ES2921948A1 - Power conversion system for an electrical machine of a lifting system (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Sistema de conversión de potencia para una maquina eléctrica de un sistema de elevaciónPower conversion system for an electrical machine of a lifting system
Objeto de la invenciónObject of the invention
El objeto de la presente invención es un sistema de conversión de potencia para una maquina eléctrica de un sistema de elevación, donde el sistema de conversión de potencia comprende filtros de red en la etapa regenerativa establecidos en al menos una placa de circuito impreso, PCB.The object of the present invention is a power conversion system for an electrical machine of an elevation system, where the power conversion system comprises network filters in the regenerative stage established in at least one printed circuit board, PCB.
Antecedentes de la invenciónBackground of the invention
En los sistemas de elevación para el transporte de pasajeros, a día de hoy es común utilizar sistemas de conversión de potencia regenerativas para minimizar el balance energía consumida por el sistema de elevación. Estos sistemas de conversión de potencia son capaces de devolver a la red eléctrica la potencia generada por el motor del sistema de elevación durante, por ejemplo, un viaje a favor de carga. En los sistemas de conversión de potencia, los filtros de red cumplen una funcionalidad especifica dentro de los convertidores regenerativos, que es atenuar o limitar los armónicos de corriente que se inyectan a la red eléctrica, derivados de la frecuencia de conmutación (PWM) del propio convertidor regenerativo. El filtro de red de la presente invención funciona en la banda de frecuencia hasta 150kHz. Los filtros EMI para atenuar la interferencia electromagnética hacia la red eléctrica y otros dispositivos, con frecuencias de trabajo típicamente, superiores a los 150kHz, quedarían fuera de lo que en la presente invención se está definiendo como filtro de red. Convencionalmente, por el volumen y peso que suele tener el filtro de red, éste no se integra en la PCB de potencia del convertidor regenerativo. Las inductancias que componen el filtro de red son externas a la propia PCB, típicamente inductancias de núcleo de chapa magnética laminada y posteriormente cableadas, normalmente mediante un proceso manual disminuyendo la fiabilidad del sistema y aumentando las emisiones electromagnéticas. Además, este tipo de inductancias tienden a ser ruidosas, disminuyendo así el confort acústico del sistema de elevación, especialmente cuando es un sistema de elevación sin sala de máquinas en las que el sistema de conversión se instala en el armario del rellano de un edificio o el hueco del sistema de elevación. In lifting systems for passenger transport, nowadays it is common to use regenerative power conversion systems to minimize the balance of energy consumed by the lifting system. These power conversion systems are capable of returning to the electrical network the power generated by the motor of the lifting system during, for example, a load trip. In power conversion systems, network filters fulfill a specific function within regenerative converters, which is to attenuate or limit current harmonics that are injected into the electrical network, derived from the switching frequency (PWM) of the inverter itself. regenerative converter. The network filter of the present invention works in the frequency band up to 150kHz. EMI filters to attenuate electromagnetic interference towards the electrical network and other devices, with working frequencies typically higher than 150kHz, would fall outside of what is being defined in the present invention as a network filter. Conventionally, due to the volume and weight that the mains filter usually has, it is not integrated into the power PCB of the regenerative converter. The inductances that make up the mains filter are external to the PCB itself, typically core inductances made of laminated magnetic sheet metal and subsequently wired, normally through a manual process, reducing the reliability of the system and increasing electromagnetic emissions. In addition, this type of inductance tends to be noisy, thus reducing the acoustic comfort of the elevation system, especially when it is an elevation system without a machine room in which the conversion system is installed in the closet on the landing of a building or the hole of the lifting system.
Así pues, en vista del estado de la técnica, se desea obtener convertidores regenerativos con un mejor confort acústico a la vez que sean más compactos, fiables y con procesos de fabricación más sencillos. La presente invención satisface esta demanda.Thus, in view of the state of the art, it is desired to obtain regenerative converters with better acoustic comfort while being more compact, reliable and with simpler manufacturing processes. The present invention satisfies this demand.
Descripción de la invenciónDescription of the invention
La presente invención se refiere a un sistema de conversión de potencia para una maquina eléctrica de un sistema de elevación. La etapa o convertidor regenerativo comprende inductancias de filtro de red que comprenden un volumen y peso que permite su integración en una o más PCB's. La integración de las inductancias de filtro de red en una o más PCB's representa una ventaja desde el punto de vista de fabricación de la etapa regenerativa porque evita procesos de fabricación manuales que pueden incluir por ejemplo cables, conectores, etc. Además, la integración del filtro de red en la PCB de potencia mejora la fiabilidad del conjunto, así como el confort acústico y además representa una solución más compacta y barata.The present invention refers to a power conversion system for an electrical machine of an elevation system. The regenerative stage or converter comprises network filter inductances comprising a volume and weight that allows its integration in one or more PCBs. The integration of the mains filter inductors in one or more PCBs represents an advantage from the regenerative stage manufacturing point of view because it avoids manual manufacturing processes that may include, for example, cables, connectors, etc. In addition, the integration of the network filter in the power PCB improves the reliability of the assembly, as well as the acoustic comfort and also represents a more compact and cheaper solution.
Así pues, el diseño de acuerdo con la presente invención integra las inductancias del filtro de red en una o más PCB's. Esta característica lo diferencia respecto a lo conocido en el estado de la técnica en sistemas de elevación.Thus, the design according to the present invention integrates the mains filter inductances in one or more PCB's. This characteristic differentiates it from what is known in the state of the art in elevation systems.
Así pues, la presente invención se refiere a un sistema de conversión de potencia para una máquina eléctrica de un sistema de elevación, donde el sistema de conversión de potencia comprende una etapa de conversión regenerativa para la máquina eléctrica en modo generador que comprende un convertidor regenerativo. Además, el sistema de conversión de potencia comprende una o más PCB's. La etapa de conversión regenerativa conecta la red eléctrica con la máquina eléctrica.Thus, the present invention relates to a power conversion system for an electrical machine of an elevation system, where the power conversion system comprises a regenerative conversion stage for the electrical machine in generator mode comprising a regenerative converter . Furthermore, the power conversion system comprises one or more PCB's. The regenerative conversion stage connects the electrical network with the electrical machine.
Novedosamente, el sistema de conversión de potencia comprende un filtro de red configurado para atenuar armónicos de corriente establecidos entre el convertidor regenerativo y la red eléctrica, donde el filtro de red comprende una frecuencia de trabajo de hasta 150kHz y está establecido en la al menos una placa de circuito impreso, PCB.Innovatively, the power conversion system comprises a network filter configured to attenuate current harmonics established between the regenerative converter and the electrical network, where the network filter comprises a working frequency of up to 150kHz and is established in the at least one printed circuit board, PCB.
En una realización preferente, el convertidor regenerativo está también establecido en la al menos una placa de circuito impreso, PCB.In a preferred embodiment, the regenerative converter is also established on the at least one printed circuit board, PCB.
El filtro de red puede ser de tipo LCL: The network filter can be of the LCL type:
El diseño de filtro de red comprende una topología de filtro LCL con elementos que se indican en las figuras como LINV CF LGRID. La ventaja de esta topología es, que se reparte el ‘trabajo’ (i.e. la energía) entre dichos elementos pasivos de manera que se consigue optimizar y minimizar el peso y volumen total y que todos ellos tengan un volumen y peso ‘adecuados’ para poder ser integrados en PCB.The network filter design comprises an LCL filter topology with elements indicated in the figures as LINV CF LGRID. The advantage of this topology is that the 'work' (i.e. the energy) is distributed among these passive elements in such a way that the total weight and volume are optimized and minimized and that all of them have an 'adequate' volume and weight to be able to be integrated into PCBs.
El filtro de red puede comprender inductancias monofásicas:The network filter can include single-phase inductances:
El tipo de inductancia de la (LINV) y (LGRID) son monofásicas “single choke”, es decir; tres inductancias individuales en el caso de una red trifásica, característica que aumenta la atenuación en modo común y además distribuye el peso de los elementos pasivos facilitando su integración en PCB.The type of inductance of the (LINV) and (LGRID) are monophasic “single choke”, that is to say; three individual inductances in the case of a three-phase network, a characteristic that increases the attenuation in common mode and also distributes the weight of the passive elements, facilitating their integration in PCBs.
Además, la etapa de conversión regenerativa comprende una frecuencia de conmutación del convertidor al menos 6kHz lo que permite reducir el volumen y peso de las inductancias del filtro de red.In addition, the regenerative conversion stage comprises a converter switching frequency of at least 6kHz, which makes it possible to reduce the volume and weight of the network filter inductances.
El filtro de red puede comprender inductancias de tipo toroidal:The mains filter may include toroidal-type inductances:
El tipo de inductancia del filtro de red de acuerdo con la presente invención es de tipo toroidal y de material de polvo de hierro para (LINV) y (LGRID) ya que por su volumen facilita su integración en PCB, tiene un muy bajo ruido acústico, bajas perdidas y una curva de saturación bastante plana (en otras realizaciones, las inductancias del filtro de red pueden ser de núcleo en E, núcleo en U y de otro material: de ferrita, material amorfo, nano-cristalino) y de núcleo en E de ferrita para la inductancia (LCM) (en otras realizaciones la inductancia podría también ser con núcleo toroidal, núcleo en U y de otro material, polvo de hierro, material amorfo, nanocristalino...).The type of inductance of the network filter according to the present invention is of the toroidal type and made of iron powder material for (LINV) and (LGRID) since, due to its volume, it facilitates its integration in PCB, it has a very low acoustic noise , low losses and a fairly flat saturation curve (in other embodiments, the network filter inductances can be E-core, U-core and other material: ferrite, amorphous material, nano-crystalline) and E-core. E of ferrite for the inductance (LCM) (in other embodiments the inductance could also be with a toroidal core, a U-shaped core and made of another material, iron powder, amorphous material, nanocrystalline...).
En otra realización preferente, el sistema de conversión de potencia además comprende una etapa de conversión de potencia para la máquina eléctrica en modo motor, la cual comprende un bloque rectificador, un primer DC link y un primer inversor. Esta etapa de conversión de potencia conecta la máquina eléctrica a la red eléctrica. Además, la etapa de conversión regenerativa comprende un segundo DC link que está conectado en paralelo al bloque rectificador de la etapa de conversión de potencia. En esta realización, la etapa de conversión regenerativa conecta la máquina eléctrica a la red eléctrica a través del primer DC link y del primer inversor de la etapa de conversión de potencia. In another preferred embodiment, the power conversion system further comprises a power conversion stage for the electrical machine in motor mode, which comprises a rectifier block, a first DC link and a first inverter. This power conversion stage connects the electrical machine to the electrical network. Furthermore, the regenerative conversion stage comprises a second DC link that is connected in parallel to the rectifier block of the power conversion stage. In this embodiment, the regenerative conversion stage connects the electrical machine to the electrical network through the first DC link and the first inverter of the power conversion stage.
En un ejemplo de la realización preferente anterior, el convertidor regenerativo no comprende aislamiento galvánico entre la entrada DC y la salida AC. Esto causa una corriente circulante en modo común entre el convertidor regenerativo y el puente rectificador del convertidor de potencia que conecta la máquina eléctrica con la red eléctrica. Esta corriente circulante incrementa las pérdidas y el ruido acústico. En esta realización, el sistema de conversión de potencia comprende un segundo filtro de inductores configurado para atenuar los armónicos de corriente en modo común, donde el segundo filtro de inductores está establecido también en una placa de circuito impreso, PCB. De esta manera se optimiza el volumen y peso total de los componentes del filtro de red.In an example of the above preferred embodiment, the regenerative converter does not include galvanic isolation between the DC input and the AC output. This causes a circulating current in common mode between the regenerative converter and the rectifier bridge of the power converter that connects the electrical machine with the electrical network. This circulating current increases losses and acoustic noise. In this embodiment, the power conversion system comprises a second inductor filter configured to attenuate common mode current harmonics, where the second inductor filter is also established on a printed circuit board, PCB. In this way the volume and total weight of the network filter components are optimized.
En una realización, el segundo filtro de inductores puede estar ubicado en la parte AC, entre el convertidor regenerativo y la red eléctrica.In one embodiment, the second inductor filter can be located in the AC part, between the regenerative converter and the mains.
En otra realización, el segundo filtro de inductores puede estar conectado al segundo DC Link de la etapa de conversión regenerativa.In another embodiment, the second inductor filter can be connected to the second DC Link of the regenerative conversion stage.
En otra realización preferente, la integración de las inductancias en la PCB se aplica a una topología serie, back to back, active front end “AFE” . Esta topología que carece de la corriente circulante en modo común. Así pues, el sistema de conversión de potencia comprende una etapa de conversión de potencia para la máquina eléctrica en modo motor, que comprende un tercer DC link y un segundo inversor, donde la etapa de conversión de potencia conecta la máquina eléctrica a la red eléctrica.In another preferred embodiment, the integration of the inductances on the PCB is applied to a series topology, back to back, active front end "AFE". This topology that lacks the circulating current in common mode. Thus, the power conversion system comprises a power conversion stage for the electrical machine in motor mode, comprising a third DC link and a second inverter, where the power conversion stage connects the electrical machine to the electrical network. .
Descripción de los dibujosDescription of the drawings
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del filtro de red, de acuerdo con un ejemplo de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the network filter, according to an example of its practical embodiment, a set of drawings is attached as an integral part of said description. where, by way of illustration and not limitation, the following has been represented:
La figura 1 muestra un esquema de un sistema de conversión de potencia de acuerdo con la presente invención.Figure 1 shows a schematic of a power conversion system according to the present invention.
La figura 2 muestra una representación esquemática de una PCB que comprende un filtro de red de acuerdo con la presente invención.Figure 2 shows a schematic representation of a PCB comprising a network filter according to the present invention.
La figura 3 muestra un esquema de un sistema de conversión de potencia tipo ”AFE”. Figure 3 shows a schematic of an "AFE" type power conversion system.
Realización preferente de la invenciónPreferred embodiment of the invention
La figura 1 muestra un esquema eléctrico de un sistema de conversión de potencia (100) para una máquina eléctrica (M) comprendida en un sistema de elevación. El sistema de conversión de potencia (100) comprende una etapa de conversión de potencia (101) para la máquina eléctrica (M) en modo motor.Figure 1 shows an electrical diagram of a power conversion system (100) for an electrical machine (M) included in a lifting system. The power conversion system (100) comprises a power conversion stage (101) for the electrical machine (M) in motor mode.
La etapa de conversión de potencia (101) comprende un bloque rectificador (R1), un primer DC link (DC1) y un primer inversor (INV1). La etapa de conversión de potencia (101) conecta la máquina eléctrica (M) a la red eléctrica.The power conversion stage (101) comprises a rectifier block (R1), a first DC link (DC1) and a first inverter (INV1). The power conversion stage (101) connects the electrical machine (M) to the electrical network.
El sistema de conversión de potencia (100) también comprende una etapa de conversión regenerativa (102) para la máquina eléctrica (M) en modo generador, que comprende un convertidor (R2) y un segundo DC link (DC2). La etapa de conversión regenerativa (102) conecta la máquina eléctrica (M) a la red eléctrica a través del DC link (DC1) y del primer inversor (INV1) de la primera etapa de conversión de potencia (101).The power conversion system (100) also comprises a regenerative conversion stage (102) for the electrical machine (M) in generator mode, comprising a converter (R2) and a second DC link (DC2). The regenerative conversion stage (102) connects the electrical machine (M) to the electrical network through the DC link (DC1) and the first inverter (INV1) of the first power conversion stage (101).
La etapa de conversión regenerativa (102) comprende un primer filtro de inductores (FAC1) formado por (LINV, LGRID, CF) para atenuar los armónicos de corriente establecidos entre el convertidor (R2) y la red eléctrica. En una realización preferente, el primer filtro de inductores (FAC1) de la etapa de conversión regenerativa (102) comprende inductancias monofásicas. En una realización preferente, el primer filtro de inductores (FAC1) de la etapa de conversión regenerativa (102) es de tipo toroidal.The regenerative conversion stage (102) comprises a first inductor filter (FAC1) formed by (LINV, LGRID, CF) to attenuate the current harmonics established between the converter (R2) and the electrical network. In a preferred embodiment, the first inductor filter (FAC1) of the regenerative conversion stage (102) comprises single-phase inductors. In a preferred embodiment, the first inductor filter (FAC1) of the regenerative conversion stage (102) is of the toroidal type.
La etapa de conversión regenerativa (102) comprende un segundo filtro de inductores (FDC) que comprende (LCM), como se muestra en la figura 1, para el atenuar los armónicos de la corriente circulante en modo común, causado por la falta de aislamiento galvánico entre la entrada DC y la salida AC de la etapa de conversión regenerativa (102). El segundo filtro de inductores (FDC) está conectado al segundo DC Link (DC2).The regenerative conversion stage (102) comprises a second inductor filter (FDC) comprising (LCM), as shown in Figure 1, to attenuate the harmonics of the circulating current in common mode, caused by the lack of insulation. galvanic between the DC input and the AC output of the regenerative conversion stage (102). The second inductor filter (FDC) is connected to the second DC Link (DC2).
La etapa de conversión regenerativa (102) comprende una frecuencia de conmutación del convertidor a al menos 6 kHz que permite reducir el volumen y peso de las inductancias, permitiendo que la etapa de conversión regenerativa (102) comprendiendo los filtros (FAC1, FDC) pueda ser establecida en una placa de circuitos PCB. The regenerative conversion stage (102) comprises a converter switching frequency of at least 6 kHz that allows the volume and weight of the inductances to be reduced, allowing the regenerative conversion stage (102) comprising the filters (FAC1, FDC) to be able to be established on a PCB circuit board.
La figura 2 muestra una representación esquemática de una PCB (150) de acuerdo con la presente invención que comprende un filtro de red para la etapa de conversión regenerativa (102) como el mostrado en la figura 1. El filtro de red comprende una topología de filtro LCL (LINV, CF, LGRID) para el filtro (F A C I)y un segundo filtro (FDC) para atenuar los armónicos de la corriente circulante en modo común que comprende una inductancia (LCM) existente en la topología paralelo como la mostrada en la figura 1.Figure 2 shows a schematic representation of a PCB 150 in accordance with the present invention comprising a network filter for the regenerative conversion stage 102 as shown in Figure 1. The network filter comprises a topology of LCL filter (LINV, CF, LGRID) for the filter (F A C I) and a second filter (FDC) to attenuate the harmonics of the circulating current in common mode that comprises an inductance (LCM) existing in the parallel topology as shown in Fig. Figure 1.
La figura 3 muestra un esquema de un sistema de conversión de potencia (200) de acuerdo con la presente invención en configuración “active-front-end”, “AFE” para una máquina eléctrica (M) de un sistema de elevación.Figure 3 shows a diagram of a power conversion system (200) according to the present invention in an "active-front-end" configuration, "AFE" for an electrical machine (M) of an elevation system.
El sistema de conversión de potencia (200) comprende un convertidor (R3) en la etapa de conversión regenerativa 202), un DC link (DC3) y un inversor (INV2) en la etapa de conversión de potencia (201). La etapa de conversión de potencia (201) conecta la máquina eléctrica (M) a la red eléctrica. ). El sistema de conversión de potencia (200) comprende un filtro de inductores (FAC2) para atenuar los armónicos de corriente (LGRID, LINV, CF) establecidos entre el convertidor (R3) y la red eléctrica. Al igual que en el sistema de la figura 1, la frecuencia de conmutación del sistema de conversión de potencia (200) es mayor a 6 kHz y el filtro de inductores (FAC2) está establecido en la al menos una placa de circuito impreso, PCB.The power conversion system (200) comprises a converter (R3) in the regenerative conversion stage 202), a DC link (DC3) and an inverter (INV2) in the power conversion stage (201). The power conversion stage (201) connects the electrical machine (M) to the electrical network. ). The power conversion system (200) comprises an inductor filter (FAC2) to attenuate current harmonics (LGRID, LINV, CF) established between the converter (R3) and the electrical network. As in the system of figure 1, the switching frequency of the power conversion system (200) is greater than 6 kHz and the inductor filter (FAC2) is established in the at least one printed circuit board, PCB .
En una realización preferente, el filtro de inductores (FAC2) es de tipo LCL comprende inductancias monofásicas. En una realización preferente, el filtro de inductores (FAC2) es de tipo toroidal. In a preferred embodiment, the inductor filter (FAC2) is of the LCL type and comprises single-phase inductances. In a preferred embodiment, the inductor filter (FAC2) is of the toroidal type.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| BA2A | Patent application published |
Ref document number: 2921948 Country of ref document: ES Kind code of ref document: A1 Effective date: 20220905 |
|
| FG2A | Definitive protection |
Ref document number: 2921948 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B2 Effective date: 20240423 |