ES2347332T3 - Dispositivo de rectificacion sincrona y maquina electrica sincrona que lo emplea. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (10) de rectificación síncrona del tipo puente en H que alimenta a una bobina (5) de una fase de una máquina síncrona del tipo de reluctancia variable para trabajar en modo motor y en modo generador, que comprende cuatro interruptores (21, 31, 22, 32) dispuestos en las conexiones eléctricas (11, 12) de este puente en H y destinados a ser controlados por un circuito electrónico (40), caracterizado por el hecho de que cada interruptor comprende al menos un transistor (T1) controlado o no por diodo por el circuito electrónico (40) según que la intensidad I de la corriente que atraviesa a la bobina sobrepasa o no un umbral S predeterminado.
Description
Dispositivo de rectificación síncrona y máquina
eléctrica síncrona que lo emplea.
La invención se refiere a un dispositivo de
rectificación síncrona del tipo puente en H que alimenta a una
máquina eléctrica síncrona.
La invención también se refiere a una máquina
eléctrica síncrona polifásica prevista para trabajar en modo motor y
en modo generador, por ejemplo un alterno-motor de
arranque de vehículo automóvil.
Una máquina eléctrica síncrona polifásica, por
ejemplo un motor de reluctancia variable, comprende (ver en figura
1) un rotor 1, un imán permanente o equivalente, solidario de un eje
2 controlado en rotación angular, y un estator 3 que tiene una
pluralidad de polos salientes 4 opuestos dos a dos y
correspondientes a las fases de la máquina. La estructura
ferromagnética del estator comprende unos devanados 5 alimentados
con corriente eléctrica para inducir un campo magnético que orienta
el rotor.
La alimentación en corriente eléctrica de los
devanados, generalmente una batería 20, cuya salida está filtrada
por un filtro 30 delimitado por una línea cerrada discontinua que
comprende una inductancia 350 y un condensador 360, está controlada
separadamente en cada bobina gracias a un dispositivo de
rectificación síncrona que comprende un puente en H 10 situado entre
la batería y la masa de tal manera que cree un campo giratorio que
acciona el rotor a la misma velocidad llamada de sincronismo.
El puente en H 10 delimitado por una línea
cerrada discontinua comprende dos conexiones eléctricas paralelas 11
y 12 que forman las ramas verticales de una H, comprendiendo cada
conexión 11, 12 dos interruptores electrónicos 21, 31 y 22, 32,
separados por un punto medio 13 o 14, estando conectados los puntos
medios 13 y 14 de estas conexiones entre sí por la bobina 5 de una
fase de la máquina.
En una forma de realización común del puente en
H, generalmente considerada por su simplicidad, los interruptores
pueden ser transistores 23, 34, y diodos 33, 24, como en el ejemplo
de la figura 1, estando los diodos y los transistores situados en
diagonal.
Los transistores 23 y 34 son controlados por un
circuito electrónico 40 para autorizar el paso de la corriente en la
bobina 5 mientras que los diodos 33 y 24 actúan como interruptores
espontáneos y permiten absorber la energía almacenada en dicha
bobina. Este tipo de funcionamiento se llama asíncrono.
Sin embargo, los diodos, que presentan
corrientes de fuga elevadas, inducen una pérdida de energía no
despreciable, incluso en la parada, y el rendimiento global de la
máquina puede resultar limitado hasta 85%.
Además, los interruptores se determinan
previamente para ser siempre controlados o ser siempre
"espontáneos", y las pérdidas de energía en el puente en H
resultan desequilibradas, lo cual perjudica la fiabilidad de la
máquina.
Un alterno-motor de arranque
está por ejemplo constituido por una máquina síncrona de reluctancia
variable que comprende un puente en H y que puede trabajar en modos
generador y motor, según las ordenes síncronas y asíncronas que se
imponen sucesivamente a los interruptores 21, 22, 31, 32.
Controlado como generador, transforma una parte
de la energía mecánica disponible en el árbol motor en energía
eléctrica para alimentar la instalación eléctrica del vehículo y
recargar la batería a través de los diodos, es decir en modo
asíncrono.
Controlado como motor, transforma la energía
eléctrica disponible en la batería, en energía mecánica o bien para
arrancar el motor térmico del vehículo, en cuyo caso garantiza la
función motor de arranque, o bien para ayudarlo en frío, o bien para
ejecutar la función llamada "stop and go" de paradas y de
arranques frecuentes, en especial en ciudad.
En este último caso, son sobre todo los
transistores, controlados en modo síncrono, que transmiten la
energía de la batería a los devanados del estator, ocasionalmente, y
en cortas duraciones.
Este dispositivo se describe en el documento DE
4314290.
Esta máquina síncrona debe ser muy fiable.
Para mejorar el rendimiento energético global y
la fiabilidad de la máquina de más arriba, se puede intentar
perfeccionar los puentes en H disociando los circuitos que
garantizan la potencia en modo motor de los que garantizan la
potencia en modo generador. Efectivamente, al no funcionar
simultáneamente, pueden ser separados y perfeccionados en sus
funciones esenciales de manera específica. Sin embargo, esta
solución sería costosa.
El Solicitante ha escogido una vía diferente más
económica y propone una máquina del tipo descrito más arriba capaz
de asegurar los funcionamientos en modos motor y generador con los
mismos puentes en H evitando a la vez las pérdidas de energía
debidas a las corrientes de fuga de los diodos y mejorando su
fiabilidad global.
A tal efecto, la invención se refiere ante todo
a un dispositivo de rectificación síncrona del tipo con puente en H
que alimenta a la bobina de una fase de una máquina síncrona del
tipo de reluctancia variable para trabajar en modo motor y en modo
generador, que comprende cuatro interruptores dispuestos en las
conexiones eléctricas de este puente en H y destinados a ser
controlados por un circuito electrónico, caracterizado por el hecho
de que cada interruptor comprende al menos un transistor controlado
o no mediante diodo por el circuito electrónico según que a
intensidad I de la corriente que atraviesa a la bobina sobrepase o
no un umbral S predeterminado.
Suprimiendo los diodos, se evita la pérdida de
energía debida a su corriente de fuga, lo cual contribuye a una
primera mejora del rendimiento global de la máquina síncrona.
Preferentemente, cada interruptor está
constituido por un determinado número de transistores en paralelo,
estando dicho número determinado por la potencia a encauzar por el
interruptor.
La optimización del número de transistores en
función de la potencia mejora aún más el rendimiento global de la
máquina. Más que una mejora de su fiabilidad, gracias a la
redundancia de los transistores así obtenida mediante su puesta en
paralelo, se mejora incluso su seguridad de funcionamiento.
En especial, la cantidad de transistores
operacionales en los interruptores pueden escogerse mediante el
propio circuito electrónico para mejorar el rendimiento de la
máquina síncrona en los modos motor o generador de su
funcionamiento.
Ventajosamente, los transistores son todos
idénticos, lo cual es menos costoso para la fabricación industrial
de la máquina.
Aún más ventajosamente, los transistores son
unos MOS.
La invención también se refiere a una máquina
eléctrica síncrona polifásica, con una bobina alimentada por fase,
mediante una alimentación continua, bajo el control de un
dispositivo de rectificación síncrona del tipo descrito más arriba
que comprende cuatro interruptores controlados por un circuito
electrónico, máquina caracterizada por el hecho de que el circuito
electrónico está dispuesto para controlar los cuatro interruptores
por pares distintos, estando cada par constituido por dos de los
cuatro interruptores, que siempre se escogen en serie con dicha
bobina, estando todos los pares alternativamente controlados o bien
para alimentar la bobina con corriente directa o inversa, o bien
para restituir la energía que tiene almacenada.
Utilizando un dispositivo de rectificación
síncrona del tipo visto anteriormente, se mejora el rendimiento de
la máquina hasta 95%.
Invirtiendo alternativamente las funciones de
los pares de interruptores, se hacen triviales las funciones de
dichos interruptores y se equilibran en estos las pérdidas en el
tiempo, lo cual mejora la fiabilidad del puente en H, y por lo tanto
de la máquina síncrona.
Preferentemente, se prevé un sensor de corriente
en el circuito de la bobina, el circuito electrónico está dispuesto
para controlar un par de interruptores en modo síncrono si la
corriente en la bobina es superior en valor absoluto a un umbral
predeterminado, o sino en modo asíncrono, interviniendo los
transistores implicados solamente mediante su diodo interno, estando
los dos interruptores restantes controlados cerrados.
Ventajosamente, el circuito electrónico de
control de los interruptores está dispuesto para desfasar las
ordenes de dichos interruptores en el tiempo durante el cambio de
modo para evitar la puesta en corto circuito de la alimentación
continua.
Aún más preferentemente, la máquina síncrona
comprende en su rotor un sensor de posición del rotor conectado al
circuito electrónico, y el circuito electrónico está dispuesto para
controlar la máquina síncrona polifásica en función de la posición
del rotor según un modo motor o un modo generador, según una
información de utilización suministrada por el calculador motor de
un vehículo automóvil.
La invención será mejor comprendida con ayuda de
la descripción siguiente de una forma preferida de realización del
dispositivo de rectificación síncrona y de la máquina eléctrica
síncrona dotada del dispositivo de rectificación síncrona según la
invención, en referencia a los dibujo adjuntos, en los cuales:
- la figura 1 representa un esquema por bloques
funcionales de una máquina eléctrica síncrona ordinaria,
- la figura 2 es el mismo esquema para una
máquina eléctrica síncrona dotada de su dispositivo de rectificación
síncrona conforme a la invención,
- la figura 3 es un esquema eléctrico de un
interruptor electrónico que se incluye en la realización del
dispositivo de rectificación síncrona según la invención,
- la figura 4 es un cronograma de funcionamiento
del dispositivo de rectificación síncrona según la invención,
- la figura 5 es un cronograma de funcionamiento
del mismo dispositivo empleado en la máquina eléctrica síncrona
según la invención, y
- la figura 6 es un cronograma del control de
los interruptores para evitar la puesta en corto circuito de la
alimentación continua.
Con referencia a la figura 2, la máquina
eléctrica síncrona polifásica comprende todos los elementos de la
máquina de la figura 1 vistos más arriba: una batería 20, un filtro
30, un dispositivo de rectificación síncrona, aquí un puente en H
10, un circuito electrónico 40, aquí un circuito lógico programable,
un motor 50 delimitado por una línea cerrada discontinua con un
rotor 1 giratorio alrededor de un eje 2 y un estator 3 provisto de
los polos 4 y de los devanados 5 cuyos bornes conectan los puntos
medios 13 y 14 de los puentes en H 10 correspondientes, de los
cuales solamente se representa uno en las figuras 1 y 2.
Además, la máquina comprende en cada bobina 5 un
sensor de corriente 45 que suministra una información acerca de la
corriente I que circula por la bobina, indicando el valor y el
sentido de la corriente, y también si la corriente I es, en valor
absoluto, más pequeña o más grande que un umbral predeterminado
S.
Finalmente, el circuito lógico programable 40
recibe una información \theta acerca de la posición angular del
rotor 1 sobre su eje 2, suministrada por un sensor angular 42, y de
las informaciones M provenientes del calculador motor del vehículo
(no representado).
En función de estas informaciones, el circuito
lógico programable 40 controla el puente en H 10 mediante unas
conexiones eléctricas 41 que actúan sobre los cuatro interruptores
21, 22, 31, 32.
Los cuatro interruptores son todos
estructuralmente idénticos. Un interruptor 21, 22, 31, 32,
comprende, con referencia a la figura 3, n transistores T1, ..., Tn
idénticos puestos en paralelo entre su entrada 27, 28, 37, 38 y su
salida 25, 26, 35 , 36. Se puede escoger n, por ejemplo, de 3 a 5, o
más, pudiendo los transistores de un interruptor ser controlados
simultáneamente por un control único 41 o separadamente por unos
controles 411 a 41n, siendo optimizado el número de los
transistores a controlar según los modos de funcionamiento de la
máquina y la potencia a transmitir.
Como transistores, se pueden seleccionar
MOS.
A continuación se explicarán los controles de
los interruptores.
Con referencia a las figuras 2 y 4, durante una
alternancia A1, estando los cuatro interruptores 21, 31, 22, 32 del
puente en H 10 respectivamente designados mediante las referencias
habituales MHS, DLS, DHS, MLS (como MOS High / Low Side y Diodo High
/ Low Side, a pesar de la ausencia de diodos y la trivialización de
las funciones de los interruptores), son controlados según N fases,
aquí, en el ejemplo, siendo N igual a seis fases \Phi1 a \Phi6
sucesivas:
\Phi1: MHS y MLS controlados cerrados, DHS y
DLS controlados en diodo,
\Phi2: MHS y DHS controlados cerrados, MLS y
DLS controlados en diodo,
\Phi3: MHS y MLS controlados cerrados, DHS y
DLS controlados en diodo,
\Phi4: DLS y MLS controlados cerrados, MHS y
DHS controlados en diodo,
\Phi5: MHS y MLS controlados cerrados, DHS y
DLS controlados en diodo,
\Phi6: DHS y DLS controlados cerrados, MHS y
MLS controlados en diodo.
Los interruptores son llamados para ser
controlados en diodo si los transistores son controlados para
simular un comportamiento de diodo, de la manera que se explicará
más adelante.
Se aprecia que los cuatro interruptores están
controlados por el circuito lógico programable 40 por pares
distintos, estando cada par constituido por dos interruptores en
serie con la bobina 5.
Las fases primeras y últimas de la alternancia
A1, aquí \Phi1 y \Phi6, son a su vez descompuestas en dos
sub-fases M1 y M2 correspondientes a dos modos de
funcionamiento diferentes. Si la corriente I en la bobina 5 es
superior en valor absoluto al umbral S, entonces los interruptores
son controlados en diodo tal como se acaba de ver, en modo
síncrono.
Sino, al no alcanzar corriente I en la bobina el
umbral S, los interruptores DHS y DLS ya no están controlados, y los
transistores implicados solamente intervienen naturalmente mediante
su diodo interno, en modo asíncrono.
El franqueo del umbral S por la corriente I no
se puede realizar sin un dispositivo como el que se explicará a
continuación bajo riesgo de corto-circuito de la
alimentación (fenómeno conocido bajo el nombre anglosajón
"cross-conduction").
Con referencia a la figura 5, durante la
alternancia siguiente A2, los cuatro interruptores 21, 31, 22, 32
son controlados según las N fases, aquí seis fases \Phi1' a
\Phi6', simétricas a las anteriores, sucesivamente:
\Phi1': DHS y DLS controlados cerrados, MHS y
MLS controlados en diodo,
\Phi2': DHS y MHS controlados cerrados, DLS y
MLS controlados en diodo,
\Phi3': DLS y DHS controlados cerrados, MLS y
MHS controlados en diodo,
\Phi4': DLS y MLS controlados cerrados, MHS y
DHS controlados en diodo,
\Phi5': DHS y DLS controlados cerrados, MHS y
MLS controlados en diodo,
\Phi6': MHS y MLS controlados cerrados, DHS y
DLS controlados en diodo.
De la misma manera que anteriormente, las
primeras y últimas fases \Phi1' y \Phi6' de la alternancia son
descompuestas en dos sub-fases M1'et M2'
correspondientes a los dos modos de funcionamiento síncrona y
asíncrona del puente en H.
Por lo tanto, los cuatro interruptores 21, 22,
31, 32 son controlados por el circuito lógico programable 40 por
pares distintos, estando cada par constituido por dos de los cuatro
interruptores, que siempre se escogen en serie con la bobina 5, y
según alternancias sucesivas A1, A2 en el transcurso de las cuales
el circuito lógico programable 40 controla alternativamente todos
los pares o bien para alimentar la bobina en corriente directa o
inversa, o bien para restituir la energía que tiene almacenada.
El circuito lógico programable 40 controla los
transistores "en diodo" de la manera siguiente: a partir de la
información sobre el valor de la corriente I suministrada por el
sensor 45, controla el bloqueo del transistor solamente si esta
corriente tiene un sentido determinado, el sentido pasante por el
diodo simulado, y si no controla el transistor para cerrarlo, es
decir hacerlo pasar pero al mismo tiempo establecer una corriente I
en la bobina a un valor que se establecería según la característica
del diodo simulado si actuase en rectificación asíncrona.
Puesto que dos transistores de una misma
conexión no se pueden hacer pasantes simultáneamente sin poner la
alimentación 20 en corto circuito, en especial durante el cambio de
modo durante las fases \Phi1, \Phi6, \Phi1', \Phi6' de más
arriba, el circuito lógico programable 40 está dispuesto para evitar
este corto circuito llamado cross-conduction
controlando los interruptores MHS y DLS implicados de manera
desplazada en el tiempo de una duración \Deltat tal como se
muestra en la figura 6.
La duración \Deltat escogida es al menos igual
al tiempo de establecimiento de los niveles lógicos en los
transistores de estos interruptores.
La información \theta proveniente del sensor
de posición angular 42 del rotor y la información M que viene del
calculador motor permiten al circuito lógico programable 40
controlar la máquina síncrona polifásica.
- -
- por un lado en modo motor optimizando el número N de fases \Phi1 necesarias en función de la velocidad del rotor 1 y determinando el número n de los transistores que hay que hacer operacionales en cada interruptor de cada puente en H 5 para optimizar el rendimiento en función de la potencia a transmitir, o
- -
- por otro lado en modo generador, y determinando también el número n, en función de la recarga de la alimentación continua 20 para optimizar esta recarga.
De este modo, la cantidad n de transistores
operacionales en las conexiones son escogidos por el circuito lógico
programable 40 para mejorar el rendimiento de la máquina síncrona en
los dos modos de funcionamiento, motor y generador.
\vskip1.000000\baselineskip
Esta lista de referencias citadas por el
solicitante está prevista únicamente para ayudar al lector y no
forma parte del documento de patente europea. Aunque se ha puesto el
máximo cuidado en su realización, no se pueden excluir errores u
omisiones y la OEP declina cualquier responsabilidad al
respecto.
\bullet DE 4314290 [0014]
Claims (9)
1. Dispositivo (10) de rectificación síncrona
del tipo puente en H que alimenta a una bobina (5) de una fase de
una máquina síncrona del tipo de reluctancia variable para trabajar
en modo motor y en modo generador, que comprende cuatro
interruptores (21, 31, 22, 32) dispuestos en las conexiones
eléctricas (11, 12) de este puente en H y destinados a ser
controlados por un circuito electrónico (40), caracterizado
por el hecho de que cada interruptor comprende al menos un
transistor (T1) controlado o no por diodo por el circuito
electrónico (40) según que la intensidad I de la corriente que
atraviesa a la bobina sobrepasa o no un umbral S predeterminado.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
cual cada interruptor está constituido por un determinado número (n)
de transistores (T1, ... , Tn) en paralelo, estando dicho número
determinado por la potencia a disipar en estos.
3. Dispositivo según la reivindicación 2, en el
cual la cantidad (n) de transistores operacionales en los
interruptores se escogen entre 3 y 5.
4. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el cual los transistores (T1, ... , Tn)
son todos idénticos.
5. Dispositivo según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el cual los transistores son unos
MOS.
6. Máquina eléctrica síncrona polifásica (10,
20, 30, 40, 50), con por fase una bobina (5) alimentada, por una
alimentación continua (20), bajo el control de un dispositivo (10)
de rectificación síncrona según cualquiera de las reivindicaciones 1
a 4, que comprende cuatro interruptores (21, 31, 22, 32) controlados
por un circuito electrónico (40), y caracterizada por el
hecho de que el circuito electrónico (40) está dispuesto para
controlar los cuatro interruptores (21, 31, 22, 32) por pares
distintos, estando cada par constituido por dos de los cuatro
interruptores, que siempre se escogen en serie con la bobina (5),
estando todos los pares alternativamente controlados (\Phi1, ...
, \Phi6' ; \Phi1, ... , \Phi6') o bien para alimentar la
bobina (5) con corriente (I) directa (A1) o inversa (A2), o bien
para restituir la energía que tiene almacenada.
7. Máquina según la reivindicación 6, en la
cual, estando un sensor (45) de corriente (I) previsto en el
circuito de la bobina (5), el circuito electrónico (40) está
dispuesto para controlar un par de interruptores en modo síncrono
(M2, M2') si la corriente (I) en la bobina (5) es superior en valor
absoluto a un umbral (S) predeterminado, o si no en modo asíncrono
(M1, M1'), los transistores implicados solamente intervienen
entonces mediante su diodo interno, estando los dos otros
interruptores controlados cerrados.
8. Máquina según la reivindicación 7, en la cual
el circuito electrónico (40) de control de los interruptores está
dispuesto para desfasar (\Deltat) las órdenes de dichos
interruptores en el tiempo durante el cambio de modo (M1, M2; M1',
M2') para evitar la puesta en corto circuito de la alimentación
continua (20).
9. Máquina según cualquiera de las
reivindicaciones 6 a 8, que comprende en su rotor (1) un sensor de
posición angular (42) del rotor (1) conectado al circuito
electrónico (40), caracterizada por el hecho de que el
circuito electrónico (40) está dispuesto para controlar la máquina
síncrona polifásica en función de la posición (\theta) del rotor
según un modo motor o un modo generador, según una información de
utilización (M) suministrada por el calculador motor de un vehículo
automóvil.
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|---|---|---|---|
| FR0311191 | 2003-09-24 | ||
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|---|---|
| ES2347332T3 true ES2347332T3 (es) | 2010-10-28 |
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ID=34224443
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES04787433T Expired - Lifetime ES2347332T3 (es) | 2003-09-24 | 2004-09-24 | Dispositivo de rectificacion sincrona y maquina electrica sincrona que lo emplea. |
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| ES (1) | ES2347332T3 (es) |
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