ES2568756T3 - Módulo de regeneración de energía eléctrica para variador de velocidad - Google Patents
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Abstract
Módulo de regeneración de energía eléctrica destinado a ser adaptado a un variador de velocidad, comprendiendo dicho variador de velocidad de: - tres fases (R, S, T) de entrada conectadas a una red (M) de distribución eléctrica, - una etapa (REC) rectificadora conectada a las tres fases de entrada, - un bus de corriente continua de alimentación que comprende una primera línea (10) de alimentación y una segunda línea (11) de alimentación entre las que se aplica una tensión continua suministrada en la salida por la etapa (REC) rectificadora, - una etapa (INV) inversora destinada a ser conectada a la entrada al bus de corriente continua de alimentación y en la salida a una carga (C) eléctrica, estando dicho módulo caracterizado porque comprende: - un primer borne (d) de entrada y un segundo borne (e) de entrada destinados a estar conectado cada uno en una línea de alimentación del bus de corriente continua de alimentación del variador de velocidad, - tres bornes (a, b, c) de salida destinados ser conectados a las tres fases (R, S, T) de entrada del variador de velocidad, - un convertidor de tensión conectado a los dos bornes (d, e) de entrada y que comprende en la salida una inductancia (L) de modo que forma una fuente de corriente para controlar la corriente de frenado de la carga (C) eléctrica, realizando el convertidor una función de conversión de la tensión continua disponible en el bus de corriente continua de alimentación en una corriente continua, - un circuito de derivación conectado directamente a dicha inductancia y destinado a derivar la corriente (Ibrake) de frenado hacia uno de los tres bornes (a, b, c) de salida, realizando el circuito de derivación una conversión entre la corriente continua y la tensión alterna de la red (M) de distribución eléctrica.
Description
DESCRIPCION
Modulo de regeneracion de ene^a electrica para variador de velocidad Campo tecnico de la invencion
La presente invencion se refiere a un modulo de regeneracion de energfa electrica para variador de velocidad. La 5 invencion tambien se refiere a un sistema de control que consta de un variador de velocidad y del modulo de regeneracion de energfa electrica de la invencion.
Estado de la tecnica
De manera conocida, un variador de velocidad esta destinado al control de una carga electrica. Consta de tres fases de entrada conectadas a una red de distribucion electrica, de una etapa rectificadora que consta de un puente de 10 diodos destinado a convertir la tension alterna suministrada por la red en una tension continua, de un bus de corriente continua de alimentacion conectado a la etapa rectificadora, de un condensador de bus destinado a mantener la tension del bus en un valor continuo y de una etapa inversora conectada aguas abajo del bus de corriente continua de alimentacion y destinado a convertir la tension continua en una tension variable que hay que aplicar a la carga electrica.
15 La fase de frenado de la carga electrica libera energfa electrica que se devuelve al bus de corriente continua de alimentacion del variador de velocidad. Esta energfa electrica recuperada se puede gestionar de diferentes formas. Una primera forma consiste en disiparla en una resistencia de frenado, una segunda forma consiste en almacenarla en un banco capacitivo de modo que se pueda reutilizar posteriormente, una tercera forma consiste en devolverla a la red de distribucion electrica y una ultima forma consiste en devolver la energfa electrica hacia otros aparatos 20 conectados al bus DC.
En esta tercera forma de gestionar la energfa electrica generada durante el frenado de la carga electrica, se han considerado diferentes topologfas de variador de velocidad. Estas topologfas precisan, por norma general, modificar la configuracion clasica del variador de velocidad tal como se ha descrito con anterioridad, por ejemplo dotandola de una etapa rectificadora activa.
25 Se conocen de los documentos EP 1614110, US 2005122082, FR 2737946, JP 2004248383 unas arquitecturas que permiten recuperar la energfa de frenado de un variador de velocidad existente. Las diferentes arquitecturas presentadas en estos documentos constan de un primer convertidor de tipo elevador o “flyback” que realiza una conversion fuente de tension DC (es decir continua)/fuente de tension DC. En la salida de este convertidor estan colocados uno o varios condensadores. Un segundo convertidor realiza la conversion fuente de tension DC/fuente 30 de corriente AC. Al ser la red una fuente de tension, es necesario anadir una inductancia entre el segundo convertidor y la red.
Estas arquitecturas no son optimas ya que precisan el empleo de dos inductancias, una inductancia en el lado de la red y una inductancia para el primer convertidor de tension.
El objetivo de la invencion es, por lo tanto, proponer un modulo de regeneracion de energfa electrica que se puede 35 adaptar a un variador de velocidad clasico, sin modificar la estructura de este ultimo. Ademas, esta solucion se optimiza desde un punto de vista de coste y dimensiones.
Descripcion de la invencion
Este objetivo se consigue mediante un modulo de regeneracion de energfa electrica destinado a adaptarse a un variador de velocidad, constando dicho variador de velocidad de:
40 - tres fases de entrada conectadas a una red de distribucion electrica,
- una etapa rectificadora conectada a las tres fases de entrada,
- un bus de corriente continua de alimentacion que consta de una primera lmea de alimentacion y de una segunda lmea de alimentacion,
- una etapa inversora destinada a conectarse a una carga electrica,
45 constando dicho modulo de:
- un primer borne de entrada y un segundo borne de entrada destinados a conectarse cada uno en una lmea de alimentacion del bus de corriente continua de alimentacion del variador de velocidad,
- tres bornes de salida destinados a conectarse en las tres fases de entrada del variador de velocidad,
- un convertidor de tension conectado a los dos bornes de entrada y que comprende una inductancia de modo que
50 forme una fuente de corriente para controlar la corriente de frenado de la carga electrica,
- un circuito de derivacion conectado en serie con dicha inductancia y destinado a derivar la corriente de frenado hacia uno de los tres bornes de salida.
En la presente invencion, el circuito de derivacion que realiza una conversion de tipo tension AC en corriente DC se conecta de este modo directamente a una inductancia. Este no era el caso en las soluciones anteriores. La solucion
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de la invencion permite, por lo tanto, limitar el numero de inductancias empleadas, por lo tanto reducir el coste y las dimensiones del modulo.
Segun una particularidad, el convertidor de tension y el circuito de derivacion constan de unos interruptores controlados en una frecuencia sincronizada con la frecuencia de la red de distribucion electrica.
Segun otra particularidad, el convertidor de tension es de tipo reductor o de tipo reductor-elevador.
Segun otra particularidad, el convertidor de tension se puede realizar en forma de una topologfa con multiples niveles.
Segun otra particularidad, el convertidor de tension consta de una inductancia y de un brazo de conmutacion conectado a dicha inductancia.
Segun una primera forma de realizacion, el circuito de derivacion consta de un primer grupo de tres interruptores que estan conectados cada uno al segundo borne de entrada y a un borne de salida distinto, y de un segundo grupo de tres interruptores que estan conectados cada uno a la inductancia y a un borne de salida distinto.
Segun una segunda forma de realizacion, el circuito de derivacion consta de un primer grupo de tres interruptores que estan conectados cada uno al primer borne de entrada y a un borne de salida distinto, y de un segundo grupo de tres interruptores que estan conectados cada uno a la inductancia y a un borne de salida distinto.
Segun otra particularidad, el modulo consta de un dispositivo de filtrado de tipo RC.
La invencion tambien se refiere a un sistema de control que consta de un variador de velocidad, comprendiendo dicho variador de velocidad:
- tres fases de entrada conectadas a una red de distribucion electrica,
- una etapa rectificadora conectada a las tres fases de entrada,
- un bus de corriente continua de alimentacion que consta de una primera lmea de alimentacion y de una segunda lmea de alimentacion,
- una etapa inversora destinada a conectarse a una carga electrica,
- un modulo de regeneracion de energfa electrica como se ha definido con anterioridad, estando dicho modulo destinado a adaptarse al variador de velocidad.
Breve descripcion de las figuras
Se mostraran otras caractensticas y ventajas en la descripcion detallada que viene a continuacion en relacion con los dibujos adjuntos, en los que:
- la figura 1 representa el esquema de un variador de velocidad,
- la figura 2 representa, segun una primera variante de realizacion, el modulo de regeneracion de energfa electrica adaptable al variador de velocidad de la figura 1,
- la figura 3 representa, segun una segunda variante de realizacion, el modulo de regeneracion de energfa electrica adaptable al variador de velocidad de la figura 1,
- la figura 4 representa, segun una tercera variante de realizacion, el modulo de regeneracion de energfa electrica adaptable al variador de velocidad de la figura 1,
- la figura 5 representa un cuadro sinoptico de control del convertidor de tension empleado en el modulo de regeneracion de energfa electrica de la invencion,
- la figura 6 representa un diagrama temporal de las tensiones de entrada, de la corriente de lmea y del estado de los interruptores del circuito de derivacion.
Descripcion detallada de al menos una forma de realizacion
En referencia a la figura 1, un variador de velocidad esta conectado entre una red M de distribucion electrica y una carga C electrica y consta de:
- Unas fases R, S, T de entrada, por ejemplo tres fases de entrada, que estan conectadas a la red M de distribucion electrica para recibir una tension alterna suministrada por la red. Estas fases de entrada pueden constar de unas inductancias de lmea (no representadas).
- Una etapa REC rectificadora conectada a las fases de entrada, compuesta por un puente de diodos y destinada a rectificar la tension alterna suministrada por la red M de distribucion electrica.
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- Un bus de corriente continua de alimentacion conectado al modulo REC rectificador y que consta de una primera lmea 10 de alimentacion con un potencial electrico positivo y de una segunda lmea 11 de alimentacion con un potencial electrico negativo.
- Un condensador Cbus de bus conectado a la primera lmea 10 de alimentacion y a la segunda lmea 11 de alimentacion y destinado a mantener el bus de alimentacion en una tension Vbus continua.
- Una etapa INV inversora conectada al bus de corriente continua de alimentacion y compuesta por varios brazos de conmutacion controlados para suministrar una tension variable a la carga C electrica situada aguas abajo.
- Unas lmeas U, V, W de salida que unen la etapa INV inversora con la carga C electrica.
De manera conocida, los brazos de conmutacion del modulo ondulador constan de unos transistores controlados por un sistema de control a partir de una ley de control para aplicar unas tensiones a la carga C electrica.
La invencion se refiere a un modulo de regeneracion de energfa electrica destinado a adaptarse a un variador de velocidad como se ha descrito con anterioridad y representado en la figura 1. Este modulo de regeneracion de energfa electrica esta dispuesto para permitir devolver la energfa electrica generada durante el frenado de la carga C electrica hacia la red M de distribucion electrica. La carga C electrica desempena entonces la funcion de generador mientras que la red M de distribucion electrica desempena la funcion de receptor de potencia.
Este modulo presenta la ventaja de conferir una funcion de regeneracion de energfa electrica a un variador de velocidad existente, sin modificar la estructura de este.
El modulo de regeneracion de energfa electrica de la invencion consta de un primer borne d de entrada destinado a conectarse en la primera lmea 10 de alimentacion del bus de corriente continua de alimentacion, aguas arriba del condensador Cbus de bus, y de un segundo borne e de entrada destinado a conectarse en la segunda lmea 11 de alimentacion del bus de corriente continua de alimentacion, aguas arriba del condensador Cbus de bus.
El modulo de regeneracion de energfa electrica consta de tres bornes a, b, c de salida distintos destinados a conectarse cada uno en una fase R, S, T de entrada distinta del variador de velocidad.
El modulo de regeneracion de energfa electrica consta de un convertidor de tension que permite controlar la corriente Ibrake generada durante el frenado de la carga C electrica. Este convertidor de tension esta conectado a los dos bornes d, e de entrada y consta de manera mas particular de un brazo de conmutacion y de una inductancia L. El convertidor realiza, por lo tanto, una funcion de conversion de una tension continua disponible en el bus de corriente continua de alimentacion en una corriente continua. El convertidor de tension puede ser de tipo reductor (convertidor “buck”) como en las figuras 2 y 3 o de tipo reductor-elevador (convertidor “buck-boost”) como se representa en la figura 4. Este convertidor de tension tambien se puede realizar segun una topologfa de multiples niveles.
En las figuras 2 y 3, el brazo de conmutacion del convertidor de tension de tipo reductor consta de un transistor T1 y de un diodo D1 conectado a dicho transistor. El punto medio entre el transistor T1 y el diodo D1 esta conectado a la inductancia L. Unas senales SW de control permiten controlar el brazo de conmutacion. En la conexion del brazo de conmutacion con el variador de velocidad, se proponen dos variantes de realizacion:
- en una primera variante de realizacion representada en la figura 2, el transistor T1 esta conectado al primer borne d de entrada del modulo y el diodo D1 esta conectado al segundo borne e de entrada del modulo,
- en una segunda variante de realizacion representada en la figura 3, el transistor T1 esta conectado al segundo borne e de entrada y el diodo esta conectado al primer borne d de entrada.
En la figura 4, el brazo de conmutacion del convertidor de tension de tipo reductor-elevador consta de dos transistores T2, T3 en serie, constando cada transistor de un diodo en paralelo. El punto medio situado entre los dos transistores T2, T3 esta conectado a la inductancia L. Esta arquitectura permitira en particular limitar los armonicos en la entrada del variador de velocidad y, por lo tanto, poder cumplir con los requisitos en terminos de THDI (Distorsion Armonica Total de Corriente, del ingles “Total Harmonic Distorsion of Current”) y de PWHD (Distorsion Armonica Parcial Ponderada, del ingles “Partial Wighted Harmonic Distorsion”).
El modulo de regeneracion de energfa electrica consta tambien de un circuito de derivacion conectado al convertidor de tension y de manera mas particular a su inductancia L. El circuito de derivacion esta destinado a derivar la corriente generada durante el frenado de la carga hacia una u otra de las fases R, S, T de entrada del variador de velocidad que estan conectadas a la red M de distribucion electrica. Este circuito de derivacion se compone de dos grupos de tres interruptores (S1a, S1b, S1c, S2a, S2b, S2c). Este circuito de derivacion esta conectado directamente a la inductancia L y realiza una conversion entre la corriente continua y la tension alterna de la red M de distribucion electrica. Al estar la entrada de este convertidor conectada a una fuente de corriente, no es necesaria ninguna inductancia adicional.
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Segun la primera forma de realizacion representada en la figura 2, cada uno de los tres interruptores S1a, S1b, S1c del primer grupo esta conectado, por una parte, al segundo borne e de entrada del modulo y, por otra parte, a un borne a, b, c de salida distinto del modulo. Segun la segunda forma de realizacion representada en la figura 3, cada uno de los tres interruptores S1a, S1b, S1c del primer grupo esta conectado, por una parte, al primer borne d de entrada del modulo y, por otra parte, a un borne a, b, c de salida distinto del modulo. En el segundo grupo, cada uno de los tres interruptores S2a, S2b, S2c esta conectado, por una parte, a la inductancia L y, por otra parte, a un borne a, b, c de salida distinto del modulo.
El modulo de regeneracion de energfa electrica consta tambien de un dispositivo de filtrado de tipo RC conectado en sus tres bornes de salida.
En funcionamiento, la energfa generada durante el frenado de la carga electrica se inyecta en el bus de corriente continua por medio de la etapa INV inversora de salida. Esto tiene como efecto aumentar la tension en los bornes del condensador Cbus de bus. Cuando la tension del bus es superior a una tension Vbusbrake de frenado, el convertidor de tension de tipo reductor permite reinyectar la energfa de frenado en la red M de distribucion electrica. Los interruptores del circuito de derivacion se controlan de modo que inyectan sucesivamente una corriente en las diferentes fases de entrada de modo que se recupere la tension Vso. La tension Vso esta presente en el punto de conexion del convertidor reductor con el circuito de derivacion y la segunda lmea 11 de alimentacion del bus de corriente continua de alimentacion y corresponde, por lo tanto, a la tension rectificada trifasica de la red M de distribucion electrica.
La recuperacion de esta tension Vso se realiza mediante el control de los dos grupos de interruptores del circuito de derivacion. Las conmutaciones de los interruptores se sincronizan con la frecuencia de la red de distribucion electrica (por ejemplo 50 Hz) y se realizan teniendo en cuenta los valores de las tres tensiones Van, Vbn, Vcn simples medidas en las fases de entrada del variador de velocidad con respecto al neutro o de al menos dos tensiones compuestas medidas entre las fases de entrada.
Por ejemplo, teniendo en cuenta unas tensiones simples, la recuperacion de la tension Vso sigue el siguiente algoritmo:
(Van > Vbn) y (Van > Vcn) entonces cerrar S2a y abrir S2b y S2c (Vbn > Van) y (Vbn > Vcn) entonces cerrar S2b y abrir S2a y S2c (Vcn > Van) y (Vcn > Vbn) entonces cerrar S2c y abrir S2a y S2b
(Van < Vbn) y (Van < Vcn) entonces cerrar S1a y abrir S1b y S1c (Vbn < Van) y (Vbn < Vcn) entonces cerrar S1b y abrir S1a y S1c (Vcn < Van) y (Vcn < Vbn) entonces cerrar S1c y abrir S1a y S1b
La figura 6 permite ilustrar la secuencia de accionamiento de los interruptores de los dos grupos. De este modo, la figura muestra la variacion de la tension Vso, la variacion de las tensiones Van, Vbn, Vcn simples asf como el estado 1 o 0 adoptado por los interruptores de cada grupo en funcion de los niveles de las tensiones simples y la variacion de la corriente (la) reinyectada en la fase R de entrada conectada al borne a de salida del modulo.
El control del convertidor de tension se puede realizar de diferentes maneras. En el caso de un convertidor de tension de tipo reductor, el control se explica por ejemplo a continuacion, en relacion con la figura 5.
La tension Vso esta constituida por arcosenos (figura 6). La potencia de frenado (Pbrake) se inyecta en la red segun un control que verifica el equilibrio de las potencias. La potencia inyectada se define segun un rendimiento de la cadena de frenado:
Pinj - • Q • rj
siendo Cbrake el par de frenado, siendo Q la velocidad de rotacion del arbol motor y siendo ^ el coeficiente de rendimiento de la conversion de la energfa mecanica a la energfa electrica inyectada al bus de corriente continua de alimentacion en la entrada del ondulador.
Habitualmente, la potencia Pinj inyectada se define con las magnitudes electricas medibles, la tension (Vbus) de bus y la corriente (linj) inyectada procedente de la carga C electrica que funciona en modo generador:
El control u del convertidor de tension (que define la relacion dclica de funcionamiento del transistor T1 del convertidor de tension) debe satisfacer en la ecuacion unas tensiones del convertidor de tension de tipo reductor:
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Se define la evolucion de baja frecuencia promediada del control u (designada < u >) de la siguiente manera:
Vs°avg
< u >=-----------—
Vbus brake
en la que Vsoavg corresponde a la media de tension Vso que se escribe de la siguiente manera:
3 A
VS0avg = ~U||
con 0|| que corresponde a la tension de cresta de la red M (tension de cresta entre fases).
De este modo el control < u > se regula para mantener la tension Vbus en la tension Vbusbrake de frenado deseada.
En principio, la tension Vbusbrake de frenado se define superior a la tension 0|| de cresta de la red (tension de cresta entre fases) para cumplir con las normas de funcionamiento de un convertidor de tension de tipo reductor.
La corriente Ibrake media maxima de frenado inyectada en la red viene dada por la siguiente expresion, siendo 0||mm la tension minima de la red:
.max _ Pinj brake „ A ’
— Uiimin
K
En la figura 5 se representa un primer cuadro sinoptico de control del convertidor de tension de tipo reductor. La tension Vbus medida en el bus de corriente continua de alimentacion se compara con una consigna de tension Vbusbrake de frenado del bus. La diferencia entre la medicion y la consigna se inyecta en un regulador con accion (PI) proporcional integral de modo que se deduzca el control u que hay que aplicar a una unidad de control con modulation (MAP) por ancho de pulso. Esta unidad de control aplica la modulation en el convertidor de tension de tipo reductor.
Por supuesto, otras estructuras de control del convertidor de tension de tipo reductor son posibles. Un segundo control podria estar basado en la corriente (Ibrake) de frenado. Entonces el control emplearia un circuito interno de corriente y un circuito externo de la tension Vbus del bus de corriente continua de alimentacion.
Tambien se colocaria un control adaptado para un convertidor de tension con dos transistores T2, T3 del tipo representado en la figura 4.
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REIVINDICACIONES
1. Modulo de regeneracion de ene^a electrica destinado a ser adaptado a un variador de velocidad, comprendiendo dicho variador de velocidad de:
- tres fases (R, S, T) de entrada conectadas a una red (M) de distribucion electrica,
- una etapa (REC) rectificadora conectada a las tres fases de entrada,
- un bus de corriente continua de alimentacion que comprende una primera lmea (10) de alimentacion y una segunda lmea (11) de alimentacion entre las que se aplica una tension continua suministrada en la salida por la etapa (REC) rectificadora,
- una etapa (INV) inversora destinada a ser conectada a la entrada al bus de corriente continua de alimentacion y en la salida a una carga (C) electrica,
estando dicho modulo caracterizado porque comprende:
- un primer borne (d) de entrada y un segundo borne (e) de entrada destinados a estar conectado cada uno en una lmea de alimentacion del bus de corriente continua de alimentacion del variador de velocidad,
- tres bornes (a, b, c) de salida destinados ser conectados a las tres fases (R, S, T) de entrada del variador de velocidad,
- un convertidor de tension conectado a los dos bornes (d, e) de entrada y que comprende en la salida una inductancia (L) de modo que forma una fuente de corriente para controlar la corriente de frenado de la carga (C) electrica, realizando el convertidor una funcion de conversion de la tension continua disponible en el bus de corriente continua de alimentacion en una corriente continua,
- un circuito de derivacion conectado directamente a dicha inductancia y destinado a derivar la corriente (Ibrake) de frenado hacia uno de los tres bornes (a, b, c) de salida, realizando el circuito de derivacion una conversion entre la corriente continua y la tension alterna de la red (M) de distribucion electrica.
2. Modulo segun la reivindicacion 1, caracterizado porque el convertidor de tension y el circuito de derivacion comprenden unos interruptores controlados en una frecuencia sincronizada con la frecuencia de la red (M) de distribucion electrica.
3. Modulo segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el convertidor de tension es de tipo reductor.
4. Modulo segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque el convertidor de tension es de tipo reductor- elevador.
5. Modulo segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el convertidor de tension es de multiples niveles.
6. Modulo segun la reivindicacion 3 o 4, caracterizado porque el convertidor de tension comprende una inductancia (L) y de un brazo de conmutacion conectado a dicha inductancia (L).
7. Modulo segun la reivindicacion 6, caracterizado porque el circuito de derivacion comprende un primer grupo de tres interruptores (S1a, S1b, S1c) que estan conectados cada uno al segundo borne (e) de entrada y a un borne (a, b, c) de salida distinto, y un segundo grupo de tres interruptores (S2a, S2b, S2c) que estan conectados cada uno a la inductancia (L) y a un borne (a, b, c) de salida distinto.
8. Modulo segun la reivindicacion 6, caracterizado porque el circuito de derivacion comprende un primer grupo de tres interruptores (S1a, S1b, S1c) que estan conectados cada uno al primer borne (d) de entrada y a un borne (a, b, c) de salida distinto, y un segundo grupo de tres interruptores (S2a, S2b, S2c) que estan conectados cada uno a la inductancia (L) y a un borne (a, b, c) de salida distinto.
9. Modulo segun una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque comprende un dispositivo de filtrado de tipo RC.
10. Sistema de control que comprende un variador de velocidad, comprendiendo dicho variador de velocidad:
- tres fases (R, S, T) de entrada conectadas a una red (M) de distribucion electrica,
- una etapa (REC) rectificadora conectada a las tres fases de entrada,
- un bus de corriente continua de alimentacion que comprende una primera lmea (10) de alimentacion y una segunda lmea (11) de alimentacion,
- una etapa (INV) inversora destinada a ser conectada a una carga (C) electrica, estando dicho sistema caracterizado porque comprende un modulo de regeneracion de energfa electrica como se ha definido en una de las reivindicaciones anteriores, estando dicho modulo destinado a ser adaptado al variador de velocidad.
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