comprende una parte 116 de convertidor y una derivación 118 de 3 hilos, que están conectadas en paralelo a la fuente 112 de CA y la carga 114. La parte 116 de convertidor se proporciona para realizar una doble conversión y comprende un convertidor 120 de CA/CC, al que se hace referencia también como rectificador, que está conectado en su lado de CA a la fuente 112 de CA, y un convertidor 122 de CC/CA, al que se hace referencia también como inversor, que está conectado en su lado de CA a la carga 114. Un lado de CC del convertidor 120 de CA/CC y del convertidor 122 de CC/CA está interconectado por un enlace 124 de CC, que aísla la fuente 112 de CA con respecto a la carga 114.
La parte 116 de convertidor comprende además un convertidor 126 de CC/CC, al que se hace referencia también como convertidor de batería, que conecta una fuente 128 de CC al enlace 124 de CC. La fuente 128 de CC de la tercera realización es un dispositivo de energía almacenada, es decir, una batería. Según la tercera realización, la fuente 128 de CC se proporciona de manera integral con la parte 116 de convertidor. En una realización alternativa, la fuente 128 de CC se proporciona separada de la parte 116 de convertidor, pero de manera integral con el módulo 100 de SAI. En una realización alternativa adicional, la fuente 128 de CC se proporciona separada del módulo 100 SAI.
El dispositivo 100 SAI comprende también una unidad 132 de control, que se proporciona de manera integral con una interfaz de usuario. La unidad 132 de control controla el funcionamiento de la parte 116 de convertidor y un conmutador 130 de derivación en la derivación 118. En particular, la unidad 132 de control controla el conmutador 130 de derivación para alimentar una de las tres fases de la carga 114 directamente a través de la derivación 118 mediante una fase de la fuente 112 de CA, y la unidad 132 de control controla la parte 116 de convertidor para alimentar las dos fases restantes de la carga 114. Los principios de control de la unidad 132 de control se describen más detalladamente a continuación.
La unidad 132 de control se proporciona de manera integral con una interfaz de usuario para propósitos de configuración y de mantenimiento, por ejemplo, una pantalla y un teclado o una pantalla táctil. Además, la unidad 132 de control está provista de manera integral con una interfaz de comunicaciones para la conexión a otros módulos 100 SAI, en particular, para conectar la unidad 132 de control a las unidades 132 de control de los dispositivos 100 SAI paralelos.
El conmutador 130 de derivación comprende una unidad 140 de conmutación controlada de manera independiente para cada fase. La unidad 140 de conmutación, que puede verse en detalle en la Fig.4, comprende según la tercera realización, dos conmutadores 142 semiconductores, no conmutados por corriente. Según la tercera realización, los conmutadores 142 semiconductores no conmutados por corriente son tiristores controlados por puerta integrada (IGCT) con capacidad de bloqueo inverso implementada mediante la capacidad de bloqueo de tensión bidireccional inherente. Tal como puede verse además en la Fig. 4, cada uno de los dos conmutadores 142 semiconductores es controlado desde la unidad 132 de control mediante controladores 144 de puerta individuales. Por lo tanto, los conmutadores 142 semiconductores forman dos conmutadores semiconductores de conducción unidireccional y de bloqueo inverso controlados de manera independiente de la unidad 140 de conmutación, que proporcionan un par de conmutadores 142 semiconductores antiparalelos.
La Fig. 5a muestra una unidad 140 de conmutación según una cuarta realización. La unidad 140 de conmutación de la cuarta realización puede usarse en general con el dispositivo SAI de la tercera realización.
Tal como puede verse en la Fig. 5a, la unidad 140 de conmutación de la cuarta realización comprende un par de conmutadores 142 semiconductores antiparalelos, que se proporcionan junto con los dispositivos 146 de bloqueo inverso.
La Fig. 5b muestra una unidad 140 de conmutación según una quinta realización. La unidad 140 de conmutación de la quinta realización puede usarse en general con el dispositivo SAI de la tercera realización.
Tal como puede verse en la Fig. 5a, la unidad 140 de conmutación de la cuarta realización comprende también un par de conmutadores 142 semiconductores antiparalelos, que se proporcionan junto con los dispositivos 146 de bloqueo inverso.
A continuación, con referencia a las Figs. 8 a 12, se describirá el control del dispositivo 100 SAI realizado por la unidad 132 de control.
La Fig. 8 muestra un primer modo de funcionamiento de derivación de servicio continuo. Por lo tanto, todas las unidades 140 de conmutación están activadas. Esto se refiere, por ejemplo, a un modo eco, en el que la carga 114 es alimentada totalmente desde la fuente 112 de CA a través de la derivación 118. Por lo tanto, las señales de puerta para todas las unidades 140 de conmutación del conmutador 130 de derivación están activadas.
La Fig. 9 muestra un segundo modo en el que una única fase arbitraria de la derivación 118 está conectada de manera continua a la carga 114. Las otras dos fases de la carga 114 son alimentadas por la parte 116 de convertidor, en particular por el convertidor 122 de CC/CA. El convertidor 122 de CC/CA regula la tensión de la carga si hay un desajuste entre la derivación 118 y la especificación de la carga. Por lo tanto, la señal de puerta para la unidad 140 de conmutación de la fase arbitraria está activada.
La Fig. 10 se refiere a un tercer modo de funcionamiento con un patrón de puerta para la modulación de la fuente de derivación. Por lo tanto, la unidad 132 de control controla la parte 116 de convertidor y el conmutador 130 de derivación para rotar la fase de la fuente 112 de CA, que alimenta directamente la carga 114 a través de la derivación 118, entre las fases de derivación con un ángulo de fase de módulo 6. Por lo tanto, la tensión positiva y negativa de cada fase contribuye a la tensión y/o a la corriente de carga, tal como puede observarse en la Fig. 10, en la que 'pos' y 'neg' indican tensiones de medio ciclo. Cabe señalar que, por razones de practicidad, una corriente trifásica equilibrada y resistiva seguirá las tensiones de fase, tal como se representa. Sin embargo, la temporización de la puerta de derivación puede modificarse/ajustarse de manera dinámica en base a la envolvente de la corriente de carga, por ejemplo, una corriente muy retrasada tiene menores pérdidas globales usando el tercer modo de funcionamiento.
La Fig. 11 se refiere a un cuarto modo de funcionamiento con un patrón de puerta para la modulación de la fuente de derivación. Por lo tanto, la unidad 132 de control controla la parte 116 de convertidor y el conmutador 130 de derivación para rotar la fase de la fuente 112 de CA, que alimenta directamente la carga 114 a través de la derivación 118, entre las fases de derivación con un ángulo de fase de módulo 6. Por lo tanto, la tensión positiva y negativa de cada fase contribuye a la tensión y/o a la corriente de carga, tal como puede observarse en la Fig. 10, en la que 'pos' y 'neg' indican tensiones de medio ciclo. El patrón de puerta del cuarto modo de funcionamiento se desplaza 30° en comparación con el tercer modo de funcionamiento. Bajo la condición de que el patrón de puerta inferior tenga una corriente de carga máxima en una fase de derivación, la parte 116 de convertidor soporta los hombros y también regula la tensión de carga si hay una diferencia entre la derivación y la tensión de carga nominal.
En un modo de funcionamiento modificado, que no se muestra en las figuras, la unidad 132 de control controla la parte 116 de convertidor y el conmutador 130 de derivación para rotar la fase de la fuente 112 de CA, que alimenta directamente la carga 114 a través de la derivación 118, entre las fases de derivación para ajustar un ángulo de fase de la rotación de fase de la derivación para soportar un cambio de fase de la corriente de carga frente a la tensión de derivación.
La Fig. 12 se refiere a un quinto modo de funcionamiento. El quinto modo de funcionamiento está basado en el cuarto modo de funcionamiento. Además, la unidad 132 de control controla la parte 116 de convertidor y el conmutador 130 de derivación para inyectar un tercer armónico 150 de tensión de derivación a la referencia de control de tensión de carga. Esto permite un menor nivel de enlace del enlace de CC, tal como puede observarse en la Fig. 12, para mantener la tensión de carga máxima en la especificación de tensión de carga. El tercer armónico 150 tiene una frecuencia tres veces mayor que la frecuencia de las fases de la fuente 112 de CA, de manera que puede modularse la envolvente de las tres fases de la fuente 112 de CA. El tercer armónico 150 está en fase con la envolvente 152.
En los modos de funcionamiento anteriores, la unidad 132 de control controla la parte 116 de convertidor y el conmutador 130 de derivación para controlar las tensiones entre fases del convertidor 122 de CC/CA para soportar una especificación de tensión de carga. Tal como puede observarse, por ejemplo, con respecto a la Fig. 3, la unidad de control controla el convertidor 122 de CC/CA para mantener niveles de tensión especificados en el caso de variaciones de tensión de la fase de la fuente 112 de CA conectada a través de la derivación 118 a la carga 114. Por lo tanto, en el caso de variaciones de tensión, la unidad 132 de control controla la parte 116 de convertidor, en particular el convertidor 122 de CC/CA mediante el ajuste de las dos fases que alimentan la carga a través de la parte 116 de convertidor para compensar la variación de tensión sin transferir la tercera fase también a la parte 116 de convertidor.
La Fig. 6 muestra un sistema 102 SAI según una sexta realización. El sistema 102 SAI comprende múltiples dispositivos 100 SAI de cualquiera de las realizaciones anteriores. Los dispositivos 100 SAI están conectados en paralelo entre la fuente 112 de CA y la carga 114. El sistema 102 SAI comprende un bus 160 de comunicaciones, que conecta las unidades 132 de control de los dispositivos SAI individuales a una unidad 132 de control global, que realiza un control común del sistema 102 SAI.
La Fig. 7 muestra un sistema 102 SAI según una séptima realización. El sistema 102 SAI comprende múltiples dispositivos 100 SAI de cualquiera de las realizaciones anteriores. De manera alternativa, los dispositivos SAI se proporcionan sin derivación 118. Los dispositivos 100 SAI están conectados en paralelo entre la fuente 112 de CA y la carga 114. El sistema 102 SAI comprende un bus 160 de comunicaciones, que conecta las unidades 132 de control de los dispositivos SAI individuales. a una unidad 132 de control global, que realiza un control común del sistema 102 SAI.
El sistema 102 SAI según una séptima realización comprende además una derivación 118 central con un conmutador 130 de derivación. Los detalles de la derivación 118 central y del conmutador 130 de derivación respectivo son tal como se han descrito anteriormente con respecto a la derivación 118 del dispositivo SAI.
La presente invención proporciona además un sistema de suministro de alimentación ininterrumpida (SAI) para la conexión de una fuente de CA multifásica de 3 hilos a una carga multifásica de 3 hilos, de manera que el sistema SAI esté provisto para un funcionamiento multifase, comprendiendo el sistema SAI múltiples partes de convertidor, que están conectadas en paralelo a al menos una fuente de alimentación y la carga, y una derivación de 3 hilos, que interconecta la fuente de CA a la carga, de manera que la derivación comprenda un conmutador de derivación, que comprende una unidad de conmutación controlada de manera independiente para cada fase de la fuente de CA, y el sistema SAI comprende una unidad de control, que controla las múltiples partes de convertidor y el conmutador de derivación, de manera que la unidad de control controle el conmutador de derivación para alimentar una de las tres fases de la carga directamente a través de la derivación por una fase de la fuente de CA, y la unidad de control controla las múltiples partes de convertidor para alimentar las dos fases restantes de la carga.
Aunque la invención se ha ilustrado y se ha descrito en detalle en los dibujos y en la descripción anterior, dicha ilustración y dicha descripción deben considerarse ilustrativas o ejemplares y no restrictivas; la invención no está limitada a las realizaciones divulgadas. Las personas expertas en la técnica pueden comprender y realizar otras variaciones distintas a las realizaciones divulgadas al llevar a la práctica la invención reivindicada, a partir de un estudio de los dibujos, de la descripción y de las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la expresión "que comprende" no excluye otros elementos o etapas, y el artículo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. El mero hecho de que ciertas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que no pueda usarse de manera ventajosa una combinación de estas medidas. Ningún signo de referencia en las reivindicaciones debería interpretarse como una limitación del alcance.
Lista de signos de referencia
10 Dispositivo SAI (estado de la técnica)
12 Fuente de CA (estado de la técnica)
14 carga (estado de la técnica)
16 parte de convertidor (estado de la técnica)
18 derivación (estado de la técnica)
20 convertidor de CA/CC (estado de la técnica)
22 convertidor de CC/CA (estado de la técnica)
24 enlace de CC (estado de la técnica)
26 convertidor de CC/CC (estado de la técnica)
28 fuente de CC (estado de la técnica)
30 conmutador de derivación (estado de la técnica)
32 unidad de control (estado de la técnica)
34 impedancia en serie, inductor (estado de la técnica)
36 cargador (estado de la técnica)
100 dispositivo SAI
102 sistema SAI
112 fuente de CA
114 carga
116 parte de convertidor
118 derivación
120 convertidor de CA/CC
122 convertidor de CC/CA
124 enlace DC
convertidor de CC/CC fuente de CC
conmutador de derivación unidad de control
unidad de conmutación conmutador semiconductor controlador de puerta dispositivo de bloqueo inverso tercer armónico envolvente
bus de comunicaciones

Claims (14)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida, SAI para la conexión de una fuente (112) de CA multifásica de 3 hilos a una carga (114) multifásica de 3 hilos, de manera que el dispositivo (100) SAI esté provisto para un funcionamiento multifásico, que comprende un parte (116) de convertidor, que está conectada a al menos una fuente (112, 128) de alimentación y la carga (114), y
una derivación (118) de 3 hilos, que interconecta la fuente (112) de CA a la carga (114), de manera que la derivación (118) comprende un conmutador (130) de derivación, que comprende una unidad (140) de conmutación controlada de manera independiente para cada fase de la fuente (112) de CA, y
el dispositivo (100) SAI comprende una unidad (132) de control, que está configurada para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación, de manera que la unidad (132) de control esté configurada para controlar el conmutador (130) de derivación para que una de las tres fases de la carga (114) sea alimentada directamente a través de la derivación (118) por una fase de la fuente (112) de CA, y la unidad (132) de control está configurada para controlar la parte (116) de convertidor para alimentar las dos fases restantes de la carga (114), de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación para rotar una fase de la fuente (112) de CA, que alimenta directamente la carga (114) a través de la derivación (118), entre las fases de derivación.
2. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según la reivindicación 1,
de manera que cada unidad (140) de conmutación comprende conmutadores (142) semiconductores, no conmutados por corriente.
3. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según las reivindicaciones 1 o 2 anteriores, de manera que cada unidad (140) de conmutación comprende dos conmutadores semiconductores de conducción unidireccional y de bloqueo inverso controlados de manera independiente, que forman un par de conmutadores (142) semiconductores antiparalelos.
4. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según la reivindicación 3 anterior,
de manera que los conmutadores (142) semiconductores estén provistos de una capacidad de bloqueo inverso que tiene una capacidad de bloqueo de tensión bidireccional inherente o junto con un dispositivo (146) de bloqueo inverso.
5. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según la reivindicación 1,
de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (118) de derivación para rotar la fase de la fuente (112) de CA, que alimenta la carga (114) directamente a través de la derivación (118) dos veces para una fase de 60°.
6. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según cualquiera de las reivindicaciones 1 o 5 anteriores,
de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación para rotar la fase de la fuente (112) de CA, que alimenta directamente la carga (114) a través de la derivación (118), entre las fases de derivación para ajustar un ángulo de fase de la rotación de fase de derivación para soportar un cambio de fase de la corriente de carga frente a la tensión de derivación para implementar una rotación de fase libre con respecto a la frecuencia y la fase.
7. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación para inyectar un tercer armónico (150) de tensión de derivación a la referencia de control de tensión de carga para permitir un menor nivel de enlace para mantener la tensión de carga máxima en la especificación de la tensión de carga.
8. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, de manera que la parte (116) de convertidor esté provista como una parte (116) de convertidor de doble conversión con un convertidor (120) de CA/CC, que puede conectarse a la fuente (112) de CA, un convertidor (122) de CC/CA, que puede conectarse a la carga (114), un enlace (124) de CC, que interconecta la parte de CC del convertidor (120) de CA/CC y del convertidor (122) de CC/CA, y un convertidor (126) de CC/CC, que puede conectarse a una fuente (128) de CC.
9. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según la reivindicación 8 anterior,
de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación para controlar las tensiones entre fases del convertidor (122) de CC/CA para soportar una especificación de tensión de la carga.
10. Dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida según cualquiera de las reivindicaciones 8 o 9 anteriores,
de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación para transferir energía bidireccionalmente entre el enlace (124) de CC y la fuente (112) de CA a través de la derivación (118).
11. Sistema (102) de suministro de alimentación ininterrumpida que comprende múltiples dispositivos (100) SAI según las reivindicaciones 1 a 10 anteriores,
en el que los dispositivos (100) SAI están conectados en paralelo a la carga (114).
12. Sistema (102) de suministro de alimentación ininterrumpida según la reivindicación 11 anterior,
de manera que el sistema (102) SAI tiene múltiples buses (160) de comunicaciones en paralelo entre los dispositivos (100) SAI y/o entre los conmutadores (130) de derivación de los dispositivos (100) SAI.
13. Sistema (102) de suministro de alimentación ininterrumpida que comprende un dispositivo (100) SAI según la reivindicación 1, que comprende además al menos una parte (116) de convertidor adicional, que está conectada en paralelo a al menos una fuente (112, 128) de alimentación y la carga (114), de manera que la unidad (132) de control esté configurada para controlar las múltiples partes (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación.
14. Método para controlar un dispositivo (100) de suministro de alimentación ininterrumpida, que conecta una fuente (112) de CA multifásica de 3 hilos a una carga (114) multifásica de 3 hilos, de manera que el dispositivo (100) SAI esté provisto para un funcionamiento multifásico, que comprende
una parte (116) de convertidor, que está conectada a al menos una fuente (112) de alimentación y la carga (114), y una derivación (118) de 3 hilos, que interconecta la fuente (112) de CA a la carga (114), de manera que la derivación (118) comprende un conmutador (130) de derivación, que comprende una unidad (140) de conmutación controlada de manera independiente para cada fase de la fuente (112) de CA, y
el método comprende controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación, de manera que el conmutador (130) de derivación es controlado para alimentar una de las tres fases de la carga (114) directamente a través de la derivación (118) por una fase de la fuente (112) de CA, y la parte (116) de convertidor es controlada para alimentar las dos fases restantes de la carga (114),
de manera que la unidad (132) de control esté provista para controlar la parte (116) de convertidor y el conmutador (130) de derivación para rotar una fase de la fuente (112) de CA, que alimenta directamente la carga (114) a través de la derivación (118), entre las fases de derivación.
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