MX2011000398A

MX2011000398A - Dispositivo de conversion de energia.

Info

Publication number: MX2011000398A
Application number: MX2011000398A
Authority: MX
Inventors: Eduardo Kazuhide Sato; Masahiro Kinoshita; Yushin Yamamoto; Tatsuaki Amboh; Yasuhiro Yabunishi
Original assignee: Poration Toshiba Mitsubishi Electric Ind Systems Cor
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2011-03-01
Also published as: JPWO2010013323A1; JP5254337B2; US8411472B2; CN102106072B; KR101226315B1; CN102106072A; CA2732352C; WO2010013323A1; US20110103106A1; CA2732352A1; KR20110022076A

Abstract

En un dispositivo de conversión de energía, los reactores (5-7) de un filtro de entrada AC (1) para la absorción de la tensión de frecuencia portadora de un convertidor PWM (8), y los reactores (16-18) de un filtro de salida AC (15) para la absorción de la tensión de frecuencia portadora de un inversor PWM (12) son configurados con un reactor de núcleo único de hierro de seis patas y seis fases (30). En consecuencia, el dispositivo puede ser reducido en tamaño si se compara cuando los reactores (5-7, 16-18) son configurados con un par de reactores de núcleo de hierro de cuatro patas y seis fases (54).

Description

DISPOSITIVO DE CONVERSION DE ENERGIA Campo de la Invención La presente invención se refiere a un dispositivo de conversión de energía, y en particular, a un dispositivo . de conversión de energía que incluye un convertidor de Modulación de Ancho de Impulsos (PWM) y un inversor PWM.

Antecedentes de la Invención De manera convencional, ha sido puesto en uso práctico un dispositivo de conversión de energía que convierte la tensión de corriente alternante (AC) de tires fases de una fuente de · energía AC de tres fases en una tensión de corriente directa (DC) a través de un convertidor PWM, que convierte la tensión DC en una tensión AC de tres fases a través de un inversor PWM, y que suministra la tensión DC de tres fases hacia un circuito de carga. En el dispositivo de conversión de energía, con el objeto de evitar que fluya la tensión en una frecuencia portadora generada mediante la conmutación de los transistores en el convertidor PWM hacia la fuente de energía AC de tres fases, es proporcionado un filtro de entrada AC entre la fuente de energía AC de tres fases y el convertidor PWM. El filtro de entrada AC incluye tres reactores y tres capacitores.

Además, con el objeto de evitar que fluya la tensión en la frecuencia portadora generada por los transistores de REF. 216313 conmutación en el inversor PWM hacia el circuito de carga, es proporcionado un filtro de salida AC entre el inversor PWM y el circuito de carga. El filtro de salida AC incluye tres reactores y tres capacitores (por ejemplo, véase la Patente Japonesa Abierta al Público No. 9-294381) ( (Documento de Patente 1) ) .

Documento de Patente 1 : Patente Japonesa Abierta al Público No. 9-294381.

Breve Descripción de la Invención Problemas que Serán Resueltos por la Invención Cuando la suma de las corrientes AC de tres fases es cero, la suma de los flujos magnéticos debido a las corrientes AC de tres fases también es cero, y de esta manera, los tres reactores de cada uno del filtro de entrada AC y el filtro de salida AC pueden estar compuestos de un reactor de núcleo de hierro de tres patas y tres fases que tiene tres patas principales. Sin embargo, cuando la suma de las corrientes AC de tres fases no es cero, y cuando es generado el flujo magnético debido a la corriente de la suma de las corrientes AC de tres fases (referida como la corriente de fase cero) , los flujos magnéticos dentro de las patas principales del reactor de núcleo de hierro de tres patas y tres fases son saturados (véase la Figura 3) .

Con el objeto de evitar que sean saturados los flujos magnéticos dentro de las patas principales por el flujo magnético debido a la corriente de fase cero, un reactor de núcleo de hierro de cuatro patas y cuatro fases que tiene tres patas principales y una pata de vía de retorno puede ser utilizado (véase la Figura 4) . Sin embargo, la utilización de reactores de núcleo de hierro de tres patas y dos fases origina dimensiones más grandes en el dispositivo.

Por lo tanto, un objetivo principal de la presente invención es proporcionar un dispositivo de conversión de energía de tamaño pequeño.

Medios para Resolver los Problemas Un dispositivo de conversión de energía de acuerdo con la presente invención incluye un convertidor PWM que convierte la primera tensión AC de tres fases en una tensión DC, un inversor PWM que convierte la tensión DC en una segunda tensión AC de tres fases, un filtro de entrada AC que transmite la primera tensión AC de tres fases y bloquea la tensión en una frecuencia portadora generada en el convertidor PWM, y un filtro de salida AC que transmite la segunda tensión AC de tres fases y bloquea la tensión en la frecuencia portadora generada en el inversor PWM. El filtro de entrada AC incluye del primer al tercer reactores que tienen unas terminales que reciben la primera tensión AC de tres fases y otras terminales conectadas con el convertidor PWM, y del primer al tercer capacitores que tienen unos electrodos conectados con unas de las terminales del primer al tercer reactores, de manera respectiva. El filtro de salida AC incluye del cuarto al sexto reactores que tienen unas terminales que reciben la segunda tensión AC de tres fases y otras terminales conectadas con un circuito de carga, y del cuarto a sexto capacitores que tienen unos electrodos conectados con las otras terminales del cuarto al sexto reactores, de manera respectiva. Otros electrodos del primer al sexto capacitores son conectados en común. Del primer al sexto reactores están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases o un reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases.

Efectos de la Invención En el dispositivo de conversión de energía de acuerdo con la presente invención, del primer al tercer reactores del filtro de entrada AC y del cuarto al sexto reactores del filtro de salida AC, están compuestos dé un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases o un reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases. En consecuencia, el dispositivo puede ser reducido en tamaño cuando se compara con el caso de la utilización de reactores de núcleo de hierro de cuatro patas y tres fases.

Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 es un diagrama de bloque de circuito que muestra la configuración de un dispositivo de conversión de energía de acuerdo con una modalidad de la presente invención .

La Figura 2 es una vista que muestra la configuración de un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases utilizado en el dispositivo de conversión de energía mostrado en la Figura 1.

La Figura 3 es una vista que explica el efecto de la modalidad .

La Figura 4 es otra vista que explica el efecto de la modalidad.

La Figura 5 es una vista que muestra la operación del reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases mostrado en la Figura 2.

La Figura 6 es un diagrama de bloque de circuito que muestra una modificación de la modalidad.

La Figura 7 es una vista que muestra la operación de un reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases mostrado en la Figura 6.

La Figura 8 es un diagrama de bloque de circuito que muestra otra modificación de la modalidad.

La Figura 9 es un diagrama de bloque de circuito que muestra todavía otra modificación de la modalidad.

Descripción Detallada de la Invención 1: filtro de entrada AC; 2-4, 11, 19-21, 62, 63: capacitor; 5-7, 16-18: reactor; 8: convertidor PWM; 9, 14: diodo; 10, 13: transistor; 12: inversor PWM; 15: filtro de salida AC; 22: fuente de energía AC de tres fases; 23: circuito de carga; 30: reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases; 31-36, 51-53: pata principal; 37, 38: horquilla; 41-46: alambre enrollado; 50: reactor de núcleo de hierro de tres patas y tres fases; 54: reactor de núcleo de hierro de cuatro patas y tres fases; 55, 61: pata de vía de retorno; 60: reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases; 65: fuente de energía DC; una terminal: al, bl , el, all, bll, cll; la otra terminal: a2 , b2, c2, a22, b22, c22, T1-T3: terminal de entrada, T4-T6: terminal de salida.

Los Mejores Modos para Realizar la Invención La Figura 1 es un diagrama de bloque de circuito que muestra una configuración de un dispositivo de conversión de energía de acuerdo con una modalidad de la presente invención. En la Figura 1, el dispositivo de conversión de energía incluye las terminales de entrada T1-T3, un filtro de entrada AC 1, un convertidor P M 8, un capacitor 11, un inversor PWM 12, un filtro de salida AC 15 y las terminales de salida T4-T6. Las terminales de entrada T1-T3 reciben una tensión AC de tres fases de una fuente de energía AC de tres fases 22.

Un filtro de entrada AC 1 incluye los capacitores 2-4 y los reactores 5-7. Los capacitores 2-4 tienen unos electrodos conectados con las terminales de entrada T1-T3, de manera respectiva y otros electrodos conectados entre sí. Los reactores 5-7 tienen unas terminales al-cl conectadas con tres terminales de entrada del convertidor PWM 8 y otras terminales a2-c2 conectadas con las terminales de entrada Tl-T3 , de manera respectiva.

Un filtro de entrada AC 1 es un filtro de paso bajo que permite que pase una señal en una frecuencia de la tensión AC de tres fases (por ejemplo, de 60 Hz) a través del mismo, y que bloquea una señal en una frecuencia portadora generada en un convertidor PWM 8 (por ejemplo, de 10 kHz) . Por lo tanto, la tensión AC de tres fases es transmitida a partir de la fuente de energía AC de tres fases 22 a un convertidor PWM 8 por medio del filtro de entrada AC 1, y la tensión en una frecuencia portadora generada en el convertidor PWM 8 es bloqueada por el filtro de entrada AC 1. Con lo cual, se evita que la fuente de energía AC de tres fases 22 sea afectada por la tensión en la frecuencia portadora generada en el convertidor PWM 8.

El convertidor PWM 8 es un convertidor bien conocido que incluye una pluralidad de conjuntos de diodos 9 y transistores 10, y convierte la tensión AC de tres fases suministrada a partir de la fuente de energía AC de tres fases 22 por medio del filtro de entrada AC 1 en una tensión DC. Cada uno de la pluralidad de transistores 10 en el convertidor PWM 8 es un PWM controlado en la frecuencia portadora, y mantiene constante la tensión de salida DC mientras que mantiene una corriente de entrada sinusoidal y mantiene un factor de potencia de entrada en 1. La tensión en la frecuencia portadora descrita con anterioridad es generada en las tres terminales de entrada del convertidor PWM 8 de acuerdo con la conmutación de la pluralidad de transistores 10. El capacitor 11 es conectado entre un par de terminales de salida del convertidor PWM 8, y es cargado a una tensión DC constante a través del convertidor PWM 8.

El inversor PWM 12 es un inversor bien conocido que incluye una pluralidad de conjuntos de transistores 13 y diodos 14, y convierte la tensión DC generada por el convertidor PWM 8 en una tensión AC de tres fases. Cada uno de la pluralidad de transistores 13 en el inversor PWM 12 es un PWM controlado en una frecuencia portadora (por ejemplo, 10 kHz) más alta que la frecuencia de la tensión AC de tres fases (por ejemplo, 60 Hz) , y mantiene la tensión de salida para que sea una tensión sinusoidal constante. Asimismo, en el inversor PWM 12, la tensión en la frecuencia portadora es generada en tres terminales de salida del inversor PWM 12 de acuerdo con la conmutación de la pluralidad de transistores 13.

El filtro de salida AC 15 incluye los reactores 16-18 y los capacitores 19-21. Los reactores 16-18 tienen unas terminales all-cll conectadas con las tres terminales de salida del inversor PWM 12, y las otras terminales a22-c22 conectadas con las terminales de salida T4-T6, de manera respectiva. Las terminales de salida T4-T6 son conectadas con un circuito de carga (por ejemplo, un motor AC de tres fases) 23. Los capacitores 19-21 tienen unos electrodos conectados con las terminales de salida T4-T6, de manera respectiva, y los otros electrodos conectados entre sí y además conectados con los otros electrodos de los capacitores 2-4.

El filtro de salida AC 15 es un filtro de paso bajo que permite que una señal en la frecuencia de la tensión AC de tres fases pase a través del mismo, y bloquee a una señal en la frecuencia portadora generada en el inversor P 12. Por lo tanto, la tensión AC de tres fases es transmitida del inversor PWM 12 al circuito de carga 23 por medio del filtro de salida AC 15, y la tensión en la frecuencia portadora generada en el inversor PWM 12 es bloqueada por el filtro de salida AC 15. Con lo cual, se evita que el circuito de carga 23 sea afectado por la tensión en la frecuencia portadora generada en el inversor PWM 12.

El dispositivo de conversión de energía es caracterizado porque los reactores 5-7 en el filtro de entrada AC 1 y los reactores 16-18 en el filtro de salida AC 15 están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases. Como se muestra en la Figura 2, un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases 30 incluye seis patas principales 31-36, dos horquillas 37, 38 y seis alambres enrollados 41-46.

Las patas principales 31-36 son colocadas en paralelo en un intervalo predeterminado. Las porciones de extremo superior de las patas principales 31-36 son acopladas, en forma magnética, por medio de la horquilla 37, y las porciones de extremo inferior de las mismas son acopladas, en forma magnética, por medio de la horquilla 38. Los alambres enrollados 41-46 son enrollados alrededor de las patas principales 31-36, de manera respectiva, en una dirección idéntica. Unas terminales al, bl, all, bll, cll de los reactores 5-7, 16-18 son conectadas con las terminales del lado de inicio de arrollamiento de los alambres enrollados 41-46, de manera respectiva. Además, las otras terminales a2 , b2, c2 , a22, b22, c22 de los reactores 5-7, 16-18 son conectadas con las terminales del lado de finalización de arrollamiento de los alambres enrollados 41-46, de manera respectiva.

En forma ideal, en cada uno del lado de entrada y lado de salida de un dispositivo de conversión de energía con la configuración que se muestra en la Figura 1, la suma de los vectores de las corrientes de tres fases es cero. Sin embargo, en realidad la suma no es cero, y una corriente circulante (corriente de fase cero) fluye a través de un circuito compuesto de un filtro de entrada AC 1, un filtro de salida AC 15, un inversor PWM 12 y un convertidor PWM 8.

Si los reactores 5-7 están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de tres patas y tres fases 50 como se muestra en la Figura 3, cuando las corrientes de tres fases IR, IS, IT fluyen a través de los reactores 5-7, los flujos magnéticos de tres fases <j)R, fd, f? son generados en las tres patas principales 51-53, de manera respectiva, y el flujo magnético f? debido a la corriente de fase cero es generado en cada una de las patas principales 51-53. Por lo tanto, la suma de los flujos magnéticos en las patas principales 51-53 no es cero, y los flujos magnéticos son saturados dentro de las patas principales 51-53. La saturación de los flujos magnéticos conduce al deterioro en las características de los reactores 5-7 y al deterioro en las características del filtro de entrada AC 1. El mismo problema ocurre cuando los reactores 16-18 están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de tres patas y tres fases.

Si los reactores 5-7 están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de cuatro patas y tres fases 54 como se muestra en la Figura 4, incluso si es generado el flujo magnético f? debido a la corriente de fase cero, un circuito que permite que el flujo magnético f? pase a través del mismo está compuesto de las patas principales 51-53 y una pata de vía de retorno 55, y de esta manera, los flujos magnéticos no son saturados dentro de las patas principales 51-53. Sin embargo, cuando los reactores 5-7, 16-18 están compuestos de reactores de núcleo de hierro de cuatro patas y tres fases 54, se genera un problema en el que son incrementadas las dimensiones del dispositivo.

En contraste, en la presente invención, los reactores 5-7, 16-18 están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases 30. Por lo tanto, incluso si las corrientes de tres fases IR , IS , IT fluyen a través de los reactores 5-7 para generar los flujos magnéticos de tres fases <j)R , 0S, ft en las tres patas principales 31-33, de manera respectiva, y es generado el flujo magnético f? debido a la corriente de fase cero en las patas principales 31-33 como se muestra en la Figura 5(a), un circuito que permite que el flujo magnético f? pase a través del mismo está compuesto de las patas principales 31-33 y las patas principales 34-36, y de esta manera, los flujos magnéticos no son saturados dentro de las patas principales 31-33.

Además, incluso si las corrientes de tres fases IU , IV , IW fluyen a través de los reactores 16-18 para generar los flujos magnéticos de tres fases f? , f? , f?? en las tres patas principales 34-36, de manera respectiva, y es generado el flujo magnético f? debido a la corriente de fase cero en las patas principales 34-36 como se muestra en la Figura 5(b), un circuito que permite que el flujo magnético f? pase a través del mismo está compuesto de las patas principales 34-36 y las patas principales 31-33, y de esta manera, los flujos magnéticos no son saturados dentro de las patas principales 51-53.

Además, cuando las corrientes de tres fases IR, IS, IT fluyen a través de los reactores 5-7 y las corrientes de tres fases IU, IV, IW fluyen a través de los reactores 16-18, y la corriente circulante mostrada en la Figura 1 fluye como se muestra en la Figura 5(c), el flujo magnético f? es generado en las patas principales 31-33, así como también, en las patas principales 34-36 debido a la corriente circulante. En este caso, debido a que tanto el flujo magnético f? generado en las patas principales 31-33 y el flujo magnético f? generado en las patas principales 34-36 son flujos magnéticos debido a la corriente circulante, éstos tienen la misma magnitud en direcciones opuestas y se cancelan entre sí. Por lo tanto, los flujos magnéticos no son saturados dentro de las patas principales 31-36. Además, debido a que ninguna pata de vía de retorno es requerida, pueden conseguirse dimensiones más pequeñas del dispositivo cuando se compara con el caso de la utilización de reactores de núcleo de hierro de cuatro patas y tres fases 54 mostrados en la Figura 4.

La Figura 6 es una vista que muestra la modificación de la presente modalidad, que es comparada con la Figura 2. En la Figura 6, en la modificación, los reactores 5-7, 16-18 están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases 60. El reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases 60 es configurado mediante la adición de una pata de vía de retorno 61 en un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases 30 mostrado en la Figura 2. Una porción de extremo superior de la pata de vía de retorno 61 es acoplada, en forma magnética con las porciones de extremo superior de las patas principales 31-36 mediante la horquilla 37, y la porción de extremo inferior de la pata de vía de retorno 61 es acoplada en forma magnética con las porciones de extremo inferior de las patas principales 31-36 mediante la horquilla 38. Aunque la pata de vía de retorno 61 es colocada entre las patas principales 31-33 y las patas principales 34-36 en la Figura 7, esta podría ser colocada en otra posición.

En la modificación, incluso si la suma II de las corrientes que fluyen a través de los seis reactores 5-7, 16-18 no es cero, al permitir que un flujo magnético f? debido a la corriente II pase a través de la pata de vía de retorno 61 como se muestra en la Figura 7, puede ser formado un circuito para el flujo magnético f?, y puede evitarse que los flujos magnéticos dentro de las patas principales 31-36 estén siendo saturadas por el flujo magnético f? . Además, debido a que sólo es requerida una pata de vía de retorno 61, pueden ser conseguidas dimensiones más pequeñas del dispositivo cuando se compara con el caso de utilización de los dos reactores de núcleo de hierro de cuatro patas y tres fases 54 mostrados en la Figura 4.

La Figura 8 es un diagrama de bloque de circuito que muestra la modificación de la presente modalidad, la cual es comparada con la Figura 1. En la Figura 8, la modificación es diferente del dispositivo de conversión de energía de la Figura 1 porque el capacitor 11 es reemplazado por los capacitores 62, 63. Los capacitores 62, 63 son conectados en serie entre un par de terminales de salida del convertidor P M 8, y son cargados con la tensión DC . Un nodo entre los capacitores 62, 63 es conectado con los otros electrodos de los capacitores 2-4, 19-21. Los reactores 5-7, 16-18 están compuestos del reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases 60. También en la modificación, puede conseguirse un efecto idéntico al de la modalidad.

La Figura 9 es un diagrama de bloque de circuito que muestra todavía otra modificación de la presente modalidad. En la Figura 9, la modificación es un sistema de conversión de energía configurado mediante la conexión de una pluralidad de (dos en la Figura 9) dispositivos de conversión de energía de la Figura 1 en paralelo. En la Figura 9, las terminales de entrada T1-T3, los filtros de entrada AC 1, los convertidores PWM 8 y los capacitores 11 de la pluralidad de dispositivos de conversión de energía conectados en paralelo son representados como la fuente de energía DC 65. En este sistema de conversión de energía, las corrientes de salida de la pluralidad de dispositivos de conversión de energía no son necesariamente idénticas, y una corriente llamada una corriente cruzada, fluye de un dispositivo de conversión de energía a otro dispositivo de conversión de energía como se muestra en la Figura 9. La corriente cruzada también fluye a través de los reactores 5-7, 16-18 de cada dispositivo de conversión de energía.

En el sistema de conversión de energía, los reactores 5-7, 16-18 de cada dispositivo de conversión de energía están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases 60. Al permitir que el flujo magnético f? debido a la corriente cruzada pase a través de la pata de vía de retorno 61 como se muestra en la Figura 7, puede ser formado un circuito para el flujo magnético f? . Y puede evitarse que los flujos magnéticos dentro de las patas principales 31-36 estén siendo saturados por el flujo magnético f? .

Debe entenderse que la modalidad descrita en la presente es ilustrativa y no restrictiva en todo aspecto. El alcance de la presente invención es definido por el alcance de las reivindicaciones, más que por la descripción anterior, y se pretende que incluya cualquiera de las modificaciones dentro del alcance y significado equivalente al alcance de las reivindicaciones.

Se hace constar que con relación a esta fecha mejor método conocido por la solicitante para llevar a práctica la citada invención, es el que resulta claro de presente descripción de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones :

1. Un dispositivo de conversión de energía, caracterizado porque comprende: un convertidor PWM que convierte una primera tensión AC de tres fases en una tensión DC, un inversor PWM que convierte la tensión DC en una segunda tensión AC de tres fases; un filtro de entrada AC que transmite la primera tensión AC de tres fases y bloquear la tensión en la frecuencia portadora generada en el convertidor PWM; y un filtro de salida AC que transmite la segunda tensión AC de tres fases y bloquea la tensión en la frecuencia portadora generada en el inversor PWM, el filtro de entrada AC incluye del primer al tercer reactores que tienen unas terminales que reciben la primera tensión AC de tres fases y las otras terminales conectadas con el convertidor PWM, y del primer al tercer capacitor que tienen unos electrodos conectados con unas terminales del primer al tercer reactores, de manera respectiva, un filtro de salida AC que incluye del cuarto al sexto reactores que tienen unas terminales que reciben la segunda tensión AC de tres fases y otras terminales conectadas con un circuito de carga, y del cuarto al sexto capacitores que tienen unos electrodos conectados con las otras terminales del cuarto al sexto reactores, de manera respectiva otros electrodos del primer al sexto capacitores que son conectados en común, del primer al sexto reactores están compuestos de un reactor de núcleo de hierro de seis patas y seis fases o un reactor de núcleo de hierro de siete patas y seis fases.

2. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un séptimo capacitor conectado entre un par de terminales de salida del convertidor PWM y cargado con tensión DC.

3. El dispositivo de conversión de energía de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende el séptimo y octavo capacitores conectados en serie entre un par de terminales de salida del convertidor PWM y cargados con tensión DC, en donde los otros electrodos del primer al sexto capacitores son conectados con un nodo entre el séptimo y octavo capacitores.