ES2908960T3 - Convertidor eléctrico y método de control - Google Patents

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Abstract

Un convertidor eléctrico (10), que comprende: un selector de tensión de entrada (12) para convertir una tensión de entrada de CA trifásica provista en las entradas trifásicas (a, b, c) del convertidor eléctrico en tres tensiones intermedias provistas en un nodo de tensión superior (x), un nodo de tensión media (y) y un nodo de tensión inferior (z); condensadores de filtro (CX, Cy, Cz) interconectar el nodo de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z); un convertidor de salida (14) para convertir las tres tensiones intermedias en una tensión de salida; en el que un inductor de filtro (LF) está interconectado en cada entrada de fase (a, b, c) y condensadores de filtro (CX, Cy, Cz) están dispuestos solo detrás del selector de tensión de entrada desde el punto de vista de las entradas de fase (a, b, c); en el que el nodo de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z) están conectados en estrella o en triángulo a través de los condensadores de filtro (CX, Cy, Cz); en el que el convertidor eléctrico comprende un controlador adaptado para conmutar interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada (12) de manera que el nodo de tensión superior (x) esté conectado a la entrada de fase (a, b, c) con la tensión más alta de las tensiones de entrada de CA trifásica, el nodo de tensión más baja (z) está conectado a la entrada de fase (a, b, c) con la tensión más baja de la tensión de entrada de CA trifásica, y el nodo de tensión media (y) está conectado a la entrada de fase (a, b, c) con una tensión entre la tensión más alta y la tensión más baja; caracterizado por que cuando dos de las tensiones de la tensión de entrada de CA trifásica se cruzan, el controlador está configurado para cambiar los interruptores de semiconductores del selector de tensión de entrada (12) de modo que las entradas de dos fases correspondientes (a, b, c) se cortocircuitan para disminuir las distorsiones de corriente en las entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico (10); en el que las dos entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico y los inductores de fase correspondientes se cortocircuitan de tal manera que una tensión promedio de una tensión entre las entradas de fase correspondientes (a, b, c) del selector de tensión de entrada (12) es igual a una tensión de red proporcionada entre las dos entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico (10); y se determina una duración durante la cual las dos entradas de fase (a, b, c) están cortocircuitadas de tal manera que durante cada ciclo de conmutación de un esquema de modulación PWM del convertidor de salida, la tensión promedio es igual a una tensión de red proporcionada entre las dos fases entradas (a, b, c) del convertidor eléctrico (10).

Description

DESCRIPCIÓN
Convertidor eléctrico y método de control
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La invención se refiere al campo de la conversión de corriente. En particular, la invención se refiere a un convertidor eléctrico y a un método para controlar el convertidor eléctrico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Por ejemplo, durante la carga de vehículos eléctricos, tiene lugar la conversión de corriente entre una tensión de CA de una red eléctrica en una tensión de CC y luego se proporciona la tensión de CC a la batería para que se cargue. Por ejemplo, un convertidor eléctrico puede convertir una tensión de CA trifásica y puede suministrarlo a un bus de CC, al que se pueden conectar varias baterías. Además, los centros de datos y los sitios de telecomunicaciones suelen necesitar una conversión de CA a CC de este tipo. En general, los sistemas de distribución de CC de tensión baja (alrededor de 400 V) y las microrredes de CC suelen requerir la conversión de CA a CC de una red eléctrica de CA existente.
Por lo general, si la tensión en el bus de CC es más baja que la tensión de CA rectificada de onda completa, se utilizan convertidores eléctricos de dos etapas. Dichos convertidores eléctricos pueden comprender una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) de tipo elevador con una salida de CC de 700 V - 800 V conectada en serie con un convertidor CC-CC para lograr la tensión de bus de CC más baja deseada. Los convertidores PFC tipo Buck son una alternativa, ya que permiten una conversión de energía de una sola etapa entre la red trifásica y un bus de CC con una tensión más baja.
Por ejemplo, JW Kolar y T. Friedli, "The Essence of Three-Phase PFC Rectifier Systems - Part I", IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, n.° 1, págs. 176-198, enero de 2013; y T. Soeiro, T. Friedli y JW Kolar, "Three-phase high power factor mains interface concepts for Electric Vehicle battery charging systems", en Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), febrero de 2012, págs. 2603-2610, muestran convertidores eléctricos, que están adaptados para la conversión de CA a CC de tensión baja.
El documento CH 704 553 A2 muestra un convertidor CA/CC trifásica híbrido con un circuito puente trifásica y un interruptor de cuatro cuadrantes, que están interconectados a través de un punto de interconexión inferior, intermedio y superior con un convertidor de salida. Un filtro de entrada consta de tres condensadores conectados en estrella.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Es un objetivo de la presente invención proporcionar un convertidor eléctrico de diseño simple y de bajo costo para la conversión de energía de CA a CC, que genera bajas distorsiones de corriente en su entrada.
Este objetivo se logra mediante el objeto de las reivindicaciones independientes. Otras realizaciones ejemplares son evidentes a partir de las reivindicaciones dependientes y la siguiente descripción.
Un aspecto de la invención se refiere a un convertidor eléctrico que, por ejemplo, puede usarse para convertir una tensión de CA trifásica de una red eléctrica (que puede ser de media tensión, es decir, más de 1.000 kV en una salida de tensión baja CA o CC, es decir, por debajo de 1.000 kV).
Según las realizaciones de la invención, el convertidor eléctrico comprende un selector de tensión de entrada para convertir una tensión de entrada de CA trifásica proporcionada en las entradas trifásicas del convertidor eléctrico en una tensión trifásica intermedia proporcionada en un nodo de tensión superior, un nodo de tensión media y un nodo de tensión inferior; condensadores que interconectan un nodo de tensión superior, un nodo de tensión media y un nodo de tensión inferior; y un convertidor de salida para convertir la tensión trifásica intermedia en una tensión de salida.
El selector de tensión de entrada, que puede verse como una primera etapa del convertidor, está adaptado para conectar el nodo de tensión superior a una entrada de fase con la tensión más alta de la tensión de entrada de CA trifásica, el nodo de tensión inferior a una entrada de fase con la tensión más baja de la tensión de entrada de CA trifásica, y el nodo de tensión media a la entrada de fase que tiene una tensión entre la tensión más alta y la tensión más baja. En otras palabras, el selector de tensión de entrada puede convertir las tres tensiones de entrada de CA sinusoidales en tres tensiones sinusoidales por partes proporcionadas en el nodo de tensión superior, tensión media y tensión inferior.
El convertidor de salida, que puede verse como una segunda etapa del convertidor y/o que puede tener diferentes topologías (ver a continuación), puede convertir estas tensiones sinusoidales por partes en una tensión de CC o una tensión de CA adicional de diferente magnitud de tensión y/o diferente frecuencia.
Además, se disponen tres o más condensadores entre el selector de tensión de entrada y el convertidor de salida.
Estos condensadores pueden verse como (una parte de) un filtro de entrada para el convertidor de salida. Estos condensadores pueden interconectar el nodo de tensión superior, tensión media y tensión inferior.
Dado que los condensadores están dispuestos detrás (y no delante) del selector de tensión de entrada desde el punto de vista de las entradas de fase del convertidor eléctrico (y una red eléctrica conectada a estas entradas de fase), las distorsiones de corriente en la intersección de las tensiones de fase en las entradas de fase, que son causadas principalmente por ondulaciones de tensión de conmutación a través de los condensadores, pueden controlarse mejor. Por ejemplo, con el método que se describe a continuación, el convertidor eléctrico se controla de manera que las distorsiones de corriente causadas por la conmutación del convertidor de salida se suprimen cambiando el selector de tensión de entrada de una manera específica, cuando dos de las tensiones de fase en las entradas de fase se cruzan.
De acuerdo con las realizaciones de la invención, el nodo de tensión superior, el nodo de tensión media y el nodo de tensión inferior están conectados en estrella y/o en triángulo a través de los condensadores. Cada nodo puede estar conectado directamente a través de un condensador con los otros dos nodos o puede estar conectado con un condensador a través de un punto de estrella con los otros nodos.
De acuerdo con las realizaciones de la invención, un inductor de filtro está interconectado en cada entrada de fase. Estos inductores de filtro y los condensadores pueden verse como partes de un filtro LC (dividido) antes de la entrada del convertidor de salida. El selector de tensión de entrada puede verse como interconectado en este filtro eléctrico.
Según una realización de la invención, cada uno de los nodos de tensión superior, nodo de tensión media y nodo de tensión inferior está conectado a través de un inductor de filtro con los condensadores interconectando el nodo de tensión superior, el nodo de tensión media y el nodo de tensión inferior.
Hay varias realizaciones de cómo se puede diseñar el selector de tensión de entrada para lograr la distribución mencionada anteriormente de las tres tensiones de entrada de CA sinusoidales en las tres tensiones sinusoidales por partes provistas en el nodo de tensión superior, medio e inferior.
Según una realización de la invención, el selector de tensión de entrada comprende tres patas selectoras para interconectar una de las entradas de fase con el nodo de tensión superior, el nodo de tensión media y el nodo de tensión inferior, comprendiendo cada pata selectora un medio puente y un inyector unidad de interruptor, el medio puente conectado al nodo de tensión superior y al nodo de tensión inferior y la unidad de interruptor del inyector conectada al nodo de tensión media.
Cabe señalar que la unidad de conmutación del inyector también puede proporcionarse en forma de medio puente. Por ejemplo, cada pata selectora puede comprender dos medios puentes en paralelo.
Según una realización de la invención, el medio puente comprende diodos y/o el medio puente comprende interruptores semiconductores controlables. Cuando el convertidor eléctrico es un convertidor unidireccional, el medio puente puede ser un medio puente de diodo. Cuando el convertidor eléctrico es un convertidor bidireccional, es posible que estos diodos deban sustituirse por interruptores semiconductores para permitir una transferencia de potencia hacia las entradas de fase.
También hay varias posibilidades de cómo se conectan las entradas de fase con la unidad de conmutación del inyector.
De acuerdo con una realización de la invención, la unidad de interruptor de inyector comprende dos interruptores de semiconductores conectados en serie, que están invertidos entre sí, la unidad de interruptor de inyector comprende un interruptor de semiconductor controlable interconectado en paralelo con dos pares de diodos conectados en serie y/ o la unidad de conmutación del inyector comprende un medio puente de diodos y/o conmutadores semiconductores controlables.
Según una realización de la invención, la unidad de conmutación de inyectores interconecta un punto medio del medio puente con el nodo de tensión media o la unidad de conmutación de inyectores está interconectada entre brazos del medio puente.
De acuerdo con una realización de la invención, el convertidor de salida es un convertidor de CC a CC o un convertidor de CC a CA. El convertidor de salida puede estar adaptado para convertir la tensión sinusoidal por partes proporcionado en los nodos a la salida del selector de entrada en una tensión de CC o en una tensión de CA posiblemente multifásico. En el caso de una conversión de CC a CC, el convertidor eléctrico puede usarse para sistemas de distribución de CC, centros de datos y carga de baterías.
El convertidor de salida puede tener muchas topologías posibles, por ejemplo, puede ser o puede comprender al menos uno de: un convertidor reductor o elevador simple, un convertidor reductor-elevador, un convertidor reductorelevador no inversor, un convertidor SEPIC, un convertidor Cuk, un convertidor reductor-elevador inversor y/o convertidores reductores o elevadores intercalados.
Según una realización de la invención, el convertidor de salida comprende medios puentes de tres niveles; y/o en el que los medios puentes están basados en NPC o en tipo T.
Según una realización de la invención, el convertidor de salida es un convertidor de salida aislado que comprende un transformador entre dos unidades de subconvertidor.
De acuerdo con una realización de la invención, se proporciona un filtro de modo común en una salida del convertidor de salida. Por ejemplo, el convertidor de salida puede tener dos salidas de CC, que pueden estar acopladas con un inductor de modo común y/o un condensador de modo común.
De acuerdo con una realización de la invención, un punto de estrella de los condensadores que interconectan el nodo de tensión superior, el nodo de tensión media y el nodo de tensión inferior está conectado con el filtro de modo común. Por ejemplo, el filtro de modo común puede comprender dos condensadores de modo común conectados en serie, que están interconectando dos salidas del convertidor de salida. El punto entre los dos condensadores puede estar conectado al punto de estrella de los condensadores que interconectan el nodo de tensión superior, el nodo de tensión media y el nodo de tensión inferior.
Otro aspecto de la invención se refiere a un método para controlar un convertidor eléctrico como se describe anteriormente y a continuación. El método es realizado por un controlador, que en base a las mediciones en el convertidor eléctrico determina los instantes de conmutación de los interruptores semiconductores del convertidor eléctrico.
Las mediciones pueden proporcionar información sobre corrientes como corrientes de entrada, corrientes intermedias y/o corrientes de salida, así como tensiones, como tensiones de entrada (red), tensiones intermedias, tensiones de capacitores y/o tensiones de salida en el convertidor eléctrico.
Debe entenderse que las características del método como se describe anteriormente y en lo que sigue pueden ser características del convertidor eléctrico como se describe en lo anterior y en lo siguiente y viceversa.
De acuerdo con las realizaciones de la invención, el método comprende: conmutar interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada de manera que el nodo de tensión superior esté conectado a la entrada de fase con la tensión más alta de la tensión de entrada de CA trifásica, el nodo de tensión más baja sea conectado a la entrada de fase con la tensión más baja de la tensión de entrada de CA trifásica, y el nodo de tensión media está conectado a la entrada de fase con una tensión entre la tensión más alta y la tensión más baja; en el que, cuando dos de las tensiones de la tensión de entrada de CA trifásica se cruzan, los interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada se conmutan de manera que las entradas de dos fases correspondientes se cortocircuitan durante un período específico para reducir las distorsiones de corriente en las entradas de fase del convertidor eléctrico.
En general, el controlador conmuta los interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada, de modo que la tensión más alta, intermedia y más baja proporcionada en las entradas de fase (por ejemplo, por una red eléctrica) se proporciona al nodo de tensión más alta, al nodo de tensión media y al nodo de tensión más baja. Además, el controlador puede cambiar los interruptores de semiconductores del convertidor de salida (por ejemplo, con un esquema PWM) de modo que las tensiones (sinusoidales por partes) en los nodos se conviertan en una tensión de salida de CC o CA.
Debido a que los capacitores del filtro de entrada se han movido de la entrada de fase del selector de tensión de entrada a su salida, es decir, entre el selector de tensión de entrada y el convertidor de salida, el selector de tensión de entrada se puede usar para mitigar las distorsiones de corriente en las entradas de fase del convertidor eléctrico. Para lograr esto, el controlador cambia los interruptores de semiconductores del selector de tensión de entrada de tal manera que, durante el cruce de las fases de entrada, las entradas de fase de las fases de cruce se cortocircuitan, lo que puede cancelar al menos parcialmente las distorsiones de corriente.
Debe entenderse que el cruce de fases no sólo puede estar relacionado con el punto en el que las dos tensiones de fase son iguales, sino también con la proximidad de este punto, por ejemplo, un intervalo de tiempo.
De acuerdo con las realizaciones de la invención, el convertidor eléctrico comprende inductores de fase, cada inductor de fase interconectado entre una entrada de fase del convertidor eléctrico y una entrada de fase respectiva del selector de tensión de entrada, en el que las dos entradas de fase del convertidor eléctrico y el correspondiente los inductores de fase se cortocircuitan de tal manera que una tensión promedio de una tensión entre las entradas de fase correspondientes del selector de tensión de entrada es igual a una tensión de red proporcionado entre las dos entradas de fase del convertidor eléctrico.
El convertidor eléctrico comprende inductores de fase en sus entradas de fase, que junto con los condensadores a la salida del selector de tensión de entrada pueden formar un filtro eléctrico dividido. Durante el cortocircuito de dos fases, las tensiones en las entradas de fase del convertidor eléctrico pueden igualarse a través de los inductores de fase de tal manera que se genera una corriente inversa a una distorsión de corriente, lo que mitiga la distorsión de corriente.
De acuerdo con las realizaciones de la invención, la duración específica durante la cual las entradas de dos fases están en cortocircuito se determina de tal manera que durante cada ciclo de conmutación de un esquema de modulación PWM del convertidor de salida, la tensión promedio es igual a una tensión de red proporcionada entre las dos entradas bifásicas del convertidor eléctrico. De este modo, el cortocircuito tiene lugar en cada ciclo de conmutación, es decir, el interruptor correspondiente del selector de tensión de entrada se activa y desactiva en cada ciclo de conmutación.
De acuerdo con una realización de la invención, el tiempo en el que las dos entradas de fase se cortocircuitan se determina en base al tiempo en el que un interruptor semiconductor de un convertidor CC-CC del lado de salida se conmuta en base a un esquema de modulación PWM. En otras palabras, el tiempo de conmutación no se determina al comienzo del ciclo de conmutación sino al tiempo de conmutación del convertidor de salida.
Las características anteriores del método de control se han descrito con respecto a la conversión unidireccional con transferencia de energía en la dirección desde el selector de entrada de tensión hasta el convertidor de salida. En el caso de que el convertidor eléctrico sea un convertidor bidireccional, también es posible una transferencia de energía en la dirección inversa y las distorsiones de corriente pueden mitigarse mediante la conmutación correspondiente de interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada.
Estos y otros aspectos de la invención serán evidentes y se aclararán con referencia a las realizaciones descritas a continuación.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
El objeto de la invención se explicará con más detalle en el siguiente texto con referencia a ejemplos de realización que se ilustran en los dibujos adjuntos.
La figura 1 muestra esquemáticamente un convertidor unidireccional según una realización de la invención. La figura 2 muestra esquemáticamente un convertidor bidireccional según una realización de la invención.
Las figuras 3A, 3B, 3C, 3D muestran esquemáticamente realizaciones de selectores de tensión de entrada para un convertidor eléctrico según una realización de la invención.
Las figuras 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F muestran esquemáticamente realizaciones de convertidores de salida para un convertidor eléctrico según una realización de la invención.
Las figuras 5A, 5B, 5C, 5D muestran esquemáticamente realizaciones de convertidores de salida para un convertidor eléctrico según una realización de la invención.
Las figuras 6A, 6B muestran esquemáticamente realizaciones de convertidores de salida para un convertidor eléctrico según una realización de la invención.
Las figuras 7A, 7B muestran esquemáticamente realizaciones de convertidores de salida para un convertidor eléctrico según una realización de la invención.
La figura 8 muestra un diagrama con tensiones, corrientes y estados de conmutación durante un cruce de tensiones bifásicas, que ilustra un método de control según una realización de la invención.
La figura 9 muestra un diagrama con tensiones y estados de conmutación durante un ciclo de conmutación del convertidor eléctrico.
La figura 10 muestra un diagrama con tensiones, corrientes y estados de conmutación durante una oscilación completa de las fases de entrada, que ilustra un método de control según una realización de la invención.
La figura 11 muestra esquemáticamente un convertidor según otra realización de la invención.
En principio, las piezas idénticas se proporcionan con los mismos símbolos de referencia en las figuras.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE REALIZACIONES EJEMPLARES
La figura 1 muestra un convertidor eléctrico 10 que comprende dos etapas convertidoras 12, 14 en forma de un selector de tensión de entrada 12 y un convertidor de salida 14. El convertidor eléctrico 10 de la figura 1 es un convertidor de CA a CC que tiene entradas trifásicas a, b, c para conectarse a una red eléctrica y dos salidas de CC p, n, que, por ejemplo, pueden conectarse con una barra colectora de CC de una estación de carga de baterías. El selector de tensión de entrada 12 también tiene entradas trifásicas a, b, c, que están interconectadas a través de los inductores de fase Lf con las entradas de fase a, b, c, y tres salidas x, y, z. Estas salidas pueden verse como un nodo de tensión superior x, un nodo de tensión media y un nodo de tensión inferior z.
El selector de tensión de entrada 12 conecta el nodo de tensión superior x a la entrada de fase a, b, c con la tensión más alta de la tensión de entrada de CA trifásica, el nodo de tensión inferior z a una entrada de fase a, b, c con la tensión más baja de la tensión de entrada de CA trifásica, y el nodo de tensión media y a la entrada de fase a, b, c que tiene una tensión entre la tensión más alta y la tensión más baja. Para lograr esto, el selector de tensión de entrada 12 comprende tres patas selectoras 16, cada una de las cuales interconecta una de las entradas de fase a, b, c con los nodos x, y, z.
Cada pata selectora 16 comprende un medio puente 18 (en el caso de la figura 1 de diodos) que interconecta los nodos x y z, y una unidad de interruptor de inyector 20 (Saya, Sbyb y Scyc) conectado al nodo y.
Las salidas x, y, z del selector de tensión de entrada 16 son las entradas del convertidor de salida 14, que en la realización de la figura 1 comprende dos convertidores reductores de CC-CC y un condensador de salida de CC Cpn. Los interruptores del convertidor de salida 14 se conectan con un esquema PWM (modulación de ancho de pulso) para generar una tensión de CC entre las salidas p, n.
Tres condensadores de CA Cx, Cy, Cz están conectados entre los nodos x, y, z. Tenga en cuenta que en la figura 1, los condensadores Cx, Cy, Cz están conectados en estrella, mientras que en la figura 2 los condensadores Cx, Cy, Cz están conectados en delta. Sin embargo, también es posible una conexión en triángulo en la figura 1 o una conexión en estrella en la figura 2. En general, los tres condensadores Cx, Cy, Cz debe tener la misma capacitancia para cargar simétricamente la red de CA. Esto puede ser necesario ya que las tensiones en los nodos x, y y z son sinusoidales por partes y forman un sistema trifásico dentro de cada sector de 60° de la tensión de entrada de CA. Los inductores de fase y los condensadores Cx, Cy, Cz puede verse como un filtro eléctrico que se divide en dos partes por el selector de tensión de entrada 12.
La estructura del circuito propuesto con los capacitores en el lado de salida del selector de tensión de entrada 12 tiene varias ventajas: Acorta los bucles de conmutación de los convertidores de salida 14, lo que significa que no se requieren condensadores adicionales. Además, las corrientes ix, iy e iz que fluyen a través del selector de tensión de entrada 12 son continuos con estos condensadores de filtro Cx, Cy, Cz. Esto conduce a una reducción de las pérdidas por conducción en los interruptores del selector de tensión de entrada 12. Además, los capacitores desacoplan las operaciones de conmutación del selector de tensión de entrada 12 y el convertidor de salida 14. Finalmente, en el circuito propuesto, las distorsiones en las corrientes de entrada del lado de CA ia, ib e ic puede evitarse modulando adecuadamente los interruptores en el selector de tensión de entrada 12 como se describe a continuación y anteriormente.
La figura 1 muestra un convertidor unidireccional 10, mientras que la figura 2 muestra un convertidor bidireccional 10, en el que los diodos en el selector de tensión de entrada 12 y el convertidor de salida 14 se han complementado con interruptores semiconductores controlables. Se puede obtener una solución bidireccional completa conectando interruptores activos en paralelo con los diodos y conectando diodos en paralelo con los interruptores activos existentes.
Además, como se muestra en la figura 2, es posible que las salidas x, y, z del selector de tensión de entrada 12 estén conectadas a través de los inductores Lf con los condensadores Cx, Cy, Cz. Así, todo el filtro LC eléctrico puede disponerse entre el selector de tensión de entrada 12 y el convertidor de salida.
Las figuras 3A, 3B, 3C, 3D muestran diferentes variantes de un selector de tensión de entrada unidireccional 12a, 12b, 12c, 12d, que puede usarse en la figura 1. 12a y 12c pueden hacerse bidireccionales conectando interruptores activos en paralelo con los diodos Dax, Dbx, Dcx, Dza, Dzb y Dzc.
En el selector de tensión de entrada 12a, la unidad de interruptor de inyector 20 está conectada a través de un punto medio del respectivo medio puente 18 con el nodo y. En el selector de entrada 12b, la unidad de conmutación del inyector 20 está integrada en el respectivo medio puente 18.
Mientras que las unidades de interruptor de inyector 20 de las figuras 1 y 2 tienen dos interruptores conectados en antiserie, las unidades de interruptor de inyector 20 de las figuras 3A y 3b tienen un interruptor interconectado con cuatro diodos.
Las figuras 3C y 3D muestran el selector de tensión de entrada 12c y 12d con un medio puente adicional usado como unidad de interruptor de inyector 20 por pata selectora 16. En la figura 3C, un medio puente activo 18 está conectado a la entrada de fase, mientras que un medio puente pasivo (diodo) 20 está conectado al nodo de tensión media y. La figura 3D es viceversa.
Las figuras 4A a 4D muestran realizaciones adicionales 14a a 14f para la etapa del convertidor de salida que proporciona una tensión de salida de CC en las salidas p, n. Nuevamente, se puede obtener un convertidor bidireccional completo 10 conectando interruptores activos en paralelo con los diodos del circuito y conectando diodos en paralelo con los interruptores activos existentes.
En general, el convertidor de salida 14 puede ser o puede comprender un convertidor elevador 14a, un convertidor elevador no inversor 14b, un convertidor SEPIC 14c, un convertidor Cuk 14d con tensión de salida inversa, un convertidor reductor-elevador inversor 14e con tensión de salida inversa, y/o dos convertidores reductores intercalados 14f.
Las figuras 5A a 5D muestran realizaciones adicionales 14g a 14j para la etapa del convertidor de salida que proporciona una tensión de salida de CC en las salidas p, n en base a topologías de circuito de tres niveles. Mediante el uso de topologías de circuito de tres niveles para la etapa del convertidor de salida, se puede construir una solución de circuito con polaridad de tensión de salida conmutable. Los convertidores de salida 14g y 14h solo admiten la transferencia de energía de CA a CC, lo que significa que, si se invierte la potencia de salida, la corriente de carga también debe invertirse. Si se agregan diodos adicionales como se muestra con los convertidores de salida 14i y 14j, es posible la transferencia de energía bidireccional, siempre que también se use un selector de tensión de entrada bidireccional 12. Los convertidores de salida 14g y 14i están basados en NPC (punto neutro fijado), mientras que 14h y 14j están basados en tipo T.
Los convertidores de salida 14a a 14j (y también 14m y 14n a continuación) no son aislantes.
Las figuras 6A y 6B muestran convertidores de salida de aislamiento 14k, 141, que comprenden un transformador de aislamiento 22 entre dos subconvertidores 24. En el convertidor de salida 14k, se utiliza una configuración de puente completo basada en NPC y en el convertidor de salida 141 se utiliza una configuración de tipo T de interruptores en el lado primario del transformador. En el lado secundario del transformador, se implementa un circuito de puente completo convencional activo, sin embargo, también se puede implementar un puente de diodo simple.
Se pueden utilizar otras configuraciones para el circuito del lado secundario 24, como duplicador de corriente, duplicador de tensión, etc. Por ejemplo, el circuito del lado secundario puede ser como los que se muestran en la figura 6A o 6B, pero con los interruptores semiconductores reemplazados por diodos.
También puede ser posible que el convertidor eléctrico proporcione una tensión de salida monofásica o trifásica como se muestra en las figuras 7A y 7B, que muestran los convertidores de salida 14m, 14n con salida de CA. 14m es un convertidor no aislado basado en patas de puente NPC y 14n es un convertidor no aislado basado en patas de puente tipo T.
En las figuras 1 a 7B, en lugar de diodos paralelos a un interruptor semiconductor, se pueden usar diodos antiparalelos dentro de cada IGBT.
Con respecto a las figuras 8, 9 y 10, se describe un método para controlar el convertidor eléctrico 10.
En la parte superior, la figura 8 muestra un diagrama con la tensión uab entre las entradas de fase a y b, la tensión uab entre las entradas de fase a, b y la tensión uxy entre el nodo de tensión superior x y el nodo de tensión media y. La parte central de la figura 8 muestra las corrientes de fase ia e ib y la parte inferior muestra los instantes de conmutación/señales de control de los interruptores (unidades de interruptor de inyector 20) Saya, Sbyb del selector de tensión de entrada 12 e interruptores Sxp, Snz del convertidor de salida 12.
La tensión uab es cero, cuando las tensiones correspondientes en las fases a, b se cruzan. Las otras tensiones muestran que hay ondulaciones de tensión con una duración del ciclo de conmutación del convertidor de salida 14 causadas por la conmutación de los interruptores Sxp, Snz del convertidor de salida 12.
Las distorsiones de la corriente de entrada de CA pueden tener una contribución significativa a la corriente THD del convertidor eléctrico 10. Estas distorsiones pueden evitarse modulando adecuadamente los interruptores en el selector de tensión de entrada 12 como se describe a continuación.
En el caso, los condensadores Cx, Cy, Cz estaría interconectando las entradas de fase a B C del selector de tensión de entrada 12, la causa de las distorsiones de corriente es la ondulación de la tensión de frecuencia de conmutación a través de estos capacitores y el hecho de que las tensiones uxy y uyz no puede ser negativo.
Por lo tanto, los condensadores de filtro Cx, Cy, Cz se han movido al lado de CC del selector de tensión de entrada 12. De tal manera, el selector de tensión de entrada 12 puede usarse para desconectar temporalmente los condensadores de filtro Cx, Cy, Cz de los inductores del filtro Lf encendiendo simultáneamente dos de las tres unidades de interruptor de inyector 20, por ejemplo, Saya y Sbyb como se muestra en la figura 8 (esto cortocircuita las entradas de fase correspondientes a y b). Por lo tanto, es posible mitigar las distorsiones de corriente alternando el segundo interruptor de inyección de modo que el promedio durante un período de conmutación de tensión uab es igual a la tensión de red, es decir uab.
Por ejemplo, la figura 8 muestra que Saya se enciende y apaga durante una serie de ciclos de conmutación antes del cruce por cero y se enciende después del cruce por cero. Por otro lado, Sbyb se enciende antes del cruce por cero y se enciende y apaga durante una serie de ciclos de conmutación después del cruce por cero.
Las siguientes consideraciones se enfocan en la transferencia de potencia desde el selector de tensión de entrada 12 hacia el convertidor de salida 14 y la intersección de ua y ub en wt=n/3. Sin embargo, pueden generalizarse para las otras cinco intersecciones (que se muestran en la figura 10) y la transferencia de energía desde el convertidor de salida 14 hacia el selector de tensión de entrada 12.
En primer lugar, se puede ver en la figura 8 que uxy aumenta mientras Sxp no conduce, lo que implica que uxy es mínimo cuando Sxp esta apagado. Por lo tanto, el apagado de Sxp se selecciona como origen para el eje de tiempo auxiliar t.
La figura 9 muestra un diagrama con un ciclo de conmutación del convertidor de salida 12. El diagrama muestra un modelo de la tensión del capacitor del filtro uxy durante la primera mitad de la primera intersección (wt ~ n/3, ua > ub). El interruptor de inyección adicional Saya se enciende a la hora T y se apaga junto con Sxp para permitir que el capacitor con uxy para cargar.
Para simplificar los cálculos analíticos u'xy se utiliza como una aproximación para uxy:
Figure imgf000008_0001
% = T ^ í dp)lf' ic-~icydl = 77 -[ 0 , - ) ( 1 - dp) + / l)C(dn - dp)] (3)
dp puede verse como el ciclo de conmutación de Sxp. La media (uab(T))7s durante un período de frecuencia de conmutación Ts de la tensión de salida del IVS uab se puede encontrar por integración:
Figure imgf000008_0002
Para evitar las distorsiones de corriente, r' debe seleccionarse de manera que (uab(T))rs es igual a la tensión de red de CA correspondiente uab que se utiliza como valor de referencia uret:
Figure imgf000008_0003
Esto implica que las distorsiones de corriente pueden mitigarse midiendo las tensiones de red y evaluando las ecuaciones (3), (5) y (6) en cada ciclo de frecuencia de conmutación. El interruptor de inyección adicional Saya luego se enciende a la hora T después de apagar Sxp.
Todas las consideraciones y cálculos dados anteriormente son válidos solo para la primera mitad de la primera intersección deslizante, es decir, para wt<n/3. En la segunda mitad (wt>n/3), la tensión de red uab se vuelve negativa, lo que implica que la tensión de salida del selector de tensión de entrada 12 también debe ser negativa, mientras que la tensión del capacitor de filtro uxy sigue siendo positiva. Esto se logra modulando Sbyb en lugar de Saya como se puede ver en la figura 9.
Al reemplazar las tensiones de la red ua y ub y los interruptores de inyección con los valores correspondientes, esto se puede generalizar para las otras dos intersecciones de tensión de red positiva (wt= 180°; 300°). Además, el concepto se puede expandir al lado negativo del convertidor de salida. 14 (Snz, dn, uyz) para mitigar las distorsiones de corriente en las intersecciones de tensiones negativas de red (wt=00 ; 120°; 240°). Las fórmulas resultantes se resumen en las siguientes tablas.
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000011_0001
La figura 10 muestra un diagrama análogo al de la figura 8. Contrariamente a la figura 8, toda una oscilación de las tensiones de entrada ua, ub, uc está representada. En la parte inferior de la figura 10, se indica que los interruptores del selector de tensión de entrada no se cambian simplemente de encendido a apagado y viceversa durante el cruce correspondiente de las tensiones de entrada de CA. Se encienden y apagan de acuerdo con el método de control descrito anteriormente, por lo tanto, las distorsiones actuales en las corrientes ia, ib, ic en las inmediaciones de los cruces son mitigados.
La figura 11 muestra otro convertidor eléctrico 10, que puede tener un selector de tensión de entrada 12 y un convertidor de salida 14 como se describe anteriormente. En la figura 11, el convertidor de salida 14 tiene un filtro de modo común 26 conectado a sus dos salidas de CC p, n. En particular, el filtro de modo común 26 comprende un inductor de modo común Lcm con un devanado en cada salida p, n y un núcleo común. Además, el filtro de modo común 26 comprende dos condensadores de modo común conectados en serie Cc m 1 , Cc m 2, que están conectando las dos salidas p, n.
El punto entre los dos condensadores Cc m 1 , Ccm 2 puede estar conectado al punto de estrella de los condensadores Cx, Cy, Cz interconectando los nodos x, y, z entre el selector de tensión de entrada 12 y el convertidor de salida 14. Puede ser posible que más inductores de filtro Lp, Ln se proporcionan en las salidas p, n y que un condensador de enlace de Ce adicional Cpn está interconectando las salidas p, n.
Si bien la invención se ha ilustrado y descrito en detalle en los dibujos y la descripción anterior, dicha ilustración y descripción deben considerarse ilustrativas o ejemplares y no restrictivas; la invención no se limita a las realizaciones descritas. Los expertos en la materia y que practican la invención reivindicada pueden entender y efectuar otras variaciones de las realizaciones descritas, a partir de un estudio de los dibujos, la descripción y las reivindicaciones adjuntas. En las reivindicaciones, la palabra "que comprende" no excluye otros elementos o pasos, y el artículo indefinido "un" o "una" no excluye una pluralidad. Un solo procesador o controlador u otra unidad puede cumplir las funciones de varios elementos enumerados en las reivindicaciones. El mero hecho de que determinadas medidas se mencionen en reivindicaciones dependientes mutuamente diferentes no indica que una combinación de estas medidas no pueda utilizarse con ventaja. Cualquier signo de referencia en las reivindicaciones no debe interpretarse como una limitación del alcance.

Claims (13)

REIVINDICACIONES
1. Un convertidor eléctrico (10), que comprende:
un selector de tensión de entrada (12) para convertir una tensión de entrada de CA trifásica provista en las entradas trifásicas (a, b, c) del convertidor eléctrico en tres tensiones intermedias provistas en un nodo de tensión superior (x), un nodo de tensión media (y) y un nodo de tensión inferior (z);
condensadores de filtro (Cx , Cy, Cz) interconectar el nodo de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z);
un convertidor de salida (14) para convertir las tres tensiones intermedias en una tensión de salida;
en el que un inductor de filtro (Lf) está interconectado en cada entrada de fase (a, b, c) y condensadores de filtro (Cx , Cy, Cz) están dispuestos solo detrás del selector de tensión de entrada desde el punto de vista de las entradas de fase (a, b, c);
en el que el nodo de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z) están conectados en estrella o en triángulo a través de los condensadores de filtro (Cx , Cy, Cz);
en el que el convertidor eléctrico comprende un controlador adaptado para conmutar interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada (12) de manera que el nodo de tensión superior (x) esté conectado a la entrada de fase (a, b, c) con la tensión más alta de las tensiones de entrada de CA trifásica, el nodo de tensión más baja (z) está conectado a la entrada de fase (a, b, c) con la tensión más baja de la tensión de entrada de CA trifásica, y el nodo de tensión media (y) está conectado a la entrada de fase (a, b, c) con una tensión entre la tensión más alta y la tensión más baja;
caracterizado por que cuando dos de las tensiones de la tensión de entrada de CA trifásica se cruzan, el controlador está configurado para cambiar los interruptores de semiconductores del selector de tensión de entrada (12) de modo que las entradas de dos fases correspondientes (a, b, c) se cortocircuitan para disminuir las distorsiones de corriente en las entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico (10);
en el que las dos entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico y los inductores de fase correspondientes se cortocircuitan de tal manera que una tensión promedio de una tensión entre las entradas de fase correspondientes (a, b, c) del selector de tensión de entrada (12) es igual a una tensión de red proporcionada entre las dos entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico (10); y
se determina una duración durante la cual las dos entradas de fase (a, b, c) están cortocircuitadas de tal manera que durante cada ciclo de conmutación de un esquema de modulación PWM del convertidor de salida, la tensión promedio es igual a una tensión de red proporcionada entre las dos fases entradas (a, b, c) del convertidor eléctrico (10).
2. El convertidor eléctrico (10) de la reivindicación 1,
en el que cada uno de los nodos de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z) están conectados a través de un inductor de filtro (Lf) con los condensadores de filtro (Cx , Cy, Cz) interconectando el nodo de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z).
3. El convertidor eléctrico (10) de la reivindicación 1 o 2,
en el que el selector de tensión de entrada (12) comprende tres patas selectoras (16) para interconectar una de las entradas de fase (a, b, c) con el nodo de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z), comprendiendo cada pata selectora (16) un medio puente (18) y una unidad de interruptor de inyector (20), el medio puente (18) conectado al nodo de tensión superior (x) y al nodo de tensión inferior (z) y la unidad de interruptor de inyector (20) conectada al nodo de media tensión (z),
4. El convertidor eléctrico (10) de la reivindicación 3,
en el que el medio puente (18) comprende diodos.
5. El convertidor eléctrico (10) de la reivindicación 3 o 4,
en el que el medio puente (18) comprende interruptores semiconductores controlables.
6. El convertidor eléctrico (10) de una de las reivindicaciones 3 a 5,
en el que la unidad de conmutación del inyector (20) comprende dos conmutadores de semiconductores conectados en serie, que están invertidos entre sí; o
en el que la unidad de interruptor de inyector comprende (20) un interruptor semiconductor controlable interconectado en paralelo con dos pares de dos diodos conectados en serie; o
en el que la unidad de conmutación del inyector (20) comprende un medio puente de diodos y/o conmutadores semiconductores controlables.
7. El convertidor eléctrico (10) de una de las reivindicaciones 3 a 6,
en el que la unidad de interruptor de inyector (20) interconecta un punto medio del medio puente (18) con el nodo de tensión media (y); o
en el que la unidad de interruptor de inyector (20) está interconectada entre los brazos del medio puente (18).
8. El convertidor eléctrico (10) de una de las reivindicaciones anteriores,
en el que el convertidor de salida es o comprende al menos uno de:
un convertidor elevador (14a),
un convertidor reductor-elevador no inversor (14b),
un convertidor SEPIC (14c),
un convertidor Cuk (14d),
un convertidor reductor-elevador inversor (14e),
convertidores reductores intercalados (14f).
9. El convertidor eléctrico (10) de una de las reivindicaciones anteriores,
en el que el convertidor de salida es un convertidor de CC a CC (14, 14a a 141) o un convertidor de CC a CA (14m, 14n); y/o
en el que el convertidor de salida es un convertidor de salida aislado (14k, 141) que comprende un transformador entre dos unidades de subconvertidor.
10. El convertidor eléctrico (10) de una de las reivindicaciones anteriores,
en el que el convertidor de salida (14g a 14j, 14m, 14n) comprende medios puentes de tres niveles; y/o en el que los medios puentes están basados en NPC o en tipo T.
11. El convertidor eléctrico (10) de una de las reivindicaciones anteriores,
en el que se proporciona un filtro de modo común (26) en una salida (p, n) del convertidor de salida (14); y opcionalmente
en el que un punto de estrella de los condensadores de filtro (Cx , Cy, Cz) interconectando el nodo de tensión superior (x), el nodo de tensión media (y) y el nodo de tensión inferior (z) se conecta con el filtro de modo común (26).
12. Un método para controlar un convertidor eléctrico (10) según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el método lo realiza el controlador del convertidor eléctrico (10) y comprende:
cambiar los interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada (12) de manera que el nodo de tensión superior (x) esté conectado a la entrada de fase (a, b, c) con la tensión más alta de la tensión de entrada de CA trifásica, el nodo de tensión más baja (z) está conectado a la entrada de fase (a, b, c) con la tensión más baja de la tensión de entrada de CA trifásica, y el nodo de tensión media (y) está conectado a la entrada de fase (a, b, c) con una tensión entre la tensión más alta y la tensión más baja;
caracterizado por
que, cuando dos de las tensiones de la tensión de entrada de CA trifásica se cruzan, los interruptores semiconductores del selector de tensión de entrada (12) se conmutan de tal manera que las entradas de dos fases correspondientes (a, b, c) se cortocircuitan para disminuir las distorsiones de corriente en las entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico (10);
que las dos entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico y los inductores de fase correspondientes se cortocircuitan de tal manera que una tensión promedio de una tensión entre las entradas de fase correspondientes (a, b, c) del selector de tensión de entrada (12) es igual a una tensión de red proporcionada entre las dos entradas de fase (a, b, c) del convertidor eléctrico (10); y
que se determina una duración durante la cual las dos entradas de fase (a, b, c) están cortocircuitadas de tal manera que durante cada ciclo de conmutación de un esquema de modulación PWM del convertidor de salida, la tensión promedio es igual a una tensión de red proporcionado entre las dos fases entradas (a, b, c) del convertidor eléctrico (10).
13. El método de la reivindicación 12,
en el que el tiempo en el que las dos entradas de fase (a, b, c) se cortocircuitan se determina en función del tiempo en el que se conmuta un interruptor semiconductor del convertidor eléctrico (10) en función de un esquema de modulación PWM.
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