Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio que convierte magnitud y/o fase y/o frecuencia entre sistemas con mejoras en la calidad de onda que comprende un núcleo magnético cerrado o más de un núcleo magnético cerrado contenidos unos dentro de otros y con no necesariamente igual permeabilidad,

dos o más sistemas eléctricos siendo al menos uno de los sistemas eléctricos de varios polos magnéticos dispuestos angularmente, y donde cada sistema eléctrico está comprendido por al menos un devanado eléctrico ranurado dispuesto radialmente de forma que todo el flujo magnético queda confinado dentro del núcleo o núcleos magnéticos.

Circuito magnético del conversor eléctrico universal.

La presente invención se refiere a un nuevo conversor que permite la explotación de las propiedades de los campos magnéticos giratorios en conversiones exclusivamente eléctricas mejorando tanto el rendimiento como su facilidad de construcción.

Las conversiones eléctricas abarcan la totalidad de los parámetros, es decir, magnitud, fase y frecuencia de las variables eléctricas.

El campo de la técnica al que se refiere la presente invención es el de los convertidores eléctricos.

Antecedentes

Las conversiones eléctricas complejas se basan en el uso de semiconductores integrados dentro de un sistema de conmutación que permite transformar los parámetros de magnitud, fase y frecuencia.

Las estrategias de conversión suelen ser sofisticadas y requerir que sus componentes trabajen a frecuencias elevadas.

Los transformadores convencionales pueden clasificarse como una aplicación de circuito magnético de campo lineal, es decir, aquellos en los que el flujo magnético sólo tiene una dirección espacial.

Otro tipo de circuito magnético es el que permite un campo magnético giratorio, el cual se ha explotado únicamente en aplicaciones electromecánicas, siendo su uso en aplicaciones puramente eléctricas escaso.

Este escaso uso en aplicaciones eléctricas es debido a que los circuitos magnéticos de campo giratorio usados hoy en día, es decir, los utilizados en aplicaciones electromecánicas, presentan un entrehierro de aire que provoca rendimientos bajos.

Entre la literatura de patentes revisada se han encontrado algunas patentes que hacen uso de distintas permeabilidades dentro de los circuitos magnéticos.

La patente US 5,062,197 presenta conductores que son paralelos a la base completando total o parcialmente el arco angular en la geometría cilíndrica donde el flujo discurre de forma longitudinal por las paredes externas e internas del "pot core"

Sin embargo la presente invención requiere de conductores predominantemente longitudinales en geometrías cilíndricas donde no se presenta ningún flujo que recorra longitudinalmente el circuito.

La patente US 5,748,013 presenta una topología de circuito lineal usando un núcleo magnético de tipo transformador convencional de columnas o toroidal, sin embargo la presente invención necesita dos o más núcleos magnéticos cerrados contenidos unos dentro de otros o un núcleo magnético de tipo cilíndrico con devanados que atraviesen el núcleo.

La patente US 2003/0030529 A1 únicamente utiliza un único núcleo magnético de tipo transformador convencional de columnas o toroidal, sin embargo, la presente invención necesita dos o más núcleos magnéticos cerrados contenidos unos dentro de otros o un núcleo magnético de tipo cilíndrico con devanados que atraviesen el núcleo.

La patente WO 2007/045985 A1 presenta una segunda permeabilidad que se encuentra formando una rama en paralelo con el núcleo principal que es de tipo transformador convencional de columnas, sin embargo, la presente invención necesita dos o más núcleos magnéticos cerrados contenidos unos dentro de otros o un núcleo magnético de tipo cilíndrico con devanados que atraviesen el núcleo.

La patente GB 2138215 A presenta un único núcleo cerrado que puede tener varios entrehierros pero los devanados no atraviesan el núcleo.

La patente EP 0 340800 A1 presenta un diseño que comprende un entrehierro vacío a diferencia de la presente invención que no presenta ningún entrehierro vacío.

El circuito magnético de la invención, con la topología y sistema de conmutación adecuados, permite la conversión entre sistemas eléctricos de no necesariamente igual magnitud, fase y frecuencia como una forma alternativa del estado actual de la técnica, con mejoras en la calidad de onda, rendimientos y sencillez de operación.

Descripción de la invención

Por tanto, el objeto de la presente invención es proveer un conversor de energía eléctrica estático de campo magnético giratorio que mejora el rendimiento y supera las deficiencias mencionadas anteriormente.

Otro objeto de la presente invención es proveer un conversor universal, es decir, que convierte magnitud y/o fase y/o frecuencia entre sistemas con mejoras en la calidad de onda.

Un circuito magnético viene definido por la combinación de la disposición física de materiales y de las zonas de fuerza magnetomotriz cuyas características determinan las propiedades singulares de los flujos resultantes tales como magnitud y dirección.

Así pues, la presente invención expone un circuito magnético, de geometría no necesariamente cilíndrica, que comprende, un núcleo magnético cerrado o más de un núcleo magnético cerrado contenidos unos dentro de otros y con no necesariamente igual permeabilidad, dos o más sistemas eléctricos siendo al menos uno de los sistemas eléctricos de varios polos magnéticos dispuestos angularmente, y donde cada sistema eléctrico está comprendido por al menos un devanado eléctrico ranurado dispuesto radialmente de forma que todo el flujo magnético queda confinado dentro del núcleo o núcleos magnéticos.

Para un funcionamiento óptimo en campos giratorios, cuando disponemos de un único núcleo magnético, la superficie exterior de esta región magnética ha de ser lo más cercana posible a un cilindro en geometrías cilíndricas, al mismo tiempo, al menos uno de los sistemas eléctricos posee devanados concéntricos con la superficie exterior.

Cuando el circuito magnético comprende más de dos núcleos, éstos pueden ser macizos o alternativamente el núcleo magnético comprendido entre dos núcleos magnéticos macizos puede ser hueco, el cual a su vez comprende una sustancia distinta del aire con propiedades magnéticas.

Opcionalmente, se pueden añadir al menos un puente que conecta al menos dos núcleos magnéticos, donde el material de dicho puente es el mismo que el de los núcleos que conecta produciendo de facto un único núcleo magnético.

Los puentes se diseñan para que no trabajen magnéticamente, ya sea mediante saturación magnética o tratamiento del material del puente por lo que se puede considerar a efectos prácticos como dos núcleos magnéticos, uno exterior y otro interior, separados por un núcleo intermedio.

Varias ventajas resultan de este diseño

El circuito magnético de la invención en comparación a los circuitos magnéticos lineales actuales mejora las autoinducciones alcanzables y transmite mejor el calor a la superficie exterior resultando en un mejor rendimiento.

Por otro lado, si lo comparamos a un circuito magnético de campo giratorio con aire en el entrehierro, la invención alcanza mejores rendimientos con costes de construcción menores.

Además, al generar un campo magnético giratorio, añade un nuevo campo de aplicaciones dentro de las conversiones entre sistemas eléctricos que incluye entre otras, la interconversión de energía eléctrica entre corriente alterna y corriente continua, corriente alterna y corriente alterna de distinta frecuencia, corriente alterna y corriente alterna de la misma frecuencia y la misma o distinta fase, es decir la presente invención permite la conversión de magnitud y/o fase y/o frecuencia entre sistemas. Por lo que se puede denominar un conversor universal de sistemas eléctricos.

El uso de la invención expuesta junto a dichas aplicaciones permite el uso de sistemas de conmutación a menor frecuencia, con estrategias menos sofisticadas y beneficios varios como en la calidad de onda y/o flexibilidad de operación entre otros.

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 es una vista de la sección transversal según la invención de un conversor trifásico de campo magnético giratorio con tres núcleos magnéticos en donde se aprecia un núcleo magnético interior (103), un núcleo magnético exterior o corona (101), un núcleo magnético intermedio (102), orificios del centro (106), orificios de la corona (105) y ranuras (104).

La Figura 2 es una vista en explosión de un cuarto de un conversor trifásico de campo magnético giratorio sujeto por puentes, en donde se aprecia el puente (205), núcleo magnético interior (201), separación de la ranura (206), núcleo magnético exterior o corona (204),...

1. Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio caracterizado porque comprende un núcleo magnético cerrado o más de un núcleo magnético cerrado contenidos unos dentro de otros y con no necesariamente igual permeabilidad, dos o más sistemas eléctricos siendo al menos uno de los sistemas eléctricos de varios polos magnéticos dispuestos angularmente, y donde cada sistema eléctrico está comprendido por al menos un devanado eléctrico ranurado dispuesto radialmente de forma que todo el flujo magnético queda confinado dentro del núcleo o núcleos magnéticos.

2. Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque el factor de devanado (ξ_n) respecto al factor de devanado fundamental (ξ₁) corresponde a la fórmula:

y la distorsión total acumulada corresponde a la fórmula:

donde n son los armónicos en la descomposición de la serie de Fourier de los factores de devanado y n comprende cualquier valor de la siguiente sucesión n = 1+2x, donde x es un número natural comprendido entre 1 y 12.

3. Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque D₂ esta comprendido entre el 10% y 40% de D₃ y D_re está comprendido entre el 50% y 80% de D₃.

4. Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque μ₂(D₂+D₁)/μ(D₂-D₁) es al menos 0,12.

5. Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque la forma de la ranura es poligonal.

6. Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicaciones 1 y 5 caracterizado porque de las tres líneas que conforman la forma de la ranura, dos son líneas rectas y la otra es una línea curva.

7. Conversor de energía eléctrica estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque comprende al menos un puente que conecta al menos dos núcleos magnéticos.

8. Conversor de energía eléctrico estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque los devanados de los sistemas eléctricos están alojados juntos.

9. Conversor de energía eléctrico estático de campo giratorio según reivindicación 1 caracterizado porque el núcleo magnético interior comprende un hueco concéntrico con el o los núcleos magnéticos restantes.