ES2893269T3 - Conversión de potencia de corriente alterna a corriente continua - Google Patents

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Robert Louis Steigerwald
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Abstract

Un sistema de conversión de potencia de corriente alterna a corriente continua, CA a CC, (10) que comprende; un rectificador (12) configurado para convertir una tensión de CA de entrada en una tensión de CC inicial; un inversor (18) configurado para convertir la tensión de CC inicial en una tensión de CA convertida; una pluralidad de transformadores (22), comprendiendo cada transformador un devanado principal emparejado con un devanado secundario, en el que cada uno de los devanados principales está acoplado en serie con los otros devanados principales, en el que los devanados principales acoplados en serie están acoplados al inversor para recibir la tensión de CA convertida; una pluralidad de puentes (26), estando cada puente acoplado a un devanado secundario respectivo para recibir una tensión de CA transformada desde el mismo, estando cada puente acoplado en paralelo a los otros puentes en los terminales de salida de CC para proporcionar una tensión de salida de CC combinada; en el que el sistema de conversión de potencia de CA a CC (10) incluye un circuito resonante (21) acoplado entre el inversor (18) y los transformadores (22); caracterizado por: un controlador de puente (30) configurado para controlar unas operaciones de al menos algunos de la pluralidad de puentes para regular la tensión de CC de salida y conformar la corriente de CA suministrada al rectificador (12) como una forma de onda sinusoidal de factor de potencia unidad.

Description

DESCRIPCIÓN
Conversión de potencia de corriente alterna a corriente continua
[0001] Diversos modos de realización de la presente invención se refieren en general a la conversión de potencia de corriente alterna a corriente continua (CA a CC).
[0002] En cambio, se conocen convertidores de CC a CC, por ejemplo, del documento JP 2001 268906.
[0003] Los convertidores de CA a CC convierten potencia de CA de entrada en potencia de CC de salida. En un enfoque convencional para conversión de potencia de CA a CC, un convertidor de CA a CC incluye un rectificador de diodo con una fase de elevación modulada en anchura de impulsos para convertir la tensión de CA de entrada en una tensión de CC fija (“stiff”) intermedia y para conformar la corriente de CA de entrada para que tenga un factor de potencia unidad. La tensión de CC fija intermedia se procesa aún más mediante un convertidor de CC-CC aislado por transformador con una ganancia adecuada para proporcionar una tensión de salida CC a la carga. Este enfoque convencional a menudo requiere filtros grandes y tiene poca eficacia debido a las múltiples fases de conversión de potencia y la conmutación forzada de los conmutadores semiconductores.
[0004] Por consiguiente, existe la necesidad de un sistema mejorado para abordar los problemas mencionados anteriormente.
[0005] En consecuencia, se proporciona la presente invención, definida por las reivindicaciones adjuntas.
[0006] Diversas características, aspectos y ventajas de la presente invención se comprenderán mejor cuando se lea la siguiente descripción detallada con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en los que:
La FIG. 1 es una representación en diagrama de bloques de un convertidor de potencia de corriente alterna a corriente continua (CA-CC) de acuerdo con un modo de realización de la invención.
La FIG. 2 es una representación esquemática detallada de un convertidor de potencia de CA-CC que representa un acoplamiento entre los diversos componentes del convertidor de CA-CC de acuerdo con un modo de realización de la invención.
La FIG. 3 es una representación gráfica del procedimiento para controlar la pluralidad de puentes de acuerdo con un modo de realización de la invención.
La FIG. 4 es un diagrama de flujo que representa las etapas implicadas en un procedimiento para conversión de potencia de acuerdo con un modo de realización de la invención.
[0007] Los modos de realización de la presente invención incluyen un convertidor de potencia de corriente alterna a corriente continua (CA-CC). El convertidor de CA-CC incluye un rectificador que convierte una tensión de CA de entrada en una tensión de CC inicial. La tensión de CC inicial se transfiere a un inversor que convierte la tensión de CC inicial en una tensión de CA. La tensión de CA convertida se divide en múltiples partes que se transmiten a una pluralidad de transformadores respectivos. Cada uno de la pluralidad de transformadores incluye un devanado principal emparejado con un devanado secundario. Los devanados principales de cada uno de los transformadores están conectados en serie y reciben las partes respectivas de la tensión de CA convertida. Las partes respectivas de la tensión de CA se transfieren a los devanados secundarios respectivos dando como resultado una parte respectiva de una tensión de CA transformada con un nivel de tensión alterado. Las partes respectivas de la tensión de CA transformada se transfieren a una pluralidad de puentes que están acoplados a los devanados secundarios. Cada uno de la pluralidad de puentes recibe la parte respectiva de la tensión de CA transformada y convierte la parte respectiva para proporcionar una parte respectiva de una tensión de CC de salida. La pluralidad de puentes se acoplan en paralelo para combinar las partes respectivas de la tensión de CC de salida para proporcionar la tensión de CC de salida. Como se usa en el presente documento, los términos "un" y "uno" no denotan una limitación de cantidad, sino más bien denotan la presencia de al menos uno de los elementos mencionados, y el término "acoplado" o "acoplamiento" incluye cualquier tipo adecuado de acoplamiento y también incluye acoplamiento directo y acoplamiento indirecto.
[0008] La FIG. 1 es una representación en diagrama de bloques de un convertidor de potencia de CA-CC 10 de acuerdo con un modo de realización de la invención. Aunque se usan líneas simples con propósitos de ejemplo, cada una de las líneas de acoplamiento de la FIG. 1 típicamente representa múltiples líneas/cables. El convertidor de potencia de CA-CC 10 incluye un rectificador 12 que recibe una tensión de CA de entrada 14 desde una fuente de potencia (no mostrada). En un modo de realización, la tensión de CA de entrada 14 puede incluir una tensión de CA de entrada de frecuencia variable. El rectificador 12 convierte la tensión de CA de entrada 14 en una tensión de CC pulsante inicial 16. En un modo de realización de ejemplo, el rectificador 12 puede incluir un puente de diodos. La tensión de CC pulsante inicial 16 se transfiere a un inversor 18 que convierte la tensión de CC pulsante inicial 16 en una tensión de CA de alta frecuencia convertida 20. La tensión de CA de alta frecuencia 20 se transfiere a una pluralidad de transformadores 22. Uno, más de uno o todos los transformadores operan para alterar un nivel de tensión de una parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20. En un modo de realización, al menos uno de los transformadores opera para disminuir el nivel de tensión de la parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20. La tensión de CA de alta frecuencia transformada 24 se transmite a una pluralidad de puentes 26 que convierten la tensión de CA de alta frecuencia transformada 24 en una tensión de CC de salida 28. La pluralidad de puentes 26 está controlada por un controlador de puente 30 que controla las operaciones de la pluralidad de puentes 26 y proporciona señales de control 32 para conmutar la pluralidad de puentes 26 entre estados conductores y no conductores. El controlador 30 usa una regulación de retroalimentación para operar los puentes 26 para asegurar que la tensión de CC de salida 28 se mantiene en un nivel regulado y que la corriente de entrada de CA extraída por el rectificador 12 tenga la forma deseable de una forma de onda sinusoidal de factor de potencia unidad. Aunque se muestra un controlador 30 con propósitos de ejemplo, las funciones de control pueden estar presentes en una unidad física o en múltiples unidades físicas. En un modo de realización particular, el convertidor de potencia de CA-CC 10 convierte una tensión de CA de entrada de frecuencia variable en una tensión de CC de salida. Si se desea, el convertidor de potencia de CA-CC 10 se puede usar de forma alternativa para convertir una tensión de CA de entrada de frecuencia constante.
[0009] La FIG. 2 es una representación esquemática detallada del convertidor de CA-CC 10 que representa un acoplamiento entre los diversos componentes del convertidor de CA-CC 10 de acuerdo con un modo de realización de la invención. El rectificador 12 del convertidor de CA-CC 10 está acoplado a una fuente de alimentación 13 que proporciona la tensión de CA de entrada 14 al rectificador 12. El rectificador 12 convierte la tensión de CA de entrada 14 en la tensión de CC pulsante inicial 16 y transfiere la tensión de CC pulsante inicial 16 al inversor 18, que está acoplado al rectificador 12 por medio de un enlace de CC 15. El inversor 18 convierte la tensión de CC pulsante inicial 16 en la tensión de CA convertida de alta frecuencia 20. En un modo de realización, el inversor 18 incluye múltiples dispositivos semiconductores. En un modo de realización más específico, los dispositivos semiconductores incluyen conmutadores de transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor. Los dispositivos semiconductores se acoplan para formar un inversor y convertir la tensión de CC pulsante inicial 16 recibida por el inversor 18 en la tensión de CA convertida de alta frecuencia 20. En un modo de realización de ejemplo, el inversor 18 opera al menos parcialmente en un modo de ciclo de trabajo para proporcionar la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20. En un modo de realización más específico, el inversor 18 opera en un modo de onda cuadrada.
[0010] La tensión de CA de alta frecuencia convertida 20 se transfiere a la pluralidad de transformadores 22. Al menos uno de los transformadores altera el nivel de tensión de una parte respectiva de la tensión de CA convertida 20 recibida por el al menos un transformador. En modos de realización específicos, todos o todos excepto uno de los transformadores disminuye el nivel de tensión de su parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20 y se acoplan con un circuito resonante 21 para proporcionar bajas pérdidas de conmutación en el inversor 18 y permitir la conmutación del inversor y los puentes en condiciones de tensión sustancialmente cero o de corriente cero. Cada uno de la pluralidad de transformadores 22 incluye un devanado principal 34 emparejado con un devanado secundario 36. Además, cada uno de los devanados principales 34 está acoplado en serie a los otros devanados principales, y los devanados principales acoplados en serie 38 están acoplados al inversor 18. La tensión de CA de alta frecuencia convertida 20 proporcionada por el inversor 18 se divide en múltiples partes en base a la pluralidad de transformadores 22 de modo que cada uno de los transformadores 22 recibe su parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20. La parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20 es recibida por un devanado principal 34 respectivo de cada uno de los transformadores 22. Los devanados principales 34 respectivos están acoplados inductivamente a sus devanados secundarios 36 respectivos que reciben la parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20. Los devanados secundarios 36 alteran o mantienen el nivel de tensión de la tensión de CA de alta frecuencia convertida 20 para proporcionar la tensión de CA de alta frecuencia transformada 24. En un modo de realización, al menos uno de la pluralidad de transformadores 22 incluye una relación de espiras (“turn ratio”) del devanado principal 34 y del devanado secundario 36 diferente a otro de la pluralidad de transformadores.
[0011] Las partes respectivas de la tensión de CA de alta frecuencia transformada 24 se transfieren a la pluralidad de puentes 26. Algunos o todos los puentes están controlados por un controlador de puente 30. En un modo de realización, la pluralidad de puentes 26 incluye al menos un puente no controlable 40 y al menos un puente controlable 42. En un modo de realización más específico, la pluralidad de puentes 26 incluye un puente no controlable 40 y dos puentes controlables 42. Cada uno de la pluralidad de puentes 26 está acoplado eléctricamente a un devanado secundario 36 respectivo y recibe una parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia transformada 24. El controlador de puente 30 controla la conmutación del al menos un puente controlable 42 entre un estado conductor y no conductor para convertir la parte respectiva de la tensión de CA de alta frecuencia transformada 24 en una parte respectiva de una tensión de CC 44. En un modo de realización, el al menos un puente no controlable 40 incluye un puente de diodos, y el al menos un puente controlable 42 incluye dispositivos semiconductores tales como transistores bipolares de puerta aislada. En otro modo de realización, al menos uno de la pluralidad de puentes controlables opera en un modo de forma de onda cuadrada o en un modo de desviación (“bypassed mode”).
[0012] Los puentes 26 se combinan en paralelo para formar la tensión de CC de salida 28. En un modo de realización, la tensión de CC de salida 28 incluye un nivel de salida regulado. La tensión de CC de salida regulada se proporciona a la salida del convertidor de CA-CC 10 operando la pluralidad de puentes 26 en colaboración con la pluralidad de transformadores 22 con diferentes relaciones de espiras, de modo que cualquier variación en la frecuencia o tensión de la tensión de CA de entrada 14 no afecta al nivel de la tensión de CC de salida 28.
[0013] La FIG. 3 es una representación esquemática de un procedimiento para controlar la pluralidad de puentes que representa el control del ciclo de trabajo de la pluralidad de puentes con respecto al punto de forma de onda de la tensión del bus de CC pulsante 15 para una tensión de CC de pico de ejemplo de 6000 V. En este modo de realización, un puente no controlable denominado "puente C" es un puente de diodos no regulado, uno de los puentes controlables denominado "puente B" se opera con un ciclo de trabajo positivo o negativo completo, y el puente controlable restante "puente A" se opera en un ciclo de trabajo variado de forma continua para regular la forma de onda de corriente de CA de entrada y la tensión de CC de salida.
[0014] La FIG. 4 es un diagrama de flujo que representa las etapas implicadas en un procedimiento 50 para conversión de potencia de acuerdo con un modo de realización de la invención. El procedimiento 50 incluye convertir una tensión de CA de entrada en una tensión de CC pulsante inicial en la etapa 52. La tensión de CC pulsante inicial se convierte en una tensión de CA de alta frecuencia convertida mediante un inversor en la etapa 54. En un modo de realización, la tensión de CC pulsante inicial se convierte en una tensión de CA de alta frecuencia convertida operando el inversor en un modo de ciclo de trabajo parcial. En un modo de realización más específico, el inversor se opera en un modo de onda cuadrada. Además, la tensión de CA de alta frecuencia convertida se divide en una pluralidad de partes de la tensión de CA de alta frecuencia convertida en la etapa 56. El nivel de tensión de al menos algunas de la pluralidad de partes se altera para proporcionar unas partes respectivas de una tensión de CA de alta frecuencia transformada en la etapa 58. En un modo de realización, el nivel de tensión de las partes respectivas de la tensión de CA de alta frecuencia convertida se disminuye en diferentes niveles usando una pluralidad de transformadores de los cuales al menos algunos de los transformadores tienen relaciones de espiras diferentes a otros de la pluralidad de transformadores para proporcionar las tensiones en diferentes niveles. Las partes respectivas de la tensión de CA de alta frecuencia transformada se convierten en unas partes respectivas de tensión de salida de CC en la etapa 60. En un modo de realización, las partes respectivas de la tensión de CA de alta frecuencia transformada se convierten conmutando al menos uno de los puentes a frecuencias de unos pocos kilohercios o superiores. La conmutación del al menos uno de los puentes se controla mediante un controlador de puente. En un modo de realización más específico, el controlador de puente controla la conmutación de al menos dos de la pluralidad de puentes, y al menos otro de los puentes comprende un puente no controlable. En un modo de realización de ejemplo, las partes respectivas de la tensión de CA de alta frecuencia transformada se convierten operando al menos uno de los puentes en un modo de forma de onda cuadrada. Las partes respectivas de la tensión de salida de CC se combinan en paralelo para proporcionar una tensión de CC de salida combinada en la etapa 62.
[0015] Los diversos modos de realización del convertidor de CA-CC descritos anteriormente proporcionan un convertidor de CA-CC más eficaz y menos costoso. Cuando el convertidor de CA-CC emplea principalmente un modo de operación de onda cuadrada con circuitos resonantes para conmutación suave (“soft switching”), se obtienen como resultado pérdidas reducidas y una eficacia incrementada. Asimismo, no se necesitan filtros grandes y costosos.
[0016] Se debe entender que un experto en la técnica reconocerá la intercambiabilidad de diversas características de diferentes modos de realización y que un experto en la presente técnica puede mezclar y combinar las diversas características descritas, así como otras equivalentes conocidas para cada característica, para elaborar sistemas y técnicas adicionales de acuerdo con los principios de la presente divulgación. Por lo tanto, se debe entender que las reivindicaciones adjuntas pretenden cubrir la totalidad de dichas modificaciones y cambios.
[0017] Aunque en el presente documento solo se han ilustrado y descrito determinadas características de la invención, los expertos en la técnica podrán concebir muchas modificaciones y cambios. Por lo tanto, se debe entender que las reivindicaciones adjuntas pretenden cubrir la totalidad de dichas modificaciones y cambios.

Claims (12)

REIVINDICACIONES
1. Un sistema de conversión de potencia de corriente alterna a corriente continua, CA a CC, (10) que comprende;
un rectificador (12) configurado para convertir una tensión de CA de entrada en una tensión de CC inicial;
un inversor (18) configurado para convertir la tensión de CC inicial en una tensión de CA convertida;
una pluralidad de transformadores (22), comprendiendo cada transformador un devanado principal emparejado con un devanado secundario, en el que cada uno de los devanados principales está acoplado en serie con los otros devanados principales, en el que los devanados principales acoplados en serie están acoplados al inversor para recibir la tensión de CA convertida;
una pluralidad de puentes (26), estando cada puente acoplado a un devanado secundario respectivo para recibir una tensión de CA transformada desde el mismo, estando cada puente acoplado en paralelo a los otros puentes en los terminales de salida de CC para proporcionar una tensión de salida de CC combinada;
en el que el sistema de conversión de potencia de CA a CC (10) incluye un circuito resonante (21) acoplado entre el inversor (18) y los transformadores (22);
caracterizado por:
un controlador de puente (30) configurado para controlar unas operaciones de al menos algunos de la pluralidad de puentes para regular la tensión de CC de salida y conformar la corriente de CA suministrada al rectificador (12) como una forma de onda sinusoidal de factor de potencia unidad.
2. El sistema (10) de la reivindicación 1, en el que la pluralidad de puentes (26) comprende al menos un puente no controlable (40) y al menos un puente controlable (42).
3. El sistema (10) de la reivindicación 2, en el que la pluralidad de puentes (26) comprende un puente no controlable (40) y al menos dos puentes controlables (42).
4. El sistema (10) de la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en el que el controlador de puente (30) está configurado para controlar una conmutación del al menos un puente controlable (42) entre un estado derivado y uno no derivado.
5. El sistema (10) de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en el que el al menos un puente no controlable (40) incluye un puente de diodos y el al menos un puente controlable (42) incluye unos dispositivos semiconductores tales como unos transistores bipolares de puerta aislada.
6. El sistema (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador de puente (30) está configurado para operar al menos uno de la pluralidad de puentes (26) en un modo de onda cuadrada.
7. El sistema (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el controlador de puente (30) está configurado para operar al menos uno de la pluralidad de puentes (26) en un modo de ciclo de trabajo modulado.
8. El sistema (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el inversor (18) comprende una pluralidad de dispositivos semiconductores.
9. El sistema (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el sistema de conversión de potencia de CA a CC (10) está configurado de modo que el inversor (18) opera al menos parcialmente en un modo de ciclo de trabajo.
10. El sistema (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que al menos uno de la pluralidad de transformadores (22) comprende una relación de espiras del devanado principal y del devanado secundario respectivo diferente a otro de la pluralidad de transformadores (22).
11. El sistema (10) de cualquier reivindicación precedente, en el que el circuito resonante (21) comprende un condensador y un inductor y el sistema de conversión de potencia de CA a CC (10) está configurado de modo que el inversor (18) y los puentes (26) pueden conmutar en condiciones de tensión sustancialmente cero o de corriente cero.
12. Un procedimiento (50) para conversión de potencia de corriente alterna a corriente continua (CA a CC) que comprende:
convertir (52), por medio de un rectificador (12), una tensión de CA de entrada en una tensión de CC inicial;
convertir (54) la tensión de CC inicial en una tensión de CA convertida;
dividir (56), por medio de transformadores (22), la tensión de CA convertida en una pluralidad de partes de la tensión de CA convertida;
alterar (58), por medio de dichos transformadores (22), unos niveles de tensión de al menos algunas de las partes respectivas de la tensión de CA convertida para proporcionar unas partes de tensión de CA transformada;
convertir (60), por medio de una pluralidad de puentes (26), unas partes respectivas de la tensión de CA transformada en unas partes respectivas de una tensión de CC de salida; y
acoplar (62) las partes respectivas de la tensión de CC de salida en paralelo para proporcionar una tensión de CC de salida combinada;
en el que el sistema de conversión de potencia de CA a CC (10) incluye un circuito resonante (21) acoplado entre el inversor (18) y los transformadores (22);
estando dicho procedimiento (50) caracterizado por comprender una conmutación de al menos uno de los puentes (26) usando un controlador de puente (30) para regular la tensión de CC de salida y conformar una corriente de CA suministrada al rectificador (12) como una forma de onda sinusoidal de factor de potencia unidad.
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