WO2010109041A1 - Circuito eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna - Google Patents

Circuito eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna Download PDF

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Roberto GONZÁLEZ SENOSIAIN
Francisco Javier ANCÍN JIMÉNEZ
Javier Coloma Calahorra
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Ingeteam Energy, S.A.
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Definitions

  • the power fluctuation characteristic of single-phase systems causes a curl in the voltage of the photovoltaic field at a frequency equal to twice the grid frequency that causes a decrease in the energy obtained in the photovoltaic field by voltage fluctuation around the point of maximum power.
  • the invention proposes an electric circuit of the single-phase inverter type that conditions and converts continuous electric energy into alternating electric energy and is configured so that it includes: two direct current connections to which connect a continuous power source; a first temporary energy accumulator connected between the direct current connections; a first branch connected between the direct current connections, and comprising a first switching element a first inductance and a second switching element; - a second branch comprising a third switching element, connected at the junction point of the second switching element with the first inductance; a third branch formed by a fourth switching element, connected at the junction point of the second switching element with a direct current connection; a second temporary energy accumulator connected between the third and fourth switching elements; - a fourth branch comprising a fifth switching element and a sixth switching element; the fifth switching element being connected to the junction point of the second temporary energy accumulator with the third switching element; and the sixth switching element being connected to the junction point of the second temporary energy accumulator with the
  • the switching element El is of the transistor type (MOSFET, IGBT, J-FET or other type that adapts to the corresponding circuit configuration)
  • E7 is of the diode type
  • E2, E3, E4, E5, E6 they are transistors with respective diodes connected in antiparallel.
  • the control of the dc / ac stage is carried out by switching elements E5 and E6.
  • V 52 is the power between points 5 and 2
  • V 02 is the potential of the temporary accumulator C2.
  • E2 and E3 remain on.
  • V 52 O and the current of the coil L2, which circulates through E2, E3 and E5, decreases.
  • the switching elements El and E2 are of the transistor type (MOSFET, IGBT, J-FET or other type that adapts to the corresponding circuit configuration), E3 and E7 are diode type and E4, E5, E6 and E8 are transistors with respective diodes connected in antiparallel.

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Abstract

Circuito eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna especialmente diseñado para sistemas fotovoltaicos conectados ala red eléctrica sin transformador, y que permite la puesta a tierra de uno de los terminales de entrada (2) del generador fotovoltaico, consiguiendo trabajar con un amplio rango de tensiones de entrada y tener un alto rendimiento.

Description

CIRCUITO ELÉCTRICO PARA CONVERTIR ENERGÍA ELÉCTRICA
CONTINUA EN ENERGÍA ELÉCTRICA ALTERNA
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere a un circuito eléctrico para convertir energia eléctrica continua en energia eléctrica alterna. La invención tiene su principal campo de aplicación en la industria destinada al diseño de dispositivos electrónicos, y más particularmente a los concebidos dentro del sector de los sistemas de potencia para conversión de energia solar fotovoltaica . La invención también puede ser aplicable en otros campos como la generación de energia mediante células electro-quimicas u otros dispositivos que proporcionen una energia continua.
La invención proporciona una estructura de conversión dc/ac (corriente continua/corriente alterna) especialmente diseñada para sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica sin transformador, que permite la puesta a tierra de uno de los terminales de entrada del generador fotovoltaico, consiguiendo trabajar con un amplio rango de tensiones de entrada y tener un alto rendimiento.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los sistemas fotovoltaicos de conexión a red están formados por un conjunto de paneles fotovoltaicos (también denominado campo o generador fotovoltaico) y una etapa de conversión (también denominada inversor) que acondiciona la energia producida por los paneles y la inyecta a la red eléctrica. Generalmente se trata de instalaciones de carácter privado, en las que se busca maximizar el beneficio económico obtenido por la venta de la energia producida a las compañías eléctricas. Por ello, se buscan inversores baratos, fiables y de alta eficiencia.
Tradicionalmente, en este tipo de instalaciones se ha incluido un transformador, entre el inversor y la red eléctrica, que proporciona un aislamiento galvánico entre la instalación y la red eléctrica. Sin embargo, el hecho de que este transformador trabaje a baja frecuencia (50/60Hz) aumenta el tamaño, peso y precio de la etapa de conversión, reduciendo al mismo tiempo su rendimiento.
Una opción para eliminar el transformador de baja frecuencia, manteniendo el aislamiento galvánico de la instalación, es utilizar dentro del convertidor una etapa de conversión DC/DC con transformador de alta frecuencia. El uso de un transformador de alta frecuencia permite reducir el tamaño y peso de la etapa de conversión, sin embargo aumenta la complejidad de la misma, reduciendo al mismo tiempo su rendimiento y su fiabilidad.
La eliminación del transformador (tanto de alta como de baja frecuencia) permite obtener una etapa de conversión más sencilla, barata y ligera, mejorando al mismo tiempo el rendimiento de la misma. Por ello, en los últimos años, el uso de estructuras de conversión sin transformador se ha vuelto muy popular.
Determinadas instalaciones fotovoltaicas requieren la puesta a tierra (aterramiento) de uno de los terminales del campo fotovoltaico . En algunos casos, este requerimiento es de carácter tecnológico. Es el caso de instalaciones en las que se utilizan determinados paneles fotovoltaicos de capa fina, donde aterrando el negativo se evita una degradación prematura del panel, o de instalaciones en las que se desea eliminar completamente la circulación de corrientes por tierra a través de la capacidad parásita del campo fotovoltaico para mejorar el comportamiento electromagnético de la etapa de conversión. En otros casos, la necesidad de aterrar viene determinada por la normativa vigente, como el NEC (National Electrifical Code) de Estados Unidos.
Habitualmente, los sistemas fotovoltaicos de conexión a red se conectan a redes del tipo T-N (en las que el neutro de red se encuentra puesto a tierra) . En este tipo de redes, el uso de una etapa de conversión con aislamiento galvánico (con transformador de baja o alta frecuencia) permite aterrar uno de los terminales del campo fotovoltaico sin que aparezcan problemas para el funcionamiento de la etapa de conversión. Sin embargo, aterrar el campo fotovoltaico en etapas de conversión sin transformador basadas en estructuras de conversión tradicionales, como el puente en H o las mostradas en los documentos de patente DEl 0221592Al, DE102004030912B3 y WO2008015298A1 no resulta posible.
Con el fin de solucionar los problemas planteados al aterrar el campo fotovoltaico en etapas de conversión sin transformador se han desarrollado nuevas topologías como la propuesta en DE 196 42 522 Cl. Sin embargo, la corriente inyectada a la red por esta topología es pulsante, lo que requiere un gran filtro de salida para amortiguar los armónicos de corriente. Este problema se soluciona en DE 197 32 218 Cl. Esta estructura se basa en la unión de dos convertidores dc/dc: Zeta y Cuk. El control de los semiconductores se realiza de manera que durante el semiciclo positivo de la tensión de red el convertidor se comporta como un Zeta y durante el semiciclo negativo como un Cuk. Sin embargo, en esta topología, como en DE 196 42 522 Cl, al carecer de etapa dc/dc elevadora, la fluctuación de potencia característica de los sistemas monofásicos provoca un rizado en la tensión del campo fotovoltaico a una frecuencia igual al doble de la frecuencia de red que provoca una disminución de la energía obtenida en el campo fotovoltaico por fluctuación de tensión en torno al punto de máxima potencia.
En US 2004 0164557 Al se presenta una topología sencilla que permite aterrar el negativo del campo fotovoltaico. El funcionamiento de esta topología se basa en la obtención de una tensión continua bipolar (positiva y negativa respecto al negativo del campo fotovoltaico) , es decir un bus de continua con el punto medio puesto a tierra. A partir de este bus, el uso de un medio puente permite obtener tensiones de salida senoidales. El hecho de utilizar la tensión del campo fotovoltaico como tensión positiva en el bus de continua hace que la estructura no pueda ser utilizada con tensiones de campo fotovoltaico inferiores a la máxima tensión de red.
En DE 10 2006 012 164 Al se presenta una topología que permite aterrar uno de los terminales de entrada, consiguiendo a su salida una tensión continua bipolar. Sin embargo, todos los semiconductores utilizados deben soportar la máxima tensión de bus, que deberá ser al menos dos veces la máxima tensión de red, lo que aumenta las pérdidas de conmutación y disminuye el rendimiento de la etapa de conversión.
En US 2008 0266919 se presenta otra topología que permite obtener una tensión continua bipolar. En este caso se utilizan dos convertidores dc/dc de tipo elevador- reductor. Sin embargo, el primer convertidor dc/dc debe manejar toda la potencia del sistema. Además, los semiconductores utilizados deben soportar la tensión de bus, que deberá ser al menos dos veces la máxima tensión de red, lo que incrementa las pérdidas de la topología, disminuyendo su rendimiento.
Otra topología que permite obtener una tensión continua bipolar es la propuesta en WO 2008 151587 Al. Esta topología utiliza dos transistores gobernados por la misma señal de control, tres diodos y dos bobinados acoplados magnéticamente para conseguir una tensión de salida bipolar. El modo de funcionamiento propuesto, hace que en todo momento la corriente consumida por la etapa dc/dc, vista desde el campo fotovoltaico, sea una corriente pulsante y, por tanto, la corriente en la bobina Wl será mayor a la que circularla en caso de que la corriente fluyese de manera continua hacia la etapa dc/dc, con el consiguiente aumento de pérdidas en semiconductores y bobinas .
Las topologías propuestas en US 2004 0164557 Al, DE 10 2006 012 164 Al, US 2008 0266919, y WO 2008 151587 Al se basan en la obtención de una tensión continua bipolar (bus con el punto medio aterrado) . Para obtener una tensión alterna a partir de esta tensión bipolar, se pueden utilizar topologías dc/ac como el medio puente o medio puente NPC: 1. Medio puente: Se trata de una topología de conversión sencilla formada únicamente por dos elementos de conmutación (del tipo transistor con diodo en antiparalelo) . Sin embargo, sus modos de funcionamiento sólo permiten obtener dos niveles de tensión de salida: Vbus/2 y -Vbus/2, siendo necesario utilizar una gran inductancia para filtrar los armónicos de corriente producidos. Por otro lado, dado que los semiconductores utilizados deben ser capaces de soportar toda la tensión del bus, esta topología presenta grandes pérdidas de conmutación.
2. Medio puente NPC. Con el fin de mejorar el comportamiento del medio puente puede utilizarse como estructura de conversión dc/ac un medio puente NPC. Se trata de una estructura formada por 6 elementos de conmutación (4 son de tipo transistor con diodo en antiparalelo y 2 de tipo diodo) . Esta topología permite obtener tres niveles de tensión de salida:
Vbus/2, 0 y -Vbus/2. De esta forma se reduce el rizado de corriente, frente al obtenido en un medio puente, pero se aumenta la complejidad de la misma al utilizar
6 elementos de conmutación.
La fluctuación de potencia característica de los sistemas monofásicos provoca un rizado en la tensión de bus. Para reducir esta variación, se utilizan grandes capacidades. El uso de un medio puente o un medio puente
NPC requiere una tensión de bus de al menos dos veces la tensión de red, el doble de la utilizada en estructuras dc/ac como el puente en H, lo que aumentará el tamaño de la capacidad necesaria frente a la utilizada en un puente en H. Este aumento de la capacidad encarece y aumenta considerablemente el volumen de la etapa de conversión. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Para conseguir los objetivos y resolver los inconvenientes anteriormente indicados, la invención propone un circuito eléctrico del tipo inversor monofásico que acondiciona y convierte energia eléctrica continua en energia eléctrica alterna y que está configurado de forma que incluye: dos conexiones de corriente continua a las que se conecta una fuente de energia continua; un primer acumulador temporal de energia conectado entre las conexiones de corriente continua; un primer ramal conectado entre las conexiones de corriente continua, y que comprende un primer elemento de conmutación una primera inductancia y un segundo elemento de conmutación; - un segundo ramal que comprende un tercer elemento de conmutación, conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación con la primera inductancia; un tercer ramal formado por un cuarto elemento de conmutación, conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación con una conexión de corriente continua; un segundo acumulador temporal de energia conectado entre el tercer y cuarto elementos de conmutación; - un cuarto ramal que comprende un quinto elemento de conmutación y un sexto elemento de conmutación; estando el quinto elemento de conmutación conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energia con el tercer elemento de conmutación; y estando el sexto elemento de conmutación conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energia con el cuarto elemento de conmutación; un quinto ramal que comprende un séptimo elemento de conmutación que está conectado entre el punto de unión del primer elemento de conmutación con la primera inductancia y el punto de unión del segundo acumulador temporal de energia con el cuarto elemento de conmutación y el sexto elemento de conmutación; - dos conexiones de corriente alterna, a las que se conecta un elemento seleccionado entre la red eléctrica y una carga preparada para trabajar con corriente alterna; un sexto ramal que comprende una segunda inductancia conectada entre el punto de unión del quinto elemento de conmutación y el sexto elemento de conmutación y una conexión de corriente alterna.
En una realización preferida de la invención el primer elemento de conmutación es del tipo transistor MOSFET, IGBT, J-FET u otro dispositivo que se adapte a esta configuración; el segundo, tercer, cuarto, quinto y sexto elementos de conmutación, son transistores MOSFET, IGBT, J-
FET u otro dispositivo que se adapte a esta configuración, cada uno de los cuales están conectados en antiparalelo con un diodo; y el séptimo elemento de conmutación es del tipo diodo .
En otra realización preferida, se incluye un octavo elemento de conmutación conectado en paralelo con el tercer elemento de conmutación y con el segundo elemento de conmutación. En este caso, el primer y segundo elementos de conmutación son transistores MOSFET, IGBT, J-FET u otro dispositivo que se adapte a esta configuración; el cuarto, quinto, sexto y octavo elementos de conmutación son transistores MOSFET, IGBT, J-FET u otro dispositivo que se adapte a esta configuración, conectados en antiparalelo con respectivos diodos; y el tercer y séptimo elementos de conmutación son de tipo diodo.
Los acumuladores temporales de energia pueden estar constituidos por elementos capacitivos, ultracapacitivos, baterías o combinaciones de estos elementos.
Otra realización preferida incluye colocar un filtro CEM (de compatibilidad electromagnética) en la entrada del circuito (conexiones de corriente continua) , en la salida del circuito (conexiones de corriente alterna) o distribuido en dicho circuito. El circuito también puede estar conectado a una unidad de mando adaptada para gobernar la conmutación mediante una serie de señales de encendido generadas a su salida y dirigidas al primer, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto, elementos de conmutación. Otra alternativa, es que el circuito esté conectado a una unidad de mando adaptada para gobernar la conmutación mediante una serie de señales de encendido generadas a su salida y dirigidas al primer, segundo, cuarto, quinto, sexto y octavo, elementos de conmutación, todo ello dependiendo de la naturaleza de los elementos de conmutación en cada una de las realizaciones descritas anteriormente. Dicha unidad de mando puede contener al menos un módulo de cálculo, formado por al menos un dispositivo electrónico programable que puede ser un procesador de propósito general, un microcontrolador, un procesador de señal digital (DSP) , un circuito integrado especifico de aplicación (ASCI) o una tarjeta programable (FPGA) .
En una realización preferida, las señales de encendido de los elementos de conmutación se realizan mediante modulación de ancho de pulso.
La invención puede aplicarse a distintos campos, a modo de ejemplos indicar que las conexiones de corriente continuase pueden conectar a una unidad fotovoltaica, una unidad de célula electro-quimica, u otra fuente de corriente continua.
La conexión directa de un terminal de entrada con uno de los terminales de salida permite aterrar la fuente de energia continua, cuando el terminal de red que se conecta con el de entrada corresponde al terminal del neutro. A continuación, para facilitar una mejor comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la invención, asi como algunos circuitos pertenecientes al estado de la técnica. BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1.- Muestra un esquema eléctrico de una primera realización de un circuito eléctrico para convertir energia eléctrica continua en energia eléctrica alterna, según la presente invención. Figura 2.- Muestra el uso de la primera realización con un campo fotovoltaico en el que se pone a tierra el negativo del campo fotovoltaico mediante la unión de dicho terminal con el neutro de red.
Figura 3.- Muestra el uso de la primera realización con un campo fotovoltaico en el que se pone a tierra el positivo del campo fotovoltaico mediante la unión de dicho terminal con el neutro de red.
Figura 4.- Muestra un esquema eléctrico de una segunda realización de un circuito eléctrico para convertir energia eléctrica continua en energia eléctrica alterna, según la presente invención.
DESCRIPCIÓN DE UNO O VARIOS EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE
LA INVENCIÓN
La figura 1 muestra una primera realización del circuito de la invención. Esta primera realización comprende : dos conexiones de corriente continua (1, 2) a las que se conecta una fuente de energia continua; un primer acumulador temporal de energia (Cl) conectado entre las conexiones de corriente continua ( 1 , 2 ) ; un primer ramal conectado entre las conexiones de corriente continua (1, 2), y que comprende un primer elemento de conmutación (El) una primera inductancia (Ll) y un segundo elemento de conmutación (E2); un segundo ramal que comprende un tercer elemento de conmutación (E3) , conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con la primera inductancia (Ll); un tercer ramal formado por un cuarto elemento de conmutación (E4), conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con una conexión de corriente continua (2); un segundo acumulador temporal de energia (C2) conectado entre el tercer y cuarto elementos de conmutación (E3, E4) ; un cuarto ramal que comprende un quinto elemento de conmutación (E5) y un sexto elemento de conmutación (E6) ; estando el quinto elemento de conmutación (E5) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energia (C2) con el tercer elemento de conmutación (E3) ; y estando el sexto elemento de conmutación (E6) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energia (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4); un quinto ramal que comprende un séptimo elemento de conmutación (E7) que está conectado entre el punto de unión del primer elemento de conmutación (El) con la primera inductancia (Ll) y el punto de unión del segundo acumulador temporal de energia (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4) y el sexto elemento de conmutación (E6) ; dos conexiones de corriente alterna (3 y 4), a las que se conecta un elemento seleccionado entre la red eléctrica y una carga preparada para trabajar con corriente alterna; un sexto ramal que comprende una segunda inductancia (L2) conectada entre el punto de unión del quinto elemento de conmutación (E5) y el sexto elemento de conmutación (E6) y una conexión de corriente alterna ( 3 ) .
En dicha realización, el elemento de conmutación El es de tipo transistor (MOSFET, IGBT, J-FET u otro tipo que se adapte a la correspondiente configuración del circuito) , E7 es de tipo diodo y E2, E3, E4, E5, E6 son transistores con respectivos diodos conectados en antiparalelo.
Por otra parte, los acumuladores Cl y C2 pueden ser elementos capacitivos, ultracapacitivos, baterias o combinaciones de los mismos. La topología propuesta permite obtener en C2 una tensión flotante utilizada posteriormente por los elementos de conmutación E2, E3, E4, E5 y E6, que actúan como etapa dc/ac, para obtener una tensión alterna de salida. La tensión libre de potencial de C2 se consigue por medio de una acción coordinada de los elementos de conmutación El, E2, E3, E4 y E7, que actúan como etapa dc/dc de carácter elevador. Se trata por tanto de una estructura de conversión formada por una etapa dc/dc y otra dc/ac, que comparten los elementos de conmutación E2, E3 y E4. Para un correcto funcionamiento de la estructura de conversión propuesta, la tensión de C2 debe ser al menos la máxima tensión de red.
Dado que las etapas dc/dc y dc/ac que forman parte de la topología propuesta comparten los elementos E2, E3 y E4, los modos de funcionamiento de la estructura dependen del semiciclo de la tensión de red en el que se opere, según se explica más adelante.
La conexión directa de un terminal de entrada (2) con uno de los terminales de salida (4) permite aterrar la fuente de energía continua, cuando el terminal de red que se conecta en (4) corresponde al terminal del neutro.
La figura 2 muestra el uso de la primera realización tomando como fuente de energía continua un generador fotovoltaico en el que se pone a tierra el negativo del generador mediante la unión de dicho terminal con el neutro de red. En este caso, el funcionamiento de la estructura es el siguiente:
Durante el semiciclo positivo: El y E4 permanecen encendidos.
El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de E2. Cuando se enciende E2, la corriente de la bobina Ll, que circula a través de
El y E2, crece. Cuando se apaga E2, la corriente de
Ll que circula a través de El, E3 y E4 decrece.
El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6. Cuando se enciende E5, V52=Vc2 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E5, crece. Cuando se enciende E6, V52=O y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E6, decrece. Donde V52 es el potencia entre los puntos 5 y 2, y V02 es el potencial del acumulador temporal C2. Durante el semiciclo negativo: E2 y E3 permanecen encendidos.
El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de El. Cuando se enciende El, la corriente de la bobina Ll, que circula a través de
El y E2, crece. Cuando se apaga El, la corriente de
Ll que circula a través de E3 y E7, decrece.
El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6, que actúan de manera complementaria. Cuando se enciende E6, V52=-
V02 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E6, crece. Cuando se enciende E5,
V52=O y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E5, decrece.
De esta manera se realiza un control independiente de la corriente en cada una de las bobinas.
Las señales de control de los elementos de conmutación utilizados se determinan en una unidad de mando que dispone de al menos una unidad de cálculo y de una lógica para implementar la estrategia de control. El módulo de cálculo comprende al menos un dispositivo electrónico programable, que puede ser un microprocesador de propósito general, un microcontrolador, un microprocesador de señal digital (DSP) , un circuito integrado especifico de aplicación
(ASCI), una tarjeta programable (FPGGA) o cualquier combinación de los anteriores, encargado de establecer los valores actualizados del punto de trabajo de la fuente de energia . La figura 3 muestra el uso de la primera realización con un campo fotovoltaico en el que se pone a tierra el positivo del campo fotovoltaico mediante la unión del terminal positivo con el neutro de red. En este caso, el funcionamiento de la estructura es el siguiente: Durante el semiciclo positivo:
E2 y E3 permanecen encendidos.
El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de El. Cuando se enciende El, la corriente de la bobina Ll, que circula a través de El y E2, crece. Cuando se apaga El, la corriente de
Ll que circula a través de E3 y E7, decrece. El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6, que actúan de manera complementaria. Cuando se enciende E6, V52=Vc2 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E6, crece. Cuando se enciende E5, V52=O y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E5, decrece. Durante el semiciclo negativo: - El y E4 permanecen encendidos.
El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de E2. Cuando se enciende E2, la corriente de la bobina Ll, que circula a través de El y E2, crece. Cuando se apaga E2, la corriente de Ll que circula a través de El, E3 y E4 decrece. El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6. Cuando se enciende E5, V52=-Vc2 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E5, decrece. Cuando se enciende E6, V52=O y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E6, crece.
La figura 4 muestra una segunda realización de la invención. En este caso se coloca un nuevo elemento de conmutación E8 en paralelo con los elementos de conmutación E2 y E3, tal y como se aprecia en la figura 4. El uso del elemento de conmutación E8 permite disminuir la corriente que circula por E2.
En esta segunda realización, los elementos de conmutación El y E2 son del tipo transistor (MOSFET, IGBT, J-FET u otro tipo que se adapte a la correspondiente configuración del circuito) , E3 y E7 son de tipo diodo y E4, E5, E6 y E8 son transistores con respectivos diodos conectados en antiparalelo.
El funcionamiento del convertidor es similar al mostrado en la primera realización, teniendo en cuenta que
E8 permanecerá encendido en aquellos estados en los que E2 y E3 se encendían simultáneamente (E8 es complementario de
E4) . De esta forma, el funcionamiento durante el semiciclo positivo será semejante, y en el negativo quedará como se describe a continuación:
E2 y E8 permanecen encendidos.
El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de El. Cuando se enciende El, la corriente de la bobina Ll, que circula a través de El y E2, crece. Cuando se apaga El, la corriente de
Ll que circula a través de E2, E8 y E7, decrece. El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6. Cuando se enciende E6, V52=-Vc2 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E6, y E8, decrece. Cuando se enciende E5, V52=O y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E5 y E8, decrece. La topología propuesta presenta una serie de mejoras respecto a las estructuras del estado de la técnica:
La conexión directa de la bobina L2 a uno de los terminales de las conexiones de corriente alterna
(3) garantiza que la corriente inyectada a la red no sufre discontinuidades (no es pulsante) .
Debido al carácter elevador de la etapa dc/dc utilizada, se puede trabajar con tensiones de entrada inferiores a la máxima tensión red, consiguiendo un amplio rango de tensiones de entrada .
El uso de una etapa dc/dc permite desacoplar el rizado que aparece en el condensador C2 del campo fotovoltaico, evitando las pérdidas por fluctuación de tensión en torno al punto de máxima potencia del campo fotovoltaico que aparecen en sistemas con una única etapa dc/ac conectada directamente al campo fotovoltaico . - El circuito puede funcionar con una tensión en el condensador C2 igual a la máxima tensión de red, la mitad de la tensión necesaria para estructuras basadas en una tensión continua bipolar. De esta forma, el tamaño del condensador necesario será menor.
Por otro lado, la etapa dc/ac utilizada proporciona tres niveles para la tensión V52: V02, 0 y -V02. Se obtiene así una estructura con un comportamiento similar al obtenido en un medio puente NPC, pero utilizando dos elementos menos, lo que reduce el número de semiconductores (para un mismo comportamiento) respecto a las estructuras del estado del arte. El uso compartido de E3 y E4 por parte de la etapa dc/dc y dc/ac, permite reducir las pérdidas de conducción de estos elementos, ya que las corrientes de Ll y L2 que circulan por ellos tienen sentidos contrarios. De esta manera se obtiene una estructura de conversión dc/ac con unas pérdidas inferiores a las obtenidas en un puente en H con modulación unipolar o un medio puente NPC (Neutral Point Clamped) , mejorando el rendimiento global de la estructura de conversión. Durante el semiciclo positivo, la corriente fluye desde la fuente de corriente continua de manera constante, al estar El siempre encendido. Esto minimiza el valor de corriente en la bobina Ll, reduciendo las pérdidas en los elementos de la etapa dc/dc, frente a estructuras como DE 196 42 522 Cl, DE 197 32 218 Cl, DE 10 2006 012 164 Al y WO 2008
151587 Al, en las que esta corriente es siempre pulsante y por tanto el valor de corriente en Ll deberá ser mayor para una misma transferencia de potencia .

Claims

REIVINDICACIONES :
1.- CIRCUITO ELÉCTRICO PARA CONVERTIR ENERGÍA ELÉCTRICA CONTINUA EN ENERGÍA ELÉCTRICA ALTERNA, siendo un circuito inversor monofásico que acondiciona y convierte energia eléctrica de corriente continua en energia eléctrica de corriente alterna, que comprende: dos conexiones de corriente continua (1, 2) a las que se conecta una fuente de energia continua; un primer acumulador temporal de energia (Cl) conectado entre las conexiones de corriente continua ( 1 , 2 ) ; un primer ramal conectado entre las conexiones de corriente continua (1, 2), y que comprende un primer elemento de conmutación (El) una primera inductancia (Ll) y un segundo elemento de conmutación (E2); un segundo ramal que comprende un tercer elemento de conmutación (E3) , conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con la primera inductancia (Ll); - un tercer ramal formado por un cuarto elemento de conmutación (E4), conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con una conexión de corriente continua (2); un segundo acumulador temporal de energia (C2) conectado entre el tercer y cuarto elementos de conmutación (E3, E4) ; un cuarto ramal que comprende un quinto elemento de conmutación (E5) y un sexto elemento de conmutación (E6) ; estando el quinto elemento de conmutación (E5) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energia (C2) con el tercer elemento de conmutación (E3) ; y estando el sexto elemento de conmutación (E6) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energia (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4); un quinto ramal que comprende un séptimo elemento de conmutación (E7) que está conectado entre el punto de unión del primer elemento de conmutación (El) con la primera inductancia y el punto de unión del segundo acumulador temporal de energia (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4) y el sexto elemento de conmutación (E6) ; dos conexiones de corriente alterna (3 y 4), a las que se conecta un elemento seleccionado entre la red eléctrica y una carga preparada para trabajar con corriente alterna; un sexto ramal que comprende una segunda inductancia (L2) conectada entre el punto de unión del quinto elemento de conmutación (E5) y el sexto elemento de conmutación (E6) y una conexión de corriente alterna
(3) .
2.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 1 donde: el primer elemento de conmutación (El) está seleccionado entre transistores MOSFET, IGBT y J- FET;
el segundo, tercer, cuarto, quinto y sexto elementos de conmutación ( E2, E3, E4, E5 y E6) están seleccionados entre transistores MOSFET, IGBT y J- FET; conectados en antiparalelo con respectivos diodos; el séptimo elemento de conmutación (E7) es de tipo diodo.
3.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 1 donde se incluye un octavo elemento de conmutación (E8) conectado en paralelo con el tercer elemento de conmutación (E3) y el segundo elemento de conmutación (E2).
4.- CIRCUITO ELÉCTRICO según la reivindicación 3 donde:
el primer, y segundo elementos de conmutación (El, E2) están seleccionados entre transistores MOSFET, IGBT y J-FET ;
el cuarto, quinto, sexto y octavo elemento de conmutación (E4, E5, E6 y E8) están seleccionados entre transistores MOSFET, IGBT y J-FET; conectados en antiparalelo con respectivos diodos;el tercer y séptimo elemento de conmutación (E3 y E7) son de tipo diodo.
5.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 1 donde el primer y segundo acumuladores temporales de energia (Cl, C2) están seleccionados entre elementos capacitivos, ultracapacitivos, baterias y combinación de ellos.
6.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 1 que comprende un filtro de compatibilidad electromagnética en una ubicación seleccionada entre las conexiones de corriente continua (1, 2), conexiones de corriente alterna (3, 4) y distribuido en el circuito.
7.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 2 en el que dicho circuito está conectado a una unidad de mando adaptada para gobernar la conmutación mediante una serie de señales de encendido generadas a su salida y dirigidas al primer, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto, elementos de conmutación (El, E2, E3, E4, E5 y E6) .
8.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 4 en el que dicho circuito está conectado a una unidad de mando adaptada para gobernar la conmutación mediante una serie de señales de encendido generadas a su salida y dirigidas al primer, segundo, cuarto, quinto, sexto y octavo, elementos de conmutación (El, E2, E4, E5, E6 y E8) .
9.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 7 u 8 donde las señales de encendido de los elementos de conmutación se realizan mediante modulación de ancho de pulso.
10.- CIRCUITO ELÉCTRICO según la reivindicación 7 u 8, donde la unidad de mando contiene al menos un modulo de cálculo, que comprende al menos un dispositivo electrónico programable seleccionado entre un procesador de propósito general, un microcontrolador, un procesador de señal digital (DSP) , un circuito integrado especifico de aplicación (ASCI) y una tarjeta programable (FPGA).
11.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 1 donde la fuente de corriente continua está seleccionada entre una unidad fotovoltaica, una unidad de célula electro-quimica, y fuente de corriente continua.
12.- CIRCUITO ELÉCTRICO según reivindicación 1, donde la conexión de corriente alterna (4) que se une directamente a la conexión de corriente continua (2) es el terminal de neutro .
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