MXPA06010338A - Sistema electrico de voltaje dual. - Google Patents
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Abstract
Un sistema de suministro de voltaje dual suministra energia electrica de voltaje alto y bajo a las cargas de voltaje alto y bajo separadas. El sistema incluye un alternador AC y los circuitos de rectificador primero y segundo, cada un conectado al alternador y a una carga de voltaje alto y bajo correspondiente. El primer circuito rectificador conmuta el voltaje de alternador a la primera carga de voltaje bajo cuando el voltaje de alternador es superior a un voltaje de la carga de voltaje bajo y menor que algo del voltaje maximo el cual es menor que el voltaje maximo que puede ser tolerado por la carga o cargas de voltaje bajo. El segundo circuito rectificador es apagado cuando el primer circuito rectificador es encendido.
Description
SISTEMA ELÉCTRICO DE VOLTAJE DUAL
ANTECEDENTES
La presente invención se refiere a un sistema eléctrico de voltaje dual para un vehículo.
Los tractores industriales y agrícolas futuros se espera que usen auxiliares eléctricos de electricidad superior para complementar o reemplazar los auxiliares mecánicos e hidráulicos actualmente usados. Por ejemplo, los sistemas de dirección de energía eléctrica, los acondicionadores de aire eléctricos, y los sistemas de iluminación xenón de alto voltaje/alta potencia son solo unos, cuantos de los auxiliares eléctricos de potencia superior bajo evaluación. Estos sistemas usan energía eléctrica superior a la, mayoría de los auxiliares eléctricos ahora en uso, y pueden ser implementados más económicamente y eficientemente si éstos son operados a voltajes superiores (y correspondientemente a corrientes más bajas) . Para este fin, los componentes eléctricos automotrices de 42 voltios están bajo desarrollo, y en el futuro cercano aún se desarrollarán factiblemente buses de voltajes DC superiores.
Dado que la batería, la marcha del motor y muchos auxiliares eléctricos de energía eléctrica baja aún requieren energía eléctrica en el voltaje de batería, se requieren medios baratos y eficientes para proporcionar energía eléctrica a ambos un bus de voltaje superior y a la batería de voltaje inferior. Los alternadores/generadores de voltaje alto y bajo pueden ser usados . También son conocidas las bobinas de voltajes alto y bajo sobre el generador/alternador separados. Los convertidores DC-DC para convertir energía a un nivel de voltaje a otro son muy conocidos. Todas estas alternativas son costosas .
SÍNTESIS
Por tanto, un objeto de esta invención es el de proporcionar un sistema eléctrico el cual proporciona voltajes duales desde un alternador único.
Este y otros objetos son logrados por la presente invención en donde un sistema de suministro de voltaje dual proporciona energía eléctrica de voltaje alto y bajo a las cargas de voltaje alto y bajo separadas. El sistema incluye un alternador AC y los circuitos rectificadores, primero y segundo, cada uno conectado entre el alternador y una carga de voltaje alta y baja correspondiente. El primer circuito rectificador conmuta el voltaje de salida de alternador a la carga de voltaje alto cuando el voltaje de alternador es superior al voltaje de la carga de voltaje alto. El segundo circuito rectificador conmuta el alternador a la carga de voltaje bajo cuando el voltaje alternador es superior que el voltaje de la carga de voltaje bajo y menor que cualquiera el voltaje de la carga de voltaje alto o un voltaje máximo que es menor que el voltaje máximo que puede ser aplicado sin el daño a la carga de voltaje bajo, cualquiera que sea mas bajo. El segundo circuito rectificador es apagado siempre que el primer circuito rectificador se encendido. Cada uno de los circuitos rectificadores primero y segundo incluye una pluralidad de interruptores de energía conectados entre el alternador y una de las cargas, una pluralidad de impulsores de interruptor, cada uno impulsando uno correspondiente de los interruptores de energía, y un controlador de rectificador de fase controlada que controla los impulsores de interruptor. El sistema de voltaje dual proporciona un sistema de costo efectivo para suministrar voltajes duales desde un alternador eléctrico único.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Las figuras 1A Y IB se combinan para formar un diagrama de circuito esquemático del sistema eléctrico de voltaje dual con un alternador de fase único y usando transistores de efecto de campo de semiconductor de oxido de metal de energía eléctrica como los interruptores de energía;
La figura 2 es un diagrama de medición de tiempo de señal ilustrando la operación de los rectificadores del circuito de la figura 1.
DESCRIPCIÓN DETALLADA
Refiriéndonos a la figura 1, el sistema eléctrico 10, incluye un alternador AC impulsado por motor 12 el cual genera una corriente alternante a un voltaje tal como de 60 voltios para una carga de voltaje alto de 42 voltios o quizás de 800 voltios para una carga de voltaje alto de 600 voltios. El sistema 10 también incluye un primer controlador de rectificador controlado de fase de voltaje bajo 14B. Cada uno de estos rectificadores funciona como semi-convertídores de fase única como se describió por ejemplo en el capitulo 4 de Electrónicos de Energía por Rashid. El controlador de rectificador 14A incluye las entradas 16A-22A y las salidas 24A Y 26A. El controlador de rectificador 14B incluye las entradas 16B-22B y las salidas 24B y 26B. El sistema 10 también incluye los impulsores de interruptor, 40, 42, 48 y 50 y los interruptores de energía 60, 62, 68 70. Asociados con cada uno de los interruptores de energía esta una serie de diodos de bloque conectados en serie 61, 63, 69, 71 los cuales son requeridos cuando son usados los transistores de efecto de campo de electricidad de IGBT's como interruptores de electricidad. Los transistores de efecto de campo de electricidad y los IGBT's tienen un diodo paralelo inherente que conectará el bus de salida rectificado a la fuente y permitirá a la corriente el fluir de regreso al alternador y descargar el capacitor cuando el voltaje alternador cayó abajo del voltaje del bus. Los diodos 61, 63, 69 y 71 bloquean esta corriente. Los diodos 64, 66 , 12 y 74 conectados entre las cargas de voltaje alto o bajo y el alternador completan el circuito.
El sistema también incluye un capacitor de voltaje alto Cl esta conectado a las cargas de voltaje alto 80. Las cargas de voltaje 80 pueden incluir dispositivos eléctricos tal como un motor eléctrico (no mostrado) impulsando un compresor acondicionador de aire, un motor (no mostrado) impulsando una función auxiliar de vehículo, un sistema hidráulico con energía eléctrica (no mostrado) , un motor de impulsión de rueda (no mostrado) y/o las luces alto voltaje (no mostrada) . Para las aplicaciones de voltaje bajo (voltaje máximo menor de aproximadamente 100 voltios) los interruptores de electricidad 60-70 son preferiblemente los dispositivos MOSFETS (transistores de efecto de campo) comercialmente disponibles tal como la parte Maxim # MAX620 o la parte Micrel # MIC4100 o el Semiconductor Nacional parte # LMS5102 o cualquier otro equivalente. Para los voltajes mayores de 100 voltios los dispositivos IGBT's tal como la parte de rectificador internacional # IR2184 o equivalente puede usarse como interruptores de electricidad 60, 62, 68 y 70.
El sistema 10 también esta conectado a un motor de marcha convencional 82 y el solenoide de iniciador 83, un capacitor de voltaje bajo C2 , una batería B y una carga o cargas de voltaje bajo 84. La carga o cargas de voltaje bajo 84 pueden incluir dispositivos eléctricos tales como un radio, un microcontrolador (s) , iluminación de voltaje bajo, motores de ventilador eléctrico de voltaje bajo etc.
El primer lado de alternador 12 esta conectado a la entrada 16A del primer controlador de rectificador controlado de fase de voltaje alta 14A y a la entrada 16B del segundo o controlador de rectificador controlado de base de voltaje bajo 14B. El segundo lado del alternador 12 esta conectado a la entrada 18A del controlador de rectificador 14A y a una entrada 18B del controlador de rectificador 14B. El primer lado del alternador 12 esta también conectado a los interruptores de energía 60 y 68 y a los diodos 64 y 72. El segundo lado del alternador 12 también esta conectado a los interruptores de energía 62 y 70 y a los diodos 66 y 74.
Uno de los circuitos de impulsor de interruptor 40 y 42 esta conectado entre una salida correspondiente de los controladores de rectificador 14A y uno correspondiente de los interruptores de energía 60 y 62. Las terminales de drenado de interruptores energía 60 y 62 están conectadas a un lado de la carga de voltaje alto 80 y al capacitor Cl a través de los diodos de bloqueo 61 y 63. Los ánodos de los diodos 64 y 66 están conectados al otro lado de la carga de voltaje alto 80 y del capacitor Cl .
Unos de los circuitos impulsores de interruptor 48 y 50 esta conectado entre una salida correspondiente de los controladores del rectificador 14B y uno correspondiente de los interruptores de energía 68 y 70. Las terminales de drenado de los interruptores de energía 68 y 70 están conectados a un lado, de la carga de voltaje bajo 84 otra vez de los diodos de bloqueo 69 y 71. Los ánodos de los diodos de bloque 72 y 74 están conectados al otro lado de la carga de voltaje alto 84. La batería B, el capacitor C2 y el motor de marcha 82 y el solenoide de marcha 83 conectados en serie están conectados en paralelo con las cargas de voltaje bajo 84.
Los circuitos de impulsor de interruptor 40-50 convierten las salidas de nivel lógico desde los controladores de rectificador 14A-B a los niveles de voltaje requeridos para encender o apagar los interruptores de energía 60, 62, 68 y 70.
Como resultado, el controlador de rectificador 14a, los circuitos de impulsor 40 y 42, y los interruptores de energía 60 y 62 y los diodos 61, 63, 64 y 66 forman un circuito rectificador de alto voltaje, 90 mientras que el controlador de rectificador 14B, los circuitos impulsores 48 y 50, y los interruptores de energía 68 y 70 y los diodos 69, 71, 72 y 74 forman un circuito rectificador de bajo voltaje 92.
El controlador de rectificador 14a esta programada para encender durante las partes de amplitud máxima del voltaje producido por el alternador generador 12. La regulación de voltaje es lograda por el controlador de rectificador 14A seleccionando el ángulo de fase el cual son encendidos los interruptores de energía. El controlador de rectificador 14A apaga los interruptores de energía cuando la magnitud AC desde el alternador es menor que el voltaje a través de Cl, o, si los rectificadores controlados de silicio son usados como los interruptores de energía estos autos conmutan cuando el voltaje del alternador cae abajo del voltaje de bus. Si los transistores de efecto de campo de energía o IGBTV son usados como los interruptores de energía, el controlador de rectificador puede pulsar el ancho modulado para regular la corriente. El controlador de rectificador 14B esta programada para encender durante las partes de amplitud mas baja del voltaje producido por el alternador 12. El punto de encendido debe ocurrir cuando la magnitud del voltaje AC es mayor que el voltaje de bus de voltaje bajo, pero mas bajo que el voltaje máximo que puede ser aplicado sin dañar la carga de voltaje bajo. La regulación de voltaje es lograda por el controlador de rectificador 14B seleccionando el ángulo de fase al cual son encendidos los interruptores de voltaje bajo. El controlador del rectificador 14B apaga los interruptores de energía cuando la magnitud del voltaje AC desde el generador 12 es menor que el voltaje a través de C2 , o, si los rectificadores controlados de silicio son usados como los interruptores de energía, estos se auto conmutarán cuando el voltaje del alternador cae abajo del voltaje de bus. Si los transistores de efecto de campo de energía o IGBVs son usados como los interruptores de energía, el controlador de rectificador puede modular el ancho de pulsación para regular la corriente. Si son usados los rectificadores controlados de silicio de auto conmutación como los interruptores de energía, estos pueden solo ser, encendidos durante la parte del ciclo cuando el voltaje alternador esta fallando, mientras que otros interruptores también pueden ser encendidos y apagados durante la parte del ciclo cuando el voltaje alternador esta subiendo. Esta permitirá que sea energizado una carga de voltaje bajo de corriente mas alta por este circuito. Como resultado, los interruptores 60 y 62 operan para aplicar señales de voltaje superiores a la carga de voltaje alto 80, mientras que los interruptores 68-70 operan par aplicar un voltaje mas bajo a las cargas de voltaje bajo 84 y el motor de macha 82 (cuando el interruptor 83 esta cerrado) .
Aún cuando los interruptores en la figura 1 están mostrados como mosfets de energía (en serie con los diodos de bloqueo) , los rectificadores controlados de silicio (SCRs) los transistores de BJT, los transistores darlington, los transistores de efecto de campo de electricidad (mosfets) o IGBT's puede usarse dependiendo de las consideraciones costo y diseño. Debido al diodo inherente presente en los transistores de efecto de campo (mosfets) de electricidad o IGBT's, un diodo de series debe ser colocado en serie con estos dispositivos para bloquear el flujo de corriente cuando el voltaje de generador fuente cae debajo de el voltaje de bus DC de voltaje alto o bajo. Hay que notar que los interruptores de rectificador de voltaje bajo tendrá que soportan esencialmente el mismo voltaje que los interruptores de rectificador de voltaje alto.
Refiriéndonos ahora a la figura 2, la figura 2 muestra la salida de voltaje VG del alternador de generador AC 12 para el ciclo completo. Sobre el puesto sobre el mismo esta la salida de voltaje VH del circuito rectificador de voltaje 90 y la salida de voltaje VL del circuito rectificador de voltaje bajo 92.
El resultado es un sistema rectificador dual de fase controlada de bajo costo en donde ambos circuitos rectificadores 90 y 92 están conectados a la salida de un alternador de generador eléctrico AC 12. Cada uno de los circuitos de rectificador controlado de fase opera para conectar el alternador generador 12 a diferentes cargas para diferentes partes del ciclo cuando su voltaje de salida es mayor que el voltaje de carga correspondiente. El controlador del rectificador de voltaje bajo 14B esta programado o controlado de manera que este estará apagado en cualquier momento que la salida de voltaje del alternador generador 12 es suficientemente alta para provoca el daño a las cargas de voltaje bajo 84. Como un resultado, este sistema es mejor aplicado en aplicaciones en donde la energía de voltaje bajo promedio es pequeña en comparación a al salida de energía eléctrica total del alternador generador. La batería B permite al circuito de voltaje bajo el proporcionar una energía- superior a las cargas de voltaje bajo tal como al motor de marcha por un tiempo corto.
Como una alternativa, los interruptores de energía en el circuito rectificador de voltaje bajo 92 pueden ser implementados con los rectificadores controlados con silicio SCR0s debido que solo puede apagarse cuando la caída de voltaje a través de estos alcances 0 estos puede ser solo encendidos cuando la amplitud del la forma de onda del voltaje alternador del generador es disminuida, y se apagaran automáticamente cuando el voltaje alternador es igualado o caído abajo del voltaje de carga.
Otros dispositivos de interruptor de potencia alta tal como los transistores BJT, los transistores Darlington, los transistores GTO's, IGBT's o los de mosfets de energía pueden ser usados en ambas la parte de elevación y de caída de la forma de onda del voltaje alternador. La elección del transistor de energía depende del voltaje, nivelad e corriente complejidad del circuito y consideraciones de costo.
El voltaje bajo, (voltaje de bus de batería) desde la batería B es usado para dar energía al motor de marcha 82 para iniciar el motor de combustión interna ( no mostrado) después de que el motor esta corriendo, el motor del iniciador de voltaje bajo 82 es automáticamente desconectado del alternador y el voltaje de alternador se eleva al nivel determinado, por la velocidad de operación del motor y/o del circuito de control de campo (no mostrado) y una cantidad grande de energía eléctrica esta disponible a las cargas de voltaje alto de energía y los sistema s auxiliares a un voltaje de voz alto cuando la presente invención se ha descrito en conjunción con una incorporación especifica, se entiende que serán evidentes muchas alternativas, modificaciones y variaciones de aquellos expertos en el arte a la luz de la descripción anterior. Por ejemplo una versión de tres fases de la presente invención puede ser implementada el cual incluyó tres circuitos de fase única paralelos, y uno para cada una de las tres fases. Por tanto, esta invención se intenta que abarque todas esas alternativas, modificaciones y variaciones que caen dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas .
Claims (5)
1. Un sistema de suministro dual para proporcionar energía eléctrica de voltaje alto y bajo a cargas de voltaje alto y bajo que comprende: un alternador generador AC; un primer circuito rectificador conectado entre el alternador y la carga de voltaje alto, el primer circuito rectificador conecta la salida del alternador a la carga de voltaje alto cuando el voltaje alternador es más alto que el voltaje de la carga de voltaje alto; un segundo circuito rectificador conectado entre el alternador y la carga de voltaje bajo, el segundo circuito rectificador conecta el alternador generador a la carga de voltaje bajo cuando el voltaje del alternador generador es superior al voltaje de la carga de voltaje bajo y menor que algo de voltaje máximo el cual es menor que el voltaje máximo que puede ser tolerado por la carga o cargas de voltaje bajo.
2. El sistema de suministro de voltaje dual tal y como se reivindica en la cláusula 1 caracterizado porque el segundo circuito rectificador es apagado siempre que el primer circuito rectificador sea encendido.
3. El sistema de suministro de voltaje dual tal y como se reivindica en la cláusula 1, caracterizado porque cada uno de los circuitos rectificadores primero y segundo comprende : una pluralidad de interruptores de energía conectados entre el alternador generador y una de las cargas; una pluralidad de impulsores de interruptor; cada uno impulsando uno correspondiente de los interruptores de energía; y un controlador de rectificador de fase controlada que controla los impulsores de interruptor.
4. Un sistema de suministro de voltaje dual para suministrar energía eléctrica de voltaje alto y bajo a cargas de voltajes alto y bajo separado que comprende: un alternador generador AC; un primer circuito rectificador conectado al alternador generador y la carga de voltaje alto, el primer circuito rectificador comprende una pluralidad de interruptores de energía conectados entre el alternador generador y una de las cargas, una pluralidad de primeros impulsores de interruptor, cada uno impulsando uno correspondiente de los interruptores de energía, y un primer controlador de rectificador de fase controlada que controla los primeros impulsores de interruptor de manera que el primer circuito rectificador conecta el alternador a la carga de voltaje alto cuando el voltaje del alternador es superior al voltaje de la carga de voltaje alto; un segundo circuito rectificador conectado entre el alternador y la carga o cargas de voltaje alto cuando el voltaje del alternador es superior al voltaje de la carga de voltaje alto; un segundo circuito rectificador conectado entre el alternador y la carga o cargas de voltaje bajo, el segundo circuito rectificador comprende una pluralidad de segundos interruptores de energía conectados entre el alternador y la carga o cargas de voltaje bajo, una pluralidad de segundos impulsores de interruptor, cada uno impulsando uno correspondiente de los segundos interruptores de energía, y un segundo controlador de rectificador de fase controlada que controla los segundos impulsores de interruptor de manera que el segundo circuito rectificador conecta el alternador a la carga o cargas de voltaje bajo cuando el voltaje alternador es superior al voltaje de la carga o cargas de voltaje bajo y menor que algo del voltaje máximo el cual es menor que el voltaje máximo que puede ser tolerado por la carga o cargas del voltaje bajo.
5. El sistema de suministro de voltaje dual tal y como se reivindica en la cláusula 4 caracterizado porque el segundo circuito rectificador es apagado siempre que el primer circuito rectificador sea encendido.
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