MX2011002969A - Dispositivo de conversion de energia. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un convertidor de energía (100) que se proporciona con un inversor (4) para suministrar una carga con energía convirtiendo la energía de corriente directa en energía de corriente alterna; un convertidor (3) para suministrar al inversor (4) con energía convirtiendo la energía de corriente alterna suministrada de un suministro de energía de corriente alterna (1) en energía de corriente directa; un convertidor de voltaje de corriente directa (7) el cual convierte un valor de voltaje de la energía almacenada en un acumulador (8) y suministra al inversor (4) con la energía de corriente directa desde el acumulador (8) cuando el suministro de energía del suministro de energía de corriente alterna (1) es anormal; y un filtro (5), el cual incluye un reactor y un capacitor, y remueve el armónico generado por el inversor (4) El inversor (4) incluye un circuito de tres niveles compuesto de un brazo (4UA) y un conmutador de AC (4UB).

Description

DISPOSITIVO DE CONVERSION DE ENERGIA CAMPO DE LA INVENCION La presente invención se refiere a un dispositivo de conversión de energía que produce energía de AC con base en energía de DC, tal como un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible , un sistema de generación de energía solar, un sistema de generación de energía de celda de combustible, o un sistema de almacenamiento de energía de batería secundario.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION Un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible se ha usado ampliamente como un dispositivo de suministro de energía para suministrar energía de AC a una carga importante tal como un sistema de computadora en una manera estable. Por ejemplo, como se describe en la Patente Japonesa Abierta a Revisión Pública No. 2006-109603 (Documento de Patente 1) , un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible generalmente incluye un convertidor para convertir energía de AC a energía de DC, un inversor para convertir energía de DC a energía de AC, y un filtro para remover armónico generado por la operación del inversor. Usualmente, el convertidor convierte energía de AC desde un suministro de energía de AC comercial a energía de DC, y suministra la energía de DC al inversor mientras carga un dispositivo de almacenamiento de energía tal como una Ref.218433 batería de almacenamiento. El inversor convierte la energía de DC a energía de AC y suministra la energía de AC a la carga. Cuando el suministro de energía de AC comercial falla, la energía del dispositivo de almacenamiento de energía tal como una batería de almacenamiento se suministra al inversor, el cual continua el suministro de energía de AC a la carga.

Documento de Patente 1 : Patente Japonesa Abierta a Revisión Pública No. 2006-109603.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Problemas a Ser Resueltos por la Invención El filtro descrito anteriormente incluye un reactor y un capacitor. Cuando los armónicos son grandes, por ejemplo, es necesario usar un reactor que tiene una inductancia grande. Para incrementar la inductancia del reactor, por ejemplo, el número de vueltas de una bobina se puede incrementar, sin embargo, el volumen y peso de la reactancia serán incrementados. Esto causa un problema que una inductancia incrementada del reactor resulta en un volumen y peso incrementados de un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible . La Patente Japonesa Abierta a Revisión Pública No. 2006-109603, sin embargo, no describe alguna solución específica para el problema descrito anteriormente de un incremento de tamaño de un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible.

Un objeto de la presente invención es proporcionar un dispositivo de conversión de energía el cual tiene una configuración adecuada para disminución y reducción de peso. Medios para Resolver los Problemas En resumen, la presente invención es un dispositivo de conversión de energía el cual incluye un convertidor, un filtro, un suministro de energía de DC, buses negativo de DC y positivo de DC, y primero y segundo capacitores. El convertidor incluye un circuito de niveles múltiples configurado para ser capaz de la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que varía entre al menos tres valores de voltaje, y convierte la energía de DC a energía de AC para suministrar la energía de AC a una carga. El filtro incluye un reactor y un capacitor y remueve los armónicos generados por el convertidor. El suministro de energía de DC genera energía de DC. Los buses positivo de DC y negativo de DC transmiten la energía de DC al convertidor. Los primero y segundo capacitores se conectan en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC. El circuito de niveles múltiples incluye primero y segundo elementos de conmutación semiconductores, primero y segundo diodos de rueda libre, y un circuito conmutador de AC. Los primero y segundo elementos de conmutación semiconductores se conectan en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC. Los primero y segundo diodos de rueda libre se conectan en antiparalelo a los primero y segundo elementos de conmutación semiconductores, respectivamente. El conmutador de AC se conecta entre un punto neutro de los primero y segundo capacitores y un punto de conexión de los primero y segundo elementos de conmutación semiconductores.

Efectos de la Invención De acuerdo con la presente invención, se pueden realizar la disminución y reducción de peso de un dispositivo de conversión de energía.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS La Fig. 1 es un diagrama de bloque esquemático que muestra una configuración de circuito principal de un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible 100 de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Fig. 2 es un diagrama de circuito que ilustra en detalle una configuración de un convertidor 3 y un inversor 4 mostrados en la Fig. 1.

La Fig. 3 ilustra en detalle una configuración de un convertidor de voltaje de DC 7 mostrado en la Fig. 1.

La Fig. 4 muestra un inversor de fase única constituido de un circuito de dos niveles.

La Fig. 5 es un circuito equivalente de un inversor 41 mostrado en la Fig. 4.

La Fig. 6 muestra voltajes de línea del inversor 41.

La Fig. 7 es un diagrama de circuito equivalente de un conmutador de AC de fase U y un brazo de fase U (4U) así como también un conmutador de AC de fase en V y un brazo de fase en V (4V) del inversor 4 mostrado en la Fig. 2.

La Fig. 8 muestra los voltajes de línea de un inversor de tres niveles de fase única mostrado en la Fig. 7.

La Fig. 9 muestra el resultado de la simulación de corriente de reactor cuando un reactor de filtro proporcionado en el lado de salida de un inversor de dos niveles se ajusta para ser 5% y el inversor es conmutado a una frecuencia de 10 kHz .

La Fig. 10 muestra el resultado de la simulación de corriente de reactor cuando un reactor de filtro proporcionado en el lado de salida de un inversor de dos niveles se ajusta para ser 10% y el inversor es conmutado a una frecuencia de 10 kHz.

La Fig. 11 muestra el resultado de la simulación de corriente de reactor cuando un reactor de filtro proporcionado en el lado de salida de un inversor de tres niveles se ajusta para ser 5% y el inversor es conmutado a una frecuencia de 10 kHz.

La Fig. 12 muestra un espectro de frecuencia de la corriente de armónico producida por el inversor de dos niveles (Fig. 9) .

La Fig. 13 muestra un espectro de frecuencia de la corriente de armónico producida por el inversor de tres niveles (Fig. 11) .

La Fig. 14 muestra los resultados de la simulación de una fluctuación en un potencial a tierra de un inversor de dos niveles y una fluctuación en un potencial a tierra de un inversor de tres niveles.

La Fig. 15 muestra los resultados de las simulaciones de pérdidas de un inversor de dos niveles y un inversor de tres niveles.

La Fig. 16 muestra una ruptura de las pérdidas del inversor de dos niveles y el inversor de tres niveles.

La Fig. 17 muestra un configuración de un conmutador semiconductor incluido en un convertidor de voltaje de DC convencional.

La Fig. 18 muestra los patrones de conmutación de elementos IGBT Q1D a Q4D y voltajes aplicados a un reactor 22 de la Fig. 3.

La Fig. 19 muestra una forma de un dispositivo de conversión de energía de la presente invención aplicada a un sistema de cuatro cables, trifásico.

Las Figs . 20(a) y 20(c) muestran las modificaciones del conmutador de AC mostrado en la Fig. 2.

DESCRIPCION DETALLADA DE LA INVENCION Descripción de los Signos de Referencia 1 suministro de energía de AC comercial; 2 filtro de entrada, 3 convertidor, 3RA brazo de fase R, 3RB conmutador de AC de fase R; 3SA brazo de fase S; 3SB conmutador de AC de fase S; 3TA brazo de fase T; 3BT conmutador de AC de fase T; 4, 41 inversor; 4UA, 41U brazo de fase U; 4UB conmutador de AC de fase U; 4VA, 4IV brazo de fase V; 4VB conmutador de AC de fase V, 4WA brazo de fase W; 4WB conmutador de AC de fase W; 5 filtro de salida; 6 carga; 7 convertidor de voltaje de DC; 8 batería de almacenamiento; 10 dispositivo de control; 11, 11R, 11S, 11T, 15, 16, 19, 19U, 19V, 19W capacitor; 12, 12R, 12S, 12T, 18, 18U, 18V, 18 reactor; 13, 42 bus positivo de DC; 14, 43 bus negativo de DC; 17 bus de punto neutro de DC; 21, punto neutro O; 22, 22N, 22P, 45 reactor; 23, 44 conmutador semiconductor; 31, 36 sensor de voltaje; 32, 37 sensor de corriente; 33 circuito de detección de falla de energía; 100 dispositivo de suministro de energía ininterrumpible ; CA, CB, CC, CD capacitor; D1D a D4D, D1R a D4R, D1S a D4S, D1T a D4T, D1U a D4U, D1V a D4V, D1W a D4 , D3x, D4x, DA, DB, DC, DD diodo; Q1D a A4D, Q1R a Q4R, Q1S a Q4S, Q1T a Q4T, Q1U a Q4U, Q1V a Q4V, Q1W a Q4W, Q3x a Q5x, QA, QB, QC, QD elemento de IGBT; RL línea de fase R; SL línea de fase S; TL línea de fase T; UL línea de fase U; VL línea de fase V; y WL línea de fase W.

Mejores Modos para Realizar la Invención Una modalidad de la presente invención será descrita en detalle después con referencia a las figuras. Se señala que en las figuras, los mismo o correspondientes elementos tienen los mismos signos de referencia asignados, y la descripción de los mismos no será repetida.

La Fig. 1 es un diagrama de bloque esquemático que muestra una configuración de circuito principal de un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible 10.0 de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Con referencia a la Fig. 1, el dispositivo de suministro de energía ininterrumpible 100 incluye un filtro de entrada 2, un convertidor 3, un inversor 4, un filtro de salida 5, un convertidor de voltaje de DC (denotado como "DC/DC" en la figura) 7, un dispositivo de control 10, un bus positivo de DC 13, un bus negativo de DC 14, capacitores 15, 16, un bus de unto neutro de DC 17, sensores de voltaje 31, 36, sensores de corriente 32, 37, un circuito de detección de falla de energía 33, una línea de fase R RL, una línea de fase S, y una línea de fase T TL.

El filtro de entrada 2 previene la fuga de armónicos a un suministro de energía de AC comercial 1. El suministro de energía de AC comercial 1 es un suministro de energía de AC trifásica. El filtro de entrada 2 es un circuito de filtro de LC trifásica constituido de un capacitor 11 (capacitores 11R, 11S, 11T) y un reactor 12 (reactores 12R, 12S, 12T) .

El convertidor 3 convierte la energía de AC trifásica suministrada del suministro de energía de AC comercial 1 vía el filtro de entrada 2 energía de DC y suministra la energía de DC al inversor 4 vía el bus positivo de DC 13 y bus negativo de DC 14. El inversor 4 convierte la energía de DC del convertidor 3 en energía de AC trifásica. Como se describirá más tarde, el convertidor 3 e inversor 4 están cada uno constituido de un circuito de tres niveles. El convertidor 3 e inversor 4 se conectan entre si vía el bus positivo de DC 13, bus negativo de DC 14, y bus de punto neutro de DC 17.

Los capacitores 15, 16 se conectan en serie entre el bus positivo de DC 13 y bus negativo de DC 14 y alisan el voltaje a través del bus positivo de DC 13 y bus negativo de DC 14. Un punto de conexión de los capacitores 15, 16 es un punto neutro 21, al cual el bus de punto neutro de DC 17 se conecta.

La energía de AC del inversor 4 se suministra a una carga 6 vía el filtro de salida 5. El filtro de salida 5 remueve los armónicos generados por la operación del inversor 4. El filtro de salida 5 es un circuito de filtro de LC trifásico constituido de un reactor 18 (reactores 18U, 18V, 18W) y un capacitor 19 (capacitores 19U, 19V, 19W) .

El convertidor de voltaje de DC 7 realiza la conversión entre un voltaje de DC a través del bus positivo de DC 13 y bus negativo de DC 14 y un voltaje de una batería de almacenamiento 8. Se señala que solamente es necesario que un dispositivo de almacenamiento de energía que se puede cargar y descargar se conecte al convertidor de voltaje de DC 7, y por ejemplo, un capacitor de doble capa eléctrico se puede conectar al convertidor de voltaje de DC 7. Además, aunque la batería de almacenamiento 8 se instala fuera del dispositivo de suministro de energía ininterrumpible 100 en la presente modalidad, la batería de almacenamiento 8 puede estar contenida en el dispositivo de suministro de energía ininterrumpible 100.

El sensor de voltaje 31 detecta un voltaje VR de la línea de fase R, un voltaje VS de la línea de fase S, y un voltaje VT de la línea de fase T, y produce señales de voltaje trifásico que indican a los voltajes respectivos VR, VS y VT controlar el dispositivo 10 y circuito de detección de falla de energía 33. El sensor de corriente 32 detecta la corriente IR de la línea de fase R, la corriente IS de la línea de fase S, y corriente IT de la línea de fase T y produce señales de corriente trifásica que indican a las corrientes respectivas IR, IS e IT controlar el dispositivo 10.

El circuito de detección de falla de energía 33 detecta la falla de energía del suministro de energía de AC comercial 1 con base en la señal de voltaje trifásico del sensor de voltaje 31. El circuito de detección de falla de energía 33 produce una señal de falla de energía que indica a la falla de energía del suministro de energía de AC comercial 1 controlar el dispositivo 10. El sensor de voltaje 36 detecta un voltaje VB a través de los electrodos positivos y negativos de la batería de almacenamiento 8 y produce una señal que indica al voltaje VB controlar el dispositivo 10. El sensor de corriente 37 detecta una corriente IB ingresada a y producida de la batería de almacenamiento 8 y produce una señal que indica a la corriente IB controlar el dispositivo 10.

El dispositivo de control 10 controla las operaciones del convertidor 3, inversor 4 y convertidor de voltaje de DC 7. Aunque la descripción detallada será proporcionada más tarde, el convertidor 3, inversor 4 y convertidor de voltaje de DC 7 están cada uno constituidos de un conmutador semiconductor que incluye un elemento de conmutación semiconductor. Se señal que en la presente modalidad, un IGBT (Transistor Bipolar de Compuerta Aislada) se emplea como el elemento de conmutación semiconductor. Además, en la presente modalidad, el control de PWM (Modulación por Anchura de Impulso) se puede adoptar como un método para controlar el elemento de conmutación semiconductor. El dispositivo de control 10 realiza el control de PWM, en la recepción de las señales de voltaje trifásico del sensor de voltaje 31, las señales de corriente trifásica del sensor de corriente 32, la señal de falla del circuito de detección de falla de energía 33, la señal que indica el voltaje VB detectado por el sensor de voltaje 36, la señal que indica la corriente IB detectada por el sensor de corriente 37, y similares.

Una operación del dispositivo de suministro de energía ininterrumpible 100 de acuerdo con la presente modalidad ahora será descrita. Cuando el suministro de energía de AC comercial 1 puede suministrar normalmente energía de AC, el convertidor 3 convierte la energía de AC del suministro de energía de AC comercial 1 en energía de DC y el inversor 4 convierte la energía de DC en energía de AC y suministra la energía de AC a la carga 6. El convertidor de voltaje de DC 7 convierte el voltaje de DC del convertidor 3 en un voltaje adecuado para cargar la batería de almacenamiento 8, de modo que la batería de almacenamiento 8 se carga. Por otra parte, cuando el suministro de energía de AC comercial falla, el dispositivo de control 10 detiene el convertidor 3 con base en la señal de falla de energía del circuito de detección de falla de energía 33. Además, el dispositivo de control 10 opera el convertidor de voltaje de DC 7 de modo que la energía de DC se suministra desde la batería de almacenamiento 8 al inversor 4, causando así que el inversor 4 continúe el suministro de energía de AC. En este caso, el convertidor de voltaje de DC 7 convierte el voltaje de la batería de almacenamiento 8 en un voltaje adecuado como un voltaje de entrada para el inversor 4. Por consiguiente, la energía de AC se puede suministrar a una carga de AC en una manera estable .

La Fig. 2 es un diagrama de circuito que ilustra en detalle una configuración del convertidor 3 e inversor 4 mostrados en la Fig. 1. Con referencia a la Fig. 2, el convertidor 3 incluye un brazo de fase R 3RA, un conmutador de AC de fase R 3RB, un brazo de fase S 3SA, un conmutador de AC de fase S 3SB, un brazo de fase T 3tA, y un conmutador de AC de fase T 3TB. El inversor 4 incluye un brazo de fase U 4UA, un conmutador de AC de fase U 4UB, un brazo de fase V 4VA, un conmutador de AC de fase V 4VB, un brazo de fase 4WA, y un conmutador de AC de fase W 4WB .

Cada fase del convertidor 3 tiene el brazo (3RA, 3SA, 3TA) y el conmutador de AC (3RB, 3SB, 3TB) que se configuran como un circuito de tres niveles, el cual incluye cuatro elementos de IGBT y cuatro diodos. Cada fase del inversor 4 tiene el brazo (3UA, 3VA, 3 A) y el conmutador de AC (3UB, 3VB, 3 B) que se configuran como un circuito de tres niveles, el cual incluye cuatro elementos de IGBT y cuatro diodos .

Específicamente, el brazo de fase R 3RA incluye elementos de IGBT Q1R, Q2R y diodos DIR, D2R. El conmutador de AC de fase R 3RB incluye elementos de IGBT Q3R, Q4R y diodos D3R, D4R. El brazo de fase S 3SA incluye elementos de IGBT Q1S, Q2S y diodos D1S, D2S. El conmutador de AC de fase S 3RB incluye elementos de IGBT Q3S, Q4S y diodos D3S, D4S. El brazo de fase T 3TA incluye elementos de IGBT Q1T, Q2T y diodos D1T, D2T. El conmutador de AC de fase T 3TB incluye elementos de IGBT Q3T, Q4T y diodos D3T, D4T.

El brazo de fase U 4UA incluye elementos de IGBT Q1U, Q2U y diodos D1U, D2U. El conmutador de AC de fase U 4UB incluye elementos de IGBT Q3U, Q4U y diodos D3U, D4U. El brazo de fase V 4VA incluye elementos de IGBT Q1V, Q2V y diodos D1V, D2V. El conmutador de AC de fase V 4VB incluye elementos de IGBT Q3V, Q4V y diodos D3V, D4V. El brazo de fase W 4WA incluye elementos de IGBT Q1W, Q2W y diodos D1 , D2W. El conmutador de AC de fase W 4WB incluye elementos de IGBT Q3W, Q4W y diodos D3W, D4W.

Después, para describir colectivamente el brazo y el conmutador de AC de cada fase del convertidor 3 y el brazo y el conmutador de AC de cada fase del inversor 4, los caracteres de referencia R, S, T, U, V, y W son denotados colectivamente como un carácter de referencia Mx" . Los elementos de IGBT Qlx, Q2x se conectan en serie entre el bus positivo de DC 13 y bus negativo de DC 14. El elemento de IGBT Q3x tiene un colector conectado a un punto de conexión de elementos de IGBT Qlx, Q2x, el elemento de IGBT Q3x tiene un emisor conectado a un emisor del elemento de IGBT Q4x, y el elemento de IGBT Q4x tiene un colector conectado al punto neutro 21. Los diodos D3x, D4x se conectan en anti-paralelo a los elementos de IGBT Q3x, Q4x, respectivamente. Los diodos Dlx, D2x funcionan como diodos de rueda libre, y los diodos D3x y D4x funcionan como diodos de protección.

En el brazo ( 3RA, 3SA, 3TA) y el conmutador de AC (3RB, 3SB, 3TB) de cada fase del convertidor 3, el punto de conexión de los elementos de IGBT Qlx, Q2x corresponde a una terminal de entrada de AC, y el colector del elemento de IGBT Q4x corresponde a una terminal de salida de DC . En contraste, en el brazo (4UA, 4VA, 4TA) y el conmutador de AC (3UB, 3VB, 3WB) de cada fase del inversor 4, el colector del elemento de IGBT Q4x corresponde a una terminal de entrada de DC, y el punto de conexión de los elementos de IGBT Qlx, Q2x corresponde a una terminal de salida de AC. La terminal de entrada de AC de cada fase del convertidor 3 se conecta a una línea correspondiente (línea de fasé R RL, línea de fase S SL, línea de fase T TL) , y la terminal de salida de AC de cada fase del inversor 4 se conecta a una línea correspondiente (una línea de fase U UL, una línea de fase V VL, una línea de fase W WL) . La terminal de salida de DC de cada fase del convertidor 3 y la terminal de entrada de DC de cada fase del inversor 3 se conectan al punto neutro 21.

La Fig. 3 ilustra en detalle una configuración del convertidor de voltaje de DC 7 mostrado en la Fig. 1. Con referencia a la Fig. 3, el convertidor de voltaje de DC 7 incluye un reactor 22 y un conmutador semiconductor 23. El conmutador semiconductor 23 incluye elementos de IGBT QID a Q4D conectados en serie entre el bus positivo de DC 13 y bus negativo de DC 14 y diodos D1D a D4D conectados en anti-paralelo a elementos de IGBT QID a Q4D, respectivamente.

En el conmutador de semiconductor 23, a un punto de conexión de los elementos de IGBT QID, Q2D, se conecta un extremo de un reactor 22P, y a un punto de conexión de los elementos de IGBT Q3D, Q4D, se conecta un extremo de un reactor 22N. El reactor 22P tiene el otro extremo conectado a la terminal positiva de la batería dé almacenamiento 8, y el reactor 22N tiene el otro extremo conectado a la terminal negativa de la batería de almacenamiento 8.

Como se describió anteriormente, un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible 100 de acuerdo con la presente modalidad, el convertidor 3 e inversor 4 están cada uno constituidos de un circuito de tres niveles. En un dispositivo de conversión de energía convencional, generalmente, un inversor está constituido de un circuito de dos niveles para el propósito de reducir el número de elementos de conmutación semiconductores, y similares. En un inversor constituido de un circuito de tres niveles, se puede lograr más supresión de los armónicos que aquella en el dispositivo de conversión de energía convencional.

La Fig. 4 muestra un inversor de fase único constituido de un circuito de dos niveles. Con referencia a la Fig. 4, un inversor 41 incluye un brazo de fase U 41U y un brazo de fase V 4IV. El brazo de fase U 41U y brazo de fase V 41V se conectan en paralelo entre un bus positivo de DC 42 y un bus negativo de DC 43 y tienen configuraciones idénticas entre si. El brazo de fase U 41U incluye elementos de IGBT QA, QB conectados en serie entre el bus positivo de DC 42 y bus negativo de DC 43 y diodos DA, DB conectados en anti -paralelo a elementos de IGBT QA, QB, respectivamente. A un punto de conexión de los elementos de IGBT QA, QB, se conecta la línea de fase U UL. El brazo de fase V 41V tiene una configuración en la cual la línea de fase U UL en la configuración descrita anteriormente del brazo de fase U 41U se reemplaza con la línea de fase V VL.

Entre el bus positivo de DC 42 y bus negativo de DC 43, los capacitores CA, CB se conectan en serie. Un punto neutro O es un punto de conexión de capacitores CA, CB . Un voltaje a través del capacitor CA y un voltaje a través del capacitor CB son ambos E/2 (E es un valor predeterminado) .

La Fig. 5 es un circuito equivalente del inversor 41 mostrado en la Fig. 4. Con referencia a la Fig. 5, el brazo de fase U 41U es equivalente a un conmutador para la conmutación si la línea de fase U UL será conectada al bus positivo de DC 42 o al bus negativo de DC 43. Considerando que el punto neutro 0 está conectado a tierra, la línea de fase U UL tiene un voltaje Vu el cual conmuta entre E/2 y -E2 en la operación del conmutador. La línea de fase V VL tiene un voltaje Vv el cual varía de la misma manera como el voltaje Vu. De esta forma, un circuito de dos niveles convierte un voltaje de DC E a un voltaje de AC que tiene dos valores (E/2, -E/2).

La Fig. 6 muestra los voltajes de línea del inversor 41. Con referencia a la Fig. 6, el voltaje de línea (diferencia entre el voltaje Vu y voltaje Vv) conmuta entre E, 0 y -E. En un inversor constituido de un circuito de dos niveles (inversor de dos niveles), el intervalo de variación mínimo de un voltaje de línea es igual al voltaje E.

La Fig. 7 es un diagrama de circuito equivalente del brazo de fase U y el conmutador de AC de fase U (4U) así como también el brazo de fase V y el conmutador de AC de fase V (4V) del inversor 4 mostrados en la Fig. 2. Con referencia a la Fig. 7, el brazo de fase U y el conmutador de AC de fase U (4U) son equivalentes a un conmutador para la conmutación si la línea de fase U UL será conectada al bus positivo de DC 13 o al punto neutro 21 o al bus negativo de DC 14. La operación de este conmutador causa que el voltaje Vu de la línea de fase U UL conmute entre E/2, 0 y -E/2. La línea de fase V VL tiene el voltaje Vv el cual varía de la misma manera como el voltaje Vu. De esta forma, un circuito de tres niveles es un circuito capaz de la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que tiene tres valores.

La Fig. 8 muestra los voltajes de línea de un inversor de tres niveles de fase única mostrado en la Fig. 7. Con referencia a la Fig. 7, el voltaje de línea (diferencia entre el voltaje Vu y el voltaje Vv) conmuta entre E, E/2, 0, -E/2 y -E. En un inversor constituido de un circuito de tres niveles (inversor de tres niveles) , el intervalo de variación mínimo de un voltaje de línea es igual a E/2.

Se puede ver de las Figs . 6 y 8 que un inversor de tres niveles tiene un intervalo de variación menor de un voltaje de línea que aquel de un inversor de dos niveles. Cuanto menor es el intervalo de variación de un voltaje de línea, tanto más forma de onda minuciosamente variada tiene un voltaje de salida de un inversor, de modo que la forma de onda más cercana a una onda sinusoidal se puede obtener. Una forma de onda de voltaje más cercana a una onda sinusoidal permite armónicos menores generados por la operación del inversor. Por lo tanto, en un inversor de tres niveles, se puede lograr más reducción de armónicos que aquella en un inversor de dos niveles .

La Fig. 9 muestra el resultado de la simulación de la corriente de reactor cuando un reactor de filtro proporcionado en el lado de salida de un inversor de dos niveles se ajusta para ser 5% y el inversor es conmutado a una frecuencia de 10 kHz. La Fig. 10 muestra el resultado de la simulación de la corriente de reactor cuando un reactor de filtro proporcionado en el lado de salida de un inversor de dos niveles se ajusta para ser 10% y el inversor es conmutado a una frecuencia de 10 kHz. Comparando las distorsiones de armónico totales (THDs) de acuerdo con las simulaciones en las Figs . 9 y 10, mientras la THD fue 6.4% cuando una inductancia de reactor fue 5%, la inductancia de reactor incrementada a 10% resulta en una THD disminuida de 3.2%.

La THD representa la relación de la suma de los valores efectivos de los componentes de armónico al valor efectivo de una onda fundamental. Una THD menor significa componentes de armónico menores. Las Figs. 9 y 10 muestran que la inductancia de reactor incrementada resulta en una THD menor. Una vez que una inductancia de reactor se incrementa para obtener componentes de armónico menores, sin embargo, es necesario, por ejemplo, incrementar el número de vueltas de una bobina, lo cual causa un problema de un volumen y peso incrementados del reactor.

La Fig. 11 muestra el resultado de la simulación de la corriente de reactor cuando un reactor de filtro proporcionado en el lado de salida de un inversor de tres niveles se ajusta para ser 5% y el inversor es conmutado a una frecuencia de 10 kHz . Con referencia a la Fig. 11 y Fig. 9, se puede ver que si los reactores de filtro tienen la misma inductancia, en un inversor de tres niveles, se puede lograr más supresión de los componentes de armónico que aquella en un inversor de dos niveles. En el resultado de la simulación mostrado en la Fig. 11, la THD fue 3.2%.

La Fig. 12 muestra un espectro de frecuencia de la corriente de armónico producida por el inversor de dos niveles (Fig. 9) . La Fig. 13 muestra un espectro de frecuencia de la corriente de armónico producida por el inversor de tres niveles (Fig. 11) . Con referencia a las Figs . 12 y 13, se puede ver que sin considerar la frecuencia, en un inversor de tres niveles, se puede lograr más supresión de armónicos que aquella en un inversor de dos niveles. Se señala que los espectros de frecuencia de las Figs. 12 y 13 fueron obtenidos a través de simulaciones. En las simulaciones, un voltaje de DC introducido a los inversores fue 500 V, una carga fue un voltaje de resistencia trifásico de 10 kW, y un voltaje de salida (voltaje de línea) fue 208 Vrms .

De esta forma, de acuerdo con la presente modalidad, en un inversor constituido de un circuito de tres niveles, se puede lograr la reducción de armónicos generados por el inversor. Esto permite el uso de un reactor que tiene una pequeña inductancia para un filtro, y el volumen y peso del reactor se pueden reducir. Por lo tanto, de acuerdo con la presente modalidad, se pueden realizar la disminución y reducción de peso de un dispositivo de conversión de energía.

Adicionalmente , en la presente modalidad, un inversor constituido de un circuito de tres niveles proporciona los siguientes efectos. En un dispositivo de conversión de energía, se conecta una batería de almacenamiento y similar que tiene una gran capacidad, como un suministro de energía de DC, a un capacitor de DC del lado de entrada de un inversor. Durante la operación del inversor, cuando una fluctuación en un potencial a tierra llega a ser grande, una capacitancia de fuga grande de un circuito de DC causa que la cantidad de ruido generado llegue a ser más grande. Si el inversor 4 estuviera constituido de un inversor de dos niveles, el inversor podría tener un intervalo de variación más grande del voltaje de salida, y por lo tanto podría tener una fluctuación más grande en un potencial a tierra. En la presente modalidad, sin embargo, el inversor 4 está constituido de un inversor de tres niveles, logrando un intervalo de variación menor de su voltaje de salida en comparación con el caso de un inversor de dos niveles. Puesto que la fluctuación menor de un potencial a tierra se puede lograr, la reducción de la cantidad de ruido generado se puede lograr.

La Fig. 14 muestra los resultados de la simulación de una fluctuación de un potencial a tierra de un inversor de dos niveles y una fluctuación de un potencial a tierra de un inversor de tres niveles. En las simulaciones, un voltaje de DC introducido a los inversores fue ajustado para ser 360V. Con referencia a la Fig. 14, cuando una fluctuación de un potencial a tierra en el inversor de dos niveles es 1 [p.u.], una fluctuación de un potencial a tierra en el inversor de tres niveles es 0.5 [p.u.] . Como se muestra en la Fig. 14, en un inversor de tres niveles, se puede lograr la reducción de una fluctuación en un potencial a tierra.

Además, de acuerdo con la presente modalidad, se puede lograr la reducción de la pérdida del inversor 4. Específicamente, la pérdida del inversor 4 es la pérdida de conducción (pérdida de conducción de cada uno de los elementos de IGBT y diodos) y la pérdida de conmutación de un elemento de IGBT.

La Fig. 15 muestra los resultados de la simulación de pérdidas de un inversor de dos niveles y un inversor de tres niveles. La Fig. 16 muestra una ruptura de las pérdidas del inversor de dos niveles y el inversor de tres niveles. En estas simulaciones, un voltaje de entrada de DC fue 600 V, una frecuencia de conmutación fue 10 kHz, un voltaje de salida de AC (voltaje de línea) fue 380 Vrms, y el tamaño de una carga fue 275 k . Se señala que los elementos de IGBT incluidos en el inversor de dos niveles fueron productos de 1200V-600A, mientras que los elementos de IGBT incluidos en el inversor de tres niveles fueron productos de 600V-600A.

Con referencia a las Figs . 15 y 16, la pérdida total del inversor de tres niveles fue 68% de la pérdida total del inversor de dos niveles. Esto es debido a una pérdida de conmutación reducida. Como se muestra en la Fig. 15, el inversor de tres niveles tiene una pérdida de conmutación menor que aquella del inversor de dos niveles (43%) . Esto es debido a que en un inversor de tres niveles, un voltaje aplicado a un elemento de conmutación semiconductor se puede hacer menor que aquel en un inversor de dos niveles.

Como se muestra en la Fig. 16, en el inversor de dos niveles, una pérdida de conmutación representa una proporción grande (63%) de la pérdida total. En un inversor de tres niveles, esta pérdida de conmutación se puede reducir sustancialmente . Por lo tanto, aunque un inversor de tres niveles tiene una pérdida de conducción incrementada que aquella de un inversor de dos niveles, la pérdida total se puede hacer menor que aquella de un inversor de dos niveles. La reducción de una pérdida de inversor puede lograr la eficiencia de operación mejorada de un dispositivo de conversión de energía.

En la presente modalidad, puesto que el convertidor 3 también está constituido de un circuito de tres niveles, el convertidor 3 también puede proporcionar el mismo efecto como aquel por el inversor 4. Específicamente, se puede lograr la disminución del reactor contenido en el filtro de entrada. Una disminución y reducción de peso adicional de un dispositivo de conversión de energía se puede realizar. Además, puesto que se puede lograr la supresión de una fluctuación de un potencial a tierra, también se puede lograr la reducción de la cantidad de ruido generado por el convertidor 3. Aún adicionalmente , puesto que la reducción de pérdida del convertidor 3 se puede lograr, la eficiencia de operación mejorada de un dispositivo de conversión de energía se puede lograr. Además de estos efectos, el convertidor 3 e inversor 4 se les deja usar componentes comunes, y por lo tanto, se puede realizar un costo menor de un dispositivo de conversión de energía.

Además, el convertidor de voltaje de DC 7 convencionalmente ha tenido una configuración en la cual dos elementos de IGBT QC, QD se conectan en serie, como se muestra en un conmutador semiconductor 44 de la Fig. 17. Como se muestra en la Fig. 3, en la presente modalidad, cuatro elementos de IGBT se conectan en serie para constituir un conmutador semiconductor, reduciendo los componentes ondulados de corriente a través del reactor 22. En el caso de la configuración en la Fig. 17, un voltaje de (E-VB) se aplica a un reactor 45 cuando el elemento de IGBT Qc está activo y el elemento de IGBT QD está inactivo, y un voltaje de (-VB) se aplica al reactor 45 cuando el elemento de IGBT QC está inactivo y el elemento de IGBT QD está activo. Por consiguiente, la diferencia de voltaje de reactor debido a la conmutación es E. En contraste, en la configuración en la Fig. 3, mientras un voltaje de (-VB) se aplica al reactor 22 cuando solamente los elementos de IGBT Q2D, Q3D se encienden, y un voltaje de (E-VB) se aplica al reactor 22 cuando solamente los elementos de IGBT Q1D, Q4D se encienden, existe otro caso donde solamente los elementos de IGBT Q1D, Q3D se encienden o solamente los elementos de IGBT Q2D, Q4D se encienden. En este caso, un voltaje de E/2-VB se aplica al reactor 22.

La Fig. 18 muestra los patrones de conmutación de los elementos de IGBT Q1D a Q4D y voltajes aplicados al reactor 22. Se puede ver de la Fig. 18 que el voltaje el cual se puede aplicar al reactor 22 por el convertidor de voltaje de DC 7 también tiene tres niveles. La configuración en la Fig. 3 permite que una diferencia de voltaje de reactor debido a la conmutación sea E/2 y los componentes de fuga en la corriente a través del reactor 22 se pueden hacer menores. La inductancia del reactor 22 se puede reducir logrando la disminución del reactor 22, y por lo tanto, se pueden realizar una disminución y reducción de peso adicional de un dispositivo de conversión de energía.

En la presente modalidad, se ha mostrado un circuito de tres niveles, sin embargo, solamente es necesario que el circuito que constituye el inversor, el convertidor y el convertidor de voltaje de DC sean un circuito (un circuito de niveles múltiples) para la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que tiene al menos tres valores de voltaje o un voltaje de DC. Por lo tanto, un circuito de cinco niveles para la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que tiene al menos cinco valores de voltaje es aplicable, por ejemplo, al inversor.

Además, en la presente modalidad, se ha mostrado un dispositivo de suministro de energía ininterrumpible aplicable a una carga y suministro de energía de AC de sistema de tres cables trifásico, sin embargo, la presente invención también es aplicable a una carga y suministro de energía de AC de sistema de cuatro cables trifásico. En el caso del sistema de cuatro cables trifásico, como se muestra en la Fig. 19, solamente es necesario conectar un punto medio de los capacitores 11 y 19 y punto neutro 21 entre si. Además, el suministro de energía de AC y la carga de AC no se limitan a aquellos de tres fases, y pueden ser de una fase única. En este caso, solamente es necesario que dos circuitos de niveles múltiples sean incluidos en cada uno del convertidor y el inversor.

Además, en la presente modalidad, un convertidor de voltaje de DC se aplica entre la batería de almacenamiento y el bus de DC, sin embargo, el convertidor de voltaje de DC se puede eliminar como una materia de curso cuando la batería de almacenamiento se puede seleccionar dentro de un intervalo de operación clasificado del bus de DC.

Aún adicionalmente, en la presente modalidad, se ha descrito un ejemplo donde el dispositivo de conversión de energía de acuerdo con la presente invención se aplica al dispositivo de suministro de energía ininterrumpible que incluye la batería de almacenamiento, sin embargo, la disminución y reducción de peso así como también la supresión de una fluctuación de un potencial a tierra de un filtro usando un circuito de niveles múltiples es aplicable a un dispositivo de conversión de energía que produce energía de AC con base en energía de DC, tal como un sistema de generación de energía solar, un sistema de generación de energía de celda de combustible, o un sistema de almacenamiento de energía de batería secundaria.

Aún adicionalmente, en la presente modalidad, cuando respectivamente se emplean los conmutadores de AC (3RB, 3SB , 3TB, 4UB, 4VB, 4WB) , un conmutador de AC que incluye dos elementos de IGBT Q3x, Q4x que tienen emisores conectados entre si y dos diodos D3x, D4x conectados en anti -paralelo a los elementos de IGBT Q3x, Q4xf sin embargo, se puede emplear un conmutador de AC configurado de manera diferente como se muestra en las Figs. 20(a) a 20(c).

El conmutador de AC en la Fig. 20(a) incluye el elemento de IGBT Q3x que tiene un emisor conectado a un nodo NI, el elemento de IGBT Q4x que tiene un colector conectado a un colector del elemento de IGBT Q3x y un emisor conectado a un nodo N2 , y dos diodos D3x, D4x conectados en antiparalelo a elementos de IGBT Q3x, Q4x, respectivamente. Se señala que el nodo NI se conecta a una línea de una fase correspondiente (RL, SL, TL, UL, VL, WL) , y el nodo N2 se conecta al punto neutro 21.

El conmutador de AC en la Fig. 20(b) incluye el diodo D3x que tiene un ánodo conectado al nodo NI, el elemento de IGBT Q4x que tiene el colector conectado a un cátodo del diodo D3x y que tiene el emisor conectado al nodo N2 , el elemento de IGBT Q3x tiene el emisor conectado al nodo NI, y el diodo D4x tiene un cátodo conectado al colector del elemento de IGBT Q3x y tiene un ánodo conectado al nodo N2. El conmutador de AC en la Fig. 20(c) incluye un elemento de IGBT de bloqueo inverso Q5x conectado entre los nodos NI y N2.

Se deberá entender que las modalidades descritas en la presente son ilustrativas y no restrictivas en todos los aspectos. El alcance de la presente invención se define por los términos de las reivindicaciones, antes que la descripción anterior, y se propone que incluya cualquiera de las modificaciones dentro del alcance y significado equivalente a los términos de las reivindicaciones.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (10)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un dispositivo de conversión de energía, caracterizado porque comprende: un convertidor que incluye un circuito de niveles múltiples (4UA, 4UB) configurado para ser capaz de la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que varía entre al menos tres valores de voltaje, y convertir la energía de DC a energía de AC para suministrar la energía de AC a una carga; un filtro que incluye un reactor y un capacitor y remueve los armónicos generados por el convertidor; un suministro de energía de DC que genera energía de DC; un bus positivo de DC y un bus negativo de DC para transmitir la energía de DC al convertidor; y primer y segundo capacitores conectados en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC, el circuito de niveles múltiples incluye: primer y segundo elementos de conmutación semiconductores conectados en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC; primer y segundo diodos de rueda libre conectados en anti-paralelo a los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores, respectivamente; y un circuito de conmutador de AC conectado entre un punto neutro de los primer y segundo capacitores y un punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores.

2. Un dispositivo de conversión de energía, caracterizado porque comprende: un primer convertidor que incluye un primer circuito de niveles múltiples configurado para ser capaz de la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que varía entre al menos tres valores de voltaje, y convertir la energía de DC a energía de AC para suministrar la energía de AC a una carga; un filtro que incluye un reactor y un capacitor y remueve los armónicos generados por el primer convertidor; un segundo convertidor que convierte la energía de AC desde un suministro de energía de AC a energía de DC; un suministro de energía de DC que genera energía de DC; un bus positivo de DC y un bus negativo de DC para transmitir la energía de DC generada en el segundo convertidor y el suministro de energía de DC al primer convertidor; y primer y segundo capacitores conectados en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC, el primer circuito de niveles múltiples incluye: primer y segundo elementos de conmutación semiconductores conectados en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC; primer y segundo diodos conectados en anti-paralelo a los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores, respectivamente; y un conmutador de AC conectado entre un punto neutro de los primer y segundo capacitores y un punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores .

3. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque el segundo convertidor incluye un segundo circuito de niveles múltiples que tiene la misma configuración como el primer circuito de niveles múltiples.

4. Un dispositivo de conversión de energía, caracterizado porque comprende: un primer convertidor que incluye un primer circuito de niveles múltiples configurado para ser capaz de la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que varía entre al menos tres valores de voltaje, y convertir la energía de DC a energía de AC para suministrar la energía de AC a una carga; un filtro que incluye un reactor y un capacitor y remueve los armónicos generados por el primer convertidor; un segundo convertidor que convierte la energía de AC desde un suministro de energía de AC a energía de DC; un tercer convertidor que convierte un valor de voltaje de energía almacenada en un dispositivo de almacenamiento de energía para generar energía de DC cuando el suministro de energía por el suministro de energía de AC es anormal; un bus positivo de DC y un bus negativo de DC para transmitir la energía de DC generada en los segundo y tercer convertidores al primer convertidor; y primer y segundo capacitores conectados en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC, el primer circuito de niveles múltiples incluye: primer y segundo elementos de conmutación semiconductores conectados en serie entre el bus positivo de DC y el bus negativo de DC; primer y segundo diodos conectados en anti-paralelo a los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores, respectivamente; y un conmutador de AC conectado entre un punto neutro de los primer y segundo capacitores y un punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores .

5. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el segundo convertidor incluye un segundo circuito de niveles múltiples que tiene la misma configuración como el primer circuito de niveles múltiples.

6. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el tercer convertidor incluye un tercer circuito de niveles múltiples configurado para ser capaz de la conversión entre un voltaje de DC y un voltaje de AC que varía entre al menos tres valores de voltaje.

7. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conmutador de AC incluye: un primer transistor que tiene un colector conectado al punto neutro; un segundo transistor que tiene un emisor conectado a un emisor del primer transistor y que tiene un colector conectado al punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores; y tercer y cuarto diodos conectados en anti-paralelo a los primer y segundo transistores, respectivamente.

8. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conmutador de AC incluye: un primer transistor que tiene un emisor conectado al punto neutro; un segundo transistor que tiene un colector conectado a un colector del primer transistor y que tiene un emisor conectado al punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores; y tercer y cuarto diodos conectados en anti -paralelo a los primer y segundo transistores, respectivamente.

9. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conmutador de AC incluye: un primer transistor que tiene un emisor conectado al punto neutro; un primer diodo que tiene un cátodo conectado a un colector del primer transistor y que tiene un ánodo conectado al punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores; un cuarto diodo que tiene un ánodo conectado al punto neutro; y un segundo transistor que tiene un colector conectado a un cátodo del segundo diodo y que tiene un emisor conectado al punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores.

10. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque el conmutador de AC incluye un elemento de IGBT de bloqueo inverso conectado entre el punto neutro y el punto de conexión de los primer y segundo elementos de conmutación semiconductores .