ES2354258T3 - Procedimiento para el funcionamiento de un inversor y disposición para la realización del procedimiento. - Google Patents

Procedimiento para el funcionamiento de un inversor y disposición para la realización del procedimiento. Download PDF

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Abstract

Procedimiento para el funcionamiento de un inversor controlado electrónicamente con diversos elementos de circuito, cuyos conmutadores de semiconductores (S1, S2, S3, S4, S5) comprenden al menos una bobina de entrada (L1) y al menos una bobina de salida (L2), condensadores (C1, C2) y al menos un diodo (D1), caracterizado porque la al menos una bobina de salida (L2) y el al menos un diodo (D1) del inversor se conectan por medio de los conmutadores de semiconductores (S1, S2, S3, S4) alternando con un conductor neutro de salida (N) y actúan como elemento de un convertidor SEPIK o bien de un convertidor CUK, de manera que el con doctor neutro de salida (N) está conectado con un polo negativo del lado de entrada, y porque los conmutadores de semiconductores del inversor son activados durante la semionda positiva de la tensión alterna de salida de tal manera que los diversos elementos del circuito ejecutan la función de un inversor SEPIK y en el que los conmutadores de semiconductores del inversor con activados durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida de tal manera que los diversos elementos de circuito ejecutan la función de un convertidor CUK.

Description

La invención se refiere a un procedimiento para el funcionamiento de un inversor controlado electrónicamente con diversos elementos de circuito, cuyos conmutadores de semiconductores 5 comprenden al menos una bobina de entrada y al menos una bobina de salida, condensadores y al menos un diodo y a una disposición para la realización del procedimiento.
Se conocen inversores controlados electrónicamente, por ejemplo, a partir de US-Z.: C. M. Penalver, y col. “Microprocessor Control of DC/AC Static Converters”; IEEE Transactions on industrial Electronics, Vol. IE-32, Nº 3, Agosto de 1985, páginas 186 – 191. Por ejemplo, en instalaciones de 10 solares se emplean para transformar la corriente continua generada a través de las células solares de tal forma que es posible una cesión a la red pública de corriente alterna. Solamente de esta manera se garantiza una utilización prácticamente ilimitada de la energía solar producida.
La pluralidad de posibilidades de aplicación de los inversores ha conducido, entre otras, cosas, a desplazar los tipos básicos de convertidores elevadores, convertidores elevadores reductoras y 15 convertidores reductores para casos de aplicación especiales. Como ejemplo se indica aquí una publicación en la revista EDN del 17 de Octubre de 2002 “Slave converters power auxiliary outputs”, Sanjaya Maniktala, en la que se describen diferentes posibilidades de combinación de tipos básicos de convertidores.
El empleo de un convertidor CUK en un inversor se describe en el documento US 5 969 484 A. En 20 este caso, a partir de una tensión alterna rectificada se generan en prime lugar semiondas de frecuencia más elevada, siendo invertida la polaridad de cada segunda semionda por medio de un puente completo conectado a continuación. Los elementos del circuito ejecutan en este caso siempre la función de un convertidor CUK, mientras que se lleva a cabo una inversión progresiva de la polaridad de una carga conectada. 25
La invención tiene el cometido de desarrollar los inversores conocidos a partir del estado de la técnica.
De acuerdo con la invención, el cometido se soluciona con un procedimiento del tipo mencionado al principio, en el que la al menos una bobina de salida y el al menos un diodo del inversor se conectan por medio de conmutadores de semiconductores de forma alterna con un conductor neutro de salida y 30 que actúan como elemento de un convertidor SEPIK o bien de un convertidor CUK, estando conectado el conductor neutro de salida (N) con un polo negativo del lado de entrada y siendo activado el inversor durante la semionda positiva de la tensión alterna de salida de tal forma que los elementos del circuito ejecutan la función de un convertidor SEPIK y en el que el inversor es activado durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida, de tal manera que los elementos de 35 circuito ejecutan la función de un convertidor CUK.
La combinación de acuerdo con la invención de las funciones del convertidor SEPIK y del convertidor CUK conduce a un inversor especialmente libre de pérdidas, que presenta de esta manera también un alto rendimiento y, por lo tanto, es especialmente adecuado para el empleo en instalaciones solares.
Es ventajoso que el inversor comprenda un circuito de puente de semiconductores formado por el 40 primero, segundo, tercero y cuarto conmutadores de semiconductores, cuya primera salida está conectada con una primera conexión de una salida de tensión alterna del inversor, cuya segunda salida está conectada con una segunda conexión de la salida de tensión alterna del inversor, cuando está prevista, además, una primera bobina, cuyo primer lado está conectado con el polo positivo de una fuente de tensión continua y cuyo segundo lado está conectado a través de un quinto conmutador 45 de semiconductores con el polo negativo de la fuente de tensión continua, cuando la conexión entre la primera bobina y el quinto conmutador de semiconductores está conectada a través de un primer condensador con la primera conexión de una segunda bobina y con el ánodo de un diodo, cuando la segunda conexión de la segunda bobina está conectada con una primera entrada del circuito de puente y el cátodo del diodo está conectado con una segunda entrada del circuito de puente y cuando 50 el polo negativo de la fuente de tensión continua está conectado con la segunda conexión de la salida de tensión alterna.
Además, es ventajoso que por medio del microcontrolador durante la semionda positiva de la tensión alterna de salida, el segundo y el tercer conmutadores de semiconductores se conecten de forma permanente y el primero y el cuarto conmutadores de semiconductores se desconecten de forma 55 permanente y el quinto conmutador de semiconductores se conecte de forma pulsátil, y que durante la segunda semionda negativa de la tensión alterna de salida, el primero y el cuarto conmutadores de semiconductores se conecten de forma duradera y el segundo y el tercer conmutadores de
semiconductores se desconecten de forma duradera y el quinto conmutador de semiconductores se conecte de forma pulsátil.
Es favorable que esté previsto un microcontrolador, que está programado de manera correspondiente para el control de los conmutadores de semiconductores.
A continuación se explica en detalle la invención con la ayuda de figuras. A modo de ejemplo: 5
La figura 1 muestra un esquema de conexiones de un inversor ejemplar.
La figura 2 muestra el esquema de conexiones de un inversor ejemplar cuando se utilizan MOSFETs de capa de bloqueo de canal-n.
Las figuras 3 y 4 muestran el flujo de corriente y estados de conmutación en un inversor ejemplar durante la semionda positiva de la tensión alterna de salida. 10
Las figuras 5 y 6 muestran el flujo de corriente y estados de conmutación en un inversor ejemplar durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida y
La figura 7 muestra la curva de tiempo de señales de activación ejemplares para los conmutadores de semiconductores
El inversor representado en las figuras comprende un circuito de puente de semiconductores formado 15 por el primero, segundo, tercero y cuarto conmutadores de semiconductores S1, S2, S3, S4. La primera salida del circuito de puente de semiconductores, formada por la conexión del primero y el segundo conmutadores de semiconductores S1, S2, está conectada con una primera conexión de una salida de tensión alterna UOUT del inversor. La segunda salida del circuito de puente de semiconductores, formada por la conexión del tercero y cuarto conmutadores de semiconductores S3, 20 S4, está conectada con una segunda conexión de la salida de tensión alterna UOUT del inversor. Además, está prevista una primera bobina L1, cuyo primer lado está conectado con el polo positivo de una fuente de tensión continua UIN y cuyo segundo lado está conectado a través de un quinto conmutador de semiconductores S5 con el polo negativo de la fuente de tensión continua UIN. La conexión entre la primera bobina L1 y el quinto conmutador de semiconductores S5 está conectada a 25 través de un primer condensador CC con la primera conexión de una segunda bobina L2 y con el ánodo de un diodo D1 y la segunda conexión de la segunda bobina L2 está conectada en una primera entrada del circuito de puente S1, S2, S3, S4, que está formada por la conexión del primero y el tercer conmutadores de semiconductores S1, S3.
Una primera y una segunda bobinas L1, L2 pueden presentar un núcleo común. 30
El cátodo del diodo D1 está conectado con una segunda entrada del circuito de puente S1, S2, S3, S4, que está formada por la conexión del segundo y del cuarto conmutadores de semiconductores S2, S4. Además, el polo negativo de la fuente de tensión continua UIN está conectado con la segunda conexión de la salida de tensión alterna UOUT.
En el caso de utilización de MOSFET de capa de bloqueo de canal-n como conmutadores de 35 semiconductores S1, S2, S3, S4, S5, hay que tener en cuenta la dirección de montaje, que se indica en la figura 2 a través de los símbolos de diodos representados con línea de trazos.
En esta configuración de la invención, el conveniente el empleo de un diodo D2, cuya función se puede realizar, sin embargo, también por una activación correspondiente de los conmutadores de semiconductores. 40
Por medio de microcontroladores (no representados) se activan los conmutadores de semiconductores.
En este caso, de acuerdo con la invención, durante la semionda positiva de la tensión alterna de salida, el segundo y el tercer conmutadores de semiconductores S2, S3 se conectan de forma permanente y el primero y el cuarto conmutadores de semiconductores S1, S4 se desconectan de 45 forma permanente, mientras que el quinto conmutador de semiconductores S5 se conecta de forma pulsátil.
Durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida se conectan el primero y el cuarto conmutadores de semiconductores S1, S4 de forma duradera y se desconectan el segundo y el tercer conmutadores de semiconductores S2, S3 de forma duradera y se conecta el quinto conmutador de 50 semiconductores S5 de forma pulsátil.
La figura 3 muestra en este caso el estado, en el que el inversor toma energía eléctrica desde la fuente de tensión continua UIN durante una semionda positiva de la tensión de salida. A tal fin, el quinto conmutador de semiconductores S5 está conectado y, por lo tanto, existe una vía de corriente entre el polo positivo de la fuente de tensión continua UIN a través de la primera bobina L1 y el 55 segundo conmutador de semiconductores S1. Un segundo circuito de corriente es forzado a través de
la energía almacenada en el condensador Cc sobre el quinto y el tercer conmutadores de semiconductores S5 y S3 y la segunda bobina L2.
En este estado, la bobina L1 almacena energía, que es cedida –como se representa en la figura 4- después de la apertura del quinto conmutador de semiconductores S5 a través del primer diodo de semiconductores D1 y el circuito de puente de semiconductores a la salida de tensión alterna UOUT y al 5 mismo tiempo al primer condensador Cc.
La energía almacenada en la segunda bobina L2 es cedida después de la apertura del quinto conmutador de semiconductores S5 a través del diodo de semiconductores D1 y a través del circuito de puente de semiconductores a la salida de tensión alterna.
Los circuitos de corriente que resultan en este caso se extienden, por una parte, desde el polo 10 positivo de la fuente de tensión continua UIN a través de la primera bobina L1. el primer condensador Cc, el diodo D1, el segundo conmutador de semiconductores S2 a la salida de tensión alterna UOUT y a través de la red de tensión alterna hacia el polo negativo de la fuente de tensión continua UIN y, por otra parte, desde la segunda bobina L2 a través del diodo D1 y el segundo conmutador de semiconductores S2 a la salida de tensión alterna UOUT y a través de la red de tensión alterna y a 15 través del tercer conmutador de semiconductores S3 de retorno a la otra bobina L2.
Con la ayuda de las figuras 5 y 6 se explican ahora los estados de conmutación durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida. Como se deduce también a partir de la figura 7, en este periodo de tiempo se conecta el quinto conmutador de semiconductores S5 de forma pulsátil, el primero y el tercer conmutador de semiconductores S1, S3 se conectan de forma duradera y el 20 segundo y el cuarto conmutadores de semiconductores S2, S4 se desconectan de forma duradera. De esta manera, de acuerdo con la invención, durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida se realiza la función de un llamado convertidor CUK.
La figura 5 muestra en este caso las relaciones cuando el quinto conmutador de semiconductores S5 está cerrado. Se forma una vía de corriente entre el polo positivo de la fuente de tensión continua UIN 25 a través de la primera bobina L1 y el quinto conmutador de semiconductores S5 hacia el polo negativo de la fuente de tensión continua y una segunda vía de corriente a través de la segunda bobina L2, el primer conductor Cc, el quinto conmutador de semiconductores S5, la red de tensión alterna de salida UOUT y el primer conmutador de semiconductores S1.
En el proceso siguiente de conmutación –como se representa en la figura 6- el quinto conmutador de 30 semiconductores S5 está abierto.
Los circuitos de corriente que resultan de ello se extienden, por una parte, desde el polo positiva de la fuente de tensión continua UIN a través de la primera bobina L1, el primer condensador Cc, el diodo D1 y el cuarto conmutador de semiconductores S4 hacia el polo negativo de la fuente de tensión continua UIN y, por otra parte, a través de la segunda bobina L2, el diodo D1, el cuarto conmutador de 35 semiconductores S4, la red de tensión alterna de salida UOUT y el primer conmutador de semiconductores S1.
En la figura 7 se representa la curva ejemplar de las señales de control para los conmutadores de semiconductores S1, S2, S3, S4 y S5.
40

Claims (4)

  1. REIVINDICACIONES
    1.- Procedimiento para el funcionamiento de un inversor controlado electrónicamente con diversos elementos de circuito, cuyos conmutadores de semiconductores (S1, S2, S3, S4, S5) comprenden al menos una bobina de entrada (L1) y al menos una bobina de salida (L2), condensadores (C1, C2) y al menos un diodo (D1), caracterizado porque la al menos una bobina de salida (L2) y el al menos un 5 diodo (D1) del inversor se conectan por medio de los conmutadores de semiconductores (S1, S2, S3, S4) alternando con un conductor neutro de salida (N) y actúan como elemento de un convertidor SEPIK o bien de un convertidor CUK, de manera que el con doctor neutro de salida (N) está conectado con un polo negativo del lado de entrada, y porque los conmutadores de semiconductores del inversor son activados durante la semionda positiva de la tensión alterna de salida de tal manera 10 que los diversos elementos del circuito ejecutan la función de un inversor SEPIK y en el que los conmutadores de semiconductores del inversor con activados durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida de tal manera que los diversos elementos de circuito ejecutan la función de un convertidor CUK.
  2. 2.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el inversor comprende un 15 circuito de puente de semiconductores formado por un primero, segundo, tercero y cuarto conmutadores de semiconductores (S1, S2, S3, S4), cuya primera salida está conectada con una primera conexión de una salida de tensión alterna (UOUT), cuya segunda salida está conectada con una segunda conexión de la salida de tensión alterna (UOUT) del inversor, porque, además, está prevista una primera bobina (L1), cuyo primer lado está conectado con el polo positivo de una fuente 20 de tensión continua (UIN) y cuyo segundo lado está conectado a través de un quinto con mutador de semiconductores (S5) con el polo negativo de la fuente de tensión continua (UIN), porque la conexión entre la primera bobina (L1) y el quinto conmutador de semiconductores (S5) está conectada a través de un primer condensador ((CC) con la primera conexión de una segunda bobina (L2) y con el ánodo de un diodo (D1), porque la segunda conexión de la segunda bobina (L2) está conectada con una 25 primera entrada del circuito de puente (S1, S2, S3, S4) y el cátodo del diodo (D1) está conectado con una segunda entrada del circuito de puente (S1, S2, S3, S4) y porque el polo negativo de la fuente de tensión continua (UIN), está conectada con la segunda conexión de la salida de tensión alterna (UOUT).
  3. 3.- Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizada porque por medio de microcontroladores durante la semionda positiva de la tensión alterna de salida, el segundo y el tercer 30 conmutadores de semiconductores (S2, S3) se conectan de forma permanente y el primero y el cuarto conmutadores de semiconductores (S1, S4) se desconectan permanentemente y el quinto conmutador de semiconductores (S5) se conectan de forma pulsátil, y porque durante la semionda negativa de la tensión alterna de salida, el primero y el cuarto conmutadores de semiconductores (S1, S4) se conectan de forma duradera y el segundo y el tercer conmutadores de semiconductores (S2, S3) se 35 desconectan de forma duradera y el quinto conmutador de semiconductores (S5) se conecta de forma pulsátil.
  4. 4.- Inversor para la realización de los procedimientos de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque está previsto un microcontrolador, que está programado de forma correspondiente para el control de los conmutadores de semiconductores. 40
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