Convertidor de potencia resonante y reversible, y método para la conversión de potencia.

El convertidor de potencia objeto de la invención comprende dos generadores de respectivas ondas en escalera, y un circuito resonante LC conectado entre ambos generadores para transferir energía eléctrica entre ambos. Los cambios de tensión en dichas primera y segunda ondas en escalera están sincronizados en el tiempo, y la duración de tiempo Tm entre conmutaciones es un múltiplo del semiperiodo definido por Tm = π{raz,LC}. Las conmutaciones de los elementos electrónicos de conmutación se producen cuando la corriente a través de dicho circuito resonante es cero. El convertidor combina tres propiedades: (i) se comporta corno una fuente de corriente en lugar de una fuente de tensión, (ii) es resonante y (iii) es reversible, esto es, poder cambiar a voluntad el sentido de transmisión de la potencia.

Convertidor de potencia resonante y reversible, y método para la conversión de potencia.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere en general al sector de la electrónica de potencia, y más concretamente a inversores o convertidores de corriente continua en corriente alterna, tanto para inyección de potencia a la red eléctrica desde paneles solares o generadores eólicos, como a los inversores clásicos usados para obtener un voltaje alterno sinusoidal desde, por ejemplo, una ó varias baterías.

La invención tiene por objeto el de proporcionar un convertidor de potencia eléctrica que combina tres propiedades: (i) el convertidor se comporta como una fuente de corriente en lugar de una fuente de tensión, (ii) es un convertidor resonante y por lo tanto tiene muy buen rendimiento, (iii) es reversible, esto es, poder cambiar a voluntad el sentido de transmisión de la potencia.

Antecedentes de la invención

Actualmente, los inversores suelen utilizar la técnica denominada modulación de ancho de impulso (PWM en inglés) que consiste en generar un voltaje rectangular con un ciclo útil variable. Se entiende por ciclo útil el porcentaje del ciclo en el que el voltaje está en alto. El voltaje medio es proporcional a este ciclo útil y se hace variar al ritmo de una señal sinusoidal. Como el voltaje rectangular generado no se ajusta al voltaje sinusoidal en la salida, es preciso insertar un elemento en serie que absorba esta diferencia de voltaje y que haga de filtro. Este elemento es una bobina, que, para poder filtrar a frecuencias tan bajas como 50 Hz ó 60 Hz resulta de grandes dimensiones y eleva el precio del inversor así como su peso, su tamaño y las pérdidas de potencia. También, la potencia reactiva que se pueda producir en la carga es absorbida de forma automática en los inversores PWM por los diodos en montaje antiparalelo del puente que genere el voltaje rectangular, sin embargo, esto es un proceso sin gobierno que no puede alterarse a voluntad.

Descripción de la invención

El circuito convertidor de potencia eléctrica objeto de la invención, comprende dos generadores de respectivas ondas de tensión periódica con forma de escalera ya que cada una de esas ondas está formada por una serie de tramos dentro de los cuales la tensión es constante.

Dichos dos generadores de onda en escalera están conectados a través de un circuito resonante LC a través del cual se transfiere energía eléctrica entre ambos generadores, de manera que dicho circuito resonante hace que la transferencia de potencia entre ambos generadores sea en forma de un tren de arcos de seno de corriente cada uno con una pulsación angular de , donde la amplitud de dichos arcos de seno puede ser igual o distinta.

El circuito resonante tiene un esquema eléctrico equivalente consistente en un circuito LC resonante, es decir el circuito resonante puede expresarse como una bobina L y un condensador C conectados en serie. Dicho circuito resonante LC puede consistir directamente en una bobina y un condensador conectados en serie, o bien puede consistir en cualquier circuito que sea equivalente a una bobina y un condensador conectados en serie, como por ejemplo un transformador conectado a un condensador donde la inductancia de dispersión del transformador (mal llamada de pérdidas) es la inductancia L del circuito resonante, lo cual tiene la ventaja de evitar el uso de componentes adicionales para realizar esa función.

Un condensador de filtrado a la salida del convertidor, absorbe los armónicos superiores del tren de ondas de corriente, dejando el valor medio como corriente inyectada a la carga.

Cada uno de dichos dos generadores de onda en escalera está formado por dispositivos electrónicos de conmutación interconectados, por ejemplo transistores de potencia, los cuales de forma conocida en el estado de la técnica, están gobernados por medios electrónicos de control programables, como por ejemplo un microcontrolador, para generar la forma de onda deseada.

Los dispositivos electrónicos de conmutación del primer generador, están conectados formando al menos un circuito inversor configurado para transformar una tensión continua de entrada DC en una tensión alterna de salida que se aplica a un extremo del circuito resonante LC. De forma similar, los dispositivos electrónicos de conmutación del segundo generador, están conectados formando al menos un circuito inversor configurado para transformar una tensión substancialmente continua en su entrada que puede variar lentamente, llegando incluso a invertir su polaridad, en una tensión alterna de alta frecuencia de salida que se aplica al otro extremo del circuito resonante LC.

Tanto el primer generador como el segundo, pueden estar formados por uno o más circuitos inversores conectados en serie (es decir, la salida de un generador se aplica a la entrada del siguiente) con objeto de poner generar formas de onda complejas, que no sería posible obtener con un solo inversor.

En la invención se ha previsto que los cambios de tensión en las ondas en escalera que genera cada uno de los generadores, estén sincronizados en el tiempo, es decir que el instante en el que comienza y termina cada escalón de las dos ondas en escalera de cada generador, son coincidentes en el tiempo. Además en la invención se ha previsto, con objeto de que el convertidor sea resonante, que la duración de tiempo entre conmutaciones (Tm), es decir la duración de cada escalón, es un múltiplo del semiperiodo de resonancia de dicho circuito resonante, es decir un múltiplo de 2, con la excepción de la parada del convertidor como se explicará más adelante, en cuyo caso el convertidor puede estar detenido el tiempo que se desee. Este intervalo entre conmutaciones podría expresarse de forma genérica mediante la ecuación: 3, donde K es una constante y N es el rango del convertidor.

Dichos medios electrónicos de control están configurados, por ejemplo programados de una determinada forma, para gobernar la conmutación de los dispositivos electrónicos de conmutación de manera que se hace conmutar a los mismos cuando la corriente a través de dicho circuito resonante LC es cero, lo cual hace que el circuito sea resonante. De esta forma se evitan las pérdidas ocasionadas por la conmutación de dichos dispositivos, lo cual a su vez mejora el rendimiento del convertidor.

El efecto de que las conmutaciones ocurran en un múltiplo del semiperiodo, es que dichas conmutaciones suceden cuando los arcos de seno de la corriente del circuito resonante LC tienen un valor instantáneo de corriente nulo y que, por lo tanto, no existen pérdidas de conmutación, y el sistema puede ser denominado resonante según el término al uso en la electrónica de potencia.

Uno de los principales avances técnicos que aporta el convertidor objeto de esta invención respecto a los convertidores conocidos del estado de la técnica, es que no genera un voltaje medio, sino que como se explicará más adelante, se comporta como una fuente de corriente, es decir impone una corriente media a la salida independientemente de la tensión de salida. Una de las ventajas de que el convertidor se comporte como una fuente de corriente, es que se puede conectar perfectamente en paralelo con otro generador de voltaje sin necesidad de intercalar ningún elemento en serie, eliminando la necesidad de la clásica bobina de filtro.

Efectivamente, puesto que en el convertidor de la presente invención no se impone el voltaje de salida, y la corriente media de salida no depende del voltaje en el que la apliquemos, con la presente invención es posible poner en paralelo nuestra salida con otra tensión senoidal de salida y evitar la clásica bobina de filtro, por ejemplo el convertidor puede conectarse con la tensión alterna de la red eléctrica.

No obstante es necesario algún tipo de filtro puesto que para poder dibujar de manera precisa una forma de onda, como por ejemplo una sinusoide, hay que trabajar a una frecuencia muy superior a los 50 ó 60 Hz de la misma y después hay que filtrarla. Sin embargo, puesto que el convertidor de la invención es una fuente de corriente, ese filtro puede ser un condensador en lugar de una bobina, lo que es mucho más sencillo de incorporar al circuito en lugar de la convencional bobina de filtro de grandes dimensiones y peso. Además,...

1. Convertidor de potencia resonante y reversible, caracterizado porque comprende:

un primer generador de una primera onda de tensión periódica con forma de escalera formada por una serie de tramos de tensión constante, donde dicho primer generador comprende un primer grupo de elementos electrónicos de conmutación conectados para generar dicha primera onda,

un segundo generador de una segunda onda de tensión periódica con forma de escalera formada por una serie de tramos de tensión constante, donde dicho segundo generador comprende un segundo grupo de elementos electrónicos de conmutación conectados para generar dicha segunda onda,

un circuito resonante cuyo esquema eléctrico equivalente es un circuito LC, estando dicho circuito resonante acoplado eléctricamente entre dichos primer y segundo generadores de onda en escalera para transferir energía eléctrica entre ambos generadores,

medios electrónicos de control programables configurados para gobernar la conmutación de dichos elementos electrónicos de conmutación,

donde dichos medios electrónicos de control están programados para que los cambios de tensión en dichas primera y segunda ondas en escalera estén sincronizados en el tiempo, y de manera que la duración de tiempo entre conmutaciones (Tm) sea un múltiplo del semiperiodo definido por ,

y porque dichos medios electrónicos de control además están programados de forma que las conmutaciones de los elementos electrónicos de conmutación se producen cuando la corriente a través de dicho circuito resonante es cero.

2. Convertidor de potencia según la reivindicación 1 caracterizado porque dichos medios electrónicos de control están programados para hacer nulas en un instante de cambio de tensión sincronizado, las tensiones de dichas primera y segunda ondas en escalera y mantenerlas en ese estado durante un tiempo determinado.

3. Convertidor de potencia según la reivindicación 1 caracterizado porque dichos medios electrónicos de control están programados para hacer que la suma algebraica en el ultimo instante del ultimo tramo de las tensiones de dichas primera y segunda ondas en escalera, anule la tensión del condensador del circuito resonante LC, con objeto de detener el convertidor.

4. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos de conmutación del primer generador, están conectados como al menos un circuito inversor configurado para transformar una tensión continua de entrada DC aplicada entre dos terminales de entrada del convertidor, en una tensión alterna de salida entre dos terminales de salida del primer generador.

5. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos de conmutación del segundo generador, están conectados como al menos un circuito inversor configurado para transformar una tensión alterna de entrada aplicada entre dos terminales de entrada, en una tensión alterna de salida entre dos terminales de salida del convertidor.

6. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios electrónicos de control están programados para gobernar el primer y el segundo generador para transferir potencia eléctrica desde el primer generador de onda en escalera al segundo generador de onda en escalera.

7. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios electrónicos de control están programados para transferir potencia eléctrica desde el segundo generador de onda en escalera al primer generador de onda en escalera, de manera que puede transmitir energía reactiva desde los terminales de salida del convertidor, hacia los terminales de entrada del convertidor.

8. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer generador comprende al menos un circuito inversor seleccionado entre el grupo que comprende: semipuente, puente completo, interruptor de cuatro cuadrantes, push-pull, semipuente con interruptores de cuatro cuadrantes, puente completo con interruptores de cuatro cuadrantes, push-pull con interruptores de cuatro cuadrantes.

9. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo generador comprende al menos un circuito inversor seleccionado entre el grupo que comprende: semipuente, puente completo, interruptor de cuatro cuadrantes, push-pull, semipuente con interruptores de cuatro cuadrantes, puente completo con interruptores de cuatro cuadrantes, push-pull con interruptores de cuatro cuadrantes.

10. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito resonante consiste en un elemento inductivo (L) y un condensador (c) conectados en serie, y porque dicho circuito resonante está conectado entre un terminal de salida del primer generador y un terminal de entrada del segundo generador.

11. Convertidor de potencia cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el circuito resonante comprende un transformador y un condensador, donde los dos terminales del primario del transformador están conectados a los terminales de salida del primer generador, y donde un terminal de salida del secundario del transformador está conectado a un terminal de entrada del segundo generador a través del condensador C del circuito resonante, y donde el otro terminal del secundario del transformador está conectado con el otro terminal de entrada del segundo generador.

12. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el circuito resonante comprende un transformador y un condensador, donde los dos terminales del secundario del transformador están conectados a los terminales de entrada del segundo generador, y donde un terminal de entrada del primario del transformador está conectado a un terminal de salida del primer generador a través del condensador C del circuito resonante, y donde el otro terminal del primario del transformador está conectado con el otro terminal de entrada del primer generador.

13. Convertidor de potencia según las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque el elemento inductivo del circuito resonante (L) es la inductancia de dispersión de dicho transformador.

14. Convertidor de potencia según las reivindicaciones 11 o 12, caracterizado porque los medios electrónicos de control están programados para que la onda en escalera aplicada al transformador produzca un voltaje medio nulo en el transformador.

15. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo generador comprende solo un circuito inversor seleccionado entre el grupo que comprende: semipuente, puente completo, push-pull, semipuente con interruptores de cuatro cuadrantes, puente completo con interruptores de cuatro cuadrantes, push-pull con interruptores de cuatro cuadrantes, de modo que la corriente media en la parte DC del mencionado circuito inversor no depende de la tensión en la parte DC del mismo.

16. Convertidor de potencia según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer generador comprende solo un circuito inversor seleccionado entre el grupo que comprende: semipuente, puente completo, push-pull, semipuente con interruptores de cuatro cuadrantes, puente completo con interruptores de cuatro cuadrantes, push-pull con interruptores de cuatro cuadrantes.

17. Convertidor de potencia según la reivindicación 15 caracterizado porque el voltaje de entrada del segundo generador coincide con la constante de proporcionalidad (VB) de la onda en escalera generada por el segundo generador.

18. Método para controlar un convertidor resonante de energía eléctrica que comprende:

gobernar un primer generador para generar una primera onda de tensión periódica con forma de escalera formada por una serie de tramos de tensión constante, donde dicho primer generador comprende un primer grupo de elementos electrónicos de conmutación conectados para generar dicha primera onda,

gobernar un segundo generador para generar una segunda onda de tensión periódica con forma de escalera formada por una serie de tramos de tensión constante, donde dicho segundo generador comprende un segundo grupo de elementos electrónicos de conmutación conectados para generar dicha segunda onda,

transferir energía eléctrica entre ambos generadores a través un circuito resonante cuyo esquema eléctrico equivalente es un circuito LC,

donde dichos primer y segundo generador se gobiernan de manera que los cambios de tensión en dichas primera y segunda ondas en escalera estén sincronizados en el tiempo, y de manera que la duración de tiempo entre conmutaciones (Tm) sea un múltiplo del semiperiodo definido por ,

y de manera que sus conmutaciones se producen cuando la corriente a través de dicho circuito resonante es cero.