ES2894798T3 - Sistema de conversión de potencia bidireccional para carga eléctrica monofásica y procedimiento de conversión de potencia correspondiente - Google Patents
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Abstract
Sistema de conversión de potencia bidireccional conectado a una carga eléctrica monofásica, estando adoptado el citado sistema de conversión para ser conectado a un bus de alimentación continua (Udc bus) que facilita una única tensión de alimentación continua y adaptado para facilitar a la carga una tensión de salida alterna sensiblemente en forma de onda cuadrada, y que comprende un conjunto de convertidores (C) entrelazados, comprendiendo los con- vertidores circuitos inductivos de conexión de los convertidores y células de conmutación, comprendiendo el sistema además un circuito de control de los convertidores apto para facilitar a cada convertidor una tensión de referencia común (Ref) en onda cuadrada correspondiente a la tensión de salida alterna (Uac) y un conjunto de señales de control en dientes de sierra desfasadas destinadas respectivamente a los convertidores de modo que el estado pasante o no de cada célula de conmutación es determinado por la intersección entre la señal de referencia y las señales de control, los convertidores están adaptados para facilitar cada uno una tensión de salida de convertidor, siendo la tensión de salida (Uac) del sistema de conversión de potencia igual a la suma de las tensiones facilitadas por los convertidores dividida por el número de convertidores, y el sistema de conversión está adaptado para facilitar una tensión de control cuya componente fundamental está desfasada con respecto a la tensión interna de la carga (Vac), de modo que la transferencia de potencia se controla en función del desfase entre la tensión de salida (Uac) y la tensión de la carga (Vac), y la citada tensión de control está adaptada para controlar esta citada transferencia de potencia de los conver- tidores hacia la carga o de la carga hacia los convertidores en función del signo de desfase, además, el sistema de conversión está adaptado para facilitar la tensión de salida de cada convertidor que es elaborada partir de la tensión de referencia común (Ref) y de una de las señales de control de manera que el valor medio de la amplitud de la tensión de salida (Uac) del sistema de conversión corresponda a la amplitud de la tensión interna de la carga (Vac) y de manera que el valor instantáneo de la tensión de salida tenga amplitudes aptas para reducir las fluctuaciones de una corriente que circula entre los convertidores de tensión y la carga, los circuitos inductivos comprenden cada uno un conjunto de bobinas emparejadas que comprenden una primera bobina (6) conectada a un primer convertidor y una segunda bobina (7) conectada a otro convertidor, estando las bobinas enrolladas en sentido inverso alrededor de un núcleo magnético (8) de modo que los flujos magnéticos generados por las bobinas se anulen cuando las corrientes de los convertidores sean iguales.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de conversión de potencia bidireccional para carga eléctrica monofásica y procedimiento de conversión de potencia correspondiente
La presente invención concierne, de manera general, a los convertidores de potencia y se refiere en particular a un sistema de conversión de potencia bidireccional para carga eléctrica monofásica.
Más particularmente, la presente invención se refiere a un sistema de conversión de potencia destinado a ser conectado a un bus de alimentación continua y destinado a facilitar una potencia alterna a una carga monofásica al tiempo que asegure una regulación de tensión a alta frecuencia, es decir una frecuencia de al menos 1000 Hercios o, de manera general, a una frecuencia de al menos un tercio de la frecuencia de corte del sistema de conversión de potencia.
Se trata en particular de facilitar a una carga monofásica una tensión alterna monofásica a alta frecuencia, en la que la relación entre la tensión y la frecuencia sea constante al tiempo que asegure una transferencia bidireccional de potencia, y esto para potencias superiores a 500 kW.
La tensión alterna es en este caso una tensión de onda cuadrada o sensiblemente de onda cuadrada. Puede tratarse de una tensión trapezoidal o de onda cuadrada, con transiciones centradas en 0 V.
El sistema de conversión de potencia puede ser por ejemplo un convertidor de potencia para máquina eléctrica, tal como un dispositivo de almacenamiento de energía eléctrica, o un convertidor DC/DC, tal como un convertidor DAB (de « Dual active Bridge », en inglés).
Se conoce el documento US 2015/062984 que describe un circuito de conversión de potencia que puede ser empleado como circuito rectificador o como circuito inversor. El circuito de conversión de potencia comprende brazos de puentes de varios niveles, conectados en paralelo y que funcionan de manera entrelazada.
A este respecto se podrá hacer referencia al documento US 5355.294, que describe un sistema de conversión de tipo DAB, que comprende un rectificador de entrada conectado a un bus de alimentación por el cual circula una corriente alterna, un convertidor de entrada DC/DC que facilita un primer nivel de tensión y un convertidor de salida que facilita un segundo nivel de tensión y conectado al convertidor de entrada por un transformador.
Dicho sistema está destinado a facilitar dos tensiones alternas de onda cuadrada que están desfasadas una con respecto a la otra.
Según una aplicación, este tipo de sistema de conversión puede ser utilizado para controlar el sentido de la transferencia de potencia entre el convertidor y una carga en función del desfase entre las dos tensiones.
Sin embargo, este tipo de sistema de conversión necesita utilizar dos convertidores, a saber el convertidor de entrada y el convertidor de salida. Ahora ben, los convertidores presentan una dimensión relativamente importante lo que hace restrictiva la utilización de este tipo de convertidor. Además, la presencia de dos convertidores hace el sistema de conversión de potencia relativamente caro.
Se podrá hacer referencia igualmente al documento EP-A-2 006 993 que describe un convertidor bidireccional de puente en H que comprende varios puentes redundantes y en cual cada puente puede funcionar con tensiones de bus de alimentación diferentes para hacer máxima la potencia de salida. Durante el funcionamiento normal del convertidor, se facilita a la salida del convertidor una tensión con siete niveles de tensión diferentes de manera que simula a una tensión de salida sinusoidal.
Cuando falla un puente, los otros puentes funcionan de manera trifásica, facilitando una salida con cinco niveles de tensión.
El documento US 6.005.788 describe a su vez un convertidor de potencia de varios niveles para aplicación a alta tensión y a alta potencia que comprende varios onduladores conectados en serie y que tienen buses de alimentación DC específicos para facilitar formas de onda de varios niveles. Este convertidor necesita por tanto prever varios buses de alimentación.
El documento US 3.581.212 describe un circuito de conversión de potencia de respuesta rápida que comprende varios onduladores que tienen cada uno dos niveles de salida opuestos conectados en serie o en paralelo y controlados selectivamente pata producir una salida compuesta.
Cuando se utilizan tensiones de onda cuadrada desfasadas, como en los convertidores DAB, los niveles de tensión deben ser conservados a un nivel de tensión nominal, dentro de la relación de transformación. Si este no es el caso, aparecen fluctuaciones en la corriente facilitada a la carga. Tales fluctuaciones pueden ser muy importantes si el desvió de tensión es importante.
Se podrá hacer referencia a las Figuras 1a, 1b, 1e y 1d que ilustran la evolución de la corriente que circula entre la carga y el convertidor (curva I), de la tensión de salida del convertidor (curva II) y de la tensión de la carga (curva III), en caso de diferencia de tensión pequeña (véanse las Figuras 1a y 1b) y en caso de diferencia de tensión elevada (véanse las Figuras 1c y 1d), tanto durante una transferencia de potencia del convertidor hacia la carga (véanse las Figuras 1a y 1e) como durante una transferencia de potencia de la carga hacia el convertidor (véanse las Figuras 1 b y 1d).
Como se ve en las Figuras 1a y 1b, aparece una fluctuación de corriente (curva I) incluso en el caso de diferencia de tensión pequeña entre la tensión facilitada por el convertidor (véase la curva II) y la tensión de la carga (véase la curva III). Estas fluctuaciones de tensión pueden ser importantes cuando la diferencia de tensión aumenta (véanse las Figuras 1c y 1d).
En aplicaciones embarcadas a bordo de vehículos automóviles de tracción al menos parcialmente eléctrica, en las cuales se implementa una transferencia de potencia bidireccional entre las baterías de tracción del vehículo y una rueda de inercia, las fluctuaciones de corriente se eliminan utilizando un interruptor bidireccional colocado entre las etapas de conversión. Sin embargo, este interruptor constituye igualmente una etapa de conversión suplementaria que aumenta el volumen y el coste del sistema de conversión de potencia. Además, los elementos de conmutación del interruptor deben ser dimensionados en función del valor máximo de la corriente.
El objetivo de la invención es entonces paliar los inconvenientes antes citados y proponer un sistema de conversión de potencia capaz de evitar la aparición de fluctuaciones de corriente y esto, sin necesitar convertidor suplementario.
La invención pues tiene por objeto un sistema de conversión de potencia bidireccional para carga eléctrica monofásica tal como se define en la reivindicación independiente 1.
La invención tiene igualmente por objeto, según otro aspecto, un procedimiento de conversión de potencia bidireccional entre una carga eléctrica monofásica y un bus de alimentación continua que facilita una única tensión de alimentación, tal como se define en la reivindicación independiente 8. Los modos de realización preferidos se definen en las reivindicaciones dependientes. La invención queda definida en el juego de reivindicaciones.
Otros objetivos, características y ventajas de la invención aparecerán en la lectura de la descripción que sigue, dada únicamente a modo de ejemplo no limitativo, y hecha en referencia a los dibujos anejos, en los cuales:
- las Figuras 1a, 1b, 1c y 1d, de las que ya se hecho mención, ilustran los problemas de aparición de fluctuaciones de corriente en caso de diferencia de tensión entre la salida del convertidor y la carga;
- la Figura 2 muestra la arquitectura general de un sistema de conversión de potencia conforme a la invención;
- las Figuras 3a y 3b son curvas que muestran la evolución de las tensiones en el sistema de conversión de potencia;
- la Figura 4 ilustra el funcionamiento de un convertidor;
- las Figuras 5a y 5b son curvas que muestran el control de los convertidores;
- la Figura 6 es un esquema de detalle de un sistema de conversión de potencia conforme a la invención;
- las Figuras 7, 8 y 9 muestran diversos modos de acoplamiento de los convertidores; y
- la Figura 10 muestra curvas que ilustran la evolución de las tensiones de control y de salida y de la corriente que circula entre los convertidores de tensión y la carga.
Se hará referencia en primer lugar a las Figuras 2 a 4 que ilustran la arquitectura general y el principio de funcionamiento de un sistema de conversión de potencia según la invención designado por la referencia numérica general 1.
Este sistema está destinado a asegurar la transferencia bidireccional de potencia entre un bus de alimentación Udc bus que facilita una única tensión continua de alimentación y una carga eléctrica monofásica.
Puede tratarse por ejemplo de asegurar una transferencia de potencia bidireccional hacia un sistema de almacenamiento de energía eléctrica o a partir de dicho sistema en función del consumo o de las necesidades de equipos eléctricos.
Así, la carga eléctrica 2 funciona como carga o como generador cuando se trata de transferir potencia hacia el bus.
Este sistema comprende una etapa de conversión de potencia 3 DC/AC. La tensión entre los bornes de la etapa de conversión en el lado de continua está indicada por Udc. En el lado de alterna, la tensión en los bornes de la etapa de conversión 3 está indicada por Uac. Como se ve, entre la etapa de conversión 3 y la carga 2 está conectada una inductancia 4. Dicha inductancia puede estar constituida por un transformador de colada o una inductancia de la propia
carga. Por ejemplo, en una máquina eléctrica alterna, la tensión indicada por Vac es la tensión interna de la máquina y la inductancia 4 puede estar constituida por la inductancia de fuga de la máquina.
La tensión Vac interna en la carga, aguas abajo de la inductancia 4 interna de la carga, es una tensión alterna de onda cuadrada, rectangular o sensiblemente rectangular, especialmente trapezoidal. Tal es igualmente el caso de la tensión Uac.
El sistema facilita así una tensión de salida Uac alterna cuya amplitud varía, por ejemplo entre el 10% y el 100% de la tensión continua Udc bus disponible en el bus, y una tensión de control, cuya componente fundamental está desfasada con respeto a la tensión Vac de modo que la transferencia de potencia sea controlada en función del desfase entre la tensión Uac del convertidor y la tensión de la carga Vac.
Así, por ejemplo, se procede a un almacenamiento de energía o, por el contrario, a un suministro de energía de la carga hacia el convertidor según que el desfase entre la tensión del convertidor y la tensión de la carga sea positivo o negativo.
Sin embargo, el convertidor facilita una tensión de control Uac de onda cuadrada cuya amplitud es controlada con el fin de evitar las fluctuaciones en la corriente i que circula en el sistema de conversión de potencia (véase las Figuras 3a y 3b) cualquiera que sea la tensión de salida.
La etapa de conversión de potencia es controlada de modo más particular de manera que facilite una tensión de salida Uac en la que el valor medio de la amplitud de la onda cuadrada corresponda a la amplitud de las ondas cuadradas de la tensión de la carga Vac, dentro de una relación de transformación, pero cuya amplitud instantánea se determina de manera que se eviten estas fluctuaciones de corriente (véanse las Figuras 3a y 3b).
La etapa de conversión de potencia comprende un conjunto de convertidores entrelazados por medio de circuitos inductivos que se describirán en lo que sigue en referencia a las Figuras 7 a 9.
Como muestra la Figura 4, cada convertidor constituye un ondulador que comprende un conjunto de células de conmutación tales como C, que comprenden un puente en H apto para facilitar tres niveles de tensión, según el estado de las células de conmutación, a saber « estado 1 » (Uac = Udc), « estado 0 » (Uac=0) y « estado-1 » (Uac=-Udc).
Las células de conmutación son controladas en modulación MLI por anchura de pulso.
Por ejemplo, en referencia a la Figura 5a, cada ondulador recibe de un circuito de control una tensión de referencia común en onda cuadrada Ref y dos señales de control P1 y P2 formadas por portadoras en dientes de sierra que están desfasadas una con respecto a la otra para obtener una tensión de salida de tipo tres niveles.
El estado pasante o no de cada célula de conmutación es determinado por la intersección entre la señal de referencia y las dos portadoras P1 y P2 en dientes de sierra.
En referencia a la Figura 5b, por ejemplo, cuando se utilizan tres convertidores, la etapa de conversión de potencia recibe la tensión de referencia común Ref y tres pares de señales de control en dientes de sierra P1, P2; P'1, P'2 y P”1, P”2. Estos dientes de sierra P1, P1' y P1”, así como los dientes de sierra P2, P2', P2” están desfasados temporalmente con el fin de obtener el entrelazado entre los convertidores.
La salida de cada uno de los convertidores es entrelazada por medio de circuitos inductivos tales como 4 (véase la Figura 6).
En un modo de realización, entre la carga 2 y la salida de los circuitos inductivos 4 esta interpuesto un transformador 5. Así, la salida de la etapa de conversión está constituida por la suma de tensiones facilitadas por los convertidores dividida por el número de convertidores, lo que permite alisar la tensión de salida y reducir las fluctuaciones de corriente.
Además, la regulación de tensión es más rápida que en un convertidor único.
Se van a describir ahora en referencia a las Figuras 7 a 9 diversos modos de acoplamiento de los convertidores 4.
Como se ve, los circuitos inductivos que aseguran el entrelazado de la salida de los convertidores comprenden dos enrollamientos tales como 6 y 7 que están bobinados alrededor de un núcleo 8. El primer enrollamiento está conectado a un convertidor k y el segundo enrollamiento está conectado a un convertidor k+1 de modo que el flujo generado por los enrollamientos están en dirección opuesta para que el flujo generado por el convertidor k+1 anule el flujo generado por el convertidor k y de modo que el flujo se anule si la corriente facilitada por el convertidor k+1 es igual a la corriente facilitada por el convertidor k. Así, en la componente de salida de la corriente, que es facilitada a la carga, los circuitos inductivos oponen solo una inductancia de poco valor relacionada con las inductancias de fuga de los bobinados. Si las corrientes generadas por los convertidores k y k+1 son diferentes, entonces los flujos se añaden. Resulta así una inductancia magnetizaste importante que reducirá las variaciones de la corriente, y especialmente las circulaciones de corriente entre convertidores relacionados con el entrelazado.
En el modo de realización ilustrado en la Figura 7, los convertidores están entrelazados por medio de circuitos inductivos que comprenden dos conjuntos E1 y E2 de bobinas emparejadas, correspondientes respectivamente a dos fases, de modo que la primera bobina 6 de los primero y segundo conjuntos E1 y E2 esté conectada por una parte a un convertidor y por otra a la segunda bobina 7 de los primero y segundo conjuntos E1 y E2 de bobinas y que las segundas bobinas 7 de los circuitos inductivos estén conectadas entre sí y por otra parte estén conectadas a la primera bobina de los primero y segundo conjuntos E1 y E2 de bobinas de otro convertidor. El transformador 5 está aquí conectado entre las dos bobinas de los primero y segundo conjuntos de bobinas.
Según una variante visible en la Figura 8, las segundas bobinas 7 de los circuitos inductivos están conectadas dos a dos y el transformador 5 está conectado, por una parte, entre las salidas comunes del primer conjunto de bobinas E1 y, por otra, del segundo conjunto de bobinas E2.
En el ejemplo de realización visible en las Figuras 7 y 8, las bobinas del primero y segundo conjuntos de bobinas están enrolladas alrededor de núcleos distintos.
Sería igualmente posible, en variante, enrollarlas alrededor de núcleos comunes que dispongan de una tercera columna que permita una libre circulación del flujo magnético.
Según un tercer modo de realización, visible en la Figura 9, los convertidores comprenden cada uno un circuito inductivo que comprende una primera bobina 6 y una segunda bobina 7. La primera bobina 6 está conectada a la salida del convertidor correspondiente, mientras que las otras bobinas 7 están conectadas dos a dos. En este modo de realización, la carga está conectada directamente al circuito inductivo y de modo más particular a los bornes de dos bobinas 7.
Este modo de realización es ventajoso porque permite suprimir el trasformador 5 de los modos de realización de las Figuras 7 y 8.
Como se ve finalmente en la Figura 10, la invención que se acaba de describir permite evitar la aparición de fluctuaciones importantes en la corriente i que circula entre la carga y la etapa de conversión, subsistiendo solo ondulaciones residuales de amplitud despreciable.
Claims (8)
1. Sistema de conversión de potencia bidireccional conectado a una carga eléctrica monofásica, estando adoptado el citado sistema de conversión para ser conectado a un bus de alimentación continua (Udc bus) que facilita una única tensión de alimentación continua y adaptado para facilitar a la carga una tensión de salida alterna sensiblemente en forma de onda cuadrada, y que comprende un conjunto de convertidores (C) entrelazados, comprendiendo los con vertidores circuitos inductivos de conexión de los convertidores y células de conmutación, comprendiendo el sistema además un circuito de control de los convertidores apto para facilitar a cada convertidor una tensión de referencia común (Ref) en onda cuadrada correspondiente a la tensión de salida alterna (Uac) y un conjunto de señales de control en dientes de sierra desfasadas destinadas respectivamente a los convertidores de modo que el estado pasante o no de cada célula de conmutación es determinado por la intersección entre la señal de referencia y las señales de control, los convertidores están adaptados para facilitar cada uno una tensión de salida de convertidor, siendo la tensión de salida (Uac) del sistema de conversión de potencia igual a la suma de las tensiones facilitadas por los convertidores dividida por el número de convertidores, y el sistema de conversión está adaptado para facilitar una tensión de control cuya componente fundamental está desfasada con respecto a la tensión interna de la carga (Vac), de modo que la transferencia de potencia se controla en función del desfase entre la tensión de salida (Uac) y la tensión de la carga (Vac), y la citada tensión de control está adaptada para controlar esta citada transferencia de potencia de los conver tidores hacia la carga o de la carga hacia los convertidores en función del signo de desfase, además, el sistema de conversión está adaptado para facilitar la tensión de salida de cada convertidor que es elaborada partir de la tensión de referencia común (Ref) y de una de las señales de control de manera que el valor medio de la amplitud de la tensión de salida (Uac) del sistema de conversión corresponda a la amplitud de la tensión interna de la carga (Vac) y de manera que el valor instantáneo de la tensión de salida tenga amplitudes aptas para reducir las fluctuaciones de una corriente que circula entre los convertidores de tensión y la carga, los circuitos inductivos comprenden cada uno un conjunto de bobinas emparejadas que comprenden una primera bobina (6) conectada a un primer convertidor y una segunda bobina (7) conectada a otro convertidor, estando las bobinas enrolladas en sentido inverso alrededor de un núcleo magnético (8) de modo que los flujos magnéticos generados por las bobinas se anulen cuando las corrientes de los convertidores sean iguales.
2. Sistema de conversión según la reivindicación 1, en el cual cada convertidor comprende un puente en H configu rado para facilitar tres niveles de tensión.
3. Sistema según una de las reivindicaciones 1 y 2, en el cual los circuitos inductivos comprenden dos conjuntos (E1, E2) de bobinas emparejadas que comprenden cada uno una primera bobina conectada por una parte a un convertidor y por otra a la segunda bobina de los primero y segundo conjuntos de bobinas emparejadas de otro convertidor, y que comprenden una segunda bobina conectada de modo que la segunda bobina de un primer conjunto de bobinas esté conecta a la segunda bobina del primer conjunto de bobinas de otro convertidor, estando conectado un transfundir de salida (5) a la segunda bobina de los primero y segundo conjuntos de bobinas y configurado para elevar la citada tensión alterna.
4. Sistema según una de las reivindicaciones 1 y 2, en el cual los circuitos inductivos comprenden para cada conver tidor, dos conjuntos (E1, E2) de bobinas emparejadas que comprenden cada uno una primera bobina conectada al citado convertidor y una segunda bobina conectada de modo que las segundas bobinas estén conectadas dos a dos, estando conectado un transformador de salida (5) a la primera bobina de los primero y segundo conjuntos de bobinas, y configurado para facilitar la citada tensión alterna.
5. Sistema según una de las reivindicaciones 3 y 4, en el cual los conjuntos de bobinas emparejadas están bobinadas sobre núcleos distintos.
6. Sistema según una de las reivindicaciones 3 y 4, en el cual las bobinas emparejadas están bobinadas sobre un núcleo común que dispone de una tercera columna de flujo libre.
7. Sistema según la reivindicación 1, en el cual los circuitos inductivos comprenden, para cada convertidor, una pri mera bobina (6) conectada al citado convertidor y una segunda bobina (7) conectada a una segunda bobina de un circuito inductivo de otro convertidor, estado la carga conectada directamente a los citados circuitos inductivos.
8. Procedimiento de conversión de potencia bidireccional que utiliza el sistema de conversión de potencia bidireccio nal tal como queda definido en una de las reivindicaciones precedentes entre una carga eléctrica monofásica y un bus de alimentación continua que facilita una única tensión continua, en el cual se facilita a la carga una tensión de salida alterna (Uac) sensiblemente en forma de onda cuadrada, se facilita a cada convertidor que comprende células de conmutación una tensión de referencia (Ref) en onda cuadrada correspondiente a la tensión de salida alterna (Uac) y un conjunto de señales de control en dientes de sierra desfasadas de modo que el estado pasante o no de cada célula de conmutación es determinado por la intersección entre la señal de referencia y las señales de control, además se elabora una tensión de control en la que el desfase de su componente fundamental con respecto a una tensión interna de la carga (Vac) controla el sentido de la transferencia de potencia por medio de un conjunto de convertidores entre lazados, de modo que la transferencia de potencia es controlada en función del desfase entre la tensión de salida (Uac) y la tensión de la carga (Vac), y la citada tensión de control está adaptada para controlar esta citada transferencia de potencia de los convertidores hacia la carga o de la carga hacia los convertidores en función del signo del desfase,
facilitando cada convertidor la tensión de salida elaborada a partir de la tensión de referencia común y de una de las señales de control de manera que el valor medio de la amplitud de la onda cuadrada de tensión de salida corresponda a la amplitud de la tensión interna de la carga y de manera que la citada tensión de salida presente amplitudes aptas para reducir las fluctuaciones en la corriente que circula entre los convertidores de tensión y la carga, comprendiendo los convertidores circuitos inductivos de conexión de los convertidores, los circuitos inductivos comprenden cada uno un conjunto de bobinas emparejadas que comprenden un primera bobina (6) conectada a un primer convertidor y una segunda bobina (7) conectada a otro convertidor, estando las bobinas enrolladas en sentido inverso alrededor de un núcleo magnético (8) de modo que los flujos magnéticos generadas por las bobinas se anulan cuando las corrientes de los convertidores son iguales.
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