La presente invención se refiere a un convertidor matricial que comprende al menos dos fases de entrada y al menos dos fases de salida,

típicamente tres en ambos casos, y un número de interruptores bidireccionales igual al producto del número de fases de entrada por el número de fases de salida, estando conectado cada fase de entrada con cada fase de salida mediante uno de dichos interruptores bidireccionales. El convertidor matricial comprende adicionalmente al menos un interruptor bidireccional redundante conectado a al menos una fase de entrada y a al menos una fase de salida. Dichas conexiones de entrada y salida incluirán los medios para permitir la conexión del interruptor bidireccional redundante en paralelo a un interruptor bidireccional dañado del convertidor matricial, no siendo necesario interrumpir el funcionamiento del convertidor matricial

Convertidor matricial.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de los equipos electrónicos de potencia. Más concretamente se refiere a un convertidor matricial tolerante a fallos, es decir, capaz de asegurar la conversión de energía en condiciones nominales ante el fallo de unos o varios de sus interruptores bidireccionales.

Antecedentes de la invención

El convertidor matricial es un tipo de convertidor electrónico de potencia que realiza una conversión AC/AC de forma directa, que se ha difundido en la literatura desde que se publicó por primera vez a finales de la década de los 70, aunque su aplicación a escala industrial es baja por diversas razones. Algunos ejemplos de publicaciones y patentes que describen dichos convertidores matriciales son, por ejemplo: P. Wheeler, J. Clare, L. Empringham y M. Bland, "Matrix converters: the technology and potential for exploitation", The Drives and Controls Power Electronics Conference, vol. 5, 2001; P. Wheeler, J. Rodriguez, J. Clare, L. Empringham y A.Weinstein, "Matrix converters: a technology review", IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, nº 2, páginas 276-288, abril de 2002; A. Rebsdorf y L. Helle, "Variable speed wind turbine having a matrix converter", United States patent 6856038, febrero de 2005; o "Environmentally friendly motor drives matrix converters", Yaskawa Electric Corporation, Tech. Rep., octubre de 2006.

El término "tolerante a fallos" en el convertidor matricial hace mención a la capacidad del convertidor matricial para seguir siendo operativo tras el fallo de alguno de los elementos que lo componen. Para que el convertidor matricial sea tolerante a fallos según la definición anterior se pueden distinguir las siguientes técnicas:

- Aquellas en las que se modifica la estrategia de control y/o modulación, de tal modo que el convertidor matricial opere en una forma "pseudo-óptima". Estas técnicas pueden, a veces, requerir una reestructuración hardware del convertidor. Son ejemplos de esta técnica las definidas en S. Kwak; H. Toliyat, "An approach to fault-tolerant three-phase matrix converter drives" (IEEE Transactions on Energy Conversión, vol. 22, nº 4, pp. 855-863, diciembre 2007) y la patente china CN100372201C. En ambos casos, el convertidor matricial está conectado a una máquina eléctrica. Cuando se produce un fallo en una de las ramas del convertidor, ésta se aísla y se reestructura el convertidor conectando el neutro de la carga al neutro de la red mediante un TRIAC en el primer caso y el neutro del filtro de entrada a la fase dañada mediante un relé en el segundo. En ambos casos, se modifica la técnica de modulación para que la nueva estructura del convertidor matricial siga siendo operativa.

- Aquellas en las que se modifica el hardware, siendo el componente dañado reemplazado por otro que desempeñe su función, de tal forma que las prestaciones entregadas por el convertidor no se ven deterioradas. La presente invención se puede clasificar dentro de esta técnica que puede denominarse como técnica "sustitutiva". No se han encontrado en la literatura referencias que hagan mención a esta técnica.

En la literatura existen referencias que hacen mención a la tolerancia a fallos de los convertidores matriciales. Sin embargo, en estos casos el término "tolerante a fallos" del convertidor matricial hace mención a la capacidad que el convertidor matricial tiene de protegerse frente a fallos en la carga, en la red o en el propio funcionamiento del convertidor matricial. En estas referencias, el convertidor matricial no sufre ninguna ruptura por lo que no abordan las técnicas para mantener el convertidor matricial operativo cuando se produce una ruptura parcial del mismo. Las siguientes referencias pueden clasificarse dentro de este grupo:

- X. Huang et al. "Fault-tolerance analysis of multi-phase single side matrix converter for brushless DC drives", (IEEE international Symposium on Industrial electronics, pp. 3168-3173, junio del 2007) presenta convertidores matriciales de 3x4 y 3x5 fases. La tolerancia a fallos del sistema aumenta debido a que la dependencia sobre una determinada fase se ve reducida. El rizado del par ante fallos en una de las fases disminuye. Además, el sistema puede operar con un par que llega a 5/6 del par en condiciones normales, mientras que en un convertidor "back-to-back" tradicional el par aplicado a la carga se reduce en un 50%.

- B. Augdhal; H. Hess; B. Jonson, "Output protection strategies for matrix converters in distributed generation applications", (Conference Record of the 2006 IEEE Industry Applications Conference Forty-First IAS Annual Meeting (IEEE Cat. No. 06CH37801), vol. 4, pp.2082-2089, 2006) incorporan relés en las fases de salida del convertidor matricial, los cuales aíslan el convertidor matricial de la carga cuando se da un fallo. Además, se aplican vectores nulos para que la corriente no alcance valores elevados antes de que el seccionador abra el circuito.

- R. Kazemzadh; J. Kauffmann "New generation topology in power plant by using a natural commutated matrix converter", (2004 POWERCON (IEEE Cat. No. 04EX902), vol. 2, pp. 1550-1555, 2004) aborda el problema de la protección dejando de emitir los pulsos de activación de la compuerta de los tiristores, de tal forma que la corriente resultante de la falta se ve reducida con mayor rapidez.

Existen diversas patentes que hacen mención al convertidor matricial pero no a su tolerancia a fallos. En la publicación PCT WO/2007/139800 y en la patente norteamericana US 6166930 se presentan estrategias de control y modulación para el convertidor matricial. En la patente estadounidense US 6856038 se describe el uso del convertidor matricial en aplicaciones eólicas. En la publicación internacional WO 2005/015726 se presenta la conexión en paralelo de varios convertidores matriciales. Mediante la correcta modulación de cada uno de los convertidores se consigue reducir el tamaño del filtro de entrada.

En cuanto a protección del convertidor matricial, en la patente norteamericana US 4697230 se patenta el circuito de fijación o Clamp Circuit, el cual sirve para proteger al convertidor matricial. En la publicación PCT WO 2006/064279 se presenta un convertidor matricial AC/DC como el expuesto en la anteriormente mencionada US 6856038. Esta patente menciona que los convertidores matriciales pueden ser conectados en paralelo de forma que si uno de ellos falla, puede ser aislado del resto. El conexionado en paralelo de varios convertidores aumenta la robustez del conjunto y puede verse como una técnica tolerante a fallos.

Descripción de la invención

La invención se refiere a un convertidor matricial. Dicho convertidor contará con al menos dos fases de entrada y al menos dos fases de salida, siendo el número habitual de fases de entrada y salida de tres, existiendo como se ha mencionado anteriormente alternativas de 3x4 y 3x5. Cada fase de entrada estará conectada con todas las fases de salida a través de interruptores bidireccionales, contando por tanto el convertidor matricial de tantos interruptores bidireccionales como sea el producto del número de fases de entrada por el número de fases de salida. En el caso habitual de un convertidor matricial para un sistema trifásico, nueve será el número de interruptores bidireccionales necesario.

De acuerdo con la invención, dicho convertidor matricial adicionalmente comprende al menos un interruptor bidireccional redundante conectado a, al menos, una fase de entrada a través de sendas conexiones de entrada y a, al menos, una fase de salida a través de sendas conexiones de salida. Con el fin de controlar la conexión efectiva del, al menos un, interruptor bidireccional redundante, de modo que pueda sustituir a un interruptor bidireccional cualquiera del convertidor matricial, las conexiones de entrada y las conexiones de salida estarán diseñadas de tal modo que permiten conectar en paralelo el interruptor bidireccional redundante con un interruptor bidireccional cualquiera del convertidor matricial. Las conexiones de entrada y salida podrán ser llevadas a cabo por relés, o alternativamente por cualquier tipo de interruptor electrónico controlable que permita un flujo bidireccional de la corriente. Son también admisibles cualquier otro tipo de conexiones que permitan seleccionar el interruptor bidireccional del convertidor matricial que va a ser sustituido y que no anule las prestaciones de dichos interruptores bidireccionales.

La invención de este modo define una técnica sustitutiva de tolerancia a fallos...

1. Convertidor matricial que comprende al menos dos fases de entrada y al menos dos fases de salida, un número de interruptores bidireccionales igual al producto del número de fases de entrada por el número de fases de salida, estando conectado cada fase de entrada con cada fase de salida mediante uno de dichos interruptores bidireccionales, caracterizado por que adicionalmente comprende al menos un interruptor bidireccional redundante conectado a, al menos, una fase de entrada a través de sendas conexiones de entrada y a, al menos, una fase de salida a través de sendas conexiones de salida, configuradas dichas conexiones de entrada y conexiones de salida para conectar a, al menos, un interruptor bidireccional redundante en paralelo a un interruptor bidireccional.

2. Convertidor matricial según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende, al menos, un interruptor bidireccional redundante, estando conectado dicho, al menos un, interruptor bidireccional redundante a la totalidad de las fases de entrada y a la totalidad de las fases de salida.

3. Convertidor matricial según la reivindicación 1, caracterizado por que el número de interruptores bidireccionales redundantes es igual al número de fases de entrada, estando conectado cada interruptor bidireccional redundante con la totalidad de las fases de salida.

4. Convertidor matricial según la reivindicación 1, caracterizado por que el número de interruptores bidireccionales redundantes es igual al número de fases de salida, estando conectado cada interruptor bidireccional redundante con la totalidad de las fases de entrada.

5. Convertidor matricial según la reivindicación 2, caracterizado por que las conexiones de entrada y conexiones de salida se realizan mediante relés.

6. Convertidor matricial según la reivindicación 2, caracterizado por que las conexiones de entrada y conexiones de salida se realizan mediante interruptores electrónicos controlables bidireccionales.

7. Convertidor matricial según la reivindicación 3, caracterizado por que las conexiones de salida se realizan mediante relés.

8. Convertidor matricial según la reivindicación 3, caracterizado por que las conexiones de salida se realizan mediante interruptores electrónicos controlables bidireccionales.

9. Convertidor matricial según la reivindicación 4, caracterizado por que las conexiones de entrada se realizan mediante relés.

10. Convertidor matricial según la reivindicación 4, caracterizado por que las conexiones de entrada se realizan mediante interruptores electrónicos controlables bidireccionales.