ES2206322T3 - Convertidor para la transformacion de energia electrica. - Google Patents

Abstract

Convertidor para la transformación de la energía eléctrica alimentada por un generador (10), especialmente para una red de a bordo de un vehículo, con al menos un semipuente (26, 27, 28), que presenta al menos un conmutador de lado alto (41 a 52) y al menos un conmutador de lado bajo (29 a 40) conectado con el conmutador de lado alto (41 a 52), donde la conexión de los conmutadores de lato alto (41 a 52 y de los conmutadores de lado bajo (29 a 40) está en conexión con arrollamientos de fases (11, 12, 13) del generador (10) y comprende un número predeterminable de conmutadores, que presentan un terminal común, en el que se puede tomar la tensión (U) y con un condensador (53, 54, 55), que está en paralelo con el semipuente (26, 27, 28), caracterizado porque los arrollamientos de fases (11, 12, 13) del generador (10) están constituidos en cada caso por un número k predeterminable de arrollamientos (14 a 25) que están en paralelo, donde k es mayor que 1 y porque el convertidor es un convertidortrifásico, que comprende tres semipuentes (26, 27, 28) idénticos, que presentan dos veces más conmutadores que las derivaciones (14 a 25) correspondientes del arrollamiento, y los conmutadores situados en paralelo son sincronizados de una manera desplazada dentro de un semipuente (26, 27, 28).

Description

Convertidor para la transformación de energía eléctrica.

La invención se refiere a un convertidor para la transformación de energía eléctrica, especialmente para la energía eléctrica generada por un generador para una red de a bordo de un vehículo.

Estado de la técnica

La transformación de energía eléctrica, especialmente en una red de a bordo de un automóvil, se realiza actualmente de una manera habitual a través de convertidores estáticos. En estos circuitos electrónicos de potencia se transforman, con frecuencia, magnitudes continuas en magnitudes alternas de una frecuencia determinada o a la inversa magnitudes alternas en magnitudes continuas. Las magnitudes alternas y las magnitudes continuas, respectivamente, son, por ejemplo, tensiones o corrientes. Para la transformación de las magnitudes existe también la posibilidad de que las magnitudes continuas sean transformadas en magnitudes continuas, por ejemplo una tensión continua en una tensión continua con otro nivel de tensión. En esta transformación de la tensión se puede realizar también un flujo de energía en ambas direcciones.

Los convertidores con un circuito intermedio de la tensión (convertidores de tensión) y los circuitos de puente autoguiados, especialmente los circuitos de puentes de rectificadores en una red de a bordo de un automóvil, son actualmente la solución estándar para casi todos los campos de aplicación de los convertidores. En este caso, el circuito intermedio se puede formar también directamente por una red de tensión continua. El circuito intermedio es necesario para el almacenamiento intermedio de la energía. Como almacenamiento intermedio sirve en este caso un condensador con una capacidad lo más grande posible.

La capacidad necesaria del condensador de circuito intermedio se determina a través de la energía que debe almacenar temporalmente y a través de la corriente alterna que resulta de ello. La mayoría de las veces se utiliza para el circuito intermedio un condensador de electrolito, en el caso de que deban acumularse temporalmente cantidades mayores de energía, se emplean varios condensadores de electrolito. Éstos poseen con respecto a su volumen una capacidad especialmente grande, pero son muy sensibles frente a altas temperaturas condicionados por el tipo de construcción. Esto conduce especialmente a temperaturas más elevadas a un envejecimiento de los condensadores de electrolito y a un fallo prematuro. Otros inconvenientes de los condensadores de electrolito son su capacidad reducida de soporte de corriente, su resistencia interna relativamente grande y las inductividades parásitas en serie con la capacidad.

Se conoce, por ejemplo, por el documento DE-OS 196 46 043 un convertidor para la transformación de energía eléctrica, en el que, en una red de a bordo de un vehículo, se transforma la tensión alimentada por un generador de corriente trifásica. En este sistema conocido, el generador de corriente trifásica es accionado al mismo tiempo también como motor de arranque. De esta manera, la máquina puede funcionar tanto como motor de arranque como también como generador y para la regulación óptima de la tensión de salida durante el funcionamiento del generador, la máquina eléctrica está conectada a través de un puente rectificador controlado por medio de un condensador de circuito intermedio con la red de a bordo, incluida la batería. El puente rectificador comprende en este caso seis elementos inversores controlados por impulsos, que son activados por un aparato de control de la red de a bordo.

Cometido de la invención

Las capacidades del circuito intermedio necesarias en los convertidores de potencia conocidos, o bien la capacidad de entrada en los convertidores de tensión continua (convertidores DC / DC) requieren un espacio de construcción considerable. Con frecuencia, el condensador de circuito intermedio, por ejemplo un condensador de electrolito, es el componente con el máximo volumen. Puesto que esto es un inconveniente, el cometido de la invención consiste en reducir claramente el valor de la capacidad del circuito intermedio y especialmente también el tamaño de la capacidad del circuito intermedio o bien del condensador de circuito intermedio o la capacidad de entrada en el caso de un convertidor de tensión y de esta manera reducir el volumen de construcción y los costes. Otro cometido consiste en crear una posibilidad en la que se puede reducir la capacidad hasta el punto de que se puede pasar desde los condensadores de electrolito empleados habitualmente en el circuito intermedio a otros principios de condensador. Otro cometido de la invención consiste en configurar disposiciones de bobinas de tal manera que las diferentes derivaciones de los convertidores están desacopladas unas de otras.

Se conoce por el documento US-PS 5 726 557 un sistema de alimentación de tensión para un automóvil, que comprende un generador de corriente trifásica, cuya tensión de salida o bien corriente de salida es rectificada con la ayuda de un puente rectificador controlado. La activación de los transistores de efecto de campo del puente rectificador controlado se realiza en este caso de tal forma que se obtiene una rectificación que funciona con un rendimiento especialmente alto. A tal fin, se controlan los transistores de efecto de campo del puente rectificador de una manera desplazada en el tiempo entre sí, de modo que se cortocircuitan determinados arrollamientos del generador en tiempos predeterminables, con lo que se obtiene una tensión elevada con respecto a la tensión de salida habitual del generador, que sirve para la alimentación de la red de a bordo.

Ventajas de la invención

El convertidor según la invención para la transformación de energía eléctrica con las características de la reivindicación 1 tiene la ventaja de que como capacidad de circuito intermedio es suficiente un condensador, cuya capacidad está claramente reducida frente a los sistemas convencionales. Con ello es posible de una manera ventajosa reducir claramente el tamaño del condensador de circuito intermedio y con ello reducir el volumen de construcción así como los costes resultantes. De manera especialmente ventajosa, es posible la configuración del convertidor, que comprende un conmutador de lado alto y un conmutador de lado bajo, de manera que se puede reducir la capacidad necesaria hasta el punto de que se puede pasar desde los condensadores de electrolito empleados habitualmente a otros principios de condensador. De esta manera se consiguen las ventajas especiales de que se pueden eludir la capacidad reducida de soporte de corriente así como las sensibilidades al envejecimiento y a la temperatura de los condensadores de electrolito.

Otras ventajas de la invención se consiguen a través de las medidas indicadas en las reivindicaciones dependientes. En este caso es ventajoso que el o los convertidores o bien convertidores DC/DC se pueden constituir como semipuentes separados con válvulas de semiconductores, que se pueden agrupar también de una manera ventajosa para formar un módulo convertidor completo, que se puede integrar de una manera especialmente ventajosa en la carcasa del generador o bien en la carcasa de la máquina.

A través de la activación desplazada en el tiempo de los semipuentes se puede obtener de una manera ventajosa una marca rizada de la tensión especialmente reducida. A través de la activación simultánea de válvulas de semiconductores conectadas en paralelo o de conmutadores de semiconductores de un semipuente se evitan con seguridad los cortocircuitos.

El empleo de bobinas acopladas posibilita un desacoplamiento especialmente ventajoso de diferentes derivaciones de los convertidores. El arrollamiento de la máquina, por ejemplo, para un generador de polos intercalados en circuito en triángulo se puede realizar a través de la disposición ventajosa de bobinas, de tal forma que se obtiene un desacoplamiento de dos derivaciones parciales.

Dibujo

Los ejemplos de realización de la invención se representan en las figuras del dibujo y se explican en detalle en la descripción siguiente. En particular, la figura 1 muestra una máquina trifásica, por ejemplo, con cuatro derivaciones paralelas por fase, la figura 2 muestra una configuración de circuito, en la que los módulos de semipuente del convertidor están dispuestos distribuidos sobre la periferia de la máquina. La figura 3 muestra otra configuración de una máquina trifásica. En la figura 4 se representa un módulo de un semipuente para activación desplazada y la figura 5 muestra un convertidor trifásico completo, que está constituido por tres semipuentes idénticos para la activación desplazada. La figura 6 muestra una forma de realización de la invención para un convertidor de tensión continua (convertidor DC/DC) con diferente nivel de la tensión y la figura 7 muestra un resumen de las corrientes de circuito intermedio para diferentes relaciones de sincronización. En la figura 8 se representa un módulo de puente con válvulas longitudinales y en la figura 9 se representa un módulo de puente con bobinas transversales para un puente rectificador.

En las figuras 10, 11, 12 y 13 se representan diferentes disposiciones de bobinas y las figuras 14 y 15 muestran ejemplos para arrollamientos de máquinas separados.

Descripción

En el caso de convertidores estáticos para la transformación de energía eléctrica se emplean semiconductores de la electrónica de potencia. En este caso, los convertidores se pueden dividir con frecuencia en los llamados semipuentes. Así, por ejemplo, los convertidores para funcionamiento trifásico están constituidos por tres semipuentes, que se agrupan también parcialmente en un módulo convertidor completo. También los convertidores DC-DC se pueden realizar a través de un semipuente. Un semipuente está constituido en cada caso por un conmutador de lato alto y un conmutador de lado bajo, designados también a continuación como válvula o válvula de semiconductores y comprende un número de transistores dependiente del número de fases. Los conmutadores pueden estar constituidos también por un número adecuado de elementos inversores controlados por impulsos.

La capacidad del condensador de circuito intermedio, que es necesaria para la capacidad funcional de una derivación de semipuente de este tipo, resulta en el caso de una activación con una modulación de la anchura del impulso (PWM) de la frecuencia f_{PWM} con:

C = \frac{v \cdot (1 - v) \cdot /}{f_{PWM} \cdot U}

En ella, I es la corriente de salida del semipuente, \DeltaU es la llamada oscilación de la tensión admisible en el circuito intermedio (lado de entrada) y v es la relación de sincronización momentánea de la modulación de la anchura del impulso (PWM). Se forma un puente de fases múltiples a través de un número correspondiente de semipuentes. Las activaciones de estos semipuentes se realizan la mayoría de las veces de una manera desplazada entre sí. De este modo se puede reducir la carga del circuito intermedio, puesto que las fases individuales toman corriente de una manera desplazada desde el circuito intermedio, y se reduce de una manera correspondiente la marca rizada de la tensión. La marca rizada máxima de la tensión se produce con una relación de sincronización PWM de v = 0,5.

Con frecuencia, para la consecución de la capacidad de soporte de corriente requerida de los conmutadores se conectan en paralelo varias válvulas de semiconductores en un semipuente. Las válvulas conectadas en paralelo deben activarse al mismo tiempo para evitar en cualquier caso una "derivación caliente" en el semipuente y, por lo tanto, un cortocircuito del circuito intermedio. De este modo, el circuito paralelo de las válvulas individuales se comporta como "un" conmutador.

Si se anula ahora el circuito en paralelo de las válvulas de semiconductores en la salida, resulta a partir de este semipuente una disposición de muchas fases. Esta presenta la ventaja de que se puede reducir claramente la carga del circuito intermedio cuando las derivaciones parciales son activadas de forma recíproca. Si se desacoplan las derivaciones paralelas sobre inductividades, se pueden conectar de nuevo en paralelo y se puede conseguir la ventaja de la carga reducida del circuito intermedio también en disposiciones trifásicas, en efecto, incluso en la disposición "monofásica" de un convertidor DC/DC.

En el caso de convertidores y de convertidores DC/DC, que son constituidos a través de semipuentes, se pueden realizar también los semipuentes como módulos completos, que integran al mismo tiempo un condensador de circuito intermedio y/o un circuito de activación.

Con frecuencia, los dos conmutadores de puente se forman a través de la conexión en paralelo de varias válvulas individuales o bien de conmutadores. En las figuras individuales se muestran a tal fin a modo de ejemplo cuatro válvulas, por ejemplo transistores de efecto de campo (MOSFETs). Pero también se puede utilizar cualquier otro número de semiconductores paralelos. Como semiconductores se pueden utilizar evidentemente también otras válvulas distintas a los transistores de efecto de campo ya mencionados, por ejemplo transistores bipolares o elementos inversores controlados por impulsos, etc. Por lo tanto, un convertidor trifásico puede estar constituido por tres módulos de semipuentes de este tipo. Un convertidor DC/DC se puede realizar a través de un semipuente con un número opcional adecuado de válvulas. La activación de las válvulas o conmutadores se realiza a través de una instalación de control o de regulación, que emite las señales de activación necesarias. En una red de a bordo de un vehículo se puede emplear como instalación de control o de regulación el regulador de la tensión o un aparato de control de la red de a bordo u otro aparato de control.

Derivaciones de arrollamientos en paralelo para el funcionamiento de fases múltiples

Tanto en los convertidores de tensión monofásica como también en las máquinas trifásicas, el arrollamiento puede estar constituido por diferentes derivaciones del arrollamiento conectadas en paralelo. En principio, es posible anular en la máquina esta conexión en paralelo de las derivaciones individuales del arrollamiento, por ejemplo en el caso de máquinas trifásicas y conducir las conexiones de forma separada al convertidor. En la figura 1 se representa un ejemplo de circuito de este tipo.

En este ejemplo de circuito, un generador de corriente trifásica 10 con los arrollamientos de fases 11, 12 y 13 alimenta la energía eléctrica. Los arrollamientos de fases están divididos, por su parte, en cuatro derivaciones de arrollamiento 14 a 17, 18 a 21 y 22 a 25 conectadas en paralelo, respectivamente. A los arrollamientos de fases 11, 12 y 13 están asociados los semipuentes 26, 27 y 28, que comprenden en cada caso cuatro conmutadores de lado bajo 29 a 40 y cuatro conmutadores de lado alto 41 a 52. En paralelo con cada semipuente 26, 27 y 28 se encuentran los condensadores de circuito intermedio y las capacidades de circuito intermedio 53, 54 y 55, respectivamente.

Las derivaciones del arrollamiento en paralelo se pueden conectar ahora por separado en las derivaciones paralelas del semipuente respectivo del convertidor. De esta manera, la máquina trifásica se convierte en una disposición de fases múltiples. Si se activan ahora las derivaciones paralelas (no conectadas ya sobre el lado de salida, o bien el lado de la máquina) de un semipuente de forma desplazada, entonces resulta una carga drásticamente reducida del condensador de circuito intermedio,. Sin embargo, este circuito presenta el inconveniente de que entre el convertidor y la máquina se requiere una pluralidad de líneas de conexión.

Este circuito se puede utilizar, sin embargo, de forma ventajosa cuando los semipuentes individuales son constituidos como módulos completos y son integrados directamente en la máquina. En este caso, los módulos de semipuentes se pueden disponer también distribuidos sobre la periferia de la máquina.

Evidentemente, también es posible en circuito en triángulo en lugar del circuito en estrella de fases múltiples. El circuito en triángulo pasa, en el caso de una disposición de fases múltiples, a un circuito anular, como existe también en la máquina de corriente continua. Se representa aquí de 12 fases, pero también es posible cualquier otro número de fases, especialmente también son concebibles números impares de fases. En las figuras 2 y 3 se representan dos ejemplos de circuito. En este caso, a modo de ejemplo, solamente una derivación de circuito 14 con las válvulas o conmutadores 32 a 44 correspondientes y con una capacidad de circuito intermedio 53a está provista con un signo de referencia. La activación de los conmutadores se realiza a través de la instalación de control o de regulación 75. En la figura 2 se representa la conexión entre la instalación de control o de regulación 75 y las válvulas a modo de ejemplo para los conmutadores 32 y 44, existiendo esta conexión evidentemente también para los restantes conmutadores. La tensión alimentada por el generador 10 en el funcionamiento está designada con U.

En lugar de las disposiciones de fases múltiples representadas también es posible seleccionar una conexión del arrollamiento que se forma a partir de varias estrellas o triángulos separados. En este caso es posible también a modo de ejemplo para la realización de la disposición de fases múltiples proveer una máquina de varios polos por pareja polar con un arrollamiento separado y conectarlo de forma separada en las derivaciones del convertidor.

Funcionamiento paralelo dentro de un semipuente

Puesto que la división del arrollamiento en varios tramos de arrollamiento en un convertidor externo tiene el inconveniente del número grande de líneas de conexión entre el convertidor y la máquina, estos tamos del arrollamiento deben interconectarse de nuevo y un circuito dentro del semipuente debe proporcionar la posibilidad de una sincronización desplazada.

El mismo procedimiento con activación desplazada de las válvulas paralelas dentro de un semipuente se puede realizar también cuando las derivaciones parciales están interconectadas en una fase en la salida. No obstante, delante del punto nodal, en el que confluyen las derivaciones parciales, es necesaria en cada caso una inductividad pequeña, que impida una derivación caliente dentro del semipuente.

La figura 4 muestra un módulo de un semipuente para un convertidor con activación desplazada, siendo representadas aquí a modo de ejemplo cuatro válvulas o conmutadores 29, 30, 31 y 32 así como 41, 42, 43 y 44 en paralelo. No obstante, también es posible cualquier otro número de válvulas paralelas o bien otro número de derivaciones parciales paralelas. Adicionalmente están presentes inductividades de desacoplamiento 56, 57, 58 y 59, que son necesarias para la capacidad funcional del convertidor.

La figura 5 muestra un convertidor trifásico completo para un generador de corriente trifásica, por ejemplo un generador o un motor de arranque / generador, que comprende tres semipuentes idénticos para la activación desplazada. A cada uno de los semipuentes están asociadas inductividades 56 a 67. La descripción de la disposición del convertidor mostrada en la figura 5 corresponde a las explicaciones de las figuras 1 a 4. Para la activación de los conmutadores o válvulas se indica a modo de ejemplo la conexión entre el conmutador o válvula 33 y la instalación de control y regulación 75.

La figura 6 muestra un ejemplo de realización para un convertidor de tensión (convertidor DC/DC). Un semipuente con conmutadores 29 a 32 y 41 a 44 que se pueden activar así como con las inductividades de desacoplamiento 56 a 59 se puede utilizar también como puro convertidor DC/DC. A tal fin, el módulo de puente se puede ampliar en la salida solamente por medio de un condensador 68. La inductividad necesaria para un convertidor DC-DC está presente ya a través de las inductividades de desacoplamiento 56 a 58.

Principio de la sincronización desplazada

La sincronización desplazada de los transistores paralelos dentro de una derivación de puente tiene como consecuencia una carga considerablemente menor del condensador de circuito intermedio asociado. Esto se muestra con la ayuda de un ejemplo. En este caso se parte para la representación de principio en primer lugar de inductividades grandes en las salidas, de manera que se pueden considerar como constantes. Por otra parte, se considera sólo la corriente de circuito intermedio de un semipuente. En el caso de un puente completo de convertidor se anulan al menos parcialmente las porciones de armónicos en la corriente de circuito intermedio, de manera que resultan relaciones más ventajosas.

Para las consideraciones siguientes se parte ahora a modo de ejemplo de cuatro conmutadores paralelos (k = 4). Durante la sincronización desplazada dentro de un semipuente existen entonces, además de las relaciones de sincronización v = 0 y 1, otras tres relaciones de sincronización, en las que no se carga, al menos teóricamente, el condensador de circuito intermedio 53, 54, 55 según las figuras 1, 4 ó 5. Esto se aplica para las relaciones de sincronización v = 2/8; 4/8 y 6/8. El número de las relaciones de sincronización libres de carga es en principio igual al número de los conmutadores paralelos k más uno (k + 1).

Las relaciones de sincronización, en las que no se carga teóricamente el condensador de circuito intermedio o bien los condensadores de circuito intermedio, están, en general, en v = g/k. En la que g es un número entero entre 0 y k (g = 0; 1; 2; ... k). Las relaciones de sincronización, en las que aparece la carga máxima del condensador o de los condensadores, se encuentran en cada caso entre estas relaciones de sincronización libres de carga en v = (g' = 1; 2;... k; por lo tanto, sin el valor 0.

En la figura 7 se representan para diferentes relaciones de sincronización las llamadas corrientes de circuito intermedio, que deben ser alimentadas por el condensador de circuito intermedio. En primer lugar se representan en este caso las relaciones de sincronización v = ¼, ½ y ¾. En estas tres relaciones de sincronización no se produce, en la sincronización desplazada, al menos teóricamente ninguna carga del condensador de circuito intermedio correspondiente. Como otro ejemplo se representa la relación de sincronización v = 5/8. En esta relación de sincronización se consigue, en la sincronización desplazada, una carga máxima del condensador de circuito intermedio.

La diferente carga del condensador en el caso de activación simultánea de los conmutadores o válvulas y en el caso de activación desplazada de los conmutadores o válvulas se puede deducir a partir de la siguiente confrontación:

	Corriente del circuito intermedio en la	Corriente del circuito intermedio en la
	conmutación simultánea	conmutación desplazada
Relación de sincronización	v = ½	v = 5/4
desfavorable
Frecuencia	Frec. Sincr. f_{PWM}	4 f_{PWM} = kf f_{PWM}
Salto de la corriente	Tramo corriente I_{Tramo}	¼ I_{Tramo} = I_{Tramo} /k
Corriente efectiva del	½ I_{Tramo}	1/8 I_{Tramo} = I_{Tramo} /2k
condensador
Capacidad necesaria para la	C	C/16 = C/k^{2}
misma subida de la tensión

Por lo tanto, por medio de este procedimiento de activación se puede reducir el condensador de electrolito necesario hasta ahora. En el caso de cuatro derivaciones paralelas resulta como capacidad del circuito intermedio:

C = C_{antigua} \cdot \frac{1}{k^{2}} = \frac{C_{antigua}}{16}

Si se pasa adicionalmente a otro principio de condensador con mayor capacidad de soporte de la corriente en comparación con los condensadores de electrolito, entonces se puede reducir de nuevo la mayoría de las veces la capacidad. En el caso de condensadores de electrolito, la mayoría de las veces la carga de la corriente es decisiva para el tamaño, puesto que éste es el tamaño limitador. Por lo tanto, la capacidad empleada es la mayoría de las veces mayor que la que sería necesaria para la marca rizada de la tensión necesaria.

Además, se puede permitir también una marca rizada de la tensión mayor (oscilación de la tensión), que se puede filtrar con facilidad a las frecuencias grandes (k f_{PWM}), lo que reduce adicionalmente la capacidad del circuito intermedio.

Inductividad necesaria

Para la función de una activación desplazada de los conmutadores paralelos son necesarias adicionalmente inductividades 56 a 67. Estas se encuentran, como se representa en las figuras 4, 5 y 6, en la salida de cada derivación de semipuente. Como aproximación se puede partir en primer lugar de que la tensión en el nodo de salida se encuentra en el valor medio constante de la tensión sincronizada (U = _{v}U_{z}). De esta manera resulta una tensión sobre la inductividad de

1

La integral sobre U_{L} debe ser igual a cero en el caso de una resistencia óhmica insignificante

(\int \limits^{T_{PWM}}_{0}U_{L}dt = 0.

La inductividad necesaria resulta en el caso de una oscilación admisible de la corriente de \DeltaI para

L = v \cdot (1 - v)\frac{U_{z}\cdot T_{PWM}}{\Delta l}

A este respecto, se produce el caso más desfavorable a una relación de sincronización de v = 0,5. La inductividad de salida representa al mismo tiempo un filtro de salida, de manera que se modera la inclinación empinada de los flancos de la tensión de salida. A través de una capacidad adicional en las salidas de las fases del rectificador se puede mejorar adicionalmente este efecto de filtro. Adicionalmente se pueden aprovechar aquí también las inductividades de la línea desde los elementos de conmutación hasta el punto de reunión.

Para las inductividades en la salida de los semipuentes son concebibles también bobinas combinadas. La disposición de bobinas se realiza en forma de bobinas longitudinales según la figura 8 o de bobinas transversales según la figura 9.

En el circuito con las bobinas longitudinales 69 a 72 está presente en principio la capacidad funcional. En este caso, por ejemplo todas las bobinas, que presentan en cada caso una toma central, se pueden colocar sobre un núcleo común. No obstante, puede ser problemática la dispersión entre los dos arrollamientos de las bobinas. Además, las bobinas se pueden montar con baja inductividad en la derivación entre los transistores de los conmutadores o válvulas. No obstante, aquí se pueden utilizar circuitos de descarga usuales para las válvulas.

Si se inserta entre dos derivaciones de válvulas una bobina acoplada, entonces resulta una disposición con bobinas transversales 73 y 74. En este caso, una bobina transversal asume la función para ambas derivaciones. Por lo tanto, se requiere la mitad del número de bobinas con respecto a la solución con bobinas longitudinales. Además, cada bobina debe dimensionarse sólo para la corriente diferencial de las dos derivaciones. La corriente de salida media de estas dos derivaciones se anula en el flujo de la bobina. Esta variante es especialmente ventajosa cuando las dos derivaciones, entre las que se encuentra la bobina, son aquéllas que están desplazadas entre sí en la medida de T I_{PWM} /2.

Puesto que el convertidor ve internamente una marca rizada de la corriente, es decir, una oscilación de la corriente en sus elementos de conmutación, las pérdidas de paso y las pérdidas de conmutación son correspondientemente mayores. La marca rizada de la corriente es independiente de la corriente de carga momentánea. Se determina en primer lugar solamente a través de la relación de sincronización v.

\Delta l = v \cdot (1 - v) \cdot \frac{U_{z}\cdot T_{PWM}}{L}

De esta manera, la marca rizada de la corriente aparece en toda su magnitud también en la región de carga parcial y en la marcha en ralentí de la máquina. Las pérdidas adicionales del convertidor a través de la marca rizada de la corriente aparecen igualmente en la región de la carga parcial. Por lo tanto, se indican también todavía medidas que proporcionan una mejora en la región de carga parcial.

Mejora en la región de carga parcial

Con respecto a las pérdidas que se producen, un convertidor con conmutación simultánea en la marcha en vacío y en la región de carga parcial es más favorable que otras soluciones. En la región de carga parcial, el convertidor de conexión simultánea requiere una capacidad menor. De esta manera se puede mejorar adicionalmente el rendimiento de la carga parcial de toda la disposición, cuando, en el conmutador que se conecta de forma desplazada, se modifica el desplazamiento de las válvulas de activación con la corriente de carga. Esto significa en la marcha en vacío que el convertidor es accionado como convertidor de conexión simultánea y en la región de plena carga se convierte en el convertidor que se conecta de forma desplazada con un desplazamiento temporal de los impulsos de control en la medida de T_{PWM}/k. Esto corresponde a una distribución simétrica de los impulsos de activación para los conmutadores o válvulas individuales.

La posibilidad ya mencionada del empleo de bobinas acopladas se puede conseguir con las disposiciones mostradas en las figuras 10 a 12. En las figuras 13 a 15 se representan formas de construcción y disposiciones de arrollamiento que son adecuadas para desacoplar las diferentes derivaciones parciales del convertidor. Además, se indica un arrollamiento de la máquina para un generador de polos intercalados en circuito en triángulo, que es adecuado igualmente para el desacoplamiento de dos derivaciones parciales paralelas. Este arrollamiento es especialmente bien adecuado, puesto que se puede integrar en generadores actuales con dos hilos de arrollamiento.

Bobinas acopladas o compensadas

Puesto que solamente son necesarias las inductividades entre las derivaciones parciales del semipuente para desacoplar las derivaciones parciales entre sí y puesto que la carga parcial del semipuente no requiere ninguna inductividad adicional, se puede reducir el tamaño de la bobina a través de inductividades mayores. Las bobinas acopladas deben dimensionarse de tal forma que se compensan mutuamente las corrientes parciales de las derivaciones parciales y no conducen a ninguna carga magnética de las bobinas. Solamente la corriente diferencial entre las derivaciones parciales individuales (marca rizada de la corriente) conduce entonces a un campo magnético. El núcleo de la bobina solamente tiene que conducir el campo de la corriente diferencial y, por lo tanto, se puede dimensionar más pequeño. Sin embargo, los arrollamientos llevan toda la corriente y deben dimensionarse para ésta.

Existen diferentes posibilidades para la realización de bobinas acopladas, que se representan en la figura 10. A continuación se muestran diferentes principios para bobinas acopladas. En este caso, se parte, por ejemplo, de cuatro conmutadores desplazados. Pero los principios de conexión se pueden transmitir también a otros números de conmutadores.

A: Bobinas simplemente acopladas

Las bobinas acopladas 75 a 91 pueden estar constituidas sencillas, como se representa en la figura 10 (Las válvulas o conmutadores se representan en las figuras 10, 11 y 12, respectivamente, como círculo, sin signo de referencia propio). En la disposición izquierda, se conduce la corriente de suma o corriente de carga a través de todas las cuatro bobinas 75 a 83. Para k = 4 es necesario en el lado de entrada un número de espiras de 4 (=k). En la disposición derecha según la figura 10b están conectadas dos derivaciones, respectivamente, entre sí.

Partiendo de la figura 10 se pueden agrupar en cada caso también dos bobinas sobre un núcleo. La figura 12 muestra diferentes posibilidades. Las bobinas 92 a 95 forman entonces una primera bobina, las bobinas 96 a 99 forman una segunda bobina y las bobinas 100 a 103 forman una tercera bobina. Las bobinas acopladas presentan dos arrollamientos alrededor de un núcleo. En este caso, los dos arrollamientos están conectados de tal forma que su sentido de arrollamiento es opuesto entre las entradas y la salida. Para k = 2 (ver la figura 11) se puede emplear la bobina acoplada entre las dos derivaciones parciales del convertidor.

En el caso de k > 2 no es posible desafortunadamente ya le utilización de bobinas acopladas en la forma adjunta. Si se emplean dos bobinas acopladas, entonces resultan estados de conmutación, en los que dos conexiones respectivas de una bobina se encuentran en el mismo potencia, derivaciones calientes. Solamente es activa todavía su inductividad de dispersión.

Para más de dos derivaciones paralelas se pueden agrupar en cada caso dos derivaciones con una bobina acoplada. Las salidas de las bobinas deben desacoplarse por medio de otra bobina acoplada. Por lo tanto, para k = 4 se requieren tres bobinas acopladas.

B: Bobinas compensadas

Para poder utilizar con k > 2 (por ejemplo, k = 4) bobinas acopladas del mismo tipo de construcción, se emplean otras disposiciones de circuito. A tal fin, son necesarias bobinas 104 a 109, que poseen k arrollamientos sobre el núcleo. De esta manera se pueden realizar fácilmente también números impares de conmutadores. Son necesarias k-1 bobinas con k bobinas respectivas. En la figura 12 se representa un ejemplo de realización para bobinas compensadas.

C: Bobinas de fases múltiples

No obstante, el principio de las bobinas compensadas se puede aplicar también en el caso de más de dos derivaciones parciales paralelas sobre un núcleo. Sin embargo, a tal fin se requieren bobinas con k brazos. Sobre cada uno de estos brazos se asienta la bobina de una derivación parcial. Existen diferentes formas de construcción para la formación de bobinas de fases múltiples. También aquí se parte de nuevo a modo de ejemplo de cuatro derivaciones. Las bobinas se representan aquí como arrollamientos 105 a 116 sobre un núcleo respectivo o sobre núcleos comunes. En la figura 13 se indican diferentes disposiciones.

Disposición paralela

La condición de que una corriente continua en todas las derivaciones (sistema cero) no debe conducir a un flujo, se cumple a través de un transformador de columnas. Este principio se conoce a partir de la técnica de corriente trifásica para la supresión de sistemas cero. Una realización igual en todos los brazos del transformador conduce, en efecto, a una tensión magnética entre el yugo superior y el yugo inferior, pero no está disponible ninguna vía de flujo de conducción magnética. Solamente se puede configurar un flujo de dispersión sobre el espacio de aire de yudo yugo.

Disposición circular

Se puede conseguir una reducción adicional del peso cuando las columnas individuales no se disponen adyacentes en un plano, sino sobre un círculo. Los yugos se pueden configurar entonces como anillo cerrado y solamente necesitan la mitad de la sección transversal.

Disposición en estrella

Resulta otra posibilidad para la constitución estructural de las bobinas cuando las cuatro columnas se disponen en forma de estrella. El yugo interior se retrae. Esta bobina ofrece la ventaja de que todas las bobinas se encuentran de nuevo en un plano., Sin embargo, el yugo de reflujo exterior es relativamente largo. La disposición en estrella se puede realizar también en un núcleo de taladros múltiples. Sin embargo, en este caso solamente son convenientes números de espiras de una o dos, pero de esta manera se pueden realizar aquí estructuras muy sencilla. La figura 13d muestra una forma de realización posible con los arrollamientos 116 a 119.

Arrollamientos separados de máquinas

En las figuras 14 y 15 se muestran dos ejemplos para arrollamientos separados. En la figura 14 están presentes hilos paralelos 120 y 121. Las inductividades de salida se pueden suprimir, cuando el arrollamiento de la máquina está constituido por derivaciones de arrollamiento paralelas. Si se interconectan éstas, entonces los extremos del arrollamiento se pueden conectar directamente en las derivaciones parciales del puente del convertidor. En el caso de máquinas de polos intercalados, se fabrica el arrollamiento del estator por medio de dos alambres arrollados en paralelo. El arrollamiento se conecta en primer lugar con la placa del rectificador para formar un circuito en triángulo con los alambres paralelos, El arrollamiento se realiza como arrollamiento ondulado. La estrella del arrollamiento es arrollada a tal fin con los dos alambres paralelos y resulta el siguiente esquema de arrollamiento para un tramo.

La inductividad de dos alambres redondos paralelos de la longitud 1 con el radio r y con una distancia entre los puntos medios de d da como resultado:

L = \frac{\mu _{0}}{\pi }\cdot l\cdot \left(\frac{1}{4} + In \frac{d}{\sqrt{r_{1} \cdot r_{2}}}\right)

En este caso, el primer valor del paréntesis (constante = ¼ ) representa la inductividad interna de la línea y el segundo valor es la inductividad externa. En realidad resultan valores ligeramente mayores que en la teoría, puesto que los alambres no se extienden estrictamente paralelos.

En el ejemplo de realización según la figura 15 se lleva a cabo una modificación del arrollamiento. En este caso, si se anula la guía paralela habitual actualmente de los alambres y se substituye por dos estrellas de arrollamiento, entonces se pueden separar las cabezas del arrollamiento de los dos alambres 122 y 123.

De esta manera, se eleva la inductividad entre los dos alambres en la medida del doble de la dispersión de la cabeza del arrollamiento. De este modo, se puede elevar la inductividad efectiva en un múltiplo en comparación con los alambres paralelos. Por lo tanto, un arrollamiento de este tipo es adecuado para ciclos desplazados con dos derivaciones paralelas. Con ello no son posibles números de derivaciones mayores, pero esto se puede posibilitar en el convertidor a través de bobinas adicionales.

Claims (10)

1. Convertidor para la transformación de la energía eléctrica alimentada por un generador (10), especialmente para una red de a bordo de un vehículo, con al menos un semipuente (26, 27, 28), que presenta al menos un conmutador de lado alto (41 a 52) y al menos un conmutador de lado bajo (29 a 40) conectado con el conmutador de lado alto (41 a 52), donde la conexión de los conmutadores de lato alto (41 a 52 y de los conmutadores de lado bajo (29 a 40) está en conexión con arrollamientos de fases (11, 12, 13) del generador (10) y comprende un número predeterminable de conmutadores, que presentan un terminal común, en el que se puede tomar la tensión (U) y con un condensador (53, 54, 55), que está en paralelo con el semipuente (26, 27, 28), caracterizado porque los arrollamientos de fases (11, 12, 13) del generador (10) están constituidos en cada caso por un número k predeterminable de arrollamientos (14 a 25) que están en paralelo, donde k es mayor que 1 y porque el convertidor es un convertidor trifásico, que comprende tres semipuentes (26, 27, 28) idénticos, que presentan dos veces más conmutadores que las derivaciones (14 a 25) correspondientes del arrollamiento, y los conmutadores situados en paralelo son sincronizados de una manera desplazada dentro de un semipuente (26, 27, 28).

2. Convertidor según la reivindicación 1, caracterizado porque los conmutadores del lado alto (41 a 52) y los conmutadores del lado bajo (29 a 40) comprenden transistores de efecto de campo o transistores bipolares o elementos inversores controlados por impulsos, que son activados con la ayuda de una instalación de control y de regulación y que son accionados especialmente modulados en la anchura del impulso.

3. Convertidor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la conexión entre el terminal común de los conmutadores del lado alto (41 a 52) y los conmutadores del lado bajo (29 a 40) con los medios que generan la energía eléctrica presenta, respectivamente, al menos una inductividad (56 a 67).

4. Convertidor según la reivindicación 3, caracterizado porque las inductividades (56 a 67) están como bobinas longitudinales en serie entre conmutadores asociados entre sí o como bobinas transversales entre cuatro conmutadores, respectivamente.

5. Convertidor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el semipuente (26, 27, 28) está configurado y está accionado de tal forma que trabaja como convertidor de tensión continua, y adicionalmente al condensador (53) de circuito intermedio presenta en la salida otro condensador (68), en el que aparece una tensión diferente de la tensión en el condensador de circuito intermedio.

6. Convertidor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la activación sincronizada de los conmutadores se realiza con señales moduladas en la anchura del impulso, con una relación de sincronización de alto a bajo, que se selecciona para que el condensador de circuito intermedio (53) se cargue sólo poco y sea especialmente igual a 2/8, 4/8 y 6/8.

7. Convertidor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los semipuentes forman convertidores parciales y los convertidores parciales están agrupados en módulos individuales y están integrados en la carcasa del generador.

8. Convertidor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las bobinas necesarias están configuradas como bobinas simplemente acopladas o compensadas.

9. Convertidor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las bobinas necesarias están configuradas como bobinas de fases múltiples y están dispuestas en una disposición paralela o en una disposición circular o en una disposición en estrella, y presentan yugos adaptados, respectivamente.

10. Convertidor según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los arrollamientos de la máquina eléctrica presentan dos alambres paralelos o dos estrellas de arrollamiento.