Inversor para alimentar la energía procedente de un generador solar a una red puesta a tierra,

presentando el inversor las siguientes características: dos conexiones (1, 2) de generador solar; un acumulador (C1) intermedio de energía para acumular de manera intermedia la energía procedente del generador solar; un circuito de puente, que está conectado en paralelo al acumulador (C1) intermedio de energía, y que presenta al menos dos ramas paralelas, que en cada caso presentan dos unidades (A, B; C, D) de conmutador conectadas en serie, respecto a las que en cada caso está conectado en paralelo un diodo (DA, DB, DC, DD) rectificador; y al menos dos conexiones (3, 4) de tensión alterna, de las que cada una está unida a través de una línea (7, 8) de unión, en la que en cada caso está prevista una inductancia (L1, L2) de choque, con una de las ramas paralelas del circuito de puente en cada caso entre dos unidades (A, B; C, D) de conmutador a través de un nudo de unión (5, 6), caracterizado porque entre las al menos dos líneas (7, 8) de unión está previsto un conjunto (E, DE, F, DF, 9, 10, 11) de circuitos, que puede activarse de tal modo que el conjunto de circuitos, en un primer estado, une eléctricamente entre sí las al menos dos líneas (7, 8) de unión y, en un segundo estado, separa eléctricamente las al menos dos líneas (7, 8) de unión

Campo técnico

La invención se refiere a un inversor para transformar una tensión continua eléctrica en una corriente alterna o una tensión alterna. Tales convertidores de corriente se utilizan por ejemplo para la alimentación de energía eléctrica a la red eléctrica pública o para formar una red separada autárquica en casos en los que sólo se dispone de fuentes de energía de tensión continua, como por ejemplo equipos fotovoltaicos, pilas de combustible, baterías, etc.

Estado de la técnica

En el caso de un inversor para alimentar energía a una red de tensión alterna existente se genera una corriente alterna, que debe igualarse con respecto a la posición de fase y la amplitud a la curva de potencial de la tensión alterna, preferiblemente de una tensión de red configurada de manera sinusoidal de 50 ó 60 Hz. Por el contrario, en el caso de un inversor para alimentar una red separada autárquica se genera una tensión alterna estable en tensión y frecuencia. Para hacer funcionar consumidores capacitivos e inductivos de cualquier tipo, un inversor de este tipo debe poder emitir o recibir potencia reactiva.

De una manera conocida en sí misma sirven para ello inversores mono o trifásicos con y sin transformador. Una visión general de la pluralidad de formas de realización posibles a este respecto de tales inversores se encuentra en la siguiente bibliografía:

[1] Myrzik, Johanna, Topologische Untersuchungen zur Anwendung von tief/hochsetzenden Stellern für Wechselrichter / Johanna Myrzik. -Kassel: kassel univ. press, 2001, Zugl.: Kassel, Univ., Diss. 2000, ISBN 3-933146-62-3;

[2] Manfred Meyer, Leistungselektronik, Einführung, Grundlagen, Überblick, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg New York London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona 1990; y

[3] POWER ELECTRONICS, Converters, Applications and Design, Second Edition, JOHN WILEY & SONS, INC., New York Chichester Brisbane Toronto Singapore, 1989, 1995.

En los casos de aplicación mencionados siempre están en primer plano un alto rendimiento de conversión con todas las cargas, un buen comportamiento de CEM, un volumen y peso reducidos así como un coste reducido. En general no se requiere una separación galvánica entre el lado de tensión continua y alterna.

Un circuito hasta ahora favorable bajo estas condiciones límite está representado por un circuito de puente completo sin transformador que se describe de manera detallada en [3] y [1]. En estos documentos también se representan los diferentes tipos de sincronización del circuito de puente completo explicados con más detalle más adelante. En este tipo de topología es ventajoso un alto rendimiento de conversión y un volumen y peso reducidos. Sin embargo, es desventajoso, en función del tipo de sincronización utilizado, un comportamiento de CEM malo en el lado de entrada así como, en parte, la ausencia de un funcionamiento en 4 cuadrantes (capacidad de potencia reactiva).

Además, a partir de la contribución anterior de Myrzik se conocen topologías de inversor sin transformador que se derivan de una combinación de reguladores elevadores y reductores (conversores Cuk y Zeta). Frente a los circuitos de puente mencionados anteriormente, estos tienen la ventaja de que la tensión de entrada en cuanto a su magnitud puede ser tanto menor como mayor que el valor máximo (amplitud) de la tensión de red sinusoidal. Por el contrario, en el caso del circuito de puente siempre tiene que ser mayor que la amplitud de tensión de red, para permitir una alimentación a la red.

Las topologías sin transformador descritas en los documentos DE 196 42 522 C2 y DE 197 32 218 C1 también se basan en un enfoque comparable, mencionándose como ventaja, en el caso de estos circuitos basados en conversores elevadores/reductores o conversores Cuk y Zeta, especialmente la unión eléctrica de una de las conexiones de generador solar con un potencial fijo (conductor neutro), con lo cual se obtienen ventajas para el comportamiento de CEM.

Sin embargo, en todas las topologías mencionadas en último lugar debe mencionarse como desventaja esencial que o bien toda o al menos una gran parte de la energía transmitida hacia la salida debe acumularse de manera intermedia en una bobina de choque o bien transmitirse a través de condensadores de acoplamiento hacia la salida. A partir de ello se obtiene en todos los circuitos un rendimiento considerablemente menor frente al circuito de puente sencillo. Además, en parte, son muy complejas y difícilmente manejables desde el punto de vista de la técnica de regulación.

Del documento EP 0 203 571 B1 se desprende además un inversor de tipo genérico que permite generar, en funcionamiento como inversor separado, durante periodos de tiempo cortos una corriente de salida, que asciende a un múltiplo de la corriente nominal. Esta corriente elevada se requiere para, en caso de un cortocircuito, disparar automáticos de seguridad convencionales. Por tanto, el procedimiento descrito en el mismo no se utiliza en funcionamiento normal sino que se activa a través de un circuito de valoración correspondiente exclusivamente en caso de cortocircuito.

Las realizaciones siguientes aclararán en cada caso el problema existente con los inversores, especialmente haciendo referencia a inversores sin transformador, monofásicos, aunque en este punto ha de indicarse que las medidas descritas a continuación pueden aplicarse en principio también a inversores en cada caso con transformador. Sólo por motivos de comprensión se indica además que, además de inversores monofásicos, también existen aparatos de funcionamiento polifásico, preferiblemente inversores trifásicos, con los que por ejemplo, es posible la conversión de tensión continua en tres curvas de tensión o corriente periódicas desplazadas en fase en cada caso 120º. Las realizaciones explicadas a continuación también pueden encontrar aplicación en sistemas de inversor polifásicos de este tipo.

A continuación se considera la topología de circuito mencionada anteriormente y conocida en sí misma de un inversor sin transformador, monofásico, que según el ejemplo de realización conocido en la figura 2 prevé dos conexiones 1, 2 de tensión continua, con las que en este ejemplo está unido un generador SG solar externo como fuente de tensión continua, así como dos conexiones 3, 4 de tensión alterna, que o bien están unidas con la red eléctrica convencional de 50 Hz o bien, en caso del funcionamiento separado, están conectadas al consumidor eléctrico. Para la conversión de la tensión USG continua de generador solar constante en una corriente alterna adecuada para la alimentación a la red o en una tensión alterna necesaria en el funcionamiento separado, el inversor W sin transformador, monofásico, prevé un condensador C1 intermedio, que está conectado en paralelo a un puente completo, compuesto por cuatro unidades A, B, C, D de conmutador, así como diodos DA, DB, DC y DD rectificadores designados como diodos de rueda libre, conectados en cada caso de manera antiparalela con éstas.

Las unidades A, B, C, D de conmutador individuales están configuradas como conmutadores de alta frecuencia, que son adecuados para realizar operaciones de conmutación con frecuencias de hasta unos cientos de kHz. Tales conmutadores están configurados preferiblemente como transistores de efecto de campo MOS o como IGBT (transistor bipolar de puerta aislada).

En cada caso se produce una derivación de puente en el centro de las ramas paralelas del circuito de puente en los nudos 5, 6 de unión entre, en cada caso, las unidades A, B y C, D de conmutador mediante las líneas 7, 8 de unión. Ambas líneas 7, 8 de unión están unidas en cada caso a través de una inductancia L1 o L2 de choque con las conexiones 3, 4 de tensión alterna. Entre las líneas 7, 8 de unión se aplica la tensión UPu de puente. Para una mejor visibilidad no se representan otros componentes, necesarios para un funcionamiento seguro de la disposición de inversor representada en la figura 2, como por ejemplo los filtros para mejorar la compatibilidad electromagnética (CEM) así como elementos parásitos, especialmente capacidades.

Para la conversión de la tensión USG de generador solar en una corriente alterna necesaria para la alimentación a la red o en una tensión alterna necesaria en el funcionamiento separado se aplica abrir y cerrar las unidades A, B, C, D de conmutador con un patrón de sincronización de alta frecuencia determinado, que puede presentar frecuencias de conmutación entre...

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Inversor para alimentar la energía procedente de un generador solar a una red

puesta a tierra, presentando el inversor las siguientes características: dos conexiones (1, 2) de generador solar; un acumulador (C1) intermedio de energía para acumular de manera intermedia la energía procedente del generador solar; un circuito de puente, que está conectado en paralelo al acumulador (C1) intermedio de energía, y que presenta al menos dos ramas paralelas, que en cada caso presentan dos unidades (A, B; C, D) de conmutador conectadas en serie, respecto a las que en cada caso está conectado en paralelo un diodo (DA, DB, DC, DD) rectificador; y al menos dos conexiones (3, 4) de tensión alterna, de las que cada una está unida a través de una línea (7, 8) de unión, en la que en cada caso está prevista una inductancia (L1, L2) de choque, con una de las ramas paralelas del circuito de puente en cada caso entre dos unidades (A, B; C, D) de conmutador a través de un nudo de unión (5, 6), caracterizado porque entre las al menos dos líneas (7, 8) de unión está previsto un conjunto (E, DE, F, DF, 9, 10, 11) de circuitos, que puede activarse de tal modo que el conjunto de circuitos, en un primer estado, une eléctricamente entre sí las al menos dos líneas (7, 8) de unión y, en un segundo estado, separa eléctricamente las al menos dos líneas (7, 8) de unión.

Inversor según la reivindicación 1, con medios para abrir un par de unidades (A, D; B, C) de conmutador del circuito de puente durante una pluralidad de intervalos de tiempo, estando el conjunto de circuitos, al menos en una parte de la pluralidad de intervalos de tiempo, en el primer estado. Inversor según la reivindicación 2, en el que las unidades de conmutador comprenden una primera unidad (A) de conmutador, una segunda unidad (B) de conmutador, una tercera unidad (C) de conmutador y una cuarta unidad (D) de conmutador, a partir de la primera unidad (A) de conmutador está formado un primer par de unidades de conmutador, con medios para establecer una unión entre la primera conexión del acumulador (C1) intermedio de energía y la primera inductancia (L1) de choque, así como a partir de la cuarta unidad (D) de conmutador, con medios para establecer una unión entre la segunda conexión del acumulador (C1) intermedio de energía y la segunda inductancia (L2) de choque, y a partir de la segunda unidad (B) de conmutador está formado un segundo par de unidades de conmutador, con medios para establecer una unión entre la segunda conexión del acumulador (C1) intermedio de energía y la primera inductancia (L1) de choque, así como a partir de la tercera unidad (C) de conmutador, con medios para establecer una unión entre la primera conexión del acumulador (C1) intermedio de energía y la segunda inductancia (L2) de choque.

4. Inversor según una de las reivindicaciones 1 a 3, con medios para llevar el conjunto de circuitos al segundo estado, cuando uno de los pares de unidades (A, D; B, C) de conmutador del circuito de puente está cerrado.

5. Inversor según la reivindicación 4, con medios para la apertura y el cierre sincronizados del primer par de unidades (A, D) de conmutador, mientras que el segundo par de unidades (B, C) de conmutador está abierto, y con medios para la apertura y el cierre sincronizados del segundo par de unidades (B, C) de conmutador, mientras que el primer par de unidades (A, D) de conmutador está abierto.

6. Inversor según la reivindicación 4, con medios para la apertura y el cierre sincronizados del primer par de unidades (A, D) de conmutador al menos durante un segmento de una semionda de la tensión alterna de la red, mientras que el segundo par de unidades (B, C) de conmutador está abierto, y con medios para la apertura y el cierre sincronizados del segundo par de unidades (B, C) de conmutador al menos durante un segmento de la siguiente semionda de la tensión alterna de la red, mientras que el primer par de unidades (A, D) de conmutador está abierto.

7. Inversor según la reivindicación 6, con medios para llevar el conjunto de circuitos al segundo estado en la zona de la transición de una semionda a la siguiente semionda.

8. Inversor según una de las reivindicaciones anteriores, con medios para hacer funcionar de manera sincronizada el conjunto de circuitos entre los estados primero y segundo al menos durante un segmento de una semionda de la

tensión alterna de la red, para conseguir un sentido de flujo de energía desde la red puesta a tierra hacia el acumulador (C1) intermedio de energía.

9. Procedimiento para alimentar la energía procedente de un generador solar a

una red puesta a tierra, comprendiendo el procedimiento las etapas siguientes: durante al menos un segmento de una semionda de la tensión alterna de la red, unir y separar de manera sincronizada una primera conexión de un acumulador (C1) intermedio de energía con una primera inductancia (L1) de choque y una segunda conexión del acumulador (C1) intermedio de energía con una segunda inductancia (L2) de choque; durante al menos un segmento de una siguiente semionda de la tensión alterna de la red, unir y separar de manera sincronizada la primera conexión del acumulador (C1) intermedio de energía con la segunda inductancia (L2) de choque y la segunda conexión del acumulador (C1) intermedio de energía con la primera inductancia (L1) de choque; caracterizado por separar las conexiones del acumulador (C1) intermedio de energía de la primera inductancia (L1) de choque y de la segunda inductancia (L2) de choque, cuando la primera inductancia (L1) de choque y la segunda inductancia (L2) de choque están unidas eléctricamente entre sí en sus lados opuestos a la red.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que, durante al menos una parte de la pluralidad de intervalos de tiempo, en los que las conexiones del acumulador (C1) intermedio de energía están separadas eléctricamente de las inductancias (L1, L2) de choque, la primera inductancia (L1) de choque y la segunda inductancia (L2) de choque se unen eléctricamente entre sí en sus lados opuestos a la red.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, en el que, para conseguir un sentido de flujo de energía desde la red puesta a tierra hacia el acumulador (C1) intermedio de energía al menos durante un segmento de una semionda de la tensión alterna de la red, las inductancias (L1, L2) de choque se unen y se separan eléctricamente entre sí de manera sincronizada en sus lados opuestos a la red.