MX2011000429A - Dispositivo de conversion de energia. - Google Patents

Abstract

Un dispositivo de conversión de energía (100) comprende un inversor (4) que convierte la energía de corriente directa en energía de corriente alterna y suministra la energía a una carga, un convertidor (3) que convierte la energía de corriente alterna de una fuente de alimentación de corriente alterna (1) en energía de corriente directa y que suministra la energía al inversor (4), un convertidor de tensión de corriente directa (7) que convierte, cuando la alimentación de energía de la fuente de energía de corriente alterna (1) es inusual, el valor de la tensión de la energía almacenada en la batería de almacenamiento (8), y que suministra la energía de corriente directa de la batería de almacenamiento 8 al inversor (4), y un filtro (5) que incluye un reactor y un capacitor, el cual elimina el armónico generado por el inversor (4). El inversor (4) comprende un circuito de tres niveles que es un circuito de múltiples niveles.

Description

DISPOSITIVO DE CONVERSION DE ENERGIA Campo de la Invención La presente invención se refiere a un ap ersión de energía que da salida a la energía AC nergía DC, tal como un sistema de alimentación d terrumpida, un sistema de generación de energía ema de generación de energía de celda de combust ema de almacenamiento de energía de batería secun Antecedentes de la Invención Un sistema de alimentación de energía inint sido ampliamente utilizado como un disposi entación de energía que suministra energía AC a rtante, tal como un sistema de computadora en ble . Por ejemplo, como se describe en la Patente rta al Público No. 2006-109603 (Documento de Pat rsor convierte la energía DC en energía AC y s nergía AC a la carga. Cuando falla la aliment gía AC comercial, la energía del disposi cenamiento de energía, tal como una batería se suministrada al inversor, el cual continúa nistro de la energía AC a la carga.

Documento de Patente 1 : Patente Japonesa Ab ico No. 2006-109603.

Breve Descripción de la Invención Problemas que Serán Resueltos por la Invenció El filtro anterior incluye un reacto citor. Cuando el armónico es grande, por eje tor que tiene una gran inductancia tiene izado. Por ejemplo, el número de vueltas de un ía ser incrementado con el objeto de increm ctancia del reactor, sin embargo, el volumen y e aparato de conversión de energía que te iguración adecuada para conseguir la reducción e peso más ligero.

Medios para Resolver los Problemas En resumen, la presente invención es dirig ato de conversión de energía que incluye u ositivo de conversión, una fuente de aliment gía DC y un filtro. El primer dispositivo de c uye un primer circuito de múltiples niveles igurado para ser capaz de realizar la conversión ión DC y la tensión AC que varía al menos en res de tensión, y convierte la energía DC en en el suministro a una carga. La fuente de aliment gía DC suministra energía DC al primer dispos ersión. El filtro incluye un reactor y un cap ina el armónico generado por el primer dispos gía AC para el suministro a una carga. El ositivo de conversión convierte la energía AC te de alimentación de energía DC en energía DC nistro al primer dispositivo de conversión. La f entación de energía DC suministra la energía DC ositivo de conversión. El filtro incluye un reac citor y elimina el armónico generado por e ositivo de conversión.

De acuerdo todavía con otro aspecto de la nción, un aparato de conversión de energía in er, segundo y tercer dispositivos de conversi ro. El primer dispositivo de conversión incluye uito de múltiples niveles que es configurado z de realizar la conversión entre la tensión ión AC que varía al menos entre tres valores de nvierte la energía DC en energía AC para el sumi uye un reactor y un capacitor y elimina el rado por el primer dispositivo de conversión.

Efectos de la Invención De acuerdo con la presente invención eguirse la reducción en tamaño y un peso más li ato de conversión de energía.

Breve Descripción de las Figuras La Figura 1 es un diagrama de bloque de cir tra la configuración de circuito principal de un limentación de energía ininterrumpida 100 de ac modalidad de la presente invención.

La Figura 2 es un diagrama de circuito que etalle la configuración de un convertidor 3 y un strados en la Figura 1.

La Figura 3 es un diagrama que ilustra en d iguración de un convertidor de tensión DC 7 mos strado en la Figura 2.

La Figura 8 es un diagrama que muestra la t a de un inversor de fase única y tres niveles mos igura 7.

La Figura 9 es un diagrama que muestra el a simulación de una corriente de reactor en un ej e un reactor de filtro proporcionado en el lado n inversor de dos niveles es establecido en rsor es cambiado a una frecuencia de 10 kHz.

La Figura 10 es un diagrama que muestra el a simulación de una corriente de reactor en un ej e un reactor de filtro proporcionado en el lado n inversor de dos niveles es establecido en el rsor es cambiado en una frecuencia de 10 kHz.

La Figura 11 es un diagrama que muestra el a simulación de una corriente de reactor en un ej La Figura 14 es un diagrama que muestra el a simulación de la fluctuación de un potencial inversor de dos niveles y la fluctuación de un erra de un inversor de tres niveles.

La Figura 15 es un diagrama que muestra el a simulación de la pérdida en el inversor de do el inversor de tres niveles.

La Figura 16 es un diagrama que ilustra la érdida en el inversor de dos niveles y en el in niveles.

La Figura 17 es un diagrama que mué iguración de un conmutador semiconductor inclui rsor convencional de tensión DC.

La Figura 18 es un diagrama que muestra un utación de los elementos IGBT Q1D-Q4D en la Figu ión aplicada en el reactor 22. ertidor tensión DC; 8 batería de almacenami Ositivo de control; 11, 11R, 11S# 11T, 15, 16, 19W capacitor; 12, 12R, 12S, 12T, 18, 18U, tor; 13, 42 bus positivo DC; 14, 43 bus negativ de punto neutral DC; 21 punto neutral O; 22, 22N, tor; 23, 44 conmutador semiconductor; 31, 36 s ión; 32, 37 sensor de corriente; 33 circuito de alla de energía; 100 sistema de alimentación de terrumpida; CA, CB, CC, CD capacitor; D1D-D4D, D6S, D1T-D6T, D1U-D6U, D1V-D6V, D1 -D6W, DA, DB o; Q1D-Q4D, Q1R-Q4R, Q1S-Q4S, Q1T-Q4T, Q1U-Q4U, Q4W, QA, QB, QC, QD elemento 1GBT; RL línea de f a de fase-S; SL línea de fase-S y TL línea de fas Los Mejores Modos para Realizar la Invención De aquí en adelante, será descrita una mod presente invención en detalle con referenci gía ininterrum ida 100 incluye un filtro de en convertidor 3, un inversor 4, un filtro de sali ertidor tensión DC (denotado como "DC/AC" en las n dispositivo de control 10, un bus positivo D negativo DC 14, los capacitores 15 y 16, un bus ral DC, los sensores de tensión 31 y 36, los sen iente 32 y 37, un circuito de detección de gía 33, una línea de fase-R RL, una línea de fas línea de fase-T TL.

El filtro de entrada 2 evita el escape icos hacia la alimentación de energía AC comerci entación de energía AC comercial 1 es una alimen gía AC de tres fases. El filtro de entrada uito de filtro LC de tres fases constituid citor 11 (los capacitores 11R, 11S y 11T) y un reactores 12R, 12S y 12T) . rsor 4 son conectados entre sí -a través de tivo DC 13, un bus negativo DC 14 y un bus ral DC 17.

Los capacitores 15 y 16 son conectados e el bus positivo DC 13 y el bus negativo izan la tensión a través del bus positivo DC 13 tivo DC 14. El bus de punto neutral DC 17 es un punto neutral 21 el cual es un punto de conex capacitores 15 y 16.

La energía AC del inversor 4 es suministra a 6 a través de un filtro de salida 5. El f da 5 elimina los armónicos generados por la oper rsor 4. El filtro de salida 5 es un circuito de res fases constituido de un reactor 18 (los 18V, 18 ) y un capacitor 19 (los capacitores 1 ema exterior de alimentación de energía inint en la presente modalidad, la batería de almacena ía estar contenida en el sistema de aliment gía ininterrumpida 100.

El sensor de tensión 31 detecta una tensión a de fase-R, una tensión VS de la línea de fase ión VT de la línea de fase-T, y da salida a las tensión de tres fases que indican las re iones VR, VS y VT hacia el dispositivo de control uito de detección de falla de energía 33. El s iente 32 detecta una corriente IR de la línea de corriente IS de la línea de fase-S y una corrien ínea de fase-T y da salida a las señales de cor fases que indican las respectivas tensiones IR, a el dispositivo de control 10.

El circuito de detección de falla de en ióri VB hacia el dispositivo de control 10. El s iente 37 detecta una corriente IB entrada a/desde la batería de almacenamiento 8 y da sali l que indica la corriente IB hacia el dispos rol 10.

El dispositivo de control 10 controlar la convertidor 3, el inversor 4 y el convertidor de 7. A través de la descripción detallada orcionada más adelante, cada uno del convertid rsor 4 y el convertidor de tensión DC 7 es implen és de un conmutador semiconductor que incluye un utador semiconductor. En la presente modali eado un IGBT (Transistor Bipolar de Compuerta el elemento conmutador semiconductor. Adem s enté modalidad, el control PWM (Modulación de isos) es aplicable como un método de control del A continuación, será descrita la opera ema de alimentación de energía ininterrumpida rdo con la presente modalidad. Mientras entación de energía AC comercial 1 puede alime a normal, la energía AC, el convertidor 3 conv gía AC que proviene de la alimentación de en rcial 1 en energía DC y el inversor 4 conv gía DC en energía AC y suministra la energía a 6. El convertidor de tensión DC 7 convierte l ue proviene del convertidor 3 en una tensión la carga de la batería de almacenamiento 8 , de atería de almacenamiento 8 sea cargada. Por ot do falla la alimentación de energía AC comer ositivo de control 10 detiene el convertidor 3 e a señal de falla de energía que proviene del ci cción de falla de energía 33. Además, el dispos La Figura 2 es un diagrama de circuito que etalle la configuración del convertidor 3 y el i rado en la Figura 1. Con referencia a la Figu ertidor 3 incluye un brazo de fase-R 3R, un -S 3S y un brazo de fase-T 3T. El inversor 4 in o de fase-U 4U, un brazo de fase-V 4V y un brazo .

El brazo de cada fase {3R, 3S, 3T) del conv brazo de cada fase (4U, 4V, 4 ) del invers ementados cada uno a través de un circuito íes, y cada uno de ellos incluye cuatro elemento diodos. De manera específica, el brazo de f uye los elementos IGBT Q1R-Q4R y los diodos D1R O de fase-S 3S incluye los elementos IGBT Q1S-Q os D1S-D6S , el brazo de fase-T 3T incluye los Q1T-Q4T y los diodos D1T-D6T. El brazo de f Qlx-Q4x son conectados en serie entre el bus pos el bus negativo DC 14. Los diodos Dlx-D4x son c orma anti-paralela con los elementos IGBT Qlx ra respectiva. El diodo D5x es conectado con un xión entre los elementos IGBT Qlx-Q2x y el punto El diodo D6x es conectado con un punto de conexi elementos IGBT Q3x y Q4x y el punto neutral rva que el diodo D5x tiene un cátodo conectad o de conexión entre los elementos IGBT Qlx y Q2x nodo conectado con el punto neutral 21. El d e un ánodo conectado con el punto de conexión e entos IGBT D3x y D4x y tiene un cátodo conectad o neutral 21. Los diodos Dlx-D4x funcionan como miento libre, y los diodos D5x y D6x funció os de fijación.

En el brazo de cada fase (3R, 3S, convertidor 3 es conectada con una línea corres ea de fase-R RL, línea de fase-S SL, línea de fas . terminal de salida AC del brazo de cada fase del inversor 4 es conectada con una línea corres ea de fase-U UL, línea de fase-V VL, línea de fas terminal de salida DC del brazo de cada f ertidor 3 y la terminal de entrada DC del brazo del inversor 4 son conectadas con el punto neutr La Figura 3 es un diagrama que ilustra en onfiguración del convertidor de tensión DC 7 mos igura 1. Con referencia a la Figura 3, el conve ión DC 7 incluye un reactor 22 y un c conductor 23. El conmutador semiconductor 23 inc entos IGBT Q1D-Q4D conectados en serie entre tivo DC 13 y el bus negativo DC 14 y los diodos etados en anti-paralelo con los elementos IGBT Como se describió con anterioridad, en el s entación de energía ininterrumpida 100 de acuerd enté modalidad, el convertidor 3 y el inverso ementados cada uno a través de un circuito les. En el aparato de conversión de energía conv el propósito de disminuir, o similares, el n entos de conmutador de semiconductor, un inv ementado, de manera general, a través del circui les. Mediante la implementación del inversor uito de tres niveles, los armónicos pueden ser s que en el aparato de conversión de energía conven La Figura 4 es un diagrama que muestra un ase única a través de un circuito de dos nive rencia a la Figura 4, un inversor 41 incluye un -U 4IU y un brazo de fase-V 4IV. El brazo de fas razo de fase-V 4 IV son conectados en paralelo riores reemplazado con la línea de fase-V VL.

Los capacitores CA y CB son conectados e el bus positivo DC 42 y el bus negativo DC 43. ral 0 es un punto de conexión entre los capacito Una tensión a través de los extremos opue citor CA y una tensión a través de los extremos capacitor CB son ambas E/2 {E es un valor prescri La Figura 5 es un circuito equivalente del ostrado en la Figura 4. Con referencia a la Figu O de fase-U 4IU es equivalente a un conmutador q onexión de la línea de fase-U UL entre el bus po el bus negativo DC 43. Considerando un ejemplo punto neutral O es conectado a tierra, c utador opera, una tensión Vu de la línea de f ía entre E/2 y -E/2. Una tensión Vv de la línea aria en forma similar a la tensión Vu. De esta m La Figura 7 es un diagrama de circuito eq brazo de fase-U 4U y el brazo de fase-V 4V del i rado en la Figura 2. Con referencia a la Figu o de fase-U 4U es equivalente a un conmutador qu onexión de la línea de fase-U UL entre el bus po el punto neutral 21 y el bus negativo DC 14. Cu rruptor opera, la tensión Vu de la línea de f ia entre E/2, 0 y -E/2. La tensión Vv de la -V VL también varía en forma similar con la teñ sta manera, el circuito de tres niveles es un z de realizar la conversión entre la tensión ión AC que tiene tres valores.

La Figura 8 es un diagrama que muestra una línea de un inversor de fase única de tres rado en la Figura 7. Con referencia a la Figu ión de línea (la diferencia entre la tensión ion de línea es más pequeña, la forma de onda p cercana a una onda sinusoidal. A medida que la de tensión es más cercana a la onda sinusoi nicos generados por la operación del inverso rse más pequeños. Por lo tanto, los armónico rse más pequeños a través del inversor de tres del inversor de dos niveles.

La Figura 9 es un diagrama que muestra el a simulación de una corriente de reactor en un ej e un reactor de filtro proporcionado en el lado n inversor de dos niveles es establecido en el rsor es cambiado en una frecuencia de 10 kHz . L s un diagrama que muestra el resultado de la s a corriente de reactor en un ejemplo en donde u iltro proporcionado en el lado de salida de un os niveles es establecido en el 10%, y el inv ifica componentes armónicos más pequeños. Las Fi muestran que la THD disminuye al increme ctancia de reactor. Si la inductancia de re ementada con el objeto de hacer más peque onentes armónicos, es necesario por ejemplo, in úmero de vueltas de una bobina, y se genera el incremento en el volumen y el peso del reactor.

La Figura 11 es un diagrama que muestra el a simulación de una corriente de reactor en un ej e un reactor dé filtro proporcionado en el lado n inversor de tres niveles es establecido en el rsor es cambiado a una frecuencia de 10 rencia a las Figuras 11 y 9, puede observars rsor de tres niveles puede suprimir los co nicos más que el inversor de dos niveles con la e los reactores de filtro sean idénticos en ind icos más que el inversor de dos niveles, sin c recuencia. Se observa que los espectros de frec Figuras 12 y 13 podrían ser obtenidos med lación. En la simulación, una entrada de tensión rsor fue establecida en 500 V, una carga de re res fases de 10 kW fue adoptada como una carg ión de salida (tensión de línea) fue establecid De esta manera, de acuerdo con la lidad, mediante la implementación de un inverso uito de tres niveles, los armónicos generados rsor pueden hacerse más pequeños. Puesto que un tiene una inductancia pequeña puede ser utilizad ra para el filtro, el reactor puede tener un v más pequeño. Por lo tanto, de acuerdo con la lidad, puede ser conseguida la reducción en tama inversor, la cantidad del ruido generado se i do a una gran capacitancia parásita de un circ do a que la variación de la tensión de salida s grande mediante la implementación del inversor rsor de dos niveles, la fluctuación de un pot ra también se vuelve más grande. Sin embargo enté modalidad, mediante la implementación del i un inversor de tres niveles, la variación de la alida del mismo puede hacerse más pequeña que en n inversor de dos niveles. Puesto que la fluctu otencial a tierra puede hacerse más pequeña ra, puede disminuirse la cantidad de ruido genera La Figura 14 es un diagrama que muestra el a simulación de la fluctuación de un potencial inversor de dos niveles y la fluctuación de un erra del inversor de tres niveles. En la simulac nversor 4 se refiere, de manera específica, a l onducción (la pérdida en cada uno del elemento I o cuando son alimentados con energía) y la pé io en el elemento IGBT.

La Figura 15 es un diagrama que muestra el a simulación de la pérdida en el inversor de dos inversor de tres niveles. La Figura 16 es un ilustra la falla de la pérdida en el inverso íes y el inversor de tres niveles. En esta sin tensión de entrada DC fue establecida en 600 uencia de cambio fue establecida en 10 kHz, una alida AC (tensión de línea) fue establecida en magnitud de la carga fue establecida en 275 rva que el elemento IGBT incluido en el inverso les es un producto de 1200V-600A y el eleme uido en el inversor de tres niveles es un pro 1 inversor de tres niveles si se compara con el os niveles .

Como se muestra en la Figura 16, en el inv niveles, la pérdida de cambio ocupa la mayoría érdida total . El inversor de tres niveles puede disminución significante en la pérdida de cambio o, en el inversor de tres niveles, aunque se i érdida de conducción si se compara con el invers les, la pérdida total puede ser más pequeña q rsor de dos niveles. Mediante la disminució ida en el inversor, la eficiencia de opera ato de conversión de energía puede ser mejorada.

En la presente modalidad, debido a ertidor 3 también es implementado por un circuit íes, el mismo efecto que en el inversor 4 tambi conseguido a través del convertidor 3. De ás de estos efectos, debido a que los componente en ser utilizados en el convertidor 3 y en el in e ser reducido el costo del aparato de conve gía.

Además, el convertidor de tensión DC 7 ha t ra convencional, una configuración en la entos IGBT QC y QD son conectados en serie tra en un conmutador semiconductor 44 en la Fi se muestra en la Figura 3, en la presente modal onentes de ondulación residual en una corriente ravés del reactor 22 son disminuidos medi ementación de un conmutador semiconductor al co e cuatro elementos IGBT. En el caso de la conf a Figura 17, cuando el elemento IGBT QC se ndido y el elemento IGBT QD se encuentra apag ión de (E-VB) es aplicada en el reactor 45, y c plos, existe un ejemplo cuando sólo los elemen y Q3D son encendidos o un ejemplo en donde entos IGBT Q2D y Q4D son encendidos, y en este ión de E/2-VB es aplicada en el reactor 22.

La Figura 18 muestra un patrón de cambi entos IGBT Q1D-Q4D y una tensión aplicada en el Puede observarse a partir de la Figura 18 que un puede ser aplicada en el reactor 22 a tr ertidor de tensión DC 7 también tiene tres niv rdo con la configuración en la Figura 3, la dife ión del reactor producida por el cambio p blecida en E/2 y los componentes de fluctuació iente que fluye a través del reactor 22 pu inuidos de esta manera, la inductancia del re e ser disminuida y el reactor 22 puede ser red ño, y por lo tanto, la reducción en tamaño y el o niveles para realizar la conversión entre una una tensión AC que tiene al menos cinco va ión puede ser aplicado en un inversor, o similare Adem s, en la presente modalidad, un si entación de energía ininterrumpida aplicabl entación de energía AC de sistemas de tres condu fases y carga ha sido mostrado, sin embargo, la nción también es aplicable en una alimentación d e sistema de cuatro conductores y tres fases y C aso del sistema de cuatro conductores y tres fas uestra en la Figura 19, solo es necesario cone os neutrales de los respectivos capacitores 11 unto neutral 21. Además, la alimentación de ener arga AC no son limitadas a estas tres fases entación de energía de fase única o carga po tada. En este caso, dos circuitos de múltiples jemplo en donde el aparato de conversión de en rdo con la presente invención es aplicado en un limentación de energía ininterrumpida que in ría de almacenamiento, sin embargo, un fil igue un tamaño más pequeño y un peso más li uye un circuito de múltiples niveles, así como igue la supresión de la fluctuación de un pot ra, puede ser aplicado en un aparato de conve gía que da salida a una energía AC basada en la tal como un sistema de generación de energía s ema de generación de energía de celda de combust ema de almacenamiento de energía de batería secun Debe entenderse que las modalidades descrit enté son ilustrativas y no restrictivas e etos. El alcance de la presente invención es def términos de las reivindicaciones, más que

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como ante ama como propiedad lo contenido en las si indicaciones : 1. Un aparato de conversión de cterizado porque comprende: un primer dispositivo de conversión que in er circuito de múltiples niveles que es configur capaz de realizar la conversión entre la tensión ion AC que varía al menos entre tres valores de convierte la energía DC en energía AC para el s a carga; una fuente de alimentación de energía nistra una energía DC al primer disposi ersión; y ??? que convierte la energía DC en energía AC nistro a una carga; un segundo dispositivo de conversión que nergía AC de un suministro de energía AC en en el suministro al primer dispositivo de conversió la fuente de alimentación de energía nistrar la energía DC al primer disposi ersion; y un filtro que incluye un reactor y un capac ina el armónico generado por el primer dispos ersión . 3. Un aparato de conversión de cterizado porque comprende: un primer dispositivo de conversión que in er circuito de múltiples niveles que es configu capaz de realizar la conversión entre la tensión dispositivo de almacenamiento de energía a ositivo de conversión cuando el suministro de e és del suministro de energía AC esté fallando; y un filtro que incluye un reactor y un capa ina el armónico generado por el primer dispos ersión. 4. El aparato de conversión de ene ormidad con la reivindicación 2 ó 3, caracterizad el segundo dispositivo de conversión in ndo circuito de múltiples niveles idén iguración al primer circuito de múltiples niveles 5. El aparato de conversión de ene ormidad con la reivindicación 3, caracterizado po el tercer dispositivo de conversión in er circuito de múltiples niveles que es configu capaz de realizar la conversión entre una tens Ositivo de conversión al primer disposi ersión, y el primer y segundo capacitores son conec e entre el bus positivo DC y el bus negativo DC, el primer circuito de múltiples niveles incl del primer al cuarto elementos de conmu conductor conectados en serie entre el bus posit US negativo DC, del primer al cuarto diodos de rodamien ctados en anti -paralelo con el primer al cuarto onmutador de semiconductor, de manera respectiva, Un primer diodo de fijación conectado entre ral del primer y segundo capacitores y un xión entre el primer y segundo elementos de conm conductor, y un segundo diodo de fijación conectado