PROCEDIMIENTOS DE CONTROL ACTIVO PARA LA CONEXIÓN DE CARGAS ALTAMENTE CAPACITIVAS MEDIANTE SSPCs.

Procedimientos de control activo para la conexión de cargas altamente capacitivas mediante SSPCs.

Se trata de procedimientos de conexión de una carga altamente capacitiva, (17) a un bus de tensión (13) de un sistema de distribución eléctrica, utilizando un controlador de potencia de estado sólido (SSPC) (15) en los que se controla de modo activo la corriente del SSPC (15), manteniendo constante uno de sus parámetros (sea la corriente o la derivada de la corriente) durante la totalidad del tiempo de conexión (tc) de dicha carga altamente capacitiva (17) o durante cada uno de un conjunto de tramos del mismo. La invención también se refiere a SSPCs estructurados para llevar a cabo dichos procedimientos.

Procedimientos de control activo para la conexión de cargas altamente capacitivas mediante SSPCs

CAMPO DE LA INVENCIÓN

Esta invención se refiere a procedimientos de control activo de la corriente para la conexión de cargas altamente capacitivas, mediante SSPCs, en sistemas de distribución de energía eléctrica y, más particularmente, a sistemas de distribución de energía eléctrica en aeronaves y otros vehículos. La invención también se refiere a los SSPCs que permiten implementar dichos procedimientos.

ANTECEDENTES

En la industria aeronáutica hay una fuerte tendencia hacia el concepto de aeronave más eléctrica (MEA) , como consecuencia de la sustitución de equipamientos convencionales, que dependen de la energía neumática, mecánica o hidráulica, por equipamientos que dependen de energía eléctrica. Estos nuevos equipamientos proporcionan una mejor operatividad al sistema gracias al incremento de la fiabilidad, al menor mantenimiento, a la eficiencia de la conversión de energía y, por tanto, a una mayor eficiencia de la aeronave en general.

Para hacer frente a este incremento de la energía eléctrica, en las nuevas arquitecturas de distribución, se usan niveles elevados de tensión con el objetivo de reducir los niveles de corriente y, consecuentemente, la sección de los cables y su peso. Por otra parte, las cargas eléctricas más importantes pueden ser alimentadas directamente con corriente continua, en lugar de con corriente alterna trifásica, lo que también supone una disminución del número de cables usados para conectar las distintas cargas eléctricas.

Este considerable crecimiento del número y tipos de cargas eléctricas, en estas nuevas arquitecturas de distribución eléctrica, ha contribuido a un incremento de la cantidad de componentes eléctricos y electrónicos, lo que puede provocar inestabilidad en todo el sistema, debido a las interacciones entre los distintos equipos que lo componen. A su vez, el incremento del nivel de la tensión provoca la aparición de nuevos problemas: unos relativos a la función de algunos dispositivos tales como las protecciones convencionales; y otros originados por efectos físicos en los cables que soportan los nuevos niveles de tensión, tales como el efecto corona, descargas por arco eléctrico y otros.

En la industria aeronáutica hay una demanda creciente de Sistemas de Energía Eléctrica gestionados por sistemas inteligentes de control para, en particular, gestionar la conexión y desconexión de las cargas eléctricas en función del modo de operación y las fuentes de energía disponibles.

En consecuencia, se ha introducido la tecnología de los controladores de potencia de estado sólido (SSPCs) en los centros de gestión eléctrica. Estos componentes se han agrupado en Unidades de Gestión de la Energía Eléctrica en las Cargas (EPLMUs) , que ofrecen varias ventajas respecto a los relés electromecánicos y los interruptores convencionales (CBs) .

Otras características de los SSPCs son su gran fiabilidad, su baja disipación de energía y su capacidad de control remoto por medio de un hardware complejo. Adicionalmente, estos dispositivos, basados en semiconductores de potencia, proporcionan una respuesta rápida y una baja susceptibilidad a las vibraciones, en comparación con los componentes electromagnéticos y electromecánicos tales como los CBs.

En estos sistemas, la conexión de cargas altamente capacitivas a través de SSPCs puede ocasionar sobrecorrientes que, por un lado, pueden llegar a dañar irreversiblemente al SSPC y que, por otro lado, introducen perturbaciones que pueden afectar al resto de los componentes cercanos, o a la propia fuente generadora.

Estas perturbaciones y sobrecorrientes generan serios inconvenientes en los sistemas de distribución eléctricos embarcados, a cuya solución está orientada la presente invención.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Un objetivo de la presente invención es proporcionar procedimientos de conexión de cargas altamente capacitivas a sistemas de distribución eléctrica a través de SSPCs, que permiten disminuir las perturbaciones introducidas en el sistema durante los transitorios en la conexión.

Otro objetivo de la presente invención es proporcionar procedimientos de conexión de cargas altamente capacitivas a sistemas de distribución eléctrica a través de SSPCs, que permiten controlar las sobrecorrientes en los SSPCs.

En un aspecto, esos y otros objetivos se consiguen mediante un procedimiento de conexión, de una carga altamente capacitiva a un bus de tensión de un sistema de distribución eléctrica a través de un SSPC, en el que se controla de modo activo la corriente del SSPC, manteniendo constante uno de sus parámetros durante la totalidad del tiempo de conexión tc de dicha carga altamente capacitiva o durante cada uno de un conjunto de tramos del mismo.

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En una realización preferente dicho parámetro es la magnitud de la corriente iSSPC, que se mantiene constante en un valor inferior o igual al valor máximo iMAX soportado por el SSPC, durante la totalidad del tiempo de conexión tc. Se consigue con ello reducir la corriente máxima.

En otra realización preferente dicho parámetro es la derivada K de la corriente iSSPC, que se mantiene constante durante la totalidad del tiempo de conexión tc, manteniéndose el valor absoluto de la corriente iSSPC inferior

o igual al valor máximo iMAX soportado por el SSPC. Se consigue con ello reducir el tiempo de conexión y, muy particularmente, reducir la potencia máxima disipada en los instantes iniciales.

En otra realización preferente, en un primer tramo ts dicho parámetro es la derivada K de la corriente iSSPC hasta llegar a un valor absoluto objetivo inferior o igual al valor máximo iMAX soportado por el SSPC; y en un segundo tramo tm dicho parámetro es la magnitud de la corriente ISSPC que se mantiene constante en dicho valor máximo iMAX. Preferiblemente dicho primer tramo ts está comprendido entre el 70-80% del tiempo de conexión tc y dicho segundo tramo tm está comprendido entre el 30-20% del tiempo de conexión tc. Se consigue con ello reducir el tiempo de conexión y la potencia disipada durante los instantes iniciales.

En otra realización preferente, en cada uno de los primeros tramos t1, …, tn-1 del tiempo de conexión tc dicho parámetro es una derivada K1, …, Kn-1 de la corriente iSSPC hasta llegar su valor absoluto al valor máximo iMAX soportado por el SSPC, y en el tramo final tn dicho parámetro es la magnitud de la corriente iSSPC que se mantiene constante en dicho valor máximo iMAX. Preferentemente, en cada uno de dichos tramos la corriente iSSPC está dentro de la curva de operación segura del semiconductor (SOA) . Se consigue con ello optimizar la trayectoria de la corriente en función de las limitaciones del SSPC, la pendiente de la corriente y la corriente máxima por el SSPC, de forma que se obtiene un máximo aprovechamiento del semiconductor y se limita su potencia máxima disipada.

En otro aspecto, los objetivos mencionados anteriormente se consiguen proporcionando un SSPC, que pueda ser utilizado en un sistema de distribución eléctrica entre un bus de tensión y una carga altamente capacitiva, que comprende un semiconductor (preferiblemente un MOSFET o un IGBT) , un driver, un microcontrolador, una fuente de alimentación interna, una unidad de medida de la corriente del SSPC, una unidad medida de la tensión de la carga y también unos circuitos de control de corriente conectados a dicho microcontrolador y a dicho driver, que permiten llevar a cabo cualquiera de dichos procedimientos de conexión de cargas altamente capacitivas. Esos circuitos de control permiten optimizar el diseño del SSPC, para mejorar sus tiempos de respuesta y disminuir la potencia requerida en el semiconductor durante los transitorios de conexión.

En una realización preferente dichos circuitos incluyen componentes apropiados para realizar el control activo de la corriente iSSPC por el SSPC, regulando la tensión vGS o vCE del condensador Cg colocado en la entrada de control del semiconductor.

Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán de la descripción detallada que sigue, a continuación, de una realización ilustrativa de su objeto, en relación con las figuras que le acompañan.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 muestra el diagrama durante la conexión de una carga capacitiva a un bus de tensión a través de un SSPC y la Figura 2 muestra gráficos temporales de la sobrecorriente y la tensión durante el transitorio de conexión de una carga altamente capacitiva.

La Figura 3 muestra la evolución...

1. Un procedimiento de conexión de una carga altamente capacitiva, (17) a un bus de tensión (13) de un sistema de distribución eléctrica, utilizando un controlador de potencia de estado sólido (SSPC) (15) caracterizado porque se controla de modo activo la corriente del SSPC (15) , manteniendo constante uno de sus parámetros durante la totalidad del tiempo de conexión (tc) de dicha carga altamente capacitiva (17) o durante cada uno de un conjunto de tramos del mismo.

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que la capacidad de dicha carga altamente capacitiva (17) es mayor de 150 microfaradios.

3. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2 , en el que dicho parámetro es la magnitud de la corriente (iSSPC) que se mantiene constante en un valor inferior o igual al valor máximo (iMAX) soportado por el SSPC (15) , durante la totalidad del tiempo de conexión (tc) .

4. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que dicho parámetro es la derivada (K) de la corriente (iSSPC) que se mantiene constante durante la totalidad del tiempo de conexión (tc) , manteniéndose el valor absoluto de la corriente (iSSPC) inferior o igual al valor máximo (iMAX) soportado por el SSPC (15) .

5. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que en un primer tramo (ts) dicho parámetro es la derivada (K) de la corriente (iSSPC) hasta llegar a un valor absoluto objetivo inferior o igual al valor máximo (iMAX) soportado por el SSPC (15) , y en un segundo tramo (tm) dicho parámetro es la magnitud de la corriente (ISSPC) que se mantiene constante en dicho valor objetivo.

6. Un procedimiento según la reivindicación 5, en el que dicho primer tramo (ts) está comprendido entre el 7080% del tiempo de conexión (tc) y dicho segundo tramo (tm) está comprendido entre e.

3. 20% del tiempo de conexión (tc) .

7. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1-2, en el que en cada uno de los primeros tramos (t1, …, tn-1) del tiempo de conexión (tc) dicho parámetro es una derivada (K1, …, Kn-1) de la corriente (ISSPC) hasta llegar a un valor absoluto objetivo, inferior o igual al valor máximo (iMAX) soportado por el SSPC (15) , y en el tramo final (tn) dicho parámetro es la magnitud de la corriente (iSSPC) que se mantiene constante en dicho valor objetivo.

8. Un procedimiento según la reivindicación 7, en el que en todos los citados tramos (t1, …, tn) la corriente (ISSPC) está dentro de la curva de operación segura del semiconductor (SOA) del SSPC (15) .

9. Un SSPC (15) utilizado en un sistema de distribución eléctrica entre un bus de tensión (13) y una carga altamente capacitiva (17) que comprende un semiconductor (21) , un driver (23) , un microcontrolador (33) , una fuente de alimentación interna (27) , una unidad de medida de la corriente del SSPC (29) , una unidad medida de la tensión de la carga (31) , caracterizado porque también comprende circuitos de control de corriente (25, 26) conectados a dicho microcontrolador (33) y a dicho driver (23) que permiten llevar a cabo un procedimiento de conexión de dicha carga capacitiva (17) según cualquiera de las reivindicaciones 1-8.

10. Un SSPC (15) según la reivindicación 9, en el que dichos circuitos de control de la corriente (25, 26) comprenden componentes apropiados para realizar el control activo de la corriente (iSSPC) por el SSPC (15) regulando la tensión (vGS o vCE) del condensador Cg colocado en la entrada de control del semiconductor (21) .

11. Un SSPC (15) según cualquiera de las reivindicaciones 9-10, en el que el semiconductor (21) es un MOSFET.

12. Un SSPC (15) según cualquiera de las reivindicaciones 9-10, en el que el semiconductor (21) es un IGBT.