Aparato generador híbrido.

UN CONJUNTO GENERADOR HIBRIDO COMPRENDE UN MOTOR/GENERADOR U OTRA FUENTE ELECTRICA CONTROLABLE (10),

QUE PROPORCIONA UNA SALIDA ELECTRICA DE TENSION VARIABLE, SIENDO ESTA SALIDA RECTIFICADA Y ALIMENTADA A UN CONVERTIDOR CC/CC (12), CUYA SALIDA (VCC) ES CONTROLADA POR UN CIRCUITO DE CONTROL (16). ESTA SALIDA ACTUA COMO SALIDA INTERMEDIA DE CC, QUE SE UTILIZA TIPICAMENTE PARA ACCIONAR UN INVERSOR (14) A FIN DE GENERAR UNA SALIDA DE CA QUE ALIMENTA UNA CARGA EXTERNA. EL USO DEL CONVERTIDOR CC/CC AISLA LA SALIDA INTERMEDIA DE CC DE LA SALIDA DEL GENERADOR, Y PERMITE QUE EL CONJUNTO GENERADOR ACTUE EFICIENTEMENTE EN UNA AMPLIA ESCALA DE VELOCIDADES DEL MOTOR/GENERADOR, DE ACUERDO CON LA DEMANDA DE LA CARGA.

Aparato generador híbrido.

Fundamento de la invención

Esta invención se refiere a un aparato generador que puede ser usado para suministrar cargas que varían substancialmente con el tiempo.

En generadores eléctricos convencionales se instalan un motor u otro accionamiento primario que conduce un alternador síncrono a una velocidad nominalmente constante, que se calcula para proporcionar una salida eléctrica AC de la frecuencia correcta. En la práctica, la velocidad del motor no permanece exactamente constante, con una variación resultante no deseable en la frecuencia de la salida eléctrica del generador instalado.

Para suministrar la máxima demanda de carga, un conjunto generador de este tipo debe ser dimensionado en consecuencia, lo que puede ser muy antieconómico debido al hecho de que la carga media puede ser, típicamente, sólo el 20 % de la carga pico. Hay numerosas aplicaciones, tales como soldadura, carga de batería y el arranque/funcionamiento de motores eléctricos en los que la demanda de carga puede variar enormemente, con sólo cargas pesadas intermitentes del conjunto generador. Así, es deseable que un conjunto generador que se use en tales aplicaciones, pueda hacer frente de forma eficaz a situaciones de carga ligera.

Se han propuesto conjuntos generadores de velocidad variable (véase, por ejemplo, la patente de EE.UU. Nº 5.563.802 de Plahn et al.), que responde a variaciones en la demanda de carga al variar la velocidad del motor/generador, y que utilizan baterías para suministrar la carga en situaciones de baja carga. Sin embargo, los sistemas de este tipo conocidos tienen varias limitaciones, incluyendo un intervalo limitado de funcionamiento de velocidad del motor, insuficiente vida de la batería debido a ciclos de trabajo pesados y actuación deficiente en situaciones de carga desfavorables.

Un objeto de la invención es proporcionar aparatos generadores híbridos que puedan hacer frente a variaciones substanciales de la carga mientras también funciona de forma eficaz.

Resumen de la invención

Según la invención, el aparato de suministro de energía comprende:

La fuente controlable puede comprender una pila de combustible u otro dispositivo tal como un generador hidroeléctrico, una turbina de viento, una turbina/generador de gas o cualquier otro dispositivo que genere una salida eléctrica a partir de una entrada no eléctrica.

Alternativamente, la fuente controlable puede comprender un motor y un generador que proporcionen una salida de voltaje variable al medio convertidor de desacople.

Preferiblemente, el generador es un generador AC que proporciona un voltaje variable, una salida AC de frecuencia variable al medio convertidor de desacople, incluyendo el aparato un medio rectificador para rectificar la salida AC del generador y comprendiendo el medio convertidor de desacople consta de un convertidor DC a DC para convertir la salida AC rectificada en una salida DC intermedia que tiene un voltaje que se controla con respecto a un voltaje de referencia.

El medio de control puede incluir un medio sensor dispuesto para controlar la carga de la salida DC intermedia del medio convertidor y/o de la fuente controlable, y aumentar la velocidad del motor cuando la carga supera un valor predeterminado.

En una realización, el medio de control funciona para mantener la corriente que fluye de la fuente controlable a un nivel predeterminado o dentro de un intervalo predeterminado, comprendiendo el medio sensor un sensor de voltaje dispuesto para controlar el voltaje de salida en la salida DC intermedia del medio convertidor y aumentar la velocidad del motor para aumentar la potencia suministrada al medio convertidor cuando el voltaje de la salida DC intermedia cae por debajo de una primera tensión umbral.

En otra realización, el medio de control funciona para mantener el voltaje de la salida DC intermedia substancialmente constante, comprendiendo el medio sensor un sensor de corriente dispuesto para controlar la corriente que fluye desde la fuente controlable y aumentar la velocidad del motor para aumentar la potencia suministrada al medio convertidor cuando la corriente que fluye de la fuente controlable supera un primer umbral de corriente.

El aparato puede incluir al menos un primer medio de almacenamiento de energía dispuesto para ser cargado desde la salida DC intermedia y para descargar energía en la salida DC intermedia cuando el voltaje de la salida DC intermedia cae por debajo de un valor nominal.

Alternativamente o además, el aparato puede incluir un medio auxiliar de control de carga dispuesto para detectar la conexión de una carga auxiliar onerosa al medio de salida y controlar el suministro de potencia a la carga auxiliar; esto es, impedir de ese modo una carga excesiva del medio de salida.

Preferiblemente, el aparato incluye al menos un segundo medio de control de almacenamiento de energía, un circuito de carga dispuesto para cargar el segundo medio de almacenamiento de energía desde la salida DC intermedia del medio convertidor, y un circuito de descarga dispuesto para descargar el segundo medio de almacenamiento de energía en paralelo con el primer medio de almacenamiento de energía cuando el voltaje de la salida DC intermedia cae por debajo de un segundo umbral de voltaje, debajo del primer umbral de voltaje.

En una realización, el aparato incluye un tercer medio de almacenamiento de energía, un circuito de carga dispuesto para cargar el tercer medio de almacenamiento de energía desde una fuente eléctrica, y un medio convertidor auxiliar dispuesto para descargar el tercer medio de almacenamiento de energía en paralelo con el primer y segundo medio de almacenamiento de energía después de que el segundo medio de almacenamiento de energía se ha descargado al menos parcialmente.

El primer y segundo dispositivos de almacenamiento de energía son preferiblemente condensadores, y el tercer dispositivo de almacenamiento de energía es preferiblemente una batería.

El aparato puede incluir un sensor de velocidad para controlar la velocidad del motor/generador y para generar una señal de salida de velocidad relativa a ésta, y un medio generador de función para generar una señal de potencia desde la señal de salida de velocidad, siendo la señal de potencia representativa de una característica de potencia/velocidad del motor y siendo utilizada por el medio de control para optimizar el funcionamiento del motor.

El aparato puede incluir además sensores de presión y temperatura ambientales para controlar la presión y temperatura ambientales y para generar las señales de salida respectivas de presión y temperatura y, adicionalmente, puede incluir generadores de función de la presión y temperatura respectivas para generar salidas que comprenden características derivadas del motor que compensen variaciones en la presión y temperatura ambientales de funcionamiento.

El aparato puede también incluir un sensor de temperatura de escape dispuesto para controlar la temperatura de escape del motor y para generar una señal de salida de la temperatura de escape, un generador de función de temperatura de escape para generar una señal característica de temperatura de escape/carga de velocidad de la señal de salida de la velocidad; y un controlador para generar una señal de error a partir de la diferencia entre la señal de salida de la temperatura de escape y la señal característica de temperatura de escape/carga de velocidad; por lo tanto, para compensar de ese modo los factores que afectan a la temperatura de escape del motor.

Descripción escrita de los dibujos

1. Aparato de suministro de energía que comprende:

2. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 1, en donde la fuente controlable comprende una pila de combustible, un generador hidroeléctrico, una turbina de viento, una turbina/generador de gas o cualquier otro dispositivo que genere una salida eléctrica desde una entrada no eléctrica.

3. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 1, en donde la fuente controlable comprende un motor y un generador que proporciona una salida de voltaje variable al medio convertidor de desacople.

4. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 3, en donde el generador es un generador AC que proporciona un voltaje variable, salida AC de frecuencia variable para el medio convertidor de desacople, incluyendo el aparato un medio rectificador para rectificar la salida AC del generador y comprendiendo el medio convertidor de desacople un convertidor DC a DC para convertir la salida AC rectificada a una salida DC intermedia que tiene un voltaje que es controlado con respecto a un voltaje de referencia.

5. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 4, en donde el medio de control incluye un medio sensor dispuesto para controlar la carga de la salida DC intermedia del medio convertidor y/o fuente controlable, y aumentar la velocidad del motor cuando la carga supera un valor predeterminado.

6. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 5, en donde el medio de control funciona para mantener la corriente que fluye de la fuente controlable a un nivel predeterminado o dentro de un intervalo predeterminado, comprendiendo el medio sensor un sensor de voltaje dispuesto para controlar el voltaje de salida en la salida DC intermedia del medio convertidor, y aumentar la velocidad del motor para aumentar la potencia suministrada al medio convertidor cuando el voltaje de la salida DC intermedia cae por debajo de un primer umbral de voltaje.

7. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 5, en donde el medio de control funciona para mantener el voltaje de la salida DC intermedia sustancialmente constante, comprendiendo el medio sensor un sensor de corriente dispuesto para controlar la corriente que fluye de la fuente controlable y aumentar la velocidad del motor para aumentar la potencia suministrada al medio convertidor cuando la corriente que fluye desde la fuente controlable supera un primer umbral de corriente.

8. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 6 o la reivindicación 7, que incluye al menos un primer medio de almacenamiento de energía dispuesto para ser cargado desde la salida DC intermedia y descargar energía en la salida DC intermedia cuando el voltaje de la salida DC intermedia cae por debajo de un valor nominal.

9. Aparato de suministro de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, que incluye medio de control de carga auxiliares dispuestos para detectar la conexión de una carga auxiliar onerosa al medio de salida y controlar el suministro de energía a la carga auxiliar, para impedir de ese modo la excesiva carga del medio de salida.

10. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 8, que incluye al menos segundo medio de almacenamiento de energía, un circuito de carga dispuesto para cargar el segundo medio de almacenamiento de energía a partir de la salida DC intermedia en paralelo con el primer medio de almacenamiento de energía cuando el voltaje de salida DC intermedio cae por debajo de un segundo umbral de voltaje por debajo del primer umbral de voltaje.

11. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 10, que incluye tercer medio de almacenamiento de energía, un circuito de carga dispuesto para cargar el tercer medio de almacenamiento de energía desde una fuente eléctrica, y medio convertidor auxiliar dispuesto para descargar el tercer medio de almacenamiento de energía en paralelo con el primero y segundo medio de almacenamiento de energía después de que el segundo medio de almacenamiento de energía se ha descargado al menos parcialmente.

12. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 11, en donde el primero y el segundo dispositivos de almacenamiento de energía son condensadores y el tercer dispositivo de almacenamiento de energía es una batería.

13. Aparato de suministro de energía según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, que incluye un sensor de velocidad para controlar la velocidad del motor/generador y para generar una señal de salida de velocidad relacionada con ella, y un medio generador de función para generar una señal de energía de la señal de salida de la velocidad, siendo la señal de energía representativa de una característica potencia/velocidad del motor y siendo utilizada por el medio de control para optimizar el funcionamiento del motor.

14. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 13, que incluye sensores de presión y de temperatura ambientes para controlar la presión y temperatura ambientes y para generar señales de salida respectivas de presión y temperatura y que incluye adicionalmente respectivos generadores de función de presión y temperatura para generar salidas que comprenden características de reducción de la potencia del motor para compensar las variaciones en presión y temperatura de funcionamiento ambiente.

15. Aparato de suministro de energía según la reivindicación 13, que incluye un sensor de temperatura de escape dispuesto para controlar la tem- peratura de escape del motor y generar una señal de salida de la temperatura de escape, un generador de función de temperatura de escape para generar una señal característica de temperatura de escape/velocidad-carga a partir de la señal de salida de la velocidad y un controlador para generar una señal de error de la diferencia entre la señal de salida de la temperatura de escape y la señal característica temperatura de escape/velocidad-carga para compensar, de ese modo, los factores que afectan a la temperatura de escape del motor.