ES2886221T3 - Dispositivo de conversión de energía - Google Patents

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Abstract

Un convertidor de energía, que comprende: un circuito convertidor (11) que convierte una corriente alterna en una corriente continua; un reactor (L) conectado eléctricamente a uno de los terminales de salida del circuito convertidor (11); un condensador (12) conectado eléctricamente al otro terminal de salida del circuito convertidor (11) y al reactor (L); y un circuito inversor (13) conectado eléctricamente al condensador (12) y que convierte la corriente continua en una corriente alterna, en el que el condensador (12) es un condensador de película, y el condensador (12) y el reactor (L) están montados en la misma placa de circuito (20); caracterizado por que el condensador (12) y el reactor (L) son adyacentes entre sí, el circuito convertidor (11), el condensador (12), el reactor (L) y el circuito inversor (13) están montados en la placa de circuito (20) en una red de dos etapas, el circuito convertidor (11) y el reactor (L) están montados en una etapa idéntica de la red, el circuito inversor (13) y el condensador (12) están montados en una etapa diferente a una etapa en la que el circuito convertidor (11) está montado en la red, y el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) son adyacentes entre sí, y el reactor (L) y el condensador (12) son adyacentes entre sí, en la red.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo de conversión de energía
Campo técnico
La presente invención se refiere a un convertidor de energía.
Antecedentes de la técnica
Un aparato tal como un acondicionador de aire tiene un convertidor de energía para accionar un motor. En muchos casos, un convertidor de energía incluye, por ejemplo, un circuito convertidor y un circuito inversor (véase, por ejemplo, el Documento de Patente 1). Un convertidor de energía de este tipo suele estar provisto de un reactor a la salida del circuito convertidor para reducir, por ejemplo, una corriente armónica.
Además (véase, por ejemplo, el Documento de Patente 2), se conoce un inversor que emplea un elemento de carburo de silicona, un rectificador para rectificar una tensión de CA y un espacio entre el rectificador y el inversor.
Además (véase, por ejemplo, el Documento de Patente 3), se conoce un dispositivo de refrigeración que incluye un grupo de piezas eléctricas de alta tensión que tiene reactores y elementos refrigerados, un grupo de piezas eléctricas de baja tensión, una placa de cableado impresa con el grupo de piezas eléctricas montado, y una camisa de refrigerante que utiliza refrigerante que fluye a través del circuito de refrigerante para enfriar los elementos enfriados. Además (véase, por ejemplo, el Documento de Patente 4), se conoce una cámara de intercambio de calor provista de un ventilador y un intercambiador de calor exterior, una sala de máquinas provista de un compresor, un intercambiador de calor proporcionado en posición vertical con respecto a una placa inferior que constituye un porción inferior de la cámara de intercambio de calor y la sala de máquinas. Una placa de partición divide la cámara y la sala de máquinas.
Lista de citas
Documento de patente
Documento de Patente 1: Publicación de patente japonesa no examinada n.° 2013-224785
Documento de Patente 2: JP 2016 111746 A
Documento de patente 3: US 2016/330876 A1
Documento de patente 4: WO 2014/034564 A1
Sumario de la invención
Problema técnico
En el ejemplo del documento de patente mencionado anteriormente, el reactor no se proporciona en una placa de circuito impreso. Por lo tanto, el reactor debe estar conectado a la placa de circuito impreso mediante cableado, lo que puede requerir algunas contramedidas contra el ruido. Específicamente, es posible que a veces sea necesario instalar un núcleo de ferrita y/o un circuito amortiguador. Esto significa que el aparato de la técnica anterior puede aumentar de coste y de tamaño. Por otro lado, el reactor es un componente relativamente grande y no se puede montar fácilmente en una placa de circuito impreso.
En vista de las desventajas anteriores, la presente invención se ha logrado para disponer un convertidor de energía que incluye un circuito convertidor y un circuito inversor en un área de disposición más pequeña.
Solución al problema
Para resolver los problemas anteriores, un primer aspecto de la presente invención se dirige a un convertidor de energía de acuerdo con la reivindicación 1.
Esta configuración puede simplificar el cableado que conecta el circuito convertidor (11), el condensador (12), el circuito inversor (13) y el reactor (L).
Un segundo aspecto es una realización del primer aspecto. En el segundo aspecto, el condensador (12) y el reactor (L) forman un circuito resonante, cuya frecuencia resonante se establece de manera que un componente de corriente de ondulación incluida en la corriente continua que sale del circuito convertidor (11) pasa a través del circuito resonante, y se atenúa un componente de corriente que tiene la misma frecuencia que una frecuencia portadora del circuito inversor (13).
En un convertidor de energía que utiliza un condensador que tiene una capacidad relativamente pequeña como condensador (12), esta configuración ya no requiere contramedidas contra el ruido (la adición de un circuito amortiguador o un núcleo de ferrita), que se han requerido en la técnica anterior para conectar el reactor fuera de la placa de circuito y la placa de circuito entre sí a través de cableado.
Un tercer aspecto es una realización de cualquiera del primero al segundo aspecto. En el tercer aspecto, el convertidor de energía incluye además un radiador (50) que enfría el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) utilizando un refrigerante que fluye a través de un circuito de refrigerante (120) realizando un ciclo de refrigeración.
Esta configuración permite que el refrigerante en el circuito de refrigerante (120) enfríe el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13).
Un cuarto aspecto es una realización del primer aspecto. En el cuarto aspecto, el convertidor de energía incluye, además: un radiador (50) que enfría el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) usando un refrigerante que fluye a través de un circuito de refrigerante (120) que realiza un ciclo de refrigeración; y un elemento de filtro de ruido (60) dispuesto para preceder al circuito convertidor (11), en el que el radiador (50) está dispuesto entre el elemento de filtro de ruido (60) y el reactor (L).
Esta configuración permite que el elemento de filtro de ruido (60) se disponga en la misma etapa de la red en la que están montados el circuito convertidor (11) y el reactor (L).
Ventajas de la invención
Según el primer aspecto, el convertidor de energía se puede disponer en un área de disposición más pequeña. Además, el circuito convertidor, el condensador, el circuito inversor y el reactor dispuestos según el primer aspecto pueden contribuir a la reducción del área de disposición del convertidor de energía.
Además, el segundo y tercer aspectos pueden proporcionar un convertidor de energía que tenga un condensador de una capacidad relativamente pequeña con las ventajas descritas anteriormente.
Además, el tercer aspecto puede proporcionar un convertidor de energía que usa un refrigerante para enfriar un circuito convertidor y un circuito inversor con las ventajas descritas anteriormente.
Según el cuarto aspecto, se puede simplificar el patrón de trazas desde el elemento de filtro de ruido hasta el reactor.
Breve descripción de los dibujos
[FIG. 1] La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra una configuración de ejemplo para un convertidor de energía de acuerdo con una realización de la presente invención.
[FIG. 2] La Figura 2 ilustra esquemáticamente cómo se montan los componentes del convertidor de energía de acuerdo con una realización de la presente invención.
[FIG. 3] La Figura 3 ilustra una disposición de ejemplo para un radiador.
[FIG. 4] La Figura 4 ilustra una configuración de ejemplo para un circuito de refrigerante.
Descripción de realizaciones
Se describirán realizaciones de la presente invención a continuación en detalle con referencia a los dibujos.
«Realización de la invención»
La Figura 1 es un diagrama de bloques que ilustra una configuración de ejemplo para un convertidor de energía (10) de acuerdo con una realización de la presente invención. El convertidor de energía (10) incluye un circuito convertidor (11), un condensador (12), un reactor (L) y una unidad de control (14). Una fuente de alimentación de corriente alterna (CA) trifásica (30) (por ejemplo, una fuente de alimentación de CA trifásica comercial) está conectada al convertidor de energía (10). El convertidor de energía (10) convierte una corriente emitida desde la fuente de alimentación de CA (30) en una corriente alterna trifásica y la suministra a un motor (40) que es una carga. En este ejemplo, el motor (40) está incorporado en un compresor (121) proporcionado para un circuito de refrigerante (120) de un acondicionador de aire (100), que se describirá más adelante. El motor (40) acciona un mecanismo de compresión proporcionado para el compresor (121). En este ejemplo, un motor de imán permanente interior (abreviado como IPM) se emplea como el motor (40).
El circuito convertidor (11) incluye seis diodos (D1 a D6) conectados en puente entre sí, y realiza una rectificación de onda completa de la corriente alterna introducida desde la fuente de alimentación de CA (30). En este ejemplo, el circuito convertidor (11) está conectado a la fuente de alimentación de CA (30) a través de una bobina de modo común (60). Es decir, la bobina de modo común (60) se proporciona para preceder al circuito convertidor (11). La bobina de modo común (60) se proporciona para reducir el ruido de modo común y es un ejemplo de un elemento de filtro de ruido de la presente invención. La bobina de modo común (60) de tres fases se enrolla alrededor de un núcleo de ferrita. Es decir, la bobina de modo común (60) se muestra como tres bobinas en el diagrama del circuito, pero está montada como un solo componente en una placa de circuito (20) que se describirá más adelante.
El condensador (12) está conectado entre los nodos de salida positivo y negativo del circuito convertidor (11), y se aplica una tensión de corriente continua (CC) generada en ambos extremos del condensador (12) al nodo de entrada del circuito inversor (13). Como se muestra en la Figura 1, el reactor (L) está dispuesto entre el nodo de salida positivo del circuito convertidor (11) y el condensador (12).
El condensador (12) de esta realización es un condensador de película. El condensador (12) tiene una capacitancia electrostática capaz de suavizar solamente una tensión de ondulación (variación de tensión) generada cuando un elemento de conmutación (que se describirá más adelante) del circuito inversor (13) realiza una operación de conmutación. Es decir, el condensador (12) es de pequeña capacidad y no tiene capacitancia electrostática que suavice la tensión rectificada por el circuito convertidor (11) (una tensión que varíe de acuerdo con la tensión de la fuente de alimentación). Más específicamente, el condensador (12) y el reactor (L) forman un circuito resonante, y se establece su frecuencia de resonancia, o se establece la capacitancia electrostática del condensador (12) y la inductancia del reactor (L), de manera que un componente de corriente de ondulación incluido en la corriente continua emitida desde el circuito convertidor (11) pasa a través del circuito resonante, y un componente de corriente que tiene la misma frecuencia que una señal portadora (frecuencia portadora) del circuito inversor (13), que será descrito más adelante, se atenúa.
El circuito inversor (13) cambia el estado de conmutación (estados de encendido y apagado) de una pluralidad de elementos de conmutación (13a) para convertir la corriente continua emitida desde el circuito convertidor (11) en una corriente alterna, y suministrar la corriente alterna al motor (40). Específicamente, como se muestra en la Figura 1, el circuito inversor (13) incluye seis elementos de conmutación (13a) conectados en puente entre sí, y unos diodos de rueda libre (13b) están conectados a los respectivos elementos de conmutación (13a). Los estados de encendido y apagado de los elementos de conmutación (13a) del circuito inversor (13) se controlan en sincronización con una señal portadora de una frecuencia predeterminada. Específicamente, la unidad de control (14) realiza el control del encendido y del apagado de los elementos de conmutación (13a).
La unidad de control (14) incluye un microordenador y un dispositivo de memoria (que puede estar incorporado en el microordenador) que almacena un programa para operar el microordenador. Para hacer funcionar el motor (40) en un estado deseado, la unidad de control (14) genera un comando a los elementos de conmutación (13a) (en adelante, un comando de conmutación (G)) y envía el comando a los elementos de conmutación (13a). El comando de conmutación (G) es una señal para conmutar cada elemento de conmutación (13a) entre los estados de encendido y de apagado, y se genera de acuerdo, por ejemplo, con una desviación entre una velocidad de rotación objetivo del motor (40) y una velocidad de rotación actual del motor (40).
<Montaje de los componentes en el convertidor de energía>
La Figura 2 ilustra esquemáticamente cómo se montan los componentes del convertidor de energía (10) de acuerdo con la realización. El convertidor de energía (10) utiliza un sustrato de cuatro capas como sustrato de circuito (20), sobre el que se montan los componentes principales.
En esta realización, los diodos (D1 a D6) que forman el circuito convertidor (11) están encapsulados en un solo paquete. El paquete está provisto de tres terminales (T1 a T3) que reciben la entrada desde la fuente de alimentación de CA trifásica (30) y dos terminales (T1 y T5) que emiten la corriente continua.
Los seis elementos de conmutación (13a) y los seis diodos de rueda libre (13b) del circuito inversor (13) también están encapsulados en un solo paquete. En este ejemplo, los componentes del circuito inversor (13), tal como los elementos de conmutación (13a), y el circuito convertidor (11) están encapsulados en diferentes paquetes. El paquete que encapsula el circuito inversor (13) tiene una pluralidad de terminales para el cableado, incluyendo los terminales (T6, T7) para recibir una corriente continua.
Además, el reactor (L) de esta realización incluye un cable eléctrico cubierto enrollado alrededor de un núcleo toroidal. Por lo tanto, el reactor (L) de acuerdo con esta realización puede hacerse más pequeño que un reactor formado usando un llamado núcleo EI. Debe tenerse en cuenta que el reactor (L) puede hacerse relativamente pequeño porque se utiliza un condensador con una capacidad relativamente pequeña como condensador (12). La reducción del tamaño del reactor (L) permite que el reactor (L) se monte fácilmente en la placa de circuito (20). En esta realización, como se muestra en la Figura 2, el condensador (12) y el reactor (L) están montados en la misma placa de circuito (20).
Específicamente, el circuito convertidor (11) (paquete), el condensador (12), el reactor (L) y el circuito inversor (13) (paquete) están montados en la placa de circuito (20) en una red de dos etapas. La Figura 2 muestra líneas virtuales que indican las etapas de una red virtual para facilitar la explicación. El circuito convertidor (11) y el reactor (L) están montados en la misma etapa de la red (ver la etapa superior de la red virtual mostrada en la Figura 2).
El circuito inversor (13) y el condensador (12) están montados en una etapa diferente a la etapa en la que está montado el circuito convertidor (11) (ver la etapa inferior de la red virtual mostrada en la Figura 2). En la red, el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) son adyacentes entre sí, y el reactor (L) y el condensador (12) son adyacentes entre sí. Además, la bobina de modo común (60) y el circuito convertidor (11) están dispuestos en la misma etapa de la red. Esto puede simplificar el patrón de trazas desde la bobina de modo común (60) al reactor (L) de la placa de circuito (20).
Con respecto al cableado, las líneas de la fuente de alimentación para las tres fases de la fuente de alimentación de CA (30) se extienden desde el lado izquierdo en la Figura 2, y cada una de las líneas de la fuente de alimentación está conectada a un extremo de una correspondiente de las tres bobinas de modo común (60). El otro extremo de cada bobina de modo común (60) está conectado a uno de los terminales correspondientes (T1 a T3) del circuito convertidor (11) a través de las trazas formadas en la placa de circuito (20). Un terminal positivo (en este caso, el terminal (T4)) del circuito convertidor (11) utilizado para la salida de una corriente CC está conectado a un terminal (T8) del reactor (L) a través de la traza formada en la placa de circuito (20) . Además, un terminal negativo (el terminal (T5)) del circuito convertidor (11) utilizado para la salida de una corriente Cc está conectado a un terminal (T10) del condensador (12) a través de la traza formada en la placa de circuito (20) . El otro terminal (T11) del condensador (12) está conectado al otro terminal (T9) del reactor (L) a través de la traza formada en la placa de circuito (20).
El paquete que incluye el circuito inversor (13) tiene terminales (no mostrados) para emitir la corriente alterna trifásica (U, V, W). Estos terminales están conectados a los terminales (Tu, Tv, Tw) proporcionados en la placa de circuito (20) a través de las trazas formadas en la placa de circuito (20). La energía eléctrica se suministra al motor (40) a través de los terminales (Tu, Tv, Tw) y el motor (40) conectados entre sí a través del cable.
El circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) del convertidor de energía (10) generan calor durante el funcionamiento y son refrigerados por el radiador (50). La Figura 3 ilustra una disposición de ejemplo para el radiador (50) . El radiador (50) incluye un elemento de cuerpo (51) que hace contacto con un objeto refrigerante (es decir, el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13)) y recibe calor desde el objeto refrigerante. El elemento de cuerpo (51) está hecho de metal tal como aluminio. Un tubo de refrigerante (52) a través del cual fluye el refrigerante está fijado al elemento de cuerpo (51). El tubo de refrigerante (52) forma parte integral de un tubo que forma el circuito de refrigerante (120) incluido en el acondicionador de aire (100).
Aquí, se describirá brevemente el circuito de refrigerante (120). La Figura 4 ilustra una configuración de ejemplo para el circuito de refrigerante (120). El circuito de refrigerante (120) es un circuito cerrado lleno de refrigerante, y el refrigerante circula en el circuito de refrigerante (120) para realizar un ciclo de refrigeración. El circuito de refrigerante (120) está provisto de un compresor (121), una válvula de conmutación de cuatro vías (122), un intercambiador de calor exterior (123), una válvula de expansión (124) y un intercambiador de calor interior (125). Nótese que el control del funcionamiento del circuito de refrigerante (120) requiere un dispositivo de control, pero no se muestra en la Figura 4.
Cualquiera de varios compresores se puede utilizar como el compresor (121). Ejemplos del compresor (121) incluyen un compresor de espiral y un compresor rotativo. El intercambiador de calor exterior (123) y el intercambiador de calor interior (125) son los denominados intercambiadores de calor de "tipo fm cruzado". El intercambiador de calor exterior (123) intercambia calor entre el aire exterior y el refrigerante. El intercambiador de calor interior (125) intercambia calor entre el aire interior y el refrigerante. La válvula de expansión (124) es una denominada "válvula de expansión electrónica".
La válvula de conmutación de cuatro vías (122) tiene un primer a cuarto puertos. La válvula de conmutación de cuatro vías (122) se puede conmutar entre un primer estado en el que el primer puerto se comunica con el tercer puerto y el segundo puerto se comunica con el cuarto puerto (indicado por curvas continuas en la Figura 4), y un segundo estado en el que el primer puerto se comunica con el cuarto puerto, y el segundo puerto se comunica con el tercer puerto (indicado por curvas discontinuas en la Figura 4).
En el circuito de refrigerante (120), el compresor (121) tiene puertos de descarga y de succión conectados respectivamente al primer y segundo puertos de la válvula de conmutación de cuatro vías (122). En este circuito de refrigerante (120), el intercambiador de calor exterior (123), la válvula de expansión (124) y el intercambiador de calor interior (125) están dispuestos en este orden desde el tercer puerto al cuarto puerto de la válvula de conmutación de cuatro vías (122). El acondicionador de aire (100) conmuta la válvula de conmutación de cuatro vías (122) para cambiar entre una operación de enfriamiento y una operación de calentamiento. En el circuito de refrigerante (120), el tubo de refrigerante (52) (véase la Figura 4) que conecta el intercambiador de calor exterior (123) y la válvula de expansión (124) se fija al elemento de cuerpo (51) del radiador de calor (50). Es decir, el elemento de cuerpo (51) disipa calor al refrigerante que fluye entre el intercambiador de calor exterior (123) y la válvula de expansión (124).
Cuando los componentes del convertidor de energía (10) tales como el circuito convertidor (11) están dispuestos en la placa de circuito (20) como se describió anteriormente, el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) están sustancialmente alineados en la misma línea (véase la Figura 2). Por lo tanto, en este ejemplo, como se muestra en la Figura 3, el elemento de cuerpo (51) del radiador (50) tiene una forma rectangular cuando se ve en planta. El elemento de cuerpo (51) está dispuesto para extenderse a través de los objetos refrigerantes, a saber, el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13). Por lo tanto, el radiador (50) está dispuesto entre la bobina de modo común (60) y el reactor (L).
<Ventajas de la realización>
Como se describió anteriormente, en esta realización, el condensador (12), que generalmente ha sido implementado por un condensador electrolítico, está compuesto por un condensador de película, y el condensador (12) y el reactor (L) están montados en el mismo sustrato del circuito (20). Por lo tanto, las contramedidas contra el ruido (la adición de un circuito amortiguador o un núcleo de ferrita), que se requerían en la técnica anterior para conectar el reactor fuera de la placa de circuito y la placa de circuito entre sí mediante cableado, ya no son necesarias. Es decir, esta realización puede disponer el convertidor de energía (10) en un área de disposición más pequeña.
El condensador (12), el reactor (L) y el circuito inversor (13) están montados en la placa de circuito (20) en una red de dos etapas. Esta disposición también contribuye a la reducción del área de disposición del convertidor de energía (10). Además, el sustrato de cuatro capas utilizado como placa de circuito (20) permite reducir aún más el tamaño de la placa de circuito (20).
<<Otras realizaciones»
El circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) pueden encapsularse en el mismo paquete. Por lo tanto, se puede esperar que el convertidor de energía (10) (placa de circuito (20)) se reduzca aún más.
La posición fija del radiador (50) en el circuito de refrigerante (120) se ilustra a modo de ejemplo. En otras palabras, el tubo de refrigerante (52) que se fijará al elemento de cuerpo (51) del radiador (50) no se limita al tubo de refrigerante que conecta el intercambiador de calor exterior (123) y la válvula de expansión (124) entre sí.
La configuración del radiador (50) es un ejemplo. Por ejemplo, un disipador de calor para enfriar con el aire puede usarse como radiador (50).
Aplicabilidad industrial
La presente invención es útil como un convertidor de energía.
Descripción de los caracteres de referencia
10 Convertidor de energía
11 Circuito de convertidor
12 Condensador
13 Circuito inversor
20 Placa de circuito
50 Radiador
60 Bobina de modo común (elemento de filtro de ruido)
120 Circuito de refrigerante

Claims (4)

REIVINDICACIONES
1. Un convertidor de energía, que comprende:
un circuito convertidor (11) que convierte una corriente alterna en una corriente continua;
un reactor (L) conectado eléctricamente a uno de los terminales de salida del circuito convertidor (11);
un condensador (12) conectado eléctricamente al otro terminal de salida del circuito convertidor (11) y al reactor (L); y un circuito inversor (13) conectado eléctricamente al condensador (12) y que convierte la corriente continua en una corriente alterna, en el que
el condensador (12) es un condensador de película, y
el condensador (12) y el reactor (L) están montados en la misma placa de circuito (20); caracterizado por que el condensador (12) y el reactor (L) son adyacentes entre sí,
el circuito convertidor (11), el condensador (12), el reactor (L) y el circuito inversor (13) están montados en la placa de circuito (20) en una red de dos etapas,
el circuito convertidor (11) y el reactor (L) están montados en una etapa idéntica de la red,
el circuito inversor (13) y el condensador (12) están montados en una etapa diferente a una etapa en la que el circuito convertidor (11) está montado en la red, y
el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) son adyacentes entre sí, y el reactor (L) y el condensador (12) son adyacentes entre sí, en la red.
2. El convertidor de energía de la reivindicación 1, en el que
el condensador (12) y el reactor (L) forman un circuito resonante, cuya frecuencia resonante se establece de manera que un componente de corriente de ondulación incluida en la corriente continua que sale del circuito convertidor (11) pasa a través del circuito resonante, y se atenúa un componente de corriente que tiene la misma frecuencia que una frecuencia portadora del circuito inversor (13).
3. El convertidor de energía de una cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2, que comprende, además
un radiador (50) que enfría el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) utilizando un refrigerante que fluye a través de un circuito de refrigerante (120) realizando un ciclo de refrigeración.
4. El convertidor de energía de la reivindicación 1, que comprende, además:
un radiador (50) que enfría el circuito convertidor (11) y el circuito inversor (13) utilizando un refrigerante que fluye a través de un circuito de refrigerante (120) realizando un ciclo de refrigeración; y
un elemento de filtro de ruido (60) dispuesto para preceder al circuito convertidor (11), en el que
el radiador (50) está dispuesto entre el elemento de filtro de ruido (60) y el reactor (L).
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