MÉTODO Y DISPOSITIVO DE TRANSFORMACIÓN DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE ALTERNA.

Método y dispositivo de transformación de corriente continua en corriente alterna.



La presente invención es un método de transformación que permite transformar corriente continua en alterna con un nivel de aprovechamiento de la continua de entrada elevado y baja distorsión armónica total (DAT). El dispositivo que permite llevar a cabo este método también es objeto de la invención.

El campo de aplicación de la invención, principalmente cuando se aplica para obtener corriente trifásica, es el de las fuentes de alimentación de lo que se denomina sistemas embarcados, como puede ser en aviones, barcos y especialmente ferrocarriles. Un segundo campo de aplicación es el de control de motores trifásicos.

Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201130897.

Solicitante: UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID.

Nacionalidad solicitante: España.

Inventor/es: LAZARO BLANCO,ANTONIO, BARRADO BAUTISTA,ANDRES, VALDIVIA GUERRERO,VIRGILIO, ZUMEL VAQUERO,Pablo, FERNÁNDEZ HERRERO,Cristina, SANZ GARCÍA,Clara Marina, MARTÍNEZ NIETO,Carlos David, LUCENA FERNÁNDEZ,Carlos, QUESADA REDONDO,Isabel, RAGA ARROYO,María Carmen, LÓPEZ DEL MORAL HERNÁNDEZ,David.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • H02M1/12 ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02M APARATOS PARA LA TRANSFORMACION DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE ALTERNA, DE CORRIENTE ALTERNA EN CORRIENTE CONTINUA O DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE CONTINUA Y UTILIZADOS CON LAS REDES DE DISTRIBUCION DE ENERGIA O SISTEMAS DE ALIMENTACION SIMILARES; TRANSFORMACION DE UNA POTENCIA DE ENTRADA EN CORRIENTE CONTINUA O ALTERNA EN UNA POTENCIA DE SALIDA DE CHOQUE; SU CONTROL O REGULACION (transformadores H01F; convertidores dinamoeléctricos H02K 47/00; control de los transformadores, reactancias o bobinas de choque, control o regulación de motores, generadores eléctricos o convertidores dinamoeléctricos H02P). › H02M 1/00 Detalles de aparatos para transformación. › Disposiciones de reducción de armónicos de una entrada o de una salida en corriente alterna.
  • H02M7/537 H02M […] › H02M 7/00 Transformación de una potencia de entrada en corriente alterna en una potencia de salida en corriente continua; Transformación de una potencia de entrada en corriente continua en una potencia de salida en corriente alterna. › utilizando solamente dispositivos semiconductores, p. ej. inversores de impulsos de única conmutación.
MÉTODO Y DISPOSITIVO DE TRANSFORMACIÓN DE CORRIENTE CONTINUA EN CORRIENTE ALTERNA.

Fragmento de la descripción:

Método y dispositivo de transformación de corriente continua en corriente alterna

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención es un método de transformación que permite transformar corriente continua en alterna con un nivel de aprovechamiento de la continua de entrada elevado y baja distorsión armónica total (DAT) . El dispositivo que permite llevar a cabo este método también es objeto de la invención.

El campo de aplicación de la invención, principalmente cuando se aplica para obtener corriente trifásica, es el de las fuentes de alimentación de lo que se denomina sistemas embarcados, como puede ser en aviones, barcos y especialmente ferrocarriles. Un segundo campo de aplicación es el de control de motores trifásicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La transformación de corriente continua en corriente alterna es un problema ya resuelto en el estado de la técnica por ejemplo por medio de inversores que generan un tren de pulsos que, una vez filtrados haciendo uso de inductancias y condensadores, da lugar a una señal sinusoidal.

En el caso de requerir una salida de corriente alterna trifásica, el dispositivo dispone de tres líneas de salida, cada una con su inversor individual, de tal modo que las salidas se generan con un desfase de 120º entre sí. La agrupación de inversores individuales se denomina simplemente inversor y se entiende que este inversor tiene una salida trifásica.

El modo de establecer los momentos en los que el inversor lleva a cabo los cambios de corte a conducción o viceversa para la generación de pulsos está gobernado por un dispositivo de control. Habitualmente, los instantes de cambio están precalculados y almacenados en una tabla en unos medios de almacenamiento del dispositivo de control de modo que este dispositivo de control únicamente determina a lo largo del tiempo el instante en el que el inversor debe actuar y da la señal correspondiente al inversor.

Para generar un tren de pulsos de anchura variable que tras ser filtrada se obtenga una señal sinusoidal se generan dos funciones distintas, una función que corresponde a una onda portadora dependiente del tiempo y de una determinada frecuencia fc; y, una función que corresponde a una onda moduladora también dependiente del tiempo y de frecuencia f0, coincidente con la frecuencia objetivo de la corriente alterna.

La onda portadora habitualmente es triangular. La onda moduladora, cuando se superpone a la onda portadora, da lugar a un conjunto de puntos de corte. En los puntos donde produciéndose la intersección entre las dos ondas, la onda moduladora pasa a ser mayor que la portadora se establece la conducción de los dispositivos de una rama del inversor. En los dispositivos que ocupan la otra rama, se establece el corte en vez de la conducción, resultando sus señales de activación complementarias.

Con esta estrategia se establecen los instantes de tiempo donde los medios de control deben gobernar los cambios en el inversor. La generación de estas ondas puede llevarse a cabo en los medios de control. No obstante, lo habitual es precalcular los instantes de tiempo y una vez calculados almacenarlos en unos medios de almacenamiento dispuestos en los medios de control para ser utilizados posteriormente cuando inversor y medios de control se encuentran en modo operativo. Las tablas que contienen los instantes de cambio del inversor solo necesitan almacenar los valores de un periodo y repetir el patrón para cada periodo de tiempo.

El objetivo es obtener una señal de salida lo más cercana a una señal sinusoidal. Si la señal muestra algún tipo de desviación respecto de una señal sinusoidal, en la representación en el espacio frecuencial de esta señal se muestran componentes de amplitud no nulas en frecuencias distintas a la fundamental. Estas componentes imponen el parámetro conocido como distorsión armónica. Tanto en los sistemas embarcados como en el control de motores, una distorsión armónica total (DAT) elevada de la tensión o de la corriente de salida del convertidor puede ocasionar fallos en las cargas a las cuales se suministra energía. El efecto técnico de esta distorsión armónica es la reducción de la vida útil o bien el sobrecalentamiento o la vibración en los motores. De hecho, en todas las aplicaciones en las que se debe alimentar una serie de cargas, la guía práctica del IEEE (IEEE estándar 519) establece el valor de la DAT por debajo del 10% con el fin de evitar daños futuros a las cargas. La DAT se define como:

Uno de los problemas con los que se encuentran estos dispositivos de transformación de corriente continua en alterna es el de las fluctuaciones del nivel de tensión de la línea de alimentación continua. En los sistemas ferroviarios con alimentación en corriente continua (CC) desde la catenaria, la norma EN-50163, establece que la tensión de la catenaria puede variar desde un 70% de su valor nominal hasta un 120%. Este amplio rango de variación de la tensión de alimentación del equipo exige una gran capacidad de regulación por parte del mismo. Por lo tanto, incluso para el mínimo valor de tensión de entrada se debe poder proporcionar la tensión o corriente de salida nominal. Esto conlleva tener que disponer en el equipo de un gran aprovechamiento del bus de corriente continua. Una forma de aumentar el aprovechamiento del bus de continua es mediante la técnica denominada “sobremodulación” del inversor (que se explica a continuación) , no obstante, en el campo de aplicación citado suele descartarse el uso de esta técnica porque aparecen armónicos de baja frecuencia sobre los que no se tiene control aumentando por ello la DAT tanto de la tensión como de la corriente.

Para mantener la potencia de salida cuando desciende la tensión de la línea de alimentación es necesario incrementar el área de los pulsos que dan lugar por integración, a la señal de salida alterna.

Si la onda moduladora supera en amplitud a la onda portadora deja de producirse intersección alguna entre ambas y el tren de pulsos muestra un pulso de anchura mucho más grande. El efecto técnico de este cambio es la obtención de una señal de salida con un mayor valor eficaz. Esta técnica es la mencionada sobremodulación, que permite por ejemplo compensar la caída de la tensión en la línea de alimentación continua. No obstante esta técnica tiene varios efectos negativos, los intervalos de tiempo en los que sí existe intersección entre la onda portadora y la onda moduladora ya no cubren todo el periodo de la onda moduladora y por lo tanto el control sobre la forma de la onda de salida también es menor; y, la señal de salida incrementa su distorsión armónica.

En el caso de generar una salida trifásica existe por ejemplo un método para tratar de reducir este inconveniente sumando a la señal moduladora un tercer armónico.

Este tercer armónico incrementa la pendiente de la onda moduladora en los flancos de la onda y achata el máximo en la parte central. Al achatarse el máximo, se tiene un cierto margen donde la onda moduladora sigue teniendo puntos de corte con la onda portadora y por lo tanto generando un mayor número de puntos de cambio en el inversor.

La introducción de un tercer armónico no introduce a la salida una mayor distorsión puesto que al ser la salida trifásica se produce un efecto compensatorio entre las tres fases.

No obstante, esta técnica tiene un límite. Si se sigue aumentando la amplitud de la señal moduladora, aunque esté achatada en el extremo (máximo o mínimo) , éste acaba superando la amplitud de la onda portadora.

Se define el índice de modulación M como la relación entre las amplitudes de la señal de referencia y señal portadora y su expresión adopta distintas formas dependiendo del ejemplo de realización. Así, en el caso monofásico, la zona en que el índice de modulación es menor a uno se denomina zona lineal. Si se incrementa M, la amplitud de la onda moduladora supera a la de la onda portadora y se entra en la zona de sobremodulación. Para el caso trifásico, dependiendo del tipo de modulación se puede conseguir llegar hasta un valor de M=1, 15 en la zona lineal sin llegar a la sobremodulación. A partir de ese valor, si se incrementa M se entra en la zona de sobremodulación.

Se define también mf, índice de modulación en frecuencia, como la relación de frecuencias entre la onda portadora y la onda moduladora mf =fc /f0.

Si se representa la DAT frente al índice de modulación M, existe un primer intervalo que se denomina lineal donde la onda moduladora siempre presenta intersección con la onda portadora. En este intervalo los valores la DAT suelen encontrarse por debajo de los valores admisibles, siendo por lo tanto...

 


Reivindicaciones:

1. Método de transformación de corriente continua en corriente alterna mediante un dispositivo que comprende:

• una línea de alimentación de corriente continua susceptible de sufrir fluctuaciones de tensión;

• un inversor conectado a la línea de alimentación de corriente continua para la transformación de la señal de corriente continua en una salida según un tren de pulsos para la alimentación de una carga adaptada para operar en tensión o corriente alterna; y

• un sistema de control para gobernar la generación de pulsos de disparo del inversor,

donde el método de transformación comprende las siguientes etapas:

• establecer un valor umbral para la señal de tensión en la línea de alimentación de corriente continua por debajo del cual la tensión de entrada se considera crítica,

• definir una onda portadora como función dependiente del tiempo de una determinada frecuencia fc,

• definir una onda moduladora como función dependiente del tiempo, de frecuencia fundamental f0, coincidente con la frecuencia objetivo de la corriente alterna, opcionalmente modificable sumando una función compuesta por frecuencias múltiplo de la frecuencia fundamental f0,

• establecer como instantes de disparo para provocar el corte y la conducción en el inversor a través del sistema de control los instantes en los que se produce la intersección entre la onda portadora y la onda moduladora,

• generar una secuencia de instantes de disparo en el sistema de control conmutando el inversor,

• proveer de una salida en el inversor de acuerdo al tren de pulsos gobernado por el sistema de control,

caracterizado porque la unidad de control lleva a cabo la generación de una secuencia de instantes de disparo conforme a una onda portadora con una frecuencia superior a fc cuando:

• la tensión de la línea de entrada baja por debajo del valor umbral pasando a ser crítico; y,

• el sistema de control opera con una onda moduladora tal que se encuentra en sobremodulación.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la onda portadora es triangular.

3. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la salida es trifásica.

4. Método según la reivindicación 3, caracterizado porque cada una de las líneas de la salida trifásica hace uso de una onda portadora común y de su propia onda moduladora.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el índice de modulación en frecuencia, mf, definido como la relación entre la frecuencia portadora fc y la frecuencia moduladora f0, es impar.

6. Método según la reivindicación anterior, caracterizado porque el incremento de la frecuencia de la onda portadora fc es tal que el índice de modulación en frecuencia mf, definido como la relación entre la frecuencia portadora fc y la frecuencia moduladora f0, se encuentra en un conjunto finito de valores preestablecidos dependiente del índice de modulación M.

7. Método según la reivindicación 1 o cualquiera de las reivindicaciones 3 a 6 caracterizado porque la onda moduladora se modifica sumando una función senoidal correspondiente al tercer armónico respecto de la frecuencia fundamental f0.

8. Dispositivo para la transformación de corriente continua en corriente alterna que comprende:

• una línea de alimentación de corriente continua,

• un inversor conectado a la línea de alimentación de corriente continua para la transformación de la señal de corriente continua en una salida según un tren de pulsos para la alimentación de una carga adaptada para operar en tensión o corriente alterna,

• un sistema de control adaptado para actuar sobre el inversor estableciendo los instantes de disparo de dicho inversor conforme a las intersecciones de una determinada onda portadora de frecuencia fc y a una determinada onda moduladora de frecuencia f0, coincidente con la frecuencia objetivo de la corriente alterna,

caracterizado porque el sistema de control, que en modo operativo gobierna los disparos de generación de pulsos del inversor, está adaptado para operar de acuerdo a un primer conjunto de instantes de disparo conforme a una primera onda portadora de frecuencia fc y a un segundo conjunto de instantes de disparo conforme a una segunda onda portadora de frecuencia superior a fc, de tal modo que dicho sistema de control está adaptado para conmutar desde el primer conjunto de instantes de disparo al segundo conjunto de instantes de disparo cuando la tensión de la línea de entrada se encuentra por debajo de un valor umbral y la onda moduladora que determina los instantes de disparo se encuentra en sobremodulación.

9. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque comprende unos medios de almacenamiento destinados a almacenar el primer conjunto de instantes de disparo, el segundo conjunto de instantes de disparo o ambos conjuntos.

10. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque comprende una unidad de proceso adaptada para generar funciones correspondientes a la onda portadora de frecuencia fc y a la onda moduladora de frecuencia f0 para deter5 minar los instantes de disparo en los puntos de intersección de una con otra.

11. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque comprende de un filtro de entrada pasa bajo en la línea de alimentación de corriente continua 12. Dispositivo según la reivindicación 8 caracterizado porque comprende tres inversores gobernados por el mismo sistema de control para la salida trifásica.

1.

13. Dispositivo según la reivindicación 12 caracterizado porque la salida trifásica está conectada a un motor trifásico.


 

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