ES2345528B1 - Circuito electrico para convertir energia electrica continua en energia electrica alterna. - Google Patents
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Abstract
Circuito eléctrico para convertir energía
eléctrica continua en energía eléctrica alterna especialmente
diseñado para sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica
sin transformador, y que permite la puesta a tierra de uno de los
terminales de entrada (2) del generador fotovoltaico, consiguiendo
trabajar con un amplio rango de tensiones de entrada y tener un alto
rendimiento.
Description
Circuito eléctrico para convertir energía
eléctrica continua en energía eléctrica alterna.
La presente invención se refiere a un circuito
eléctrico para convertir energía eléctrica continua en energía
eléctrica alterna. La invención tiene su principal campo de
aplicación en la industria destinada al diseño de dispositivos
electrónicos, y más particularmente a los concebidos dentro del
sector de los sistemas de potencia para conversión de energía solar
fotovoltaica. La invención también puede ser aplicable en otros
campos como la generación de energía mediante células
electro-químicas u otros dispositivos que
proporcionen una energía continua.
La invención proporciona una estructura de
conversión dc/ac (corriente continua/corriente alterna)
especialmente diseñada para sistemas fotovoltaicos conectados a la
red eléctrica sin transformador, que permite la puesta a tierra de
uno de los terminales de entrada del generador fotovoltaico,
consiguiendo trabajar con un amplio rango de tensiones de entrada y
tener un alto rendimiento.
Los sistemas fotovoltaicos de conexión a red
están formados por un conjunto de paneles fotovoltaicos (también
denominado campo o generador fotovoltaico) y una etapa de conversión
(también denominada inversor) que acondiciona la energía producida
por los paneles y la inyecta a la red eléctrica. Generalmente se
trata de instalaciones de carácter privado, en las que se busca
maximizar el beneficio económico obtenido por la venta de la energía
producida a las compañías eléctricas. Por ello, se buscan inversores
baratos, fiables y de alta eficiencia.
Tradicionalmente, en este tipo de instalaciones
se ha incluido un transformador, entre el inversor y la red
eléctrica, que proporciona un aislamiento galvánico entre la
instalación y la red eléctrica. Sin embargo, el hecho de que este
transformador trabaje a baja frecuencia (50/60 Hz) aumenta el
tamaño, peso y precio de la etapa de conversión, reduciendo al mismo
tiempo su rendimiento.
Una opción para eliminar el transformador de
baja frecuencia, manteniendo el aislamiento galvánico de la
instalación, es utilizar dentro del convertidor una etapa de
conversión DC/DC con transformador de alta frecuencia. El uso de un
transformador de alta frecuencia permite reducir el tamaño y peso de
la etapa de conversión, sin embargo aumenta la complejidad de la
misma, reduciendo al mismo tiempo su rendimiento y su
fiabilidad.
La eliminación del transformador (tanto de alta
como de baja frecuencia) permite obtener una etapa de conversión más
sencilla, barata y ligera, mejorando al mismo tiempo el rendimiento
de la misma. Por ello, en los últimos años, el uso de estructuras de
conversión sin transformador se ha vuelto muy popular.
Determinadas instalaciones fotovoltaicas
requieren la puesta a tierra (aterramiento) de uno de los terminales
del campo fotovoltaico. En algunos casos, este requerimiento es de
carácter tecnológico. Es el caso de instalaciones en las que se
utilizan determinados paneles fotovoltaicos de capa fina, donde
aterrando el negativo se evita una degradación prematura del panel,
o de instalaciones en las que se desea eliminar completamente la
circulación de corrientes por tierra a través de la capacidad
parásita del campo fotovoltaico para mejorar el comportamiento
electromagnético de la etapa de conversión. En otros casos, la
necesidad de aterrar viene determinada por la normativa vigente,
como el NEC (National Electrifical Code) de Estados Unidos.
Habitualmente, los sistemas fotovoltaicos de
conexión a red se conectan a redes del tipo T-N (en
las que el neutro de red se encuentra puesto a tierra). En este tipo
de redes, el uso de una etapa de conversión con aislamiento
galvánico (con transformador de baja o alta frecuencia) permite
aterrar uno de los terminales del campo fotovoltaico sin que
aparezcan problemas para el funcionamiento de la etapa de
conversión. Sin embargo, aterrar el campo fotovoltaico en etapas de
conversión sin transformador basadas en estructuras de conversión
tradicionales, como el puente en H o las mostradas en los documentos
de patente DE10221592A1, DE102004030912B3 y WO2008015298A1 no
resulta posible.
Con el fin de solucionar los problemas
planteados al aterrar el campo fotovoltaico en etapas de conversión
sin transformador se han desarrollado nuevas topologías como la
propuesta en DE 196 42 522 C1. Sin embargo, la corriente inyectada a
la red por esta topología es pulsante, lo que requiere un gran
filtro de salida para amortiguar los armónicos de corriente.
Este problema se soluciona en DE 197 32 218 C1.
Esta estructura se basa en la unión de dos convertidores dc/dc: Zeta
y Cuk. El control de los semiconductores se realiza de manera que
durante el semiciclo positivo de la tensión de red el convertidor se
comporta como un Zeta y durante el semiciclo negativo como un Cuk.
Sin embargo, en esta topología, como en DE 196 42 522 C1, al carecer
de etapa dc/dc elevadora, la fluctuación de potencia característica
de los sistemas monofásicos provoca un rizado en la tensión del
campo fotovoltaico a una frecuencia igual al doble de la frecuencia
de red que provoca una disminución de la energía obtenida en el
campo fotovoltaico por fluctuación de tensión en torno al punto de
máxima potencia.
En US 2004 0164557 Al se presenta una topología
sencilla que permite aterrar el negativo del campo fotovoltaico. El
funcionamiento de esta topología se basa en la obtención de una
tensión continua bipolar (positiva y negativa respecto al negativo
del campo fotovoltaico), es decir un bus de continua con el punto
medio puesto a tierra. A partir de este bus, el uso de un medio
puente permite obtener tensiones de salida senoidales. El hecho de
utilizar la tensión del campo fotovoltaico como tensión positiva en
el bus de continua hace que la estructura no pueda ser utilizada con
tensiones de campo fotovoltaico inferiores a la máxima tensión de
red.
En DE 10 2006 012 164 Al se presenta una
topología que permite aterrar uno de los terminales de entrada,
consiguiendo a su salida una tensión continua bipolar. Sin embargo,
todos los semiconductores utilizados deben soportar la máxima
tensión de bus, que deberá ser al menos dos veces la máxima tensión
de red, lo que aumenta las pérdidas de conmutación y disminuye el
rendimiento de la etapa de conversión.
En US 2008 0266919 se presenta otra topología
que permite obtener una tensión continua bipolar. En este caso se
utilizan dos convertidores dc/dc de tipo
elevador-reductor. Sin embargo, el primer
convertidor dc/dc debe manejar toda la potencia del sistema. Además,
los semiconductores utilizados deben soportar la tensión de bus,
que deberá ser al menos dos veces la máxima tensión de red, lo que
incrementa las pérdidas de la topología, disminuyendo su
rendimiento.
Otra topología que permite obtener una tensión
continua bipolar es la propuesta en WO 2008 151587 A1. Esta
topología utiliza dos transistores gobernados por la misma señal de
control, tres diodos y dos bobinados acoplados magnéticamente para
conseguir una tensión de salida bipolar. El modo de funcionamiento
propuesto, hace que en todo momento la corriente consumida por la
etapa dc/dc, vista desde el campo fotovoltaico, sea una corriente
pulsante y, por tanto, la corriente en la bobina W1 será mayor a la
que circularía en caso de que la corriente fluyese de manera
continua hacia la etapa dc/dc, con el consiguiente aumento de
pérdidas en semiconductores y bobinas.
Las topologías propuestas en US 2004 0164557 Al,
DE 10 2006 012 164 A1, US 2008 0266919, y WO 2008 151587 A1 se basan
en la obtención de una tensión continua bipolar (bus con el punto
medio aterrado). Para obtener una tensión alterna a partir de esta
tensión bipolar, se pueden utilizar topologías dc/ac como el medio
puente o medio puente NPC:
- 1.
- Medio puente: Se trata de una topología de conversión sencilla formada únicamente por dos elementos de conmutación (del tipo transistor con diodo en antiparalelo). Sin embargo, sus modos de funcionamiento sólo permiten obtener dos niveles de tensión de salida: Vbus/2 y -Vbus/2, siendo necesario utilizar una gran inductancia para filtrar los armónicos de corriente producidos. Por otro lado, dado que los semiconductores utilizados deben ser capaces de soportar toda la tensión del bus, esta topología presenta grandes pérdidas de conmutación.
- 2.
- Medio puente NPC. Con el fin de mejorar el comportamiento del medio puente puede utilizarse como estructura de conversión dc/ac un medio puente NPC. Se trata de una estructura formada por 6 elementos de conmutación (4 son de tipo transistor con diodo en antiparalelo y 2 de tipo diodo). Esta topología permite obtener tres niveles de tensión de salida: Vbus/2, 0 y -Vbus/2. De esta forma se reduce el rizado de corriente, frente al obtenido en un medio puente, pero se aumenta la complejidad de la misma al utilizar 6 elementos de conmutación.
\vskip1.000000\baselineskip
La fluctuación de potencia característica de los
sistemas monofásicos provoca un rizado en la tensión de bus. Para
reducir esta variación, se utilizan grandes capacidades. El uso de
un medio puente o un medio puente NPC requiere una tensión de bus de
al menos dos veces la tensión de red, el doble de la utilizada en
estructuras dc/ac como el puente en H, lo que aumentará el tamaño de
la capacidad necesaria frente a la utilizada en un puente en H. Este
aumento de la capacidad encarece y aumenta considerablemente el
volumen de la etapa de conversión.
Para conseguir los objetivos y resolver los
inconvenientes anteriormente indicados, la invención propone un
circuito eléctrico del tipo inversor monofásico que acondiciona y
convierte energía eléctrica continua en energía eléctrica alterna y
que está configurado de forma que incluye:
- -
- dos conexiones de corriente continua a las que se conecta una fuente de energía continua;
- -
- un primer acumulador temporal de energía conectado entre las conexiones de corriente continua;
- -
- un primer ramal conectado entre las conexiones de corriente continua, y que comprende un primer elemento de conmutación una primera inductancia y un segundo elemento de conmutación;
- -
- un segundo ramal que comprende un tercer elemento de conmutación, conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación con la primera inductancia;
\newpage
- -
- un tercer ramal formado por un cuarto elemento de conmutación, conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación con una conexión de corriente continua;
- -
- un segundo acumulador temporal de energía conectado entre el tercer y cuarto elementos de conmutación;
- -
- un cuarto ramal que comprende un quinto elemento de conmutación y un sexto elemento de conmutación; estando el quinto elemento de conmutación conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energía con el tercer elemento de conmutación; y
- -
- estando el sexto elemento de conmutación conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energía con el cuarto elemento de conmutación;
- -
- un quinto ramal que comprende un séptimo elemento de conmutación que está conectado entre el punto de unión del primer elemento de conmutación con la primera inductancia y el punto de unión del segundo acumulador temporal de energía con el cuarto elemento de conmutación y el sexto elemento de conmutación;
- -
- dos conexiones de corriente alterna, a las que se conecta un elemento seleccionado entre la red eléctrica y una carga preparada para trabajar con corriente alterna;
- -
- un sexto ramal que comprende una segunda inductancia conectada entre el punto de unión del quinto elemento de conmutación y el sexto elemento de conmutación y una conexión de corriente alterna.
\vskip1.000000\baselineskip
En una realización preferida de la invención el
primer elemento de conmutación es del tipo transistor MOSFET, IGBT,
J-FET u otro dispositivo que se adapte a esta
configuración; el segundo, tercer, cuarto, quinto y sexto elementos
de conmutación, son transistores MOSFET, IGBT, J-FET
u otro dispositivo que se adapte a esta configuración, cada uno de
los cuales están conectados en antiparalelo con un diodo; y el
séptimo elemento de conmutación es del tipo diodo.
En otra realización preferida, se incluye un
octavo elemento de conmutación conectado en paralelo con el tercer
elemento de conmutación y con el segundo elemento de conmutación. En
este caso, el primer y segundo elementos de conmutación son
transistores MOSFET, IGBT, J-FET u otro dispositivo
que se adapte a esta configuración; el cuarto, quinto, sexto y
octavo elementos de conmutación son transistores MOSFET, IGBT,
J-FET u otro dispositivo que se adapte a esta
configuración, conectados en antiparalelo con respectivos diodos; y
el tercer y séptimo elementos de conmutación son de tipo diodo.
Los acumuladores temporales de energía pueden
estar constituidos por elementos capacitivos, ultracapacitivos,
baterías o combinaciones de estos elementos.
Otra realización preferida incluye colocar un
filtro CEM (de compatibilidad electromagnética) en la entrada del
circuito (conexiones de corriente continua), en la salida del
circuito (conexiones de corriente alterna) o distribuido en dicho
circuito.
El circuito también puede estar conectado a una
unidad de mando adaptada para gobernar la conmutación mediante una
serie de señales de encendido generadas a su salida y dirigidas al
primer, segundo, tercero, cuarto, quinto y sexto, elementos de
conmutación. Otra alternativa, es que el circuito esté conectado a
una unidad de mando adaptada para gobernar la conmutación mediante
una serie de señales de encendido generadas a su salida y dirigidas
al primer, segundo, cuarto, quinto, sexto y octavo, elementos de
conmutación, todo ello dependiendo de la naturaleza de los
elementos de conmutación en cada una de las realizaciones descritas
anteriormente. Dicha unidad de mando puede contener al menos un
módulo de cálculo, formado por al menos un dispositivo electrónico
programable que puede ser un procesador de propósito general, un
microcontrolador, un procesador de señal digital (DSP), un circuito
integrado específico de aplicación (ASCI) o una tarjeta programable
(FPGA).
En una realización preferida, las señales de
encendido de los elementos de conmutación se realizan mediante
modulación de ancho de pulso.
La invención puede aplicarse a distintos campos,
a modo de ejemplos indicar que las conexiones de corriente
continuase pueden conectar a una unidad fotovoltaica, una unidad de
célula electro-química, u otra fuente de corriente
continua.
La conexión directa de un terminal de entrada
con uno de los terminales de salida permite aterrar la fuente de
energía continua, cuando el terminal de red que se conecta con el de
entrada corresponde al terminal del neutro.
A continuación, para facilitar una mejor
comprensión de esta memoria descriptiva y formando parte integrante
de la misma, se acompañan unas figuras en las que con carácter
ilustrativo y no limitativo se ha representado el objeto de la
invención, así como algunos circuitos pertenecientes al estado de la
técnica.
Figura 1.- Muestra un esquema eléctrico de una
primera realización de un circuito eléctrico para convertir energía
eléctrica continua en energía eléctrica alterna, según la presente
invención.
Figura 2.- Muestra el uso de la primera
realización con un campo fotovoltaico en el que se pone a tierra el
negativo del campo fotovoltaico mediante la unión de dicho terminal
con el neutro de red.
Figura 3.- Muestra el uso de la primera
realización con un campo fotovoltaico en el que se pone a tierra el
positivo del campo fotovoltaico mediante la unión de dicho terminal
con el neutro de red.
Figura 4.- Muestra un esquema eléctrico de una
segunda realización de un circuito eléctrico para convertir energía
eléctrica continua en energía eléctrica alterna, según la presente
invención.
La figura 1 muestra una primera realización del
circuito de la invención. Esta primera realización comprende:
- -
- dos conexiones de corriente continua (1, 2) a las que se conecta una fuente de energía continua;
- -
- un primer acumulador temporal de energía (C1) conectado entre las conexiones de corriente continua (1, 2);
- -
- un primer ramal conectado entre las conexiones de corriente continua (1, 2), y que comprende un primer elemento de conmutación (E1) una primera inductancia (L1) y un segundo elemento de conmutación (E2);
- -
- un segundo ramal que comprende un tercer elemento de conmutación (E3), conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con la primera inductancia (L1);
- -
- un tercer ramal formado por un cuarto elemento de conmutación (E4), conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con una conexión de corriente continua (2);
- -
- un segundo acumulador temporal de energía (C2) conectado entre el tercer y cuarto elementos de conmutación (E3, E4);
- -
- un cuarto ramal que comprende un quinto elemento de conmutación (E5) y un sexto elemento de conmutación (E6); estando el quinto elemento de conmutación (E5) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energía (C2) con el tercer elemento de conmutación (E3); y estando el sexto elemento de conmutación (E6) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energía (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4);
- -
- un quinto ramal que comprende un séptimo elemento de conmutación (E7) que está conectado entre el punto de unión del primer elemento de conmutación (E1) con la primera inductancia (L1) y el punto de unión del segundo acumulador temporal de energía (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4) y el sexto elemento de conmutación (E6);
- -
- dos conexiones de corriente alterna (3 y 4), a las que se conecta un elemento seleccionado entre la red eléctrica y una carga preparada para trabajar con corriente alterna;
- -
- un sexto ramal que comprende una segunda inductancia (L2) conectada entre el punto de unión del quinto elemento de conmutación (E5) y el sexto elemento de conmutación (E6) y una conexión de corriente alterna (3).
\vskip1.000000\baselineskip
En dicha realización, el elemento de conmutación
El es de tipo transistor (MOSFET, IGBT, J-FET u otro
tipo que se adapte a la correspondiente configuración del circuito),
E7 es de tipo diodo y E2, E3, E4, E5, E6 son transistores con
respectivos diodos conectados en antiparalelo.
Por otra parte, los acumuladores C1 y C2 pueden
ser elementos capacitivos, ultracapacitivos, baterías o
combinaciones de los mismos.
La topología propuesta permite obtener en C2 una
tensión flotante utilizada posteriormente por los elementos de
conmutación E2, E3, E4, E5 y E6, que actúan como etapa dc/ac, para
obtener una tensión alterna de salida. La tensión libre de potencial
de C2 se consigue por medio de una acción coordinada de los
elementos de conmutación E1, E2, E3, E4 y E7, que actúan como etapa
dc/dc de carácter elevador. Se trata por tanto de una estructura de
conversión formada por una etapa dc/dc y otra dc/ac, que comparten
los elementos de conmutación E2, E3 y E4. Para un correcto
funcionamiento de la estructura de conversión propuesta, la tensión
de C2 debe ser al menos la máxima tensión de red.
Dado que las etapas dc/dc y dc/ac que forman
parte de la topología propuesta comparten los elementos E2, E3 y E4,
los modos de funcionamiento de la estructura dependen del semiciclo
de la tensión de red en el que se opere, según se explica más
adelante.
La conexión directa de un terminal de entrada
(2) con uno de los terminales de salida (4) permite aterrar la
fuente de energía continua, cuando el terminal de red que se conecta
en (4) corresponde al terminal del neutro.
La figura 2 muestra el uso de la primera
realización tomando como fuente de energía continua un generador
fotovoltaico en el que se pone a tierra el negativo del generador
mediante la unión de dicho terminal con el neutro de red. En este
caso, el funcionamiento de la estructura es el siguiente:
Durante el semiciclo positivo:
- -
- E1 y E4 permanecen encendidos.
- -
- El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de E2. Cuando se enciende E2, la corriente de la bobina L1, que circula a través de E1 y E2, crece. Cuando se apaga E2, la corriente de L1 que circula a través de El, E3 y E4 decrece.
- -
- El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6. Cuando se enciende E5, V_{52} = V_{C2} y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E5, crece. Cuando se enciende E6, V_{52} = 0 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E6, decrece. Donde V_{52} es el potencia entre los puntos 5 y 2, y V_{C2} es el potencial del acumulador temporal C2.
\vskip1.000000\baselineskip
Durante el semiciclo negativo:
- -
- E2 y E3 permanecen encendidos.
- -
- El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de El. Cuando se enciende E1, la corriente de la bobina L1, que circula a través de E1 y E2, crece. Cuando se apaga El, la corriente de L1 que circula a través de E3 y E7, decrece.
- -
- El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6, que actúan de manera complementaria. Cuando se enciende E6, V_{52} = -V_{C2} y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E6, crece. Cuando se enciende E5, V_{52} = 0 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E5, decrece.
\vskip1.000000\baselineskip
De esta manera se realiza un control
independiente de la corriente en cada una de las bobinas.
Las señales de control de los elementos de
conmutación utilizados se determinan en una unidad de mando que
dispone de al menos una unidad de cálculo y de una lógica para
implementar la estrategia de control. El módulo de cálculo comprende
al menos un dispositivo electrónico programable, que puede ser un
microprocesador de propósito general, un microcontrolador, un
microprocesador de señal digital (DSP), un circuito integrado
específico de aplicación (ASCI), una tarjeta programable (FPGGA) o
cualquier combinación de los anteriores, encargado de establecer los
valores actualizados del punto de trabajo de la fuente de
energía.
La figura 3 muestra el uso de la primera
realización con un campo fotovoltaico en el que se pone a tierra el
positivo del campo fotovoltaico mediante la unión del terminal
positivo con el neutro de red. En este caso, el funcionamiento de la
estructura es el siguiente:
Durante el semiciclo positivo:
- -
- E2 y E3 permanecen encendidos.
- -
- El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de El. Cuando se enciende El, la corriente de la bobina L1, que circula a través de E1 y E2, crece. Cuando se apaga El, la corriente de L1 que circula a través de E3 y E7, decrece.
- -
- El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6, que actúan de manera complementaria. Cuando se enciende E6, V_{52} = V_{C2} y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E6, crece. Cuando se enciende E5, V_{52} = 0 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E2, E3 y E5, decrece.
\newpage
\global\parskip0.870000\baselineskip
Durante el semiciclo negativo:
- -
- E1 y E4 permanecen encendidos.
- -
- El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de E2. Cuando se enciende E2, la corriente de la bobina L1, que circula a través de E1 y E2, crece. Cuando se apaga E2, la corriente de L1 que circula a través de E1, E3 y E4 decrece.
- -
- El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6. Cuando se enciende E5, V_{52} = -V_{C2} y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E5, decrece. Cuando se enciende E6, V_{52} = 0 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E4 y E6, crece.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4 muestra una segunda realización de
la invención. En este caso se coloca un nuevo elemento de
conmutación E8 en paralelo con los elementos de conmutación E2 y E3,
tal y como se aprecia en la figura 4. El uso del elemento de
conmutación E8 permite disminuir la corriente que circula por
E2.
En esta segunda realización, los elementos de
conmutación E1 y E2 son del tipo transistor (MOSFET, IGBT,
J-FET u otro tipo que se adapte a la correspondiente
configuración del circuito), E3 y E7 son de tipo diodo y E4, E5, E6
y E8 son transistores con respectivos diodos conectados en
antiparalelo.
El funcionamiento del convertidor es similar al
mostrado en la primera realización, teniendo en cuenta que E8
permanecerá encendido en aquellos estados en los que E2 y E3 se
encendían simultáneamente (E8 es complementario de E4). De esta
forma, el funcionamiento durante el semiciclo positivo será
semejante, y en el negativo quedará como se describe a
continuación:
- -
- E2 y E8 permanecen encendidos.
- -
- El control de la etapa dc/dc se realiza mediante la conmutación de E1. Cuando se enciende E1, la corriente de la bobina L1, que circula a través de E1 y E2, crece. Cuando se apaga E1, la corriente de L1 que circula a través de E2, E8 y E7, decrece.
- -
- El control de la etapa dc/ac se realiza mediante la conmutación de los elementos E5 y E6. Cuando se enciende E6, V_{52} = -V_{C2} y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E6, y E8, decrece. Cuando se enciende E5, V_{52} = 0 y la corriente de la bobina L2, que circula a través de E5 y E8, decrece.
\vskip1.000000\baselineskip
La topología propuesta presenta una serie de
mejoras respecto a las estructuras del estado de la técnica:
- -
- La conexión directa de la bobina L2 a uno de los terminales de las conexiones de corriente alterna (3) garantiza que la corriente inyectada a la red no sufre discontinuidades (no es pulsante).
- -
- Debido al carácter elevador de la etapa dc/dc utilizada, se puede trabajar con tensiones de entrada inferiores a la máxima tensión red, consiguiendo un amplio rango de tensiones de entrada.
- -
- El uso de una etapa dc/dc permite desacoplar el rizado que aparece en el condensador C2 del campo fotovoltaico, evitando las pérdidas por fluctuación de tensión en torno al punto de máxima potencia del campo fotovoltaico que aparecen en sistemas con una única etapa dc/ac conectada directamente al campo fotovoltaico.
- -
- El circuito puede funcionar con una tensión en el condensador C2 igual a la máxima tensión de red, la mitad de la tensión necesaria para estructuras basadas en una tensión continua bipolar. De esta forma, el tamaño del condensador necesario será menor.
- -
- Por otro lado, la etapa dc/ac utilizada proporciona tres niveles para la tensión V_{52}: V_{C2}, 0 y -V_{C2}. Se obtiene así una estructura con un comportamiento similar al obtenido en un medio puente NPC, pero utilizando dos elementos menos, lo que reduce el número de semiconductores (para un mismo comportamiento) respecto a las estructuras del estado del arte.
- -
- El uso compartido de E3 y E4 por parte de la etapa dc/dc y dc/ac, permite reducir las pérdidas de conducción de estos elementos, ya que las corrientes de L1 y L2 que circulan por ellos tienen sentidos contrarios. De esta manera se obtiene una estructura de conversión dc/ac con unas pérdidas inferiores a las obtenidas en un puente en H con modulación unipolar o un medio puente NPC (Neutral Point Clamped), mejorando el rendimiento global de la estructura de conversión.
- -
- Durante el semiciclo positivo, la corriente fluye desde la fuente de corriente continua de manera constante, al estar El siempre encendido. Esto minimiza el valor de corriente en la bobina L1, reduciendo las pérdidas en los elementos de la etapa dc/dc, frente a estructuras como DE 196 42 522 C1, DE 197 32 218 C1, DE 10 2006 012 164 A1 y WO 2008 151587 A1, en las que esta corriente es siempre pulsante y por tanto el valor de corriente en L1 deberá ser mayor para una misma transferencia de potencia.
Claims (12)
1. Circuito eléctrico para convertir energía
eléctrica continua en energía eléctrica alterna, siendo un circuito
inversor monofásico que acondiciona y convierte energía eléctrica de
corriente continua en energía eléctrica de corriente alterna, que
comprende:
- -
- dos conexiones de corriente continua (1, 2) a las que se conecta una fuente de energía continua;
- -
- un primer acumulador temporal de energía (C1) conectado entre las conexiones de corriente continua (1, 2);
- -
- un primer ramal conectado entre las conexiones de corriente continua (1, 2), y que comprende un primer elemento de conmutación (E1) una primera inductancia (L1) y un segundo elemento de conmutación (E2);
- -
- un segundo ramal que comprende un tercer elemento de conmutación (E3), conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con la primera inductancia (L1);
- -
- un tercer ramal formado por un cuarto elemento de conmutación (E4), conectado en el punto de unión del segundo elemento de conmutación (E2) con una conexión de corriente continua (2);
- -
- un segundo acumulador temporal de energía (C2) conectado entre el tercer y cuarto elementos de conmutación (E3, E4);
- -
- un cuarto ramal que comprende un quinto elemento de conmutación (E5) y un sexto elemento de conmutación (E6); estando el quinto elemento de conmutación (E5) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energía (C2) con el tercer elemento de conmutación (E3); y estando el sexto elemento de conmutación (E6) conectado al punto de unión del segundo acumulador temporal de energía (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4);
- -
- un quinto ramal que comprende un séptimo elemento de conmutación (E7) que está conectado entre el punto de unión del primer elemento de conmutación (E1) con la primera inductancia y el punto de unión del segundo acumulador temporal de energía (C2) con el cuarto elemento de conmutación (E4) y el sexto elemento de conmutación (E6);
- -
- dos conexiones de corriente alterna (3 y 4), a las que se conecta un elemento seleccionado entre la red eléctrica y una carga preparada para trabajar con corriente alterna;
- -
- un sexto ramal que comprende una segunda inductancia (L2) conectada entre el punto de unión del quinto elemento de conmutación (E5) y el sexto elemento de conmutación (E6) y una conexión de corriente alterna (3).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Circuito eléctrico según reivindicación 1
donde:
- -
- el primer elemento de conmutación (E1) está seleccionado entre transistores MOSFET, IGBT y J-FET;
- -
- el segundo, tercer, cuarto, quinto y sexto elementos de conmutación (E2, E3, E4, E5 y E6) están seleccionados entre transistores MOSFET, IGBT y J-FET; conectados en antiparalelo con respectivos diodos; el séptimo elemento de conmutación (E7) es de tipo diodo.
\vskip1.000000\baselineskip
3. Circuito eléctrico según reivindicación 1
donde se incluye un octavo elemento de conmutación (E8) conectado en
paralelo con el tercer elemento de conmutación (E3) y el segundo
elemento de conmutación (E2).
4. Circuito eléctrico según la reivindicación 3
donde:
- -
- el primer, y segundo elementos de conmutación (E1, E2) están seleccionados entre transistores MOSFET, IGBT y J-FET;
- -
- el cuarto, quinto, sexto y octavo elemento de conmutación (E4, E5, E6 y E8) están seleccionados entre transistores MOSFET, IGBT y J-FET; conectados en antiparalelo con respectivos diodos;el tercer y séptimo elemento de conmutación (E3 y E7) son de tipo diodo.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Circuito eléctrico según reivindicación 1
donde el primer y segundo acumuladores temporales de energía (C1,
C2) están seleccionados entre elementos capacitivos,
ultracapacitivos, baterías y combinación de ellos.
6. Circuito eléctrico según reivindicación 1 que
comprende un filtro de compatibilidad electromagnética en una
ubicación seleccionada entre las conexiones de corriente continua
(1, 2), conexiones de corriente alterna (3, 4) y distribuido en el
circuito.
7. Circuito eléctrico según reivindicación 2 en
el que dicho circuito está conectado a una unidad de mando
adaptada para gobernar la conmutación mediante una serie de señales
de encendido generadas a su salida y dirigidas al primer, segundo,
tercero, cuarto, quinto y sexto, elementos de conmutación (E1, E2,
E3, E4, E5 y E6).
8. Circuito eléctrico según reivindicación 4 en
el que dicho circuito está conectado a una unidad de mando adaptada
para gobernar la conmutación mediante una serie de señales de
encendido generadas a su salida y dirigidas al primer, segundo,
cuarto, quinto, sexto y octavo, elementos de conmutación (E1, E2,
E4, E5, E6 y E8).
9. Circuito eléctrico según reivindicación 7 u 8
donde las señales de encendido de los elementos de conmutación se
realizan mediante modulación de ancho de pulso.
10. Circuito eléctrico según la reivindicación 7
u 8, donde la unidad de mando contiene al menos un modulo de
cálculo, que comprende al menos un dispositivo electrónico
programable seleccionado entre un procesador de propósito general,
un microcontrolador, un procesador de señal digital (DSP), un
circuito integrado específico de aplicación (ASCI) y una tarjeta
programable (FPGA).
11. Circuito eléctrico según reivindicación 1
donde la fuente de corriente continua está seleccionada entre una
unidad fotovoltaica, una unidad de célula
electro-química, y fuente de corriente continua.
12. Circuito eléctrico según reivindicación 1,
donde la conexión de corriente alterna (4) que se une directamente a
la conexión de corriente continua (2) es el terminal de neutro.
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