WO2013132131A1 - Dispositivo inductor autoacoplado de núcleo único - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a single core self-coping inductor device that has a novel magnetic geometry and winding arrangement and an advantageous air gap distribution.
  • an inductance comprises a coil that is wound to a core that has a series of air gaps.
  • the air gaps modify the dispersion of the magnetic flux to mainly achieve a desired inductance value.
  • the present invention has the same functionality but integrating all three inductances into a single, single-core self-inducing induction device. For which it has been necessary to analyze the geometry of the magnetic core, the arrangement of the windings and air gap sizing to control the dispersion of the magnetic flux between the inductances.
  • a subject of the invention is a single-core auto-coupled inductor device which allows replacing the primary input inductance and the primary output inductance of each phase with a primary auto-coupled inductance, and the secondary inductance is integrated by sharing part of the magnetic core of the inductance primary auto-coupled, conferring in a single inductor device the three necessary inductances.
  • a self-coupled inductance offers approximately 4 times more impedance than with two conventional series. This fact makes the filtering capacity increase to a very important square, especially at low load currents.
  • Fig. 1 - Shows a schematic representation of the single-core auto-coupled inductor device, in particular for a three-phase "El" core filter in accordance with this invention.
  • Fig. 2 - Shows the geometry of the magnetic core and specific distribution of the air gaps for the topology shown in Figure 1 above.
  • Fig. 3 Schematic application of the invention in three-phase harmonic absorption filters for 6-phase three-phase converters as rectifiers, motor speed variators, uninterruptible power supplies, three-phase power supplies, etc.
  • Fig. 4 - Shows the geometry of the magnetic core and specific distribution of the air gaps for three-phase harmonic absorption filters for 6-phase three-phase converters with three-phase "El" type magnetic core, using another valid air gap distribution to obtain them required results. It is an alternative to that represented in figure 2 with the same functionality.
  • Fig. 5 Schematic application of the invention for current harmonic absorption filters for single-phase and two-phase converters such as electronic ballasts for discharge lighting (fluorescent, halogen gases, ...) and low consumption (led type), rectifier bridges, motor speed variators, uninterruptible power supplies, power supplies, etc.
  • Fig. 6 - Shows the geometry of the magnetic core and specific distribution of the air gaps for current harmonic absorption filters for biphasic converters with biphasic "Ul" type magnetic core.
  • Fig. 7 - Shows the geometry of the magnetic core and specific distribution of the air gaps for current harmonic absorption filters for single-phase converters with single-phase "El" type magnetic core.
  • the auto-coupled inductor device encompasses all the necessary inductances in a single element.
  • the primary columns are the coils of the primary input inductance (11) that are concentrically wound and therefore auto-coupled with the coils of the primary output inductance (12).
  • the secondary inductance coils (13) are located in the secondary columns, which do not share magnetic coupling with the primary coils.
  • the single magnetic core (2) and a distributed air gap (3) are shown, both are shown in more detail in the following figure.
  • Fig. 2 shows the geometry of the single magnetic core to conduct the flow and is composed of the upper cylinder head (21) that closes the magnetic flux of the primary columns (22) of the windings. of the auto-coupled primary input and output inductances, the shared central cylinder head (23) that closes flow of the primary and secondary inductances, the secondary columns (24) of the secondary inductance windings and the lower cylinder head (25) that closes the magnetic flux of the secondary inductance.
  • the upper cylinder head that closes the magnetic flux of the primary columns (22) of the windings. of the auto-coupled primary input and output inductances
  • the shared central cylinder head (23) that closes flow of the primary and secondary inductances
  • the secondary columns (24) of the secondary inductance windings and the lower cylinder head (25) that closes the magnetic flux of the secondary inductance.
  • the 2 also shows the distribution of the air gaps that create the necessary dispersion for each inductance as a function of their thickness, the upper head air gaps (31) to control the dispersion between the upper cylinder head (21) and the primary columns (22), the air gaps (32) of primary columns to control the dispersion of the primary coils (11 and 12), the air gaps (33) of the central cylinder head (23) to control the dispersion between primary (22) and secondary columns (24), secondary column air gaps (34) to control the dispersion of the secondary coil (13) and the lower head air gap (35) to control the dispersion between the secondary columns (24) and the lower cylinder head (25).
  • Irms Effective line intensity expressed in amps
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  • THD I Harmonic distortion rate in intensity expressed in%
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Description

DISPOSITIVO INDUCTOR AUTOACOPLADO DE NÚCLEO ÚNICO
Campo técnico de la invención
La invención se refiere a un dispositivo inductor autoacopiado de núcleo único que presenta una novedosa geometría magnética y disposición de bobinados y una ventajosa distribución de entrehierros.
Antecedentes de la invención o Estado de la Técnica
Es conocido que una inductancia comprende una bobina que se arrolla a un núcleo que tiene una serie de entrehierros. Los entrehierros modifican la dispersión dei flujo magnético para conseguir principalmente un valor de inductancia deseado.
En muchas aplicaciones, por ejemplo en filtros de absorción, rechazo, pasa bajo, pasa alto, es preciso conectar varias inductancias entre sí de acuerdo con su tipología (L-C, L-C-L, L-LC-L, etc.). La conexión se realiza componente a componente e implica en muchas ocasiones que unos componentes afecten el funcionamiento de otros. Efectos como la atenuación en modo común originada por la inductancia mutua han de ser considerados en este tipo de aplicaciones. Adicionalmente al conectar varias inductancias entre sí, se genera un aumento muy considerable del tamaño, el coste y menor eficiencia energética.
Según se trate de instalaciones monofásicas, bifásicas o trifásicas, este problema puede además acentuarse pues cada fase necesita de su propio conjunto de componentes asociado.
El documento US6127743 describe un sistema de mitigación de armónicos en redes trifásicas, componente a componente, de tres inductancias, dos primarias (una de entrada y otra de salida) y otra secundaria en sintonización con un. condensador por cada fase.
La presente invención presenta la misma funcionalidad pero integrando las tres inductancias en un único dispositivo inductor autoacopiado de núcleo único. Para lo que se ha tenido que analizar la geometría del núcleo magnético, la disposición de los bobinados y el dimensionamiento de los entrehierros para controlar la dispersión del flujo magnético entre las inductancias.
Breve descripción de la invención
La presente invención resuelve los problemas detectados en el estado de la técnica mediante las características presentes en la reivindicación independiente. Realizaciones particulares o ventajosas se exponen en las reivindicaciones dependientes. La invención tiene por objeto un dispositivo inductor autoacoplado de núcleo único lo que permite sustituir la inductancia primaria de entrada y ia inductancia primaria de salida de cada fase por una inductancia primaria autoacoplada, y la inductancia secundaria se integra compartiendo parte del núcleo magnético de la inductancia primaria autoacoplada, confiriendo en un único dispositivo inductor las tres inductancias necesarias.
Las ventajas de utilización de un dispositivo inductor autoacoplado de núcleo único frente tres inductancias convencionales son, entre otras:
- Aumento de la impedancia serie del filtró por la inductancia autoacoplada. Una inductancia autoacoplada ofrece aproximadamente 4 veces más impedancia que con dos convencionales en serie. Este hecho hace que la capacidad de filtrado aumente al cuadrado muy importante sobre todo a bajas corrientes de carga.
- Atenuación de las componentes de modo común por la inductancia mutua primaria.
- Mayor filtrado y atenuación de las corrientes armónicas que inyecta el convertidor. - Menor número de conexiones eléctricas exteriores.
- Menor tamaño y coste.
- Mayor rendimiento y eficiencia energética.
- Económicamente es más barato al ser un núcleo único con tres bobinados. Hay un ahorro de dos núcleos completos frente la construcción de tres inductancias convencionales con tres núcleos y tres bobinados.
Sin embargo, el empleo un dispositivo inductor autoacoplado de núcleo único trae consigo problemas tales como resolver que el reparto de impedancias sea el necesario para la correcta sintonización del filtro. También hay que conseguir la correcta distribución de! flujo magnético para evitar una saturación indeseada del dispositivo. Para obtener que las distintas inductancias se comporten como lo harían individualmente, se ha tenido que conseguir una geometría novedosa y específica del núcleo magnético, una disposición adecuada de los bobinados y distribución especial de los entrehierros. Fruto de la investigación llevada a cabo, se ha descubierto que mediante una distribución de los entrehierros del núcleo es posible conducir o dispersar el flujo magnético de forma selectiva y que, por ejemplo, la inducción se produzca en la bobina deseada. Como consecuencia, el número de entrehierros y su espesor tiene una significativa influencia para lograr la integración en un solo componente.
Son compatibles con la solución anterior, diferentes tipos de núcleo: El trifásico, "Ul" bifásico, El monofásico, según la tipología de filtro requerido para sistemas de filtros trifásicos, bifásicos y monofásicos respectivamente.
Breve descripción de las figuras
A continuación sin carácter limitativo se exponen un ejemplo de realización de acuerdo con la invención con fines aclaratorios:
Fig. 1 - Muestra una representación esquemática del dispositivo inductor autoacoplado de núcleo único, en particular para un filtro en núcleo "El" trifásico de acuerdo con esta invención.
Fig. 2 - Muestra la geometría del núcleo magnético y distribución especifica de los entrehierros para la topología representada en figura 1 anterior.
Fig. 3 - Aplicación esquemática de la invención en filtros de absorción de armónicos de corriente trifásicos para convertidores trifásicos de 6 pulsos como rectificadores, variadores de velocidad para motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, fuentes de alimentación trifásicas, etc.
Fig. 4 - Muestra la geometría del núcleo magnético y distribución específica de los entrehierros para filtros de absorción de armónicos de corriente trifásicos para convertidores trifásicos de 6 pulsos con núcleo magnético tipo "El" trifásico, utilizando otra distribución de entrehierros válida para obtener los mismos resultados requeridos. Es una alternativa a la representada en la figura n° 2 con la misma funcionalidad.
Fig. 5 - Aplicación esquemática de la invención para filtros de absorción de armónicos de corriente para convertidores monofásicos y bifásicos como balastros electrónicos para iluminación de descarga (fluorescentes, gases halógenos, ...) y de, bajo consumo (tipo led), puentes rectificadores, variadores de velocidad para motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, fuentes de alimentación, etc.
Fig. 6 - Muestra la geometría del núcleo magnético y distribución específica de los entrehierros para filtros de absorción de armónicos de corriente para convertidores bifásicos con núcleo magnético tipo "Ul" bifásico.
Fig. 7 - Muestra la geometría del núcleo magnético y distribución específica de los entrehierros para filtros de absorción de armónicos de corriente para convertidores monofásicos con núcleo magnético tipo "El" monofásico.
Fig. 8 - Resultados obtenidos en ias ondas de tensión y corriente absorbidas de la red para un ejemplo de un filtra de armónicos trifásico para un convertidor de 6 pulsos que alimenta un motor de 75 kW, donde se observa la considerable reducción de armónicos obtenida.
Descripción detallada de la invención
Como se observa en la fig. 1 el dispositivo inductor autoacoplado engloba en un solo elemento todas las inductancias necesarias. Concretamente en las columnas primarias se ubican las bobinas de la inductancia primaria de entrada (11 ) que están bobinadas concéntricamente y por tanto autoacopladas con las bobinas de la inductancia primaria de salida (12). En las columnas secundarias se ubican las bobinas de la inductancia secundaria (13), que no comparten acoplamiento magnético con las bobinas primarias. Además se representa el núcleo magnético único (2) y un entrehierro distribuido (3), ambos se muestran más detalladamente en la siguiente figura.
La fig. 2 muestra la geométrica del núcleo magnético único para conducir el flujo y está compuesto por la culata superior (21 ) que cierra el flujo magnético de las columnas primarias (22) de los bobinados . de las inductancias primaria de entrada y salida autoacopladas, la culata central (23) compartida que cierra flujo de las inductancias primarias y secundaria, las columnas secundarias (24) de los bobinados de la inductancia secundaria y la culata inferior (25) que cierra el flujo magnético de la de inductancia secundaria. Para distribuir selectivamente el flujo magnético según convenga la fig. 2 también muestra la distribución de los entrehierros que crean la dispersión necesaria para cada inductancia en función del espesor de estos, los entrehierros (31 ) de cabeza superior para controlar la dispersión entre la culata superior (21 ) y las columnas primarias (22), los entrehierros (32) de columnas primarias para controlar la dispersión de las bobinas primarias (11 y 12) , los entrehierros (33) de culata central (23) para controlar la dispersión entre columnas primarias (22) y secundarias (24) , los entrehierros (34) de columna secundaria para controlar la dispersión de la bobina secundaria (13) y el entrehierro (35) de cabeza inferior para controlar la dispersión entre la columnas secundarias (24) y la culata inferior (25).
Leyendas:
SPF = siglas equipo "filtro pasivo de armónicos" topología Fig. 3
Irms = Intensidad eficaz de línea expresada en amperios Vrms= Tensión eficaz de línea, expresada en voltios
THD I = Tasa de distorsión armónica en intensidad expresada en % THD V = Tasa de distorsión armónica en tensión expresada en %
Referencias numéricas:
11 inductancia primaria de entrada o superior;
12 inductancia primaria de salida o inferior;
13 inductancia secundaria;
2 núcleo magnético único;
3 entrehierro;
21 culata superior;
22 columnas primarias;
23 culata central;
24 columnas secundarias;
25 culata inferior;
31 entrehierros superiores; 32 entrehierros primarios;
33 entrehierros centrales;
34 entrehierros secundarios; 41 pletinas para sujeción; 42 tirantes para sujeción;

Claims

Reivindicaciones
1. - Dispositivo inductor autoacoplado de núcleo único que comprende:
- una pluralidad de inductancias con al menos una inductancia primaria de entrada (11) autoacoplada con una inductancia primaria de salida (12) y una inductancia secundaria adyacente (13);
- un núcleo magnético (2) compuesto por unas columnas primarias (22), una columna secundaria (24), una culata superior primaria (21 ), una culata inferior secundaria (25) y una culata central común (23);
- una distribución especifica de varios entrehierros (3) para controlar y modificar la dispersión del flujo magnético;
2. - Dispositivo inductor según reivindicación 1, caracterizado por que al menos uno de los entrehierros (32,34) están distribuidos uniformemente a lo largo de su al menos correspondiente columna (22, 24).
3. - Dispositivo inductor según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que comprende además unos entrehierros de cabeza superior (31) y cabeza inferior (35) que controlan la dispersión del flujo de las columnas primarias (22) y columnas secundarias (24) respectivamente. Los entrehierros de culata central (33) controlan el flujo de dispersión común de las columnas primarias (22) y columnas secundarias (24).
4. - Dispositivo inductor según la reivindicación 3, caracterizado por que los entrehierros de cabeza superior (31 ), de culata central (33), de cabeza inferior (35), tienen un espesor igual o menor que los entrehierros de columnas (32) y (34).
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