Un convertidor matricial (4) que comprende:

tres líneas (CA1,

CA2, CA3) con tensión de ca;

dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc;

un primer interruptor (10a) conectado entre una primera (CA1) de las tres líneas de tensión de ca y una primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un segundo interruptor (10c) conectado entre una segunda (CA2) de las tres líneas de tensión de ca y la primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un tercer interruptor (10e) conectado entre una tercera (CA3) de las tres líneas de tensión de ca y la primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un cuarto interruptor (10b) conectado entre la primera (CA1) de las tres líneas de tensión de ca y una segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, un quinto interruptor (10d) conectado entre la segunda (CA2) de las tres líneas de tensión de ca y la segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, y un sexto interruptor (10f) conectado entre la tercera (CA3) de las tres líneas de tensión de ca y la segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a a 10f) están controlados para que se abran y se cierren en secuencia usando modulación por anchura del impulso, de tal modo que cada una de las tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca pueda conectarse a una de las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc cuando se cierra el interruptor asociado; y

una ruta (22) de libre circulación entre las dos líneas con tensión de cc que incluye un dispositivo (24) de bloqueo inverso;

en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a-10f) son bidireccionales, de tal modo que el convertidor matricial (4) puede usarse para aplicaciones de motorización en las que se suministra una entrada trifásica de tensión de ca a las tres líneas (CA1-CA3) con tensión de ca desde una red de suministro y se rectifica con el convertidor matricial (4) para proporcionar una tensión de salida de cc en las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc y para aplicaciones de generación, en las que se suministra una tensión de entrada de cc a las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc y se invierte con el convertidor matricial (4) para proporcionar una tensión de salida de ca en las tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca; y

en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a-10f) están controlados usando modulación por anchura del impulso para conectar las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc a las líneas apropiadas (CA1-CA3) con tensión de ca o a ninguna de las líneas (CA1-CA3) con tensión de ca durante una aplicación de motorización, teniendo las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc una polaridad respectiva de tensión de cc, y para conectar las tres líneas (CA1-CA3) con tensión de ca a la línea apropiada (CC1, CC2) con tensión de cc o a ninguna de las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc durante una aplicación de generación con las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc, teniendo las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc la misma polaridad respectiva de tensión de cc, de tal modo que el convertidor matricial (4) es capaz de regular un flujo bidireccional de energía mientras retiene una tensión unidireccional de cc

Convertidores matriciales.

Campo de la invención

La presente invención versa acerca de convertidores matriciales, y en particular acerca de convertidores matriciales que pueden usarse para formar una primera etapa de un convertidor de corriente de dos etapas, o usarse como una fuente de alimentación de una sola etapa o de múltiples etapas. El convertidor de corriente de dos etapas puede usarse para conectar un motor de velocidad variable a una red de suministro, por ejemplo. El convertidor matricial también puede usarse para alimentar una carga de cc o para acondicionar la energía que se vuelve a suministrar a la red eléctrica o red de suministro.

Antecedentes de la invención

Los convertidores matriciales se están convirtiendo en una forma cada vez más popular de proporcionar una conversión directa de corriente para motores de velocidad variable y fuentes de alimentación. En su forma más básica, un convertidor matricial consiste en un conjunto de interruptores que están dispuestos de tal forma que cualquiera de entre varias líneas de entrada puede ser conectada con cualquiera de entre varias líneas de salida en una configuración predeterminada. En la Figura 1 se muestra un convertidor matricial convencional de una sola etapa. El convertidor matricial tiene tres líneas de entrada etiquetadas E1, E2 y E3 de una red de suministro trifásica de ca, y tres líneas de salida etiquetadas S1, S2 y S3 para suministrar una tensión trifásica de salida de ca a una carga. Nueve interruptores bidireccionales I1 a I9 permiten que cualquiera de las líneas E1, E2 y E3 de entrada se conecte con cualquiera de las líneas S1, S2 y S3 de salida.

Los interruptores se implementan usando dispositivos semiconductores y pueden ser bidireccionales, de modo que pueda usarse un convertidor matricial de una sola etapa para aplicaciones tanto de motorización como de generación. Una implementación común de interruptores bidireccionales usa un par de diodos de recuperación rápida (FRD) conectados en serie en oposición y un par de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) conectados entre sí de forma antiparalela con los diodos. Los IGBT pueden conectarse conjuntamente en una disposición de colector común (Figura 2a) o de emisor común (Figura 2b). En lugar de los IGBT, pueden usarse otros dispositivos de estado sólido, como los transistores de efecto de campo de metal óxido semiconductor (MOSFET), los tiristores conmutados por puerta integrada (IGCT), los tiristores controlados por MOS (MCT) y los tiristores de apagado por puerta (GTO). A veces también es conveniente usar un dispositivo semiconductor que tiene una capacidad de bloqueo inverso, como los transistores bipolares de puerta aislada y bloqueo inverso (RB-IGBT).

La forma de onda de la tensión trifásica de ca de salida suele crearse usando modulación por anchura del impulso. La modulación por anchura del impulso se describe con más detalle más abajo en relación con el convertidor matricial de la presente invención, pero, en términos de la Figura 1, implica en esencia conectar cada una de las líneas S1-S3 de salida con cada una de las líneas E1-E3 de entrada en una secuencia particular y durante lapsos temporales preseleccionados. Por lo tanto, la tensión trifásica de salida de ca está compuesta de partes de la tensión trifásica de entrada. Los interruptores I1-I9 normalmente se controlan para que se abran y se cierren de acuerdo a una estrategia de modulación particular.

Uno de los problemas fundamentales de los convertidores matriciales es la falta de rutas de libre circulación. Por lo tanto, la operación de los interruptores debe controlarse de manera meticulosa. Si una línea de salida se conecta a dos o más líneas de entrada al mismo tiempo, se causará un cortocircuito, y la gran corriente resultante puede dañar seriamente el convertidor matricial, o incluso destruirlo. Por otra parte, si no se conecta ninguna línea de salida a ninguna de las líneas de entrada, no hay ruta alguna para la carga de la corriente de inducción, y esto causará un gran exceso de tensión. Se apreciará que los interruptores semiconductores disponibles en la actualidad no pueden conectarse y desconectarse con el grado de precisión necesario y, por lo tanto, es imposible evitar los circuitos cortos y abiertos en las líneas de salida del convertidor matricial sin usar alguna forma ordenada de conmutación de la corriente. Se describe una posible estrategia de conmutación en cuatro etapas en Dr Wheeler, P.; Dr Clare, J.; Dr Empringham, L. "Bidirectional Switch Commutation for Matrix Converters" (EPE '99, Lausana). Este problema se aborda en el convertidor matricial según la presente invención.

También es posible usar un convertidor matricial como rectificador para proporcionar una tensión de salida de cc para una carga. La patente estadounidense 6.166.930, de la Otis Elevator Company, describe un convertidor matricial que se usa para conectar una tensión trifásica de entrada de ca directamente a un motor de ascensor de cc. El convertidor matricial tiene tres líneas de entrada para recibir la tensión trifásica de entrada de ca y dos líneas de salida para suministrar la tensión de salida de cc a los devanados inductores de cc del motor de ascensor. Seis interruptores bidireccionales implementados usando IGBT permiten que cualquiera de las tres líneas de entrada se conecte a cualquiera de las dos líneas de salida y son controlados de forma secuencial usando modulación por anchura del impulso para proporcionar la forma de onda requerida a la tensión de cc en los terminales de entrada del motor de ascensor. El motor de ascensor se usa para accionar una polea a la que están sujetos un camarín de ascensor y un contrapeso. El motor de ascensor es capaz en modo de regeneración, por ejemplo, cuando el camarín del ascensor desacelera, cuando el camarín del ascensor asciende con una carga que es menor que la carga normal y cuando el camarín del ascensor desciende con una carga que es mayor que la carga normal. Los interruptores bidireccionales permiten que la corriente fluya en cualquiera de las dos direcciones, de ca a cc cuando el motor del ascensor está en funcionamiento normal (modo de motorización), o de cc a ca en modo de regeneración. Los interruptores bidireccionales también permiten que la corriente fluya ya sea con polaridad positiva o negativa de tensión de cc.

Aunque los convertidores matriciales convencionales se usan normalmente como convertidor de corriente de una sola etapa, también pueden usarse como parte de un convertidor de corriente de dos etapas. Klumpner, C.; Blaabjerb, F. "Two stage direct power converters: an alternative to the matrix converter" (IEE Seminar, Matrix Converts, 1 de abril de 2003, Austin Court), describe, con referencia a la Figura 3(b), un convertidor directo de corriente de dos etapas que consiste en un convertidor matricial que se usa como etapa de rectificación, y una etapa de inversión, en la que se conectan entre sí un conjunto de IGBT y de FRD para formar un inversor de una fuente de tensión (VSI). Entre los extremos del enlace de cc del convertidor de dos etapas se extiende un protector electrónico de sobrecargas consistente en un diodo y un condensador en serie. Esto no es una ruta de libre circulación.

Resumen de la invención

La presente invención proporciona un convertidor matricial que comprende:

tres líneas con tensión de ca;

dos líneas con tensión de cc;

un primer interruptor conectado entre una primera de las tres líneas de tensión de ca y una primera de las dos líneas de tensión de cc, un segundo interruptor conectado entre una segunda de las tres líneas de tensión de ca y la primera de las dos líneas de tensión de cc, un tercer interruptor conectado entre una tercera de las tres líneas de tensión de ca y la primera de las dos líneas de tensión de cc, un cuarto interruptor conectado entre la primera de las tres líneas de tensión de ca y una segunda de las dos líneas de tensión de cc, un quinto interruptor conectado entre la segunda de las tres líneas de tensión de ca y la segunda de las dos líneas de tensión de cc, y un sexto interruptor conectado entre la tercera de las tres líneas de tensión de ca y la segunda de las dos líneas de tensión de cc, de tal modo que cada una de las tres líneas con tensión de ca pueda conectarse a una de las dos líneas con tensión de cc cuando se cierra el interruptor asociado; y

una ruta de libre circulación entre las dos líneas con tensión de cc.

El convertidor matricial puede usarse como la primera etapa en un convertidor de corriente de dos etapas que incluye una etapa de inversión. El convertidor...

1. Un convertidor matricial (4) que comprende:

tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca;

dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc;

un primer interruptor (10a) conectado entre una primera (CA1) de las tres líneas de tensión de ca y una primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un segundo interruptor (10c) conectado entre una segunda (CA2) de las tres líneas de tensión de ca y la primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un tercer interruptor (10e) conectado entre una tercera (CA3) de las tres líneas de tensión de ca y la primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un cuarto interruptor (10b) conectado entre la primera (CA1) de las tres líneas de tensión de ca y una segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, un quinto interruptor (10d) conectado entre la segunda (CA2) de las tres líneas de tensión de ca y la segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, y un sexto interruptor (10f) conectado entre la tercera (CA3) de las tres líneas de tensión de ca y la segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a a 10f) están controlados para que se abran y se cierren en secuencia usando modulación por anchura del impulso, de tal modo que cada una de las tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca pueda conectarse a una de las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc cuando se cierra el interruptor asociado; y

una ruta (22) de libre circulación entre las dos líneas con tensión de cc que incluye un dispositivo (24) de bloqueo inverso;

en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a-10f) son bidireccionales, de tal modo que el convertidor matricial (4) puede usarse para aplicaciones de motorización en las que se suministra una entrada trifásica de tensión de ca a las tres líneas (CA1-CA3) con tensión de ca desde una red de suministro y se rectifica con el convertidor matricial (4) para proporcionar una tensión de salida de cc en las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc y para aplicaciones de generación, en las que se suministra una tensión de entrada de cc a las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc y se invierte con el convertidor matricial (4) para proporcionar una tensión de salida de ca en las tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca; y

en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a-10f) están controlados usando modulación por anchura del impulso para conectar las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc a las líneas apropiadas (CA1-CA3) con tensión de ca o a ninguna de las líneas (CA1-CA3) con tensión de ca durante una aplicación de motorización, teniendo las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc una polaridad respectiva de tensión de cc, y para conectar las tres líneas (CA1-CA3) con tensión de ca a la línea apropiada (CC1, CC2) con tensión de cc o a ninguna de las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc durante una aplicación de generación con las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc, teniendo las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc la misma polaridad respectiva de tensión de cc, de tal modo que el convertidor matricial (4) es capaz de regular un flujo bidireccional de energía mientras retiene una tensión unidireccional de cc.

2. Un convertidor matricial según la reivindicación 1 en el que el dispositivo de bloqueo inverso es un diodo (24).

3. Un convertidor matricial según la reivindicación 1 en el que la ruta de libre circulación es una ruta de libre circulación conmutada.

4. Un convertidor matricial según la reivindicación 3 en el que el dispositivo de bloqueo inverso es un tiristor.

5. Un convertidor matricial según la reivindicación 3 en el que el dispositivo de bloqueo inverso es un dispositivo semiconductor que tiene prestaciones de bloqueo inverso.

6. Un convertidor matricial según la reivindicación 5 en el que el dispositivo semiconductor es un RB-IGBT.

7. Un convertidor matricial según la reivindicación 5 en el que el dispositivo semiconductor es un RB-GTO.

8. Un convertidor matricial según cualquier reivindicación precedente en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a a 10f) incluyen un interruptor semiconductor (12).

9. Un convertidor matricial según la reivindicación 8 en el que el interruptor semiconductor (12) tiene prestaciones de bloqueo inverso.

10. Un convertidor matricial según la reivindicación 9 en el que el interruptor semiconductor es un RB-IGBT.

11. Un convertidor matricial según la reivindicación 9 en el que el interruptor semiconductor es un RB-GTO.

12. Un convertidor matricial según la reivindicación 8 en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a a 10f) incluyen un par de interruptores semiconductores (12) en oposición y un par de diodos (14) conectados entre sí en una disposición en serie-paralelo.

13. Un convertidor matricial según la reivindicación 12 en el que las corrientes nominales del par de interruptores semiconductores y/o del par de diodos son asimétricas.

14. Un convertidor de corriente que comprende:

un convertidor matricial según cualquier reivindicación precedente; y

un inversor (8).

15. Un convertidor de corriente según la reivindicación 14 en el que el inversor es un inversor de una fuente de corriente, que actúa como inversor o rectificador.

16. Un convertidor de corriente según la reivindicación 14 en el que el inversor es un inversor de una fuente de tensión, que actúa como inversor o rectificador.

17. Un convertidor de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16 que comprende además un filtro (6) de enlace de cc conectado entre las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc del convertidor matricial.

18. Un convertidor de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 17 que comprende además un filtro (2) de la línea de ca conectado a las líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca del convertidor matricial.

19. Un convertidor de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 18 que comprende además una red de ayuda de conmutación (amortiguador) conectada entre las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc del convertidor matricial.

20. Un convertidor de corriente según la reivindicación 19 en el que la red (30) de ayuda de conmutación (amortiguador) es del tipo condensador-resistencia.

21. Un convertidor de corriente que comprende:

un primer convertidor matricial (104a) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13; y

un segundo convertidor matricial (104b) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13;

en el que las tres líneas (CA1a, CA2a, CA3a) con tensión de ca del primer convertidor matricial (104a) y las tres líneas (CA1b, CA2b, CA3b) con tensión de ca del segundo convertidor matricial (104b) están conectadas entre sí, y las dos líneas (CC1a, CC2a) con tensión de cc del primer convertidor matricial (104a) y las dos líneas (CC1b, CC2b) con tensión de cc del segundo convertidor matricial (104b) están conectadas entre sí, de tal modo que los convertidores matriciales primero y segundo (104a, 104b) están dispuestos en paralelo.

22. Un convertidor de corriente según la reivindicación 21 que además comprende un filtro (102a) de línea de ca conectado a las líneas (CA1a, CA2a, CA3a) con tensión de ca del primer convertidor matricial (104a) y un filtro (102b) de línea de ca conectado a las líneas (CA1b, CA2b, CA3b) con tensión de ca del segundo convertidor matricial (104b).

23. Un convertidor de corriente según las reivindicaciones 21 o 22 que además comprende una primera red de ayuda de conmutación (amortiguador) entre las líneas (CC1a, CC2a) con tensión de cc del primer convertidor matricial (104a), y una segunda red de ayuda de conmutación (amortiguador) entre las líneas (CC1b, CC2b) con tensión de cc del segundo convertidor matricial (104b).

24. Un convertidor de corriente según la reivindicación 23 en el que las redes de ayuda de conmutación (amortiguadores) son del tipo condensador-resistencia.

25. Un convertidor de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 24 en el que las líneas (CC1a, CC2a) con tensión de cc del primer convertidor matricial (104a) y las líneas (CC1b, CC2b) con tensión de cc del segundo convertidor matricial (104b) están conectadas a dos líneas comunes (CC1c, CC2c) con tensión de cc y comprenden además un filtro (116) de enlace de cc conectado entre las líneas comunes (CC1c, CC2c) con tensión de cc.

26. Un convertidor de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 25 que además comprende medios para aislar de forma selectiva entre sí los convertidores matriciales primero y segundo (104a, 104b).

27. Un convertidor de corriente según cualquiera de las reivindicaciones 21 a 26 que además comprende un inversor.

28. Un convertidor de corriente según la reivindicación 27 en el que el inversor es un inversor de una fuente de corriente.

29. Un convertidor de corriente según la reivindicación 27 en el que el inversor es un inversor de una fuente de tensión.

30. Un procedimiento de conversión de corriente que usa un convertidor matricial (4) que comprende tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca; dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc; un primer interruptor (10a) conectado entre una primera (CA1) de las tres líneas de tensión de ca y una primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un segundo interruptor (10c) conectado entre una segunda (CA2) de las tres líneas de tensión de ca y la primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un tercer interruptor (10e) conectado entre una tercera (CA3) de las tres líneas de tensión de ca y la primera (CC1) de las dos líneas de tensión de cc, un cuarto interruptor (10b) conectado entre la primera (CA1) de las tres líneas de tensión de ca y una segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, un quinto interruptor (10d) conectado entre la segunda (CA2) de las tres líneas de tensión de ca y la segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, y un sexto interruptor (10f) conectado entre la tercera (CA3) de las tres líneas de tensión de ca y la segunda (CC2) de las dos líneas de tensión de cc, en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a a 10f) están controlados para que se abran y se cierren en secuencia usando modulación por anchura del impulso, de tal modo que cada una de las tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca pueda conectarse a una de las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc cuando se cierra el interruptor asociado; y una ruta (22) de libre circulación entre las dos líneas con tensión de cc que incluye un dispositivo (24) de bloqueo inverso; en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a-10f) son bidireccionales, comprendiendo el procedimiento las etapas de:

usar el convertidor matricial (4) para aplicaciones de motorización en las que se suministra una entrada trifásica de tensión de ca a las tres líneas (CA1-CA3) con tensión de ca desde una red de suministro y se rectifica con el convertidor matricial (4) para proporcionar una tensión de salida de cc en las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc y para aplicaciones de generación, en las que se suministra una tensión de entrada de cc a las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc y se invierte con el convertidor matricial (4) para proporcionar una tensión de salida de ca en las tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca;

en el que los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a-10f) están controlados usando modulación por anchura del impulso para conectar las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc a las líneas apropiadas (CA1-CA3) con tensión de ca o a ninguna de las líneas (CA1-CA3) con tensión de ca durante una aplicación de motorización, teniendo las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc una polaridad respectiva de tensión de cc, y para conectar las tres líneas (CA1-CA3) con tensión de ca a la línea apropiada (CC1, CC2) con tensión de cc o a ninguna de las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc durante una aplicación de generación con las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc, teniendo las líneas (CC1, CC2) con tensión de cc la misma polaridad respectiva de tensión de cc, de tal modo que el convertidor matricial (4) es capaz de regular un flujo bidireccional de energía mientras retiene una tensión unidireccional de cc.

31. Un procedimiento según la reivindicación 30 en el que el dispositivo (24) de bloqueo inverso tiene polarización inversa cuando cada una de las tres líneas (CA1, CA2, CA3) con tensión de ca está conectada a una de las dos líneas (CC1, CC2) con tensión de cc.

32. Un procedimiento según la reivindicación 30 que además comprende la etapa de abrir los interruptores primero, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto (10a a 10f) del convertidor matricial para que la corriente de cc fluya a través de la ruta (22) de libre circulación y el dispositivo (24) de bloqueo inverso tenga polarización directa.