MXPA01002942A

MXPA01002942A - Inversor para inyectar corrientes sinusoidales en una red de corriente alterna.

Info

Publication number: MXPA01002942A
Application number: MXPA01002942A
Authority: MX
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 1998-09-24
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2002-04-08
Also published as: DK1151525T3; CA2340123C; KR20010072877A; TR200100247T2; CA2340123A1; AR021492A1; AU764733B2; AU5746099A; MA24981A1; NO321403B1; CN1320296A; BRPI9913902B1; JP2002526022A; WO2000017995A9; NZ509848A; KR100437938B1; ATE259115T1; US6522561B1; DE19843692A1; DE59908487D1

Abstract

La invencion se refiere a un inversor para alimentar corrientes sinusoidales en una red ca. El objeto de la invencion es el de mejorar la capacidad de resistir cortocircuitos y reducir el peligro de un cortocircuito. La invencion se basa en la realizacion de usar solo una unica unidad de conmutacion para producir una semi-oscilacion de una oscilacion sinusoidal. Asi para producir una semi-oscilacion positiva de una oscilacion sinusoidal, se usa una unidad de conmutacion diferente que para producir la parte negativa de la corriente sinusoidal. La consecuencia de esto, es que solo un interruptor de una unidad de conmutacion se somete a ciclos o se acciona durante la produccion de una semi-oscilacion positiva y otro interruptor durante la produccion de la semi-oscilacion negativa de una corriente sinusoidal. El riesgo de un cortocircuito entre los dos interruptores se reduce asi al tiempo durante el cambio de la semi oscilacion positiva a negativa o de negativa a positiva.

Description

INVERSOR PARA INYECTAR CORRIENTES SINUSOIDALES EN UNA RED DE CORRIENTE ALTERNA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN. La invención se refiere a un inversor para alimentar corrientes sinusoidales a una red de corriente alterna ca o en una red pública de alimentación de energía. En el caso de esos inversores, los interruptores de energía se encuentran casi exclusivamente en la configuración de un puente de tres fases, como se muestra en la figura 1. Tal inversor, produce desde una fuente de voltaje cd, una corriente alterna de múltiples fases de las fases U, V, W. En virtud de la conexión anti-paralelo de los interruptores de potencia TI a Tó, como se muestra en ia figura 1, con diodos adecuados, es posible un modo de operación de cuatro cuadrantes y asi tal circuito inversor puede usarse de una manera muy versátil. Una desventaja con esos circuitos inversores, es que se presentan flujos de energía extremadamente altos en el caso de un cortocircuito cruzado de dos interruptores, por ejemplo TI y T2, lo que generalmente da como resultado la destrucción total dei inversor y posiblemente provoca un incendio y esto culmina en la destrucción de todas las partes conectadas de la instalación. Otra desventaja es que con el aumento del voltaje cd, los componentes respectivos deben ser de una calidad siempre creciente, lo que solo es posible Ref: 126719 cuando se usan componentes muy caros. El objeto de la presente invención, es mejorar la capacidad de un inversor a resistir los cortos circuitos y el mismo tiempo evitar las desventajas antes descritas y en particular evitar lo más posible ia necesidad de componentes individuales caros . De acuerdo con la invención, ese objeto se obtiene con un inversor que tenga las características de acuerdo a una de las reivindicaciones 1 a 3. Desarrollos ventajosos se indican en las reivindicaciones anexas. La invención se basa en la realización de que solo debe usarse un circuito único o unidad de conmutación para la producción de una semi-oscilación de una oscilación sinusoidal. Por lo tanto, para producir una semi-oscilación de una oscilación sinusoidal, se utiliza un circuito o unidad de conmutación diferente, que para producir la parte negativa de la corriente sinusoidal. La consecuencia de esto, es que las unidades de conmutación para producir la semi-oscilación positiva y también la semi-oscilación negativa de la corriente sinusoidal están separadas entre sí y se conectan entre sí únicamente por medio de la toma común de corrientes, en donde la producción de la corriente en una porción de conmutación, puede conllevar repercusiones en la otra porción de conmutación debido a que cada porción de conmutación está protegida con respecto a la otra por medio de un interruptor en la trayectoria de toma de corriente. La división de la corriente de salida sinusoidal del inversor en una semi-oscilación positiva y una negativa, da la posibilidad de compartir la fuente de voltaje cd, de ias dos porciones de conmutación para la semi-oscilaciones negativa y positiva. Por lo tanto, la parte del inversor que produce la semi-osciiación positiva puede operarse con un voltaje cd, por ejemplo, U<_? = 660 voltios y la porción de conmutación del inversor que produce la semi-oscilación negativa de la corriente sinusoidal también puede operarse con un voltaje cd, por ejemplo O<¡2 = 660 voltios. Como un voltaje cd total que entonces da el doble del voltaje cd individual. Esto quiere decir 1320 voltios. Esto da como resultado en una duplicación de la potencia de salida del inversor en general al usar componentes que solo están diseñados para un voltaje cd de 660 voltios. Las inductancias de salida de las unidades de conmutación individuales del inversor, también son accionadas por ejemplo, durante el componente de corriente positiva únicamente con el voltaje cd parcial Ud?, y no con el voltaje cd total Ui + Ud2. Esto también da como resultado ahorros en los términos de material y costos en virtud de la producción de una semi-oscilación de una oscilación sinusoidal con una sola unidad de conmutación, las unidades de conmutación para diferentes semi-oscilaciones también pueden colocarse remotas entre sí en términos espaciales, lo que mejora en general ia seguridad y confiabilidad del inversor y todas las partes de la instalación de conmutación y también simplifica de manera considerable su colocación en términos del espacio involucrado. Una ventaja particular del diseño del inversor de acuerdo con la invención, es la inductancia del reductor de salida y así los costos de los componentes requeridos para ese propósito pueden dividirse a la mitad. La invención se describirá a continuación a mayor detalle por medio de una modalidad ilustrada en el dibujo. En el dibujo: LA FIGURA 1, muestra el principio básico de un inversor conocido; LA FIGURA 2, muestra la porción de conmutación para la semi-oscilación positiva de la corriente de salida sinusoidal; LA FIGURA 3, muestra la porción de conmutación para la semi-oscilación negativa de la corriente de salida sinusoidal; LA FIGURA 4, muestra un diagrama de tiempo con respecto a la corriente sinusoidal de salida con los interruptores TI, Sl, T2, S2 mostrados en las Figs. 2 y 3; LA FIGURA 5, muestra un diagrama de circuito de un inversor de tres fases de acuerdo con la invención; LA FIGURA 6, muestra un diagrama de circuito que ilustra el principio básico de una interconexión de una pluralidad de porciones de conmutación como se muestra en las Figs. 2 y 3 para producir una corriente alterna de tres fases, y LA FIGURA 7, muestra el diagrama de circuito del inversor para una sola fase. La Figura 2, muestra un diagrama de circuito de una rama transversal o una unidad de conmutación 1, para producir el componente positivo de la corriente ca, o de red de trifásica a partir de un voltaje cd Ud. La unidad de conmutación 1, comprende un transistor de potencia TI, como primer interruptor, por ejemplo un IGBT (transistor bipolar de compuerta aislada) , o GTO (tiristor de compuerta desactivada) y un diodo DI, que está conectado en serie con el interruptor de potencia TI a la terminal de voltaje cd. La toma de corriente para la corriente de salida, se encuentra entre el interruptor de potencia TI y el diodo DI, colocado en la toma de corriente se encuentra un segundo interruptor Sl, que a su vez está conectado en serie con un inductor de salida Ll. La Fig. 3, muestra en términos del principio básico involucrado, un diagrama de circuito de una unidad de conmutación para producir la parte negativa de la corriente ca, o de red trifásica, con la estructura recíproca al circuito mostrado en la Fig. 2. La Fig. 4, muestra el diagrama de tiempo de la corriente de salida sinusoidal con ias unidades de conmutación 1 y 2, mostradas en las Figs. 2 y 3. También se muestra alli el comportamiento de conexión en relación al tiempo de los interruptores de potencia TI y T2, así como el comportamiento de conexión/desconexión de los interruptores Sl y S2, colocados en la toma de corriente. Durante la media onda positiva de la corriente sinusoidal (parte izquierda en la Fig. 4) solo el interruptor de potencia TI, se activa y desactiva en la forma cíclica prescrita, mientras que el interruptor de potencia T2, está desconectado en esa fase. Durante la producción de la media onda positiva de la corriente sinusoidal, el interruptor Sl en la toma de corriente, está activado (cerrado) , mientras que al mismo tiempo el otro interruptor S2, en la toma de corriente para la media onda negativa está desactivado (abierto) . Una corriente sinusoidal en forma de dientes de sierra, se produce por medio de una operación cíclica con respecto a los estados de conmutación activado y desactivado del interruptor de potencia TI y la influencia del diodo DI. Durante la producción de la media onda negativa, de la corriente sinusoidal, las condiciones son precisamente las inversas que para la producción de la media onda positiva de la corriente sinusoidal. Durante la producción de la media onda negativa, el interruptor 1, está activado mientras que el interruptor de potencia T2, se activa y desactiva en un modo de operación cíclico prescrito y el interruptor S2 siempre está activado. En la región del máximo de corriente de una onda sinusoidal, los interruptores de potencia TI y T2 respectivamente, están activados durante un período de tiempo más largo que en la región de un nivel de corriente menor, en particular, la región de los pases por cero. Las Figs. 5 y 6, muestran la interconexión de una pluralidad de unidades de conmutación mostradas en las Figs. 2 y 3, para constituir un inversor de acuerdo con la invención para producir una corriente alterna trifásica. La diferencia entre los circuitos ilustrados, es que en la Fig. 6, las porciones de conmutación para producir la semi-oscilación negativa de la corriente de salida, se colocan separadas de las porciones de conmutación para la semi-oscilación positiva de la corriente de salida. A este respecto, un arreglo separado también puede significar que las porciones de conmutación están en diferentes espacios y solo están conectadas por medio de sus tomas de corriente comunes. Las unidades de conmutación para producir la media onda positiva, están conectadas a las terminales de voltaje cd +Udi y -Udi • Las porciones de conmutación para producir la media onda negativa de la corriente sinusoidal están conectadas a las terminales de voltaje cd +Ud2 y -Ud2. La Fig. 1, muestra el diagrama de circuito de un inversor conocido el cual debido a la conexión antiparalela de los interruptores de potencia con el diodo, permite una modalidad de operación de cuatro cuadrantes y asi puede usarse de una manera altamente versátil como medios de conmutación, pero en el caso de un cortocircuito cruzado de dos interruptores, tales como TI y T2, sin embargo, conlleva el muy alto riesgo de un fuerte cortocircuito que puede dar como resultado la destrucción total del inversor y posiblemente también provocar un incendio resultando en la destrucción completa de todas las partes de la instalación conectadas. Para media onda, esto significa que TI y T2 se activan y desactivan sucesivamente una pluralidad de veces durante la media onda, lo que desde un punto de vista estadístico aumenta ya marcadamente la probabilidad de un cortocircuito cruzado, en comparación con la estructura de acuerdo con la invención mostrada en la Fig. 5 o en la Fig. 6 respectivamente . La Fig. 7, muestra la interconexión de una porción de conmutación para las semi-oscilaciones positivas de la corriente de salida, con una porción de conmutación para las semi-oscilaciones negativas de la corriente de salida para una de las tres fases. Los cortocircuitos fuertes se previenen en principio en virtud de los ramales de corriente separados, los ramales cruzados positivo y negativo, ver Figs. 2-7, en la interconexión de las unidades de conmutación individuales, ver Fig. 5-7, si a pesar de esto se presentaran operaciones de conmutación defectuosas de los interruptores de potencia en las diferentes porciones de conmutación, no solo se desacoplan mutuamente y se protegen por medio de los inductores LA -L6 J L1-L6, sino que se hace definitivamente imposible un cortocircuito debido al hecho de que los interruptores S1-S6 colocados en la toma de corriente, previenen que un ramal tenga repercusiones en la otra, debido a que estén activados o desactivados en una relación opuesta. El diseño del inversor ilustrado como se muestran las Figs. 2-7, hace posible construir inversores que incluyan un nivel muy alto de potencia. Los reductores de desacoplamiento LA-L6' entre las tomas de corriente de dos unidades de conmutación interconectadas, pueden usarse al mismo tiempo como reductores de alta frecuencia y también como filtros para reducción dU/dt. Esto provee el que la emisión falsa se reduce drásticamente directamente después de los interruptores de potencia TI, T6. El inversor antes descrito es adecuado en particular para convertidores de potencia eólica u otro generador de electricidad que produzca corriente directa eléctrica (por ejemplo una instalación de energía solar) . En el caso de un convertidor de potencia eólica, el generador, generalmente produce una corriente directa o el generador produce una corriente alternante que sin embargo, debe entonces ser rectificada de tal forma que pueda ser convertida por medio de inversor antes descrito en un corriente/voltaje de salida. Para proporcionar una forma sinusoidal exacta con respecto a la corriente de salida, es ventajoso si la frecuencia conmutante activada/desactivada de los interruptores de potencia TI (en relación a la media onda positiva) , y T2 (en relación a la media onda negativa) , respectivamente en el paso por cero, es considerablemente mayor que en la región del máximo de potencia. En la región del máximo de potencia, la frecuencia conmutante activada/desactivada de los interruptores de potencia TI y T2 respectivamente, es aproximadamente 100Hz (por ejemplo en el rango entre 100 y 600Hz) . En la región de los pasos por cero, la frecuencia conmutante activada/desactivada de los interruptores de potencia, es de algunos kHz (por ejemplo entre 5 y 18kHz) . 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 convencional para la manufactura de los productos a que la misma se refiere.

Claims

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

1.- Un inversor para alimentar corrientes sinusoidales en una red ca, caracterizado porque,, comprende: a) una unidad de conmutación que produce la parte positiva de la corriente de red; b) la unidad de conmutación tiene un primer interruptor y diodos conectados en serie y la toma de corriente se encuentra entre el primer interruptor y el diodo; c) dispuesto en la toma de corriente se encuentra un segundo interruptor que se cierra durante la producción de la parte positiva de la corriente de red. d) en la toma de corriente se provee una inductividad de desacoplamiento .

2.- Un inversor para alimentar corrientes sinusoidales en una red ca, caracterizado porque, comprende: a) una unidad de conmutación que produce la parte negativa de la corriente de red; b) la unidad de conmutación tiene un tercer interruptor y diodos conectados en serie y la toma de corriente se encuentra entre el interruptor y el diodo; c) dispuesto en la toma de corriente se encuentra un cuarto interruptor que se cierra durante la producción de la parte positiva de la corriente de red; y d) en la toma de corriente se provee una inductividad de desacoplamiento .

3.- Un inversor para alimentar corriente sinusoidales en una red ca, de acuerdo con la reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque, ambas unidades de conmutación se conectan en una relación mutuamente paralela.

4.- Un inversor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque, se provee un inductor de acoplamiento en la toma de corriente.

5.- Un inversor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, para producir una corriente trifásica se proveen cuando menos tres unidades de conmutación primeras y segundas que están respectivamente conectadas entre sí.

6.- Un inversor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, las unidades de conmutación primera y segunda se construyen separadas espacialmente entre sí.

7.- Un inversor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, para producir una semi-oscilación de una oscilación sinusoidal solo el interruptor primero o segundo de una unidad de conmutación se activa y desactiva respectivamente una pluralidad de veces.

8.- Un inversor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, los interruptores en la toma de corriente son tiristores, preferentemente del tipo GTO, o IGBT.

9.- Un inversor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, el interruptor segundo (o cuarto) en la toma de corriente, se abre solo cuando el interruptor cuarto (o segundo) en la trayectoria de toma de corriente está cerrado.

10.- Un inversor de acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, una pluralidad de unidades de conmutación primeras y segundas, están conectadas entre si por medio de su toma de corriente para proporcionar la corriente de una sola fase a partir de una red de corriente trifásica.

11.- Un convertidor de energía eólica u otra instalación generadora de electricidad, que producen corriente directa eléctrica que tenga un inversor de acuerdo con alguna de las reivindicaciones anteriores.