Una máquina eléctrica que tiene un estátor con una pluralidad de ranuras y un circuito de excitación para lainterconexión de la máquina eléctrica a una red de corriente alterna,

comprendiendo el circuito de excitación:un primer y segundo rectificadores/inversores de red conectados a la red de corriente alterna en paralelo;un primer rectificador/inversor (200) de PWM conectado al primer rectificador/inversor (10) 5 de red a través deun primer enlace (204) de corriente continua;un segundo rectificador/inversor (202) de PWM conectado al segundo rectificador/inversor (12) de red a travésde un segundo enlace (206) de corriente continua;

un primer devanado (208) de estátor de dos capas que tiene una pluralidad de bobinas de estátor conectadasal primer rectificador/inversor (200) de PWM; y

un segundo devanado (210) de estátor de dos capas que tiene una pluralidad de bobinas de estátorconectadas al segundo rectificador/inversor (202) de PWM;

en la que cada par adyacente de ranuras acoge al menos una bobina de estátor del primer devanado (208) deestátor y al menos una bobina de estátor del segundo devanado (210) de estátor, estando el primer y elsegundo devanados (208, 210) de estátor en proximidad física el uno del otro, de tal modo que están enacoplamiento mutuo;

en la que las bobinas de estátor del primer devanado (208) de estátor y las bobinas de estátor del segundodevanado (210) de estátor están interconectadas de tal modo que, en uso, la suma vectorial de las tensiones através de las bobinas de estátor en el primer devanado (208) de estátor es sustancialmente igual a, y está enfase con, la suma vectorial de las tensiones a través de las bobinas de estátor en el segundo devanado (210)de estátor con el fin de reducir los armónicos de corriente de frecuencia de PWM que fluyen en el primer ysegundo devanados (208, 210) de estátor; y

en la que el primer y segundo rectificador/inversor (200, 202) de PWM proporcionan sustancialmente lasmismas tensiones de salida y sustancialmente las mismas formas de onda de tensión de PWM de salida.

Circuitos de excitación

Campo técnico

La presente invención se refiere a circuitos de excitación, y, en particular, a circuitos de excitación para máquinas eléctricas de múltiples fases que incluyen convertidores de potencia de modulación por ancho de pulso (PWM) .

Antecedentes de la técnica

Las máquinas eléctricas se han desarrollado durante muchas décadas y un ejemplo particular de tal máquina eléctrica es la así llamada máquina LCI (inversor conmutado de carga) de devanado de estátor dual, un esquema de la cual se muestra en la figura 1.

La máquina 2 eléctrica de la figura 1 se suministra con potencia de una fuente 4 de corriente alterna y un par de transformadores 6 y 8. Cada uno de los transformadores 6 y 8 está conectado a un convertidor de potencia por tiristor mostrados como 10 y 12 respectivamente, distribuidos para convertir la corriente alterna de los transformadores en corriente continua. A continuación, la corriente continua se suministra a través de las conexiones que tienen los inductores 14, 16, 18 y 20 hacia los convertidores 22 y 24 de potencia por tiristor, que a su vez están conectados a los devanados 26 y 28 de estátor de la máquina 2 eléctrica. Se apreciará fácilmente que es deseable para el circuito de excitación tener dos rutas de excitación en paralelo separadas conectadas entre la fuente 4 de corriente alterna y la máquina 2 eléctrica ya que esto proporciona una manera de reducir la ondulación del par en la salida de la máquina 2 eléctrica. También proporciona un cierto grado de redundancia de modo que el sistema puede continuar funcionando si una de las rutas de excitación falla. Los devanados 26 y 28 de estátor usan una construcción convencional que se muestra en la figura 5, que usa dos bobinas de estátor por ranura 506 de estátor y son, de este modo, devanados de dos capas. Cada bobina de estátor tiene un extremo en la parte superior de una ranura de estátor y el otro extremo en la parte inferior de una ranura de estátor diferente. Las bobinas de estátor del devanado 26 de estátor deben estar, inherentemente, en ranuras de estátor diferentes que las bobinas de estátor del devanado 28 de estátor. Prácticamente todas las máquinas eléctricas usan este tipo de construcción de devanado debido a que cada bobina de estátor es idéntica y puede fabricarse fácilmente en masa mediante un equipo automático a bajo coste.

Las ventajas proporcionadas por los dispositivos de conmutación semiconductores tales como los transistores de efecto de campo (FET) y similares, significa que la tendencia actual en el diseño de los circuitos de excitación es usar convertidores de potencia de modulación por ancho de pulso (PWM) en lugar de los convertidores 22 y 24 de potencia por tiristor mostrados en la figura 1. En la figura 2 se muestra una distribución equivalente a la mostrada en la figura 1, pero usando convertidores 200 y 202 de potencia de PWM. Además de reemplazar los convertidores 22 y 24 de potencia por tiristor, se han reemplazado los inductores 14, 16, 18 y 20 por los enlaces 204 y 206 de corriente continúa para permitir que la corriente fluctúe como requieren las formas de onda de PWM. Se ha encontrado que tratando de excitar una máquina 2 eléctrica con el circuito mostrado en la figura 2 no funciona como tal vez sería de esperar debido a la alta magnitud inesperada de armónicos de corriente de frecuencia de PWM en las corrientes que fluyen en los devanados 208 y 210 de estátor. La figura 3a muestra un ejemplo de los flujos de corriente que tal vez serían predichos. Esto debe ser contrastado con los flujos de corriente registrados actuales mostrados en la figura 3b. La alta magnitud esperada de armónicos de corriente de frecuencia de PWM es indeseable; causan pérdidas de máquina extra significativas, un calentamiento de máquina extra significativo, una reducción en la calificación de la máquina, un aumento de las vibraciones mecánicas de la máquina y el aumento de las emisiones de ruido acústico audible.

Se verá que los flujos de corriente actuales mostrados en la figura 3b incluyen un alto grado de armónicos de corriente de frecuencia de PWM cuando se comparan con los flujos de corriente predichos mostrados en la figura 3a. Este grado de armónicos de corriente de frecuencia de PWM surge de la proximidad física de las bobinas de estátor dentro de cada uno de los devanados de estátor.

Con el fin de superar este problema, el circuito de excitación de la máquina 2 eléctrica puede modificarse como se muestra en la figura 4 para incluir los inductores 400, 402, 404, 406, 408 y 410 entre los convertidores 200 y 202 de potencia de PWM y la máquina 2 eléctrica. El uso de los inductores 400 a 410 reduce significativamente los armónicos de corriente de frecuencia de PWM en los devanados 208 y 210 de estátor para permitir que la máquina 2 eléctrica funcione como se predijo. Sin embargo, en los niveles de potencia requeridos para algunas aplicaciones (propulsión de un barco, tren o similar, o para la generación de potencia, etc.) el coste de los inductores 400 a 410 puede ser alto y es probable que requieran un espacio sustancial para alojarlos.

Una forma diferente de superar este problema es tener las bobinas de estátor de ambos devanados 208 y 210 de estátor situadas en las mismas ranuras de estátor. Sin embargo, esto requeriría una construcción no convencional usando cuatro bobinas de estátor por ranura. En otras palabras, los devanados 208 y 210 de estátor tendrían que ser devanados de cuatro capas. Estos son, significativamente, más difíciles, complejos y costosos de fabricar.

De este manera, es deseable ser capaz de fabricar máquinas eléctricas con unas bajas formas de onda de corriente

de frecuencia de PWM (es decir, teniendo los flujos de corriente predichos mostrados en la figura 3a) que pueden usar el circuito de excitación de la figura 2 y en la que los devanados 208 y 210 de estátor son devanados de dos capas convencionales.

Los documentos JP 09-182394, JP 63-305793 y JP 63-305792 desvelan todos ellos un circuito de excitación para la interconexión de un motor a una fuente de corriente continua. El circuito de excitación incluye una primera y segunda unidad de convertidores 21, 22 de potencia que están conectados en paralelo a una fuente de corriente continúa. Las unidades de convertidores de potencia pueden ser de cualquier tipo adecuado y pueden funcionar de acuerdo a una estrategia de PWM. Un primer grupo de devanado U1, V1, W1 que tiene una pluralidad de bobinas de estátor está conectado a una primera unidad de convertidor 21 de potencia y un segundo grupo de devanado U2, V2, W2 que tiene una pluralidad de bobinas de estátor está conectado a una segunda unidad de convertidor 22 de potencia. Los grupos primero y segundo de devanado están localizados en polos diferentes entre sí y esta separación física de los grupos de devanado conduce a una reducción en el acoplamiento mutuo entre ellos.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona una máquina eléctrica que tiene un estátor con una pluralidad de ranuras y un circuito de excitación para interconectar la máquina eléctrica a una red de corriente alterna, comprendiendo el circuito de excitación:

un primer y segundo rectificadores/inversores de red conectados a la red de corriente alterna en paralelo; un primer rectificador/inversor de PWM conectado al primer rectificador/inversor de red a través de un primer enlace de corriente continua; un segundo rectificador/inversor de PWM conectado al segundo rectificador/inversor de red a través de un segundo enlace de corriente continua; un primer devanado de estátor de dos capas que tiene una pluralidad de bobinas de estátor conectadas al primer rectificador/inversor de PWM; y un segundo devanado de estátor de dos capas que tiene una pluralidad de bobinas de estátor conectadas a la segundo rectificador/inversor de PWM; en el que cada par adyacente de ranuras acoge al menos una bobina de estátor del primer devanado de estátor y al menos una bobina de estátor del segundo devanado de estátor, el primer y segundo devanados de estátor están en proximidad física el uno del otro de tal modo que están en acoplamiento mutuo; en el que las bobinas de estátor del primer devanado de estátor y las bobinas de estátor del segundo devanado de estátor están interconectadas de tal modo que, en uso, la suma vectorial de las tensiones a través de las bobinas de estátor en el primer devanado de estátor es sustancialmente igual... [Seguir leyendo]

1. Una máquina eléctrica que tiene un estátor con una pluralidad de ranuras y un circuito de excitación para la interconexión de la máquina eléctrica a una red de corriente alterna, comprendiendo el circuito de excitación:

un primer y segundo rectificadores/inversores de red conectados a la red de corriente alterna en paralelo; un primer rectificador/inversor (200) de PWM conectado al primer rectificador/inversor (10) de red a través de un primer enlace (204) de corriente continua; un segundo rectificador/inversor (202) de PWM conectado al segundo rectificador/inversor (12) de red a través de un segundo enlace (206) de corriente continua; un primer devanado (208) de estátor de dos capas que tiene una pluralidad de bobinas de estátor conectadas al primer rectificador/inversor (200) de PWM; y un segundo devanado (210) de estátor de dos capas que tiene una pluralidad de bobinas de estátor conectadas al segundo rectificador/inversor (202) de PWM; en la que cada par adyacente de ranuras acoge al menos una bobina de estátor del primer devanado (208) de estátor y al menos una bobina de estátor del segundo devanado (210) de estátor, estando el primer y el segundo devanados (208, 210) de estátor en proximidad física el uno del otro, de tal modo que están en acoplamiento mutuo; en la que las bobinas de estátor del primer devanado (208) de estátor y las bobinas de estátor del segundo devanado (210) de estátor están interconectadas de tal modo que, en uso, la suma vectorial de las tensiones a través de las bobinas de estátor en el primer devanado (208) de estátor es sustancialmente igual a, y está en fase con, la suma vectorial de las tensiones a través de las bobinas de estátor en el segundo devanado (210) de estátor con el fin de reducir los armónicos de corriente de frecuencia de PWM que fluyen en el primer y segundo devanados (208, 210) de estátor; y en la que el primer y segundo rectificador/inversor (200, 202) de PWM proporcionan sustancialmente las mismas tensiones de salida y sustancialmente las mismas formas de onda de tensión de PWM de salida.

2. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las bobinas de estátor del primer devanado

(208) de estátor están interconectadas de acuerdo con la fórmula siguiente:

la bobina de estátor en (polo N, ranura X) está conectada a las bobinas de estátor en (polo S, ranura (X+1) ) , en la que N es el número de cualquier polo norte, en la que S es el número del siguiente polo sur después del polo N en la secuencia de conexión, y en la que X es el número de secuencia de conexión de la primera bobina de estátor dentro de un conjunto determinado dentro del polo norte.

3. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2, en la que X tiene un valor de 1, 3 o 5.

4. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 2 o la reivindicación 3, en la que las bobinas de estátor del segundo devanado (210) de estátor están interconectadas de acuerdo con la fórmula siguiente:

la bobina de estátor en (polo N, ranura Y) está conectada a las bobinas de estátor en (polo S, ranura (Y-1) ) , en la que N es el número de cualquier polo norte, en la que S es el número del siguiente polo sur después del polo N en la secuencia de conexión, y en la que Y es el número de secuencia de conexión de la primera bobina de estátor dentro de un conjunto determinado dentro del polo norte.

5. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 4, en la que Y tiene un valor de 2, 4 o 6.

6. Una máquina eléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, en la que N es cualquier número entero impar.

7. Una máquina eléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en la que S es cualquier número entero par.

8. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 1, en la que las bobinas de estátor del primer devanado

(208) de estátor están interconectadas de acuerdo con la fórmula siguiente:

la bobina de estátor en (polo N, ranura X) está conectada a las bobinas de estátor en serie hasta (polo N, ranura (X+Q-1) ) que a continuación se conecta a las bobinas de estátor en (polo S, ranura (X+Q) ) , esta bobina de estátor se conecta a continuación a las bobinas de estátor en serie hasta (polo S, ranura (X+2Q-1) ) , en la que N es el número de cualquier polo norte, en la que S es el número del siguiente polo sur después del polo N en la secuencia de conexión de la misma ruta paralela, en la que Q es el número de ranuras de estátor usadas por polo y por fase, y en la que X es el número de secuencia de conexión de la primera bobina de estátor dentro de un conjunto determinado dentro del polo norte.

9. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 8, en la que X tiene los valores enteros de 1, 2Q+1 o 4Q+1.

10. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 8 o la reivindicación 9, en la que las bobinas de estátor

del segundo devanado (210) de estátor están interconectadas de acuerdo con la fórmula siguiente:

la bobina de estátor en (polo N, ranura Y) está conectada a las bobinas de estátor en serie hasta (polo N, ranura (Y+Q-1) ) que a continuación se conecta a las bobinas de estátor en (polo S, ranura (Y-Q) ) , esta bobina de estátor se conecta a continuación a las bobinas de estátor en serie hasta (polo S, ranura (Y-1) ) , en la que N

es el número de cualquier polo norte, en la que S es el número del siguiente polo sur después del polo N en la secuencia de conexión de la misma ruta paralela, en la que Q es el número de ranuras de estátor usadas por polo y por fase, y en la que Y es el número de secuencia de conexión de la primera bobina de estátor dentro de un conjunto determinado dentro del polo norte.

11. Una máquina eléctrica de acuerdo con la reivindicación 10, en la que Y tiene los valores enteros de Q+1, 3Q+1 o 10 5Q+1.

12. Una máquina eléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en la que N es cualquier número entero impar.

13. Una máquina eléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en la que S es cualquier número entero par.

14. Una máquina eléctrica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13, en la que Q es cualquier número entero.