Procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor directo así como dispositivo para la realización del procedimiento.

Procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor directo, en el que el circuito convertidor directo presenta al menos dos módulos de fases

(1) y sirve para la conexión de fases (U, V, M) de un primer sistema de corriente o sistema de tensión con fases (R, S, T) de un segundo sistema de corriente o sistema de tensión, cada módulo de fases (1) comprende varias células de conmutación (2) bipolares conectadas en serie entre sí y cada célula de conmutación (2) presenta conmutadores de semiconductores de potencia bidireccionales activables con dirección de la conducción de la corriente unidireccional controlada y un acumulador de energía capacitiva, en el que los conmutadores de semiconductores de potencia de las células de conmutación (2) del módulo de fases (1) respectivo son activados por medio de una señal de activación (S1) y cada módulo de fases (1) presenta una inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) en serie con el circuito en serie de las células de conmutación, caracterizado porque para cada módulo de fases (1) se forma la señal de activación (S1) a partir de la diferencia de una señal de referencia (Vref,UR, Vref,US, Vref,UT, Vref,VR, Vref,VS, Vref,VT, Vref,WR, Vref,WS, Vref,WT) con respecto a la tensión (UUR, UUS, UUT; UVR, UVS, UVT; UWR, UWS, UWT) a través del módulo de fases (1) y de una señal de la tensión (VLUR, VLUS, VLUT, VLVR, VLVS, VLVT, VLWR, VLWS, VLWT) a través de la inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT), y porque la señal de la tensión (VLUR, VLUS, VLUT, VLVR, VLVS, VLVT, VLWR, VLWS, VLWT) se forma a través de la inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) a partir de una señal de referencia (iref,UR, iref,US, iref,UT, iref,VR, iref,VS, iref,VT, iref,WR, iref,WS, iref,WT) con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1), y porque la señal de referencia (iref,UR, iref,US, iref,UT, iref,VR, iref,VS, iref,VT, iref,WR, iref,WS, iref,WT) se forma con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1) a partir de un valor medio (PU, PV, PW) o valor momentáneo (PU, PV, PW) de una potencia de fases de una fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de un valor medio (PR, PS, PT) o valor momentáneo (PR, PS, PT) de una potencia de fases de una fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de la suma de los valores momentáneos (PUVM) o de los valores medios (PUVWM) de las potencias de fases de las fases (U, V, W) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de la suma de los valores momentáneos (PRST) o de los valores medios (PRSTM) de las potencias de fases de las fases (R, S, T) del segundo sistema de la corriente o de la tensión.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/069277.

Solicitante: ABB SCHWEIZ AG.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: BROWN BOVERI STRASSE 6 5400 BADEN SUIZA.

Inventor/es: Winkelnkemper,Manfred, Korn,Arthur.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA... > Transformación de una potencia de entrada en corriente... > H02M5/297 (para transformación de la frecuencia)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA... > APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA... > Transformación de una potencia de entrada en corriente... > H02M7/483 (Convertidores provistos de salidas pudiendo tener cada una más de dos niveles de tensión)

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor directo así como dispositivo para la realización del procedimiento

Campo técnico

La invención se refiere al campo de la electrónica de potencia. Parte de un procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor directo así como de un dispositivo para la realización del procedimiento de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones independientes.

Estado de la técnica

Los circuitos convertidores directos, en particular los convertidores de matriz, tenían en el pasado más bien importancia académica. Sin embargo, actualmente los circuitos convertidores directos adquieren importancia sobre todo para aplicaciones industriales, puesto que por medio de un circuito convertidor directo sin circuito intermedio de tensión continua o circuito intermedio de corriente continua costoso se puede convertir una tensión de entrada o bien una corriente de entrada de una primera amplitud y de una primera frecuencia directamente en una tensión de salida o bien en una corriente de salida de una segunda amplitud y de una segunda frecuencia. Un circuito de convertidor directo de este tipo se indica, por ejemplo, en el documento US 6.900.998 B2. En él, el circuito convertidor directo presenta n = 3 conexiones de fases de entrada y p = 3 conexiones de fases de salida, es decir, que el circuito convertidor directo del documento US 6.900.998 B2 está configurado trifásico en el lado de entrada y en el lado de salida. El circuito convertidor directo del documento US 6.900.998 B2 comprende, además, nueve módulos de fases, respectivamente, con una célula de conmutación bipolar para la conmutación de una tensión positiva y de una tensión negativa entre los polos, estando conectada en serie cada conexión de fases de salida con cada conexión de fases de entrada en cada caso directamente a través de una célula de conmutación. Tal célula de conmutación presenta conmutadores de semiconductores de salida bidireccionales activables con dirección de la guía de la corriente unidireccional controlada y un acumulador de energía capacitivo.

En un circuito convertidor directo de acuerdo con el documento US 6.900 998 B2 es problemático que la tensión no se puede ajustar en cada derivación, es decir, en cada módulo de fases de tal manera que se pueda conseguir un flujo de corriente continuo a través de las células de conmutación, con lo que no es posible un ajuste activo de la corriente a través de la derivación respectiva. De esta manera, con el circuito convertidor directo del documento US

6.900.998 B2 no es posible un intercambio o solamente un intercambio limitado de energía eléctrica entre derivaciones individuales. Pero si el circuito convertidor directo debe estar en condiciones de transmitir una cantidad grande de energía eléctrica, entonces las capacidades de las células de conmutación del documento US 6.900.998 B2 deben dimensionarse correspondientemente grandes, de donde resultan una necesidad enorme de espacio de un circuito convertidor directo y costes considerables. Los sistemas, constituidos con tales circuitos convertidores directos presentarán de esta manera igualmente una necesidad de espacio correspondientemente grande y serán correspondientemente caros.

Las oscilaciones de energía en los módulos de fases individuales conducen a oscilaciones de la tensión en los acumuladores de energía capacitivos en las células de conmutación correspondientes. Pero para un funcionamiento seguro estable y para posibilitar una realización favorable del circuito convertidor directo debe poder limitarse la amplitud de estas oscilaciones de la energía en el módulo de fases y debe poder reducirse al mínimo para poder limitar la tensión máxima en cada acumulador de energía capacitivo individual de la célula de conmutación respectiva del módulo de fases con un acumulador de energía capacitiva lo más pequeño posible a un valor deseado.

En "A Methodology for Developing `Chainlink Converters", EPE 8 de Septiembre de 2009 se indica un circuito convertidor directo, en el que cada módulo de fases presenta una inductividad en serie con el circuito en serie de las células de conmutación.

En el documento WO 2008/067788 A1 se indica un procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor de acuerdo con el documento WO 2007/023064 A1, que regula el contenido de energía de las células de conmutación. El procedimiento descrito en el documento WO 2008/067788 A1 se aplica solamente para formas de realización del circuito convertidor de acuerdo con el documento WO 2007/023064 A1, que conecta tres fases de un sistema con dos fases de otro sistema, de manera que las corrientes en los terminales de conexión del circuito convertidor directo son siempre cero.

En "On Dynamics and Voltage Control of Modular Multilevel Converter", EPE 8 de Septiembre de 2009 se indica un procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor, en el que la simetría de los módulos de fases se realiza con la ayuda de una regulación propia prevista a tal fin.

Representación de la invención

Por lo tanto, el cometido de la invención es indicar un procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor directo, por medio del cual se pueden conseguir oscilaciones reducidas de la energía en módulos de fases. Además, un cometido de la invención es indicar un dispositivo con el que se puede realizar el procedimiento de acuerdo con la invención de una manera especialmente sencilla.

Estos cometidos se solucionan a través de las características de la reivindicación 1 y de la reivindicación 5, respectivamente. En las reivindicaciones dependientes se indican desarrollos ventajosos de la invención.

El circuito convertidor directo presenta al menos dos módulos de fases y sirve para la conexión de fases de un primer sistema de la corriente o sistema de la tensión con fases de un segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión. Además, cada módulo de fases comprende varias células de conmutación bipolares conectadas en serie entre sí y cada célula de conmutación presenta un conmutador de semiconductores bidireccional controlable con dirección de la conducción de la corriente unidireccional controlada y con un acumulador de energía capacitiva. En cuanto al procedimiento, los conmutadores de semiconductores de potencia de las células de conmutación del modulo de fases respectivo son controlados por medio de una señal de control. De acuerdo con la invención, ahora cada módulo de fases presenta una inductividad en serie con el circuito en serie de las células de conmutación y para cada módulo de fases se forma la señal de control a partir de la diferencia de una señal de referencia con respecto a la tensión sobre el módulo de fases y de una señal de la tensión a través de la inductividad, de manera que la señal de la tensión se forma sobre la inductividad a partir de una señal de referencia con respecto a la corriente a través del módulo de fases. La señal de referencia con respecto a la corriente a través del módulo de fases se forma de nuevo a partir de un valor medio o valor momentáneo de una potencia de fases de una fase conectada en el módulo de fases del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de un valor medio o valor momentáneo de una fase conectada en el módulo de fases del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de la suma de los valores momentáneos o de los valores medios de las potencias de fases del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de la suma de los valores momentáneos o de los valores medios de las potencias de fases de las fases del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión.

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Reivindicaciones:

1. Procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor directo, en el que el circuito convertidor directo presenta al menos dos módulos de fases (1) y sirve para la conexión de fases (U, V, M) de un primer sistema de corriente o sistema de tensión con fases (R, S, T) de un segundo sistema de corriente o sistema de tensión, cada módulo de fases (1) comprende varias células de conmutación (2) bipolares conectadas en serie entre sí y cada célula de conmutación (2) presenta conmutadores de semiconductores de potencia bidireccionales activables con dirección de la conducción de la corriente unidireccional controlada y un acumulador de energía capacitiva, en el que los conmutadores de semiconductores de potencia de las células de conmutación (2) del módulo de fases (1) respectivo son activados por medio de una señal de activación (S1) y cada módulo de fases (1) presenta una inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) en serie con el circuito en serie de las células de conmutación, caracterizado porque para cada módulo de fases (1) se forma la señal de activación (S1) a partir de la diferencia de una señal de referencia (Vref, UR, Vref, US, Vref, UT, Vref, VR, Vref, VS, Vref, VT, Vref, WR, Vref, WS, Vref, WT) con respecto a la tensión (UUR, UUS, UUT; UVR, UVS, UVT; UWR, UWS, UWT) a través del módulo de fases (1) y de una señal de la tensión (VLUR, VLUS, VLUT, VLVR, VLVS, VLVT, VLWR, VLWS, VLWT) a través de la inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) , y porque la señal de la tensión (VLUR, VLUS, VLUT, VLVR, VLVS, VLVT, VLWR, VLWS, VLWT) se forma a través de la inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) a partir de una señal de referencia (iref, UR, iref, US, iref, UT, iref, VR, iref, VS, iref, VT, iref, WR, iref, WS, iref, WT) con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1) , y porque la señal de referencia (iref, UR, iref, US, iref, UT, iref, VR, iref, VS, iref, VT, iref, WR, iref, WS, iref, WT) se forma con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1) a partir de un valor medio (PU, PV, PW) o valor momentáneo (PU, PV, PW) de una potencia de fases de una fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de un valor medio (PR, PS, PT) o valor momentáneo (PR, PS, PT) de una potencia de fases de una fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de la suma de los valores momentáneos (PUVM) o de los valores medios (PUVWM) de las potencias de fases de las fases (U, V, W) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de la suma de los valores momentáneos (PRST) o de los valores medios (PRSTM) de las potencias de fases de las fases (R, S, T) del segundo sistema de la corriente o de la tensión.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque para cada módulo de fases (1) se forma la señal de referencia (iref, UR, iref, US, iref, UT, iref, VR, iref, VS, iref, VT, iref, WR, iref, WS, iref, WT) con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1) adicionalmente a partir de una corriente de fases (iU, iV, iW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una corriente de fases (iR, iS, iT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión.

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque para cada módulo de fases (1) se forma el valor momentáneo de la potencia de fases (PU, PV, PW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión a partir de una señal de referencia (Iref, U, Iref, V, Iref, W) con respecto a la corriente de fases (iU, iV, iW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una señal de referencia (Vref, U, Vref, V, Vref, W) con respecto a una tensión de las fases (UU, UV, UW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y porque se forma el valor momentáneo de la potencia de fases (PR, PS, PT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión a partir de una señal de referencia (Iref, R, Iref, S, Iref, T) con respecto a la corriente de fases (iR, iS, iT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una señal de referencia (Vref, R, Vref, S, Vref, T) con respecto a una tensión de las fases (UR, US, UT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión.

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque para cada módulo de fases (1) se forma el valor momentáneo de la potencia de fases (PU, PV, PW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente y de la tensión a partir de una corriente de fases (iU, iV, iW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una tensión de fases (uU, uV, uW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente y sistema de la tensión y porque se forma el valor momentáneo de la potencia de fases (PR, PS, PT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión a partir de una corriente de fases (iR, iS, iT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una tensión de fases (uR, uS, uT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión.

5. Dispositivo para la realización de un procedimiento para el funcionamiento de un circuito convertidor directo, en el que el circuito convertidor directo presenta al menos dos módulos de fases (1) y sirve para la conexión de fases (U, V, M) de un primer sistema de corriente o sistema de tensión con fases (R, S, T) de un segundo sistema de corriente o sistema de tensión, cada módulo de fases (1) comprende varias células de conmutación (2) bipolares conectadas 9 5

en serie entre sí y cada célula de conmutación (2) presenta conmutadores de semiconductores de potencia bidireccionales activables con dirección de la conducción de la corriente unidireccional controlada y un acumulador de energía capacitiva, con un circuito de activación (3) que sirve para la generación de una señal de activación (S1) para cada módulo de fases (1) , cuyo circuito de activación (3) está conectado con los conmutadores de semiconductores de potencia de las células de conmutación (2) del módulo de fases (1) , y cada módulo de fases (1) presenta una inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) en serie con el circuito en serie de las células de conmutación, caracterizado porque con respecto a cada módulo de fases (1) se alimenta al circuito de activación (3) para la formación de la señal de activación (1) la diferencia de una señal de referencia (Vref, UR, Vref, US, Vref, UT, Vref, VR, Vref, VS, Vref, VT, Vref, WR, Vref, WS, Vref, WT) con respecto a la tensión (UUR, UUS, UUT; UVR, UVS, UVT; UWR, UWS, UWT) a través del módulo de fases (1) y de una señal de la tensión (VLUR, VLUS, VLUT, VLVR, VLVS, VLVT, VLWR, VLWS, VLWT) a través de la inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) , y porque para todos los módulos de fases (1) está prevista una primera unidad de cálculo común (4) para la formación de la señal de la tensión (VLUR, VLUS, VLUT, VLVR, VLVS, VLVT, VLWR, VLWS, VLWT) a través de la inductividad (LUR, LUS, LUT; LVR, LVS, LVT; LWR, LWS, LWT) a partir de una señal de referencia (Vref, UR, Vref, US, Vref, UT, Vref, VR, Vref, VS, Vref, VT, Vref, WR, Vref, WS, Vref, WT) con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1) , y porque para todos los módulos de fases (1) está prevista una segunda unidad de cálculo común para la formación de la señal de referencia (iref, UR, iref, US, iref, UT, iref, VR, iref, VS, iref, VT, iref, WR, iref, WS, iref, WT) con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1) a partir de un valor medio (PU, PV, PW) o valor momentáneo (PU, PV, PW) de una potencia de fases de una fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de un valor medio (PR, PS, PT) o valor momentáneo (PR, PS, PT) de una potencia de fases de una fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión, a partir de la suma de los valores momentáneos (PUVM) o de los valores medios (PUVWM) de las potencias de fases de las fases (U, V, W) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de la suma de los valores momentáneos (PRST) o de los valores medios (PRSTM) de las potencias de fases de las fases (R, S, T) del segundo sistema de la corriente o de la tensión.

6. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque la segunda unidad de cálculo común forma la señal de referencia (iref, UR, iref, US, iref, UT, iref, VR, iref, VS, iref, VT, iref, WR, iref, WS, iref, WT) con respecto a la corriente (iUR, iUS, iUT; iVR, iVS, iVT; iWR, iWS, iWT) a través del módulo de fases (1) adicionalmente a partir de una corriente de fases (iU, iV, iW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una corriente de fases (iR, iS, iT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión.

7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque para todos los módulos de fases (1) está prevista una tercera unidad de cálculo común (6) para la formación del valor momentáneo de la potencia de fases (PU, PV, PW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión a partir de una señal de referencia (Iref, U, Iref, V, Iref, W) con respecto a la corriente de fases (iU, iV, iW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una señal de referencia (Vref, U, Vref, V, Vref, W) con respecto a una tensión de las fases (UU, UV, UW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y para la formación del valor momentáneo de la potencia de fases (PR, PS, PT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión a partir de una señal de referencia (Iref, R, Iref, S, Iref, T) con respecto a la corriente de fases (iR, iS, iT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una señal de referencia (Vref, R, Vref, S, Vref, T) con respecto a una tensión de las fases (UR, US, UT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión 8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque para todos los módulos de fases (1) está prevista una tercera unidad de cálculo común (6) para la formación del valor momentáneo de la potencia de fases (PU, PV, PW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente y de la tensión o a partir de una corriente de fases (iU, iV, iW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una tensión de fases (uU, uV, uW) de la fase (U, V, W) conectada en el módulo de fases (1) del primer sistema de la corriente y sistema de la tensión y para la formación del valor momentáneo de la potencia de fases (PR, PS, PT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión a partir de una corriente de fases (iR, iS, iT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión y a partir de una tensión de fases (uR, uS, uT) de la fase (R, S, T) conectada en el módulo de fases (1) del segundo sistema de la corriente o sistema de la tensión.