Aparato y método para convertir corriente continua en corriente alterna.

Un dispositivo (D) para convertir la corriente continua en corriente alterna,

que comprende al menos un convertidor multinivel (CNPC) asociado con al menos una fuente de corriente continua (Vdc), por lo menos una unidad de modulación (M) teniendo medios de control para el control del mencionado convertidor (CNPC) para la conversión de dicha corriente continua (Vdc) en una corriente alterna (Iu) y al menos una unidad de control de corriente (A) operativamente asociados con la mencionada unidad de modulación (M), caracterizado por el hecho de que incluye al menos una fuente de corriente de referencia (Irif) y medio de cálculo para el cálculo de la diferencia entre dicha corriente de referencia actual (Irif) y la mencionada corriente de salida (Iu), en donde la mencionada unidad de control de corriente (A) incluye medios de generación para la generación de una tensión de referencia (Urif) y medios de determinación para determinar dicha tensión de referencia (Urif) que sea generada según la diferencia calculada entre dicha corriente de referencia (Irif) y dicha corriente de salida (Iu) y en donde la mencionada unidad de modulación (M) incluye medios de comparación para comparar el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) con al menos un valor umbral positivo preestablecido (Ip) y al menos un valor de umbral negativo predeterminado (In), siendo convenientes dichos medios de control, para controlar el mencionado convertidor (CNPC) con una modulación de impulsos de tipo unipolar en caso de salida de que dicho valor de la corriente de salida (Iu) esté por encima de dicho valor umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) esté por encima de cero o en el caso de que el mencionado valor de dicha corriente de salida (Iu) esté por debajo de dicho valor umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea menor que cero y con una modulación por impulsos del tipo complementario en el caso de que el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) sea menor que el mencionado valor umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) esté por encima de cero y en el caso de que dicho valor de la corriente de salida (Iu) esté por encima de dicho valor umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea inferior a cero.

Aparato y método para convertir corriente continua en corriente alterna.

ÁMBITO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un dispositivo y método para convertir la corriente continua en corriente alterna.

ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA

Ha sido común y conocida durante algún tiempo, la utilización de aparatos electrónicos llamados "inversores", capaces de convertir una entrada de corriente continua en una salida de corriente alterna,

Las aplicaciones de los inversores son numerosas y van, por ejemplo, desde el uso en unidades SAI para la conversión de corriente continua desde una batería de abastecimiento para ser utilizada en la industria para la regulación de la velocidad de motores eléctricos o, una vez más, para ser utilizadas en la industria para convertir la electricidad procedente de plantas de producción, antes de la introducción en la red de distribución.

Un tipo especial de inversor es el inversor multinivel llamado NPC (inversor fijado en el punto neutro) , que es capaz de suministrar más de dos niveles de potencia de salida así como de generar una forma de onda lo más cerca posible de la forma sinusoidal.

A modo de ejemplo, la figura 1 muestra el diagrama general de un inversor NPC de tres niveles de tres fases.

El inversor de la figura 1 tiene una rama de entrada compuesta por dos condensadores C en serie uno con el otro y asociada con una fuente de corriente continua Vdc a un terminal de voltaje positivo Vdc+, a un terminal de voltaje negativo Vdc- y a un punto neutro NP entre los dos condensadores C.

El inversor incluye tres interruptores electrónicos de encendido, tales como Mosfet, IGBT o dispositivos similares señalados con las referencias Sa1-Sd1, Sd2 Sa2 y Sa3-Sd3, convenientemente conectados juntos en tres ramas, una para cada fase f1, f2 y f3.

El inversor consta también de tres pares de diodos, indicados en la figura 1, con las referencias Da1 yDb1, Da2 y Db2, Da3 y Db3 respectivamente.

Con referencia a la rama relativa a la fase f1, por ejemplo, los diodos Da1 y Db1 están dispuestos en serie uno con el otro y conectan el punto neutro NP, respectivamente, al punto conexión entre los interruptores Sa1 y Sb1 y al punto de conexión conexión entre interruptores Sc1 y Sd1.

Los diodos Da2, Db2, Da3 y Db3 están conectados de forma similar con las ramas relativas a las fases f2 y f3.

Mediante el control de cierre de los interruptores Sa1-Sd1, Sa2-Sd2 y Sa3-Sd3 es posible conectar cada una de las fases al positivo del voltaje Vdc+, al negativo del voltaje Vcc- y al nodo NP (Punto Neutro) donde la tensión es igual a cero si toma como referencia. La conmutación rápida de los interruptores entre las posibles configuraciones se realiza mediante técnicas de modulación adecuadas, con el fin de obtener un corriente alterna y voltaje de salida en las tres fases, comenzando con corriente continua Vdc.

Una de estas técnicas de modulación es la llamada modulación unipolar de las ramas del inversor, en la que los interruptores de cada rama están activados o desactivados según la variación de una tensión periódica de referencia.

En particular, con referencia a modo de ejemplo a la rama de la fase f1, se muestra a continuación la configuración de los interruptores Sa1, Sb1, Sc1 y Sd1.

Durante la media onda positiva de la tensión de referencia:

- la conmutación del interruptor Sa1 se efectúa a una frecuencia de conmutación preestablecida; -el interruptor Sb1 está siempre encendido; -los interruptores Sc1 y Sd1 están siempre apagados.

Durante la media onda negativa de la tensión de referencia:

-la conmutación del interruptor Sd1 se efectúa a una frecuencia de conmutación preestablecida;

- el interruptor Sc1 está siempre encendido; -los interruptores Sa1 y Sb1 están siempre apagados.

Sin embargo, la técnica de modulación unipolar tiene un número de inconvenientes.

De hecho, cerca del punto cero de la corriente de salida, como el instante en que la corriente ideal en la salida de la rama es igual a cero, sucede una distorsión en la tensión real de salida.

Esto es debido a la operación en DCM (modo de conducción discontinua) de la corriente de la rama.

En particular, cuando el valor promedio de la corriente en la inductancia de carga está cercano a la cancelación por sí misma, un componente oscilatorio espurio sobrepuesto (ondulación) no puede cruzar el cero, causando una variación instantánea del gradiente de corriente que fluye en la inductancia y causando de esta manera una variación de tensión en las cabezas de la inductancia propia.

Para una mayor claridad y solamente a modo de ejemplo, la figura 2 y la figura 3 muestran, respectivamente, los modelos de tensión y corriente Vu y Iu que salen de una de las ramas en el caso de modulación unipolar, lo que hace clara la presencia de las distorsiones de las señales cerca del punto cero.

En particular, la figura 3 muestra el modelo de la corriente de salida Iu cerca del punto de cero en comparación con el model0 de una corriente de salida ideal Irif.

La modulación de tipo unipolar, además, tiene aún más inconvenientes en el caso de la tensión de referencia y la corriente de salida, teniendo, en un instante especifico de intervalo de tiempo, señales opuestas, por ejemplo, en el caso de la tensión de referencia sea sinusoide y en avance con respecto a la corriente de salida Iu.

En este caso, en el cambio de señal de la tensión de referencia, la corriente ya no puede continuar circulando en la misma dirección y se ve obligada a cero.

Tales modelos de la tensión de referencia y de la corriente de salida Iu se muestran a modo de ejemplo en la figura 4, en la que es la corriente de referencia se indican mediante la fórmula Urif.

Son conocidas técnicas alternativas para superar los inconvenientes de la modulación unipolar, tal como la llamada modulación complementaria de la las ramas del inversor.

Se muestra a continuación, de manera específica, a modo de ejemplo, la configuración de los interruptores Sa1, Sb1, Sc1 y Sd1, con referencia para la rama de la fase f1.

Durante la media onda positiva de la tensión de referencia:

- la conmutación de los interruptores Sa1 y Sc1 se efectúa a una frecuencia preestablecida de interrupción; -el interruptor Sb1 está siempre encendido; -el interruptor Sd1 está siempre apagado.

Durante la media onda negativa de la tensión de referencia:

- la conmutación de los interruptores Sd1 y Sb1 se realiza a una frecuencia preestablecida de interrupción; -el interruptor Sc1 está siempre encendido -el interruptor Sa1 está siempre apagado.

Sin embargo, la técnica de modulación complementaria tiene también una serie de inconvenientes.

En particular, los interruptores centrales que interrumpen a la frecuencia de conmutación no están cubiertos por la corriente y, en consecuencia, cuando la corriente de salida no está cerca del punto cero se hacen numerosos interruptores inútiles.

Esto implica un inevitable aumento de pérdidas de energía unido al circuito de piloto de los interruptores centrales de cada rama y pérdidas adicionales en los diodos unidos a las corrientes de respectivas de dispersión.

Además, el funcionamiento correcto del inversor requiere el dimensionamiento adecuado del circuito piloto de los interruptores centrales.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

El objetivo principal de la presente invención es proporcionar un dispositivo y un método para convertir la corriente continua en corriente alterna que permita eliminar las perturbaciones presentes en el punto cero de la corriente de salida y que, al mismo tiempo, permita el corte al máximo de las pérdidas de energía.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar un dispositivo y un método para convertir la corriente continua en corriente alterna que permitan superar los inconvenientes mencionados por la Técnica conocida, en el ámbito de una solución simple, racional, eficaz para utilizarlo y de bajo costo.

Los objetivos anteriores son conseguidos por el presente dispositivo para convertir la corriente continua en corriente alterna, comprendiendo al menos un convertidor multinivel asociado con al menos una fuente de corriente continua y al menos una unidad de modulación que incluya medios de control para controlar dicho convertidor para la conversión de dicha corriente continua en una corriente alterna de salida, caracterizado por el hecho que dicha unidad de modulación incluye medios de comparación para comparar el valor de dicha corriente de salida con al menos un valor umbral positivo preestablecido... [Seguir leyendo]

1. Un dispositivo (D) para convertir la corriente continua en corriente alterna, que comprende al menos un convertidor multinivel (CNPC) asociado con al menos una fuente de corriente continua (Vdc) , por lo menos una unidad de modulación (M) teniendo medios de control para el control del mencionado convertidor (CNPC) para la conversión de dicha corriente continua (Vdc) en una corriente alterna (Iu) y al menos una unidad de control de corriente (A) operativamente asociados con la mencionada unidad de modulación (M) , caracterizado por el hecho de que incluye al menos una fuente de corriente de referencia (Irif) y medio de cálculo para el cálculo de la diferencia entre dicha corriente de referencia actual (Irif) y la mencionada corriente de salida (Iu) , en donde la mencionada unidad de control de corriente (A) incluye medios de generación para la generación de una tensión de referencia (Urif) y medios de determinación para determinar dicha tensión de referencia (Urif) que sea generada según la diferencia calculada entre dicha corriente de referencia (Irif) y dicha corriente de salida (Iu) y en donde la mencionada unidad de modulación (M) incluye medios de comparación para comparar el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) con al menos un valor umbral positivo preestablecido (Ip) y al menos un valor de umbral negativo predeterminado (In) , siendo convenientes dichos medios de control, para controlar el mencionado convertidor (CNPC) con una modulación de impulsos de tipo unipolar en caso de salida de que dicho valor de la corriente de salida (Iu) esté por encima de dicho valor umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) esté por encima de cero o en el caso de que el mencionado valor de dicha corriente de salida (Iu) esté por debajo de dicho valor umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea menor que cero y con una modulación por impulsos del tipo complementario en el caso de que el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) sea menor que el mencionado valor umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) esté por encima de cero y en el caso de que dicho valor de la corriente de salida (Iu) esté por encima de dicho valor umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea inferior a cero.

2. Un dispositivo (D) según la Reivindicación 1, caracterizado por el hecho que dicho convertidor (CNPC) incluye al menos una rama de salida (Ru) teniendo al menos un interruptor electrónico primero y segundo (Sa y Sb) asociados en serie el uno con el otro entre el polo positivo (Vdc+) de dicha fuente de corriente continua (Vdc) y al menos un terminal de salida y teniendo al menos un tercer y un cuarto interruptor electrónico (Sc y Sd) asociados en serie el uno con el otro entre el polo negativo (Vdc-) de la mencionada fuente de corriente continua (Vdc) y el mencionado terminal de salida, los mencionados interruptores electrónicos (Sa, Sb, Sc, Sd) asociados operativamente con los mencionados medios de control de la unidad de modulación (M) .

3. Un dispositivo (D) según la Reivindicación 2, caracterizado por el hecho que dicho convertidor (CNPC) incluye al menos una rama de entrada (Ri) teniendo por lo menos dos condensadores (C) asociados en serie el uno con el otro y teniendo al menos un terminal asociado con el polo positivo (Vdc) de dicha fuente de corriente continua (Vdc) y al menos un terminal opuesto asociado con el polo negativo (Vcc-) de dicha fuente de corriente continua (Vdc) , donde la mencionada rama de salida (Ru) incluye al menos un primer diodo (Da) con el ánodo asociado con la mencionada rama de entrada (Ri) , y un punto de conexión (NP) entre los mencionados condensadores (C) , y con el cátodo asociado con la mencionada rama de salida (Ru) , en un punto de conexión entre dicho primer y segundo interruptor (Sa y Sb) y al menos un segundo diodo (Db) con el cátodo asociado a dicha rama de entrada (Ri) , en el mencionado punto de conexión (NP) entre los mencionados dos condensadores (C) y con el ánodo asociado con la mencionada rama de salida (Ru) , en un punto de conexión entre los mencionados interruptores tercero y cuarto (Sc y Sd) .

4. El dispositivo (D) según una o más de los Reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que, en el caso de que el valor de dicha corriente de salida (Iu) esté por encima del mencionado valor de umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea superior a cero, dichos medios de control son convenientes para el control del mencionado convertidor (CNPC) con modulación por ancho de impulsos de tipo unipolar en el que:

- el mencionado primer interruptor (Sa) está periódicamente conmutado a una frecuencia predeterminada; -el mencionado segundo interruptor (Sb) está siempre encendido; -los mencionados interruptores tercero y cuarto (Sc y Sd) están siempre apagados.

5. Un Dispositivo (D) según una o más de las Reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que, en el caso de que el valor de dicha corriente de salida (Iu) esté por debajo del mencionado valor de umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea inferior a cero, dichos medios de control son convenientes para el control del mencionado convertidor (CNPC) con modulación por ancho de impulsos de tipo unipolar en el que:

-el mencionado cuarto interruptor (Sd) está periódicamente conmutado a una frecuencia predeterminada;

- el mencionado tercer interruptor (Sc) está siempre encendido;

- los mencionados interruptores primero y segundo (Sa y Sb) están siempre apagados.

6. Un Dispositivo (D) según una o más de las Reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que, en el caso de que el valor de dicha corriente de salida (Iu) esté por debajo del mencionado valor de umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea superior a cero, dichos medios de control son convenientes para el control del mencionado convertidor (CNPC) con modulación por ancho de impulsos de tipo complementario en el que:

-el mencionado cuarto interruptor (Sd) y el mencionado tercer interruptor (Sc) están periódicamente conmutados a una frecuencia predeterminada y en una manera complementaria el uno con el otro;

- el mencionado segundo interruptor (Sb) está siempre encendido;

- el mencionado interruptor cuarto (Sd) está siempre apagado.

7. Un Dispositivo (D) según una o más de las Reivindicaciones precedentes, caracterizado por el hecho de que, en el caso de que el valor de dicha corriente de salida (Iu) esté por debajo del mencionado valor de umbral negativo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea inferior a cero, dichos medios de control son convenientes para el control del mencionado convertidor (CNPC) con modulación por ancho de impulsos de tipo complementario en el que:

-el mencionado segundo interruptor (Sb) y el mencionado cuarto interruptor (Sd) están periódicamente conmutados a una frecuencia predeterminada y en una manera complementaria el uno con el otro.

- el mencionado tercer interruptor (Sc) está siempre encendido;

- el mencionado interruptor primero (Sa) está siempre apagado.

8. Un método para convertir la corriente continua en corriente alterna, que comprende al menos una fase de control de un convertidor multinivel (CNPC) para la conversión de una tensión continua (Vdc) en una corriente alterna de salida (Iu) , caracterizado por el hecho de que comprende al menos una fase de generación de una corriente de referencia (Irif) y al menos una fase de cálculo de la diferencia entre la mencionada corriente de referencia (Irif) y la mencionada corriente de salida (Iu) , al menos una fase de determinación para determinar una tensión de referencia (Urif) que será generada según la diferencia calculada entre, la mencionada corriente de referencia (Irif) y la mencionada corriente de salida (Iu) , al menos una fase de generación de la mencionada tensión de referencia (Urif) y al menos una fase de comparación del valor de dicha corriente de salida (Iu) con al menos un valor umbral positivo preestablecido (Ip) y al menos un valor umbral negativo preestablecido (In) , siendo la mencionada fase de control, conveniente para controlar el mencionado convertidor (CNPC) con modulación por impulsos del tipo unipolar en el caso de que dicho valor de la corriente de salida (Iu) sea superior al mencionado valor umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) esté por encima de cero o en el caso que dicho valor de la corriente de salida (Iu) esté por debajo del valor umbral negativo mencionado (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea menor que cero y con una modulación de impulsos de tipo complementario en el caso de que el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) sea menor que el mencionado valor umbral positivo (Ip) y dicho voltaje de referencia (Urif) esté por encima de cero y en el caso que el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) esté por encima del mencionado valor umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea menor que cero.

9. El método según la Reivindicación 8, caracterizado por el hecho que el mencionado convertidor (CNPC) incluye al menos una rama de salida (Ru) que tiene por lo menos un primer y un segundo interruptor electrónico (Sa y Sb) asociados en serie uno con el otro entre el polo positivo (Vdc+) de una fuente de la mencionada tensión continua (Vdc) y al menos un terminal de salida, y por tener al menos un tercero y un cuarto interruptor electrónico (Sc y Sd) asociados en serie el uno con el otro entre el polo negativo (Vdc-) de dicha fuente de corriente continua (Vdc) y el mencionado terminal de salida.

10. Método según la Reivindicación 9, caracterizado por el hecho que, el mencionado convertidor (CNPC) comprende al menos una rama de entrada (Ri) por tener por lo menos dos condensadores (C) en serie el uno con el otro y teniendo al menos un terminal asociado con el polo positivo (Vdc+) de dicha fuente de tensión continua (Vdc) y al menos un terminal opuesto asociado con el polo negativo (Vdc-) de dicha fuente de tensión continua (Vdc) , donde dicha rama de salida (Ru) incluye al menos un primer diodo (Da) con el ánodo asociado con la mencionada rama de entrada (Ri) , en un punto de conexión (NP) entre los mencionados dos condensadores (C) y con el cátodo asociado con la mencionada rama de salida (Ru) , en un punto de conexión entre los mencionados primer y segundo interruptores (Sa y Sb) , y al menos un segundo diodo (Db) con el cátodo asociado con la mencionada rama de entrada (Ri) , en el mencionado

punto de conexión (NP) entre los mencionados dos condensadores (C) , y con el ánodo asociado con dicha rama de salida (Ru) , en un punto de conexión entre los mencionados tercer y cuarto interruptores (Sc y Sd) .

11. El método según cualquiera de las Reivindicaciones 8 a 10, caracterizado por el hecho de que, en caso de que el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) esté por encima de dicho valor umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea superior a cero, la mencionada fase de control es adecuada para controlar el mencionado convertidor (CNPC) con un modulación por ancho de impulsos de tipo unipolar en que:

-el mencionado primer interruptor (Sa) está conmutado periódicamente a una frecuencia preestablecida;

- el mencionado segundo interruptor (Sb) está siempre encendido;

- los mencionados tercer y cuarto interruptores (Sc y Sd) están siempre apagados.

12. El método según cualquiera de las Reivindicaciones 8 a 11, caracterizado por el hecho, que en caso de que el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) sea inferior al mencionado valor umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea inferior a cero, dicha fase de control es conveniente para controlar el mencionado convertidor (CNPC) mediante modulación por ancho de impulsos de tipo unipolar en el que:

- el mencionado cuarto interruptor (Sd) está periódicamente conmutado a una frecuencia preestablecida; -el mencionado tercer interruptor (Sc) está siempre encendido; -los mencionados primer y segundo interruptores (Sa y Sb) están siempre apagados.

13. El método según cualquiera de las Reivindicaciones de 8 a 12, caracterizado porque, en caso de que el mencionado valor de la corriente de salida (Iu) sea inferior al mencionado valor umbral positivo (Ip) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea superior a cero, dicha fase de control es conveniente para controlar el mencionado convertidor (CNPC) con modulación por ancho de impulsos de tipo complementario en la que:

-el mencionado primer interruptor (Sa) y el mencionado tercer interruptor (Sc) conmutan periódicamente a una frecuencia preestablecida de manera complementaria entre sí; -el mencionado segundo interruptor (Sb) está siempre encendido;

- el mencionado interruptor cuarto (Sd) está siempre apagado.

14. El método según cualquiera de las Reivindicaciones 8 a 13, caracterizado porque, en caso de que dicho valor de la corriente de salida (Iu) sea superior al valor umbral negativo (In) y la mencionada tensión de referencia (Urif) sea inferior a cero, dicha fase de control es conveniente para controlar el mencionado convertidor (CNPC) con una modulación por ancho de impulsos de tipo complementario en que:

-el mencionado segundo interruptor (Sb) y el mencionado interruptor cuarto (Sd) conmutan periódicamente a una frecuencia preestablecida de manera complementaria a uno al otro;

- el mencionado tercer interruptor (Sc) está siempre encendido;

- el mencionado primer interruptor (Sa) siempre está siempre apagado.