DISPOSITIVO Y MÉTODO DE GESTIÓN DE MÁQUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADA.

Dispositivo y método de gestión de máquinas de reluctancia conmutada.

Se describe un dispositivo destinado a ser usado en máquinas de reluctancia conmutada permitiendo a éstas trabajar en autoexcitación sin necesidad de fuentes energéticas auxiliares así como un método de gestión y producción de energía que hace uso de dicho dispositivo. La solución aquí descrita hace uso de condensadores, cuyos componentes son de uso extendido en el sector de la electrónica y con recuperación estándar de bajo coste evitando el uso de imanes permanentes. Esta circunstancia sitúa a la presente propuesta en una situación de ventaja en términos de coste y no dependencia de la disponibilidad de imanes.

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DISPOSITIVO Y MÉTODO DE GESTIÓN DE MÃ?QUINAS DE RELUCTANCIA CONMUTADA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la generación de energía eléctrica a partir de máquinas de reluctancia conmutada cuando éstas trabajan como generadores.

El objeto de la invención consiste en un circuito para la auto excitación y el control de la transformación de energía de una máquina de reluctancia conmutada trabajando como generador de corriente alterna auto excitado.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La generación de electricidad a pequeña escala se realiza utilizando maquinas de imanes permanentes. Con esta tecnología se obtienen soluciones compactas con alta densidad energética por unidad de volumen. El coste de los materiales de estas máquinas es superior 20 al de las máquinas a las cuales va dirigido este circuito. Actualmente este tipo de máquinas y circuitos hacen uso de imanes permanentes o de elementos magnetizados que actúan como tales. El circuito permite utilizar máquinas sin imanes permanentes. Los imanes se construyen con tierras raras, cuya escasez se traduce en un alto coste. Otras limitaciones propias asociadas a los imanes son la temperatura de trabajo y la pérdida de propiedades por las vibraciones. Asimismo La máquina sincrona de imanes permanentes tiene como inconveniente su superior coste intrínseco debido a la presencia de los imanes. En el caso de recuperación de residuos al agotarse su vida útil, los imanes requieren un proceso de recuperación más costoso y con mayor impacto ambiental ya que se fragmentan y se adhieren a otros elementos ferromagnéticos de los cuales se pretende separar.

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DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es un método y un dispositivo basado en un circuito que añade funcionalidad a las máquinas de reluctancia conmutada permitiéndoles trabajar en 5 autoexcitación sin necesidad de fuentes energéticas auxiliares y sin hacer uso de imanes. El circuito de esta propuesta se refiere al sector de máquinas eléctricas utilizadas para generación eléctrica de pequeña escala, dentro de este sector, la propuesta se dirige a preferiblemente a su aplicación en generación mini eólica, ésta puede ser aplicada para cargar baterías en sitios aislados de la red eléctrica aunque también puede utilizarse para el aprovechamiento energético en tejados de viviendas de zonas residenciales que hacen uso de pequeña potencia como el de pequeñas mini turbinas eólicas de 1 a 5 kilowatios. En caso de conveniencia, la energía se puede inyectar a la red eléctrica mediante un convertidor convencional.

La solución propuesta solamente tiene que afrontar el reciclado de los condensadores, cuyos componentes son de uso extendido en el sector de la electrónica y con recuperación estándar de bajo coste. La incorporación del motor eléctrico en el sector del automóvil hará aumentar el coste de los imanes al suponer un consumo masivo. Esta circunstancia sitúa a la presente propuesta en una situación de ventaja en términos de coste y no dependencia de la disponibilidad de imanes.

El circuito propuesto hace innecesaria la exigencia de disponer de una fuente energética auxiliar para iniciar la autoexcitación y permite el control completo de la maquina una vez iniciada la autoexcitación; asimismo las frecuencias de conmutación de los dispositivos son del orden de la frecuencia de red haciendo que las pérdidas de conmutación sean despreciables.

Cabe destacar que el circuito es replicable en caso de máquinas multifásicas, en las cuales el bus de desmagnetización es compartido por todas las fases.

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DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1. Muestra un esquema del circuito con los elementos integrantes para una solución monofásica.

Figura 2. Muestra un esquema del circuito con los elementos integrantes para una solución para una máquina multifásica (n fases) .

Figura 3. Muestra un esquema de una de integración del circuito propuesto en una aplicación para cargar baterías.

Figura 4. Muestra un esquema done se aprecia cómo la capacidad C de resonancia se puede variar conectando en paralelo condensadores.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A la vista de las figuras se describe a continuación un modo de realización preferente del objeto de esta invención.

Tal y como se aprecia en la Fig. 1 donde muestra un circuito práctico que hay que formar con una fase de una máquina, representada como una inductancia de fase (Lfase) , un condensador de resonancia (C) representado por una capacidad variable y una carga (7) que recibe la energía generada. Los interruptores (S1, S2) representan unos dispositivos cuya resistencia es controlable, que preferentemente en este ejemplo de realización se realizan con transistores JFET.

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reluctancia conmutada donde dicha máquina de reluctancia conmutada se encuentra representada por la inductancia de fase (Lfase) , el citado dispositivo (1) comprende:

- Un bus de desmagnetización (2) que comprende al menos un condensador (Cbus) y que es común a todas las fases,

- Al menos un condensador de resonancia (C) conectado en paralelo con la fase (Lfase) coincidente con aquella de la inductancia representativa de la máquina de reluctancia conmutada,

- Al menos un primer interruptor (S1) y un segundo interruptor (S2) ambos con característica resistiva controlable que conectan un condensador con la fase (Lfase) , los interruptores (S1, S2) son preferiblemente transistores del tipo JFET, si bien pueden ser resistencias variables de valor controlable,

- Al menos un rectificador (3) , preferiblemente monofásico,

- Un bus de continua destinado a llevar a cabo una desmagnetización de la fase (Lfase) ,

- La carga (7) de Corriente Alterna (CA) receptora de energía, y

- Un controlador (4) del conjunto formado por los elementos anteriores.

El dispositivo (1) puede presentar adicionalmente: al menos un interruptor mecánico (I1, I2) , destinado reducir pérdidas de conducción, y un dispositivo controlable bidireccional; como puede ser un triac. En una realización alternativa del objeto de la invención se puede llevar a cabo una implementación del circuito en una máquina multifásica de n fases, como la representada en la Fig.2. En dicha realización multifásica unas bobinas de los polos del estator se reparten entre n fases. El circuito resultante replica n veces parte de los elementos mostrados Fig. 1. La alineación de los polos de las n fases no tiene lugar simultáneamente sino que están separados 360/n grados eléctricos entre dos fases consecutivas. En estas máquinas se requiere formar n circuitos resonantes con sus correspondientes condensadores de resonancia (C1, C2, C3â?Cn) . No obstante, se puede compartir el bus de desmagnetización y el rectificador debe ser polifásico de n fases. El controlador (4) es único para todas las fases. El circuito para máquinas polifásicas de n fases resulta más complejo pero tienen como ventaja que reducen el rizado del par.

Un ejemplo de realización para cargar baterías (6) con una máquina monofásica se muestra en la Fig. 3. En dicha figura se puede observar una turbina eólica (5) que acciona una máquina generadora (MG) . Si se cumplen las condiciones de resonancia, la máquina se P201231620

autoexcita gracias a que los condensadores de resonancia (C) están conectados en paralelo a la fase mediante los transistores JFET normalmente cerrados. El detalle de la conexión se indica en la Fig. 1. La tensión alterna generada es convertida en corriente continua gracias a un convertidor de Corriente Alterna a Corriente Continua (CA/CC) , un rectificador con diodos por ejemplo, que adapta la corriente bipolar del lado de alterna con corriente unipolar del lado de continua. La salida carga un banco de baterías (6) . Cuando se abren los interruptores (S1, S2) , es decir los dispositivos JFET, la energía residual de la bobina descarga sobre un condensador (Cbus) del bus de desmagnetización (2) . Esta energía se puede recuperar y entregar al banco de baterías (6) mediante un convertidor de Corriente Continua a Corriente Continua (CC/CC) que adapta los niveles de tensión de ambos lados. Para ello se hace uso del dispositivo (1) anteriormente descrito donde se tienen...

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1. Dispositivo (1) de gestión de máquinas de reluctancia conmutada donde dicha máquina de reluctancia conmutada se encuentra representada por una inductancia de fase (Lfase) , dispositivo (1) caracterizado porque comprende:

- un bus de desmagnetización (2) que comprende al menos un condensador (Cbus) y que es común a todas las fases,

- al menos un condensador de resonancia (C) conectado en paralelo con la fase (Lfase) coincidente con aquella de la inductancia representativa de la máquina de reluctancia conmutada, -al menos un primer interruptor (S1) y un segundo interruptor (S2) ambos con característica resistiva controlable que conectan un condensador con la fase (Lfase) ,

- al menos un rectificador (3) ,

- un bus de continua destinado a llevar a cabo una desmagnetización de la fase (Lfase) ,

- una carga (7) de Corriente Alterna (CA) receptora de energía, y

- un controlador (4) del conjunto formado por los elementos anteriores.

2. Dispositivo (1) según reivindicación 1 donde el rectificador (3) es monofásico.

3. Dispositivo (1) según reivindicación 1 caracterizado porque los interruptores (S1, S2) son resistencias variables de valor controlable.

4. Dispositivo (1) según reivindicación 1 ó 3 caracterizado porque los interruptores (S1, S2) son transistores del tipo JFET.

5. Dispositivo (1) según reivindicación 1 ó 3 caracterizado porque comprende al menos un interruptor mecánico (I1, I2) , destinado reducir pérdidas de conducción, y un dispositivo controlable bidireccional.

6. Dispositivo (1) según reivindicación 5 caracterizado porque el dispositivo controlable bidireccional es un triac.

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7. Método de gestión de máquinas de reluctancia conmutada que hace uso de al menos un dispositivo (1) como el descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, método donde los interruptores S1 y S2 están inicialmente cerrados, el condensador de resonancia (C) descargado y el bus de desmagnetización descargado caracterizado porque comprende:

- establecer bajo la acción del controlador (4) una resistencia equivalente a un cortocircuito entre las respectivas uniones entre la bobina y el condensador C para que la resistencia se encuentre comprendida entre 0.001 y 0.009 ohmios,

- mantener el comportamiento resistivo equivalente a un cortocircuito en ambos sentidos de la corriente,

- iniciar una autoexcitación de la máquina mediante la formación de un circuito resonante conseguido conectando a cada una de las fases un condensador C en paralelo,

- mantener el condensador de resonancia (C) en una tensión alterna sostenida,

- mantener controlando el estado de los interruptores S1 y S2 para permitir que el condensador de resonancia (C) suministre energía a la inductancia de fase (Lfase)

- abrir uno de los interruptores S1 y S2, al menos, en la zona angular en que los polos del estator tratan de alinearse con respecto a los polos del rotor,

- aumentar la resistencia hasta un valor comprendido entre 100.000 ohm a 900.000 ohmios y que sea equivalente a un circuito abierto,

- cargar el condensador Cbus del bus de desmagnetización a una tensión superior a la amplitud de la tensión alterna del condensador de resonancia (C) , y

- llevar a cabo una extracción de energía que se obtiene al estar la carga (7) conectada al condensador de resonancia la cual se traduce en la amplitud de la tensión alterna en el condensador de resonancia (C) y en la intensidad suministrada a la carga (7) .

8. Método según reivindicación 7 caracterizado porque la autoexcitación se lleva a cabo mediante un campo magnético residual que queda en el circuito magnético de la máquina representado por (Lfase) .

9. Método según reivindicación 7 caracterizado porque adicionalmente comprende abrir los interruptores (S1, S2) para desmagnetizar la bobina; de tal manera que la tensión de la bobina Lfase se adapta a la tensión del bus de desmagnetización, mateniéndose eléctricamente conectado al mismo a través del rectificador, hasta que la bobina agota su

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energía y, por tanto, se desmagnetiza.

10. Método según reivindicación 7, donde hay una variación de frecuencia mecánica y el método está caracterizado porque comprende variar la frecuencia de resonancia eléctrica para igualarla a la frecuencia mecánica mediante una modificación en la capacidad del condensador de resonancia (C) .

11. Método según reivindicación 10 caracterizado porque la modificación del condensador de resonancia (C) se lleva a cabo actuando sobre los triacs en los pasos por cero de la tensión alterna de tal manera que los triacs se cierran poniendo así en paralelo los condensadores correspondientes obteniéndose una capacidad equivalente a la suma de los que quedan conectados.