MX2007014842A

MX2007014842A - Funcionamiento de un inversor con sobremodulacion.

Info

Publication number: MX2007014842A
Application number: MX2007014842A
Authority: MX
Inventors: Mukul Rastogi; Marc F Aiello; Richard H Osman
Original assignee: Siemens Energy & Automat
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2008-02-21
Also published as: CA2609798C; WO2006130452A3; US20060279249A1; US7307400B2; CN101180785B; WO2006130452A2; CA2609798A1; EP1884015A2; BRPI0610651A2; KR100984496B1; RU93000U1; RU2007149319A; CN101180785A; KR20080015029A; BRPI0610651B1; EP1884015B1

Abstract

Un accionamiento de frecuencia variable que incluye una pluralidad de celulas de potencia que estan configuradas como tres fase de celulas conectadas en serie para entregar potencia a una carga. El accionamiento se hace funcionar para aumentar la tension de salida de cada celula de potencia utilizando sobremodulacion.

Description

FUNCIONAMIENTO DE UN INVERSOR CON SOBREMODULACION SOLICITUDES RELACIONADAS Y REIVINDICACIÓN DE PROPIEDAD Esta solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente estadounidense provisional en tramitación número 60/685.311, presentada el 27 de mayo de 2005, titulada "Harmony Topology with Over-Modulation" , la cual se incorpora en el presente documento como referencia en su totalidad. CAMPO TÉCNICO Este documento se refiere a dispositivos electrónicos, tales como accionamientos de frecuencia variable, que utilizan uno o más inversores. En particular, este documento se refiere a métodos y sistemas para hacer funcionar un conjunto de inversores que utilizan sobremodulación . ANTECEDENTES Los accionamientos de corriente alterna (CA) de frecuencia variable se utilizan para diversas aplicaciones para entregar potencia a una carga. Por ejemplo, la figura 1 ilustra un circuito de accionamiento que comprende células de potencia conectadas en serie que incluyen inversores como los descritos en la patente estadounidense número 5.625.545 a nombre de Hammond, cuya descripción se incorpora en el presente documento como referencia en su totalidad. Haciendo referencia a la figura 1, un transformador 110 entrega potencia trifásica de media tensión a una carga 130 tal como un motor de inducción trifásico a través de un conjunto de células de potencia. El transformador 110 incluye un devanado 112 primario que excita cualquier número de devanados 114 a 125 secundarios. Aunque se ilustra el devanado 112 primario presentando una configuración de estrella, también es posible una configuración de malla. Además, aunque los devanados 114 a 125 secundarios están ilustrados presentando una configuración de malla, son posibles devanados segundarios en configuración de estrella, o puede utilizarse una combinación de devanados de malla y estrella. Además, el número de devanados secundarios ilustrados en la figura 1 es solamente a modo ejemplo y cualquier otro número de devanados secundarios es posible. El circuito puede utilizarse para aplicaciones de media tensión o, en algunas realizaciones, para otras aplicaciones. Puede utilizarse un sistema 192 de control local para controlar cada célula de potencia, tal como para conectar o desconectar transistores en cada célula. En algunas realizaciones, el sistema 192 de control local puede dirigirse por un sistema 195 de control central a través de un red 190 de comunicaciones inalámbrica o cableada.

Cada devanado secundario está conectado eléctricamente a una célula 151 a 153, 161 a 163, 171 a 173 y 181 a 183 de potencia dedicada de manera que tres fases de células de potencia conectadas en serie están conectadas para entregar potencia trifásica a una carga 130. Debería observarse que el número de células por fase ilustrado en la figura 1 es a modo de ejemplo y pueden ser posibles cuatro células por fase, más o menos, en diversas realizaciones. Por ejemplo, en una realización que puede aplicarse para cargas de motor inductivo de 2.300 voltios de CA (VCA) , pueden utilizarse tres células de potencia para cada una de las líneas de salida trifásica. En otra realización que puede aplicarse para una carga de motor inductivo de 4.160 VCA, pueden utilizarse cinco células de potencia para cada una de las líneas de salida trifásica. Una realización de este tipo puede presentar once estados de tensión que pueden incluir aproximadamente +/- 3.000 voltios de CC (VCC), +/-2.400 VCC, +/-1.800 VCC, +/-1.200 VCC, +/-600 VCC y cero VCC. Es deseable encontrar métodos y sistemas que ayuden a reducir el tamaño y /o el coste de configuraciones de circuito que utilizan inversores conectados en serie, que incluyen pero que no están limitadas a los circuitos descritos en la figura 1. La descripción contenida en el presente documento describe métodos y sistemas para solucionar uno o más de los problemas descritos anteriormente . SUMARIO En una realización, un accionamiento de frecuencia variable incluye una pluralidad de células de potencia. Cada célula de potencia presenta una entrada para recibir potencia trifásica desde un devanado secundario de un transformador, y cada célula de potencia presenta una salida para entregar potencia trifásica a una fase de un motor trifásico. Un sistema de control controla el funcionamiento de cada una de las células de potencia. El sistema de control está programado para aumentar la tensión de salida de cada célula de potencia utilizando sobremodulación tras la aparición de un evento predeterminado. El evento predeterminado puede incluir, por ejemplo, al menos un funcionamiento en régimen permanente del motor, habiendo alcanzado el motor un porcentaje predeterminado de velocidad nominal, la detección de un cambio de tensión que cruza un nivel umbral, o la detección de derivación de al menos una de las células de potencia. En una realización, cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 V y el accionamiento incluye menos de doce células de potencia. En otra realización, cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 V, el accionamiento incluye al menos doce células, y al menos una célula por fase proporciona redundancia. En otra realización, cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 ilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, y el accionamiento incluye menos de dieciocho células de potencia. En otra realización, cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 kilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, el accionamiento incluye al menos dieciocho células, y al menos una célula por fase proporciona redundancia. En otra realización, cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 10 kilovoltios, y el accionamiento incluye menos de veinticuatro células de potencia. En otra realización, cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 10 kilovoltios, el accionamiento incluye al menos veinticuatro células, y al menos una célula por fase proporciona redundancia. En una realización alternativa, un accionamiento de frecuencia variable incluye una pluralidad de células de potencia. Cada célula de potencia presenta una entrada para recibir potencia trifásica desde un devanado secundario de un transformador. Cada célula de potencia también presenta una salida para entregar potencia monofásica a una fase de una carga trifásica. Si la carga presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 voltios, el accionamiento incluye menos de doce células de potencia. Si la carga presenta un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 kilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, el accionamiento incluye menos de dieciocho células de potencia. Si la carga presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 10 kilovoltios, el accionamiento incluye menos de veinticuatro células de potencia. Cada célula de potencia puede presentar un régimen, por ejemplo, para funcionar con una tensión de CA de entrada de - 1 -aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios . El accionamiento también incluye un sistema de control que aumenta la tensión de salida de cada una de las células de potencia utilizando sobremodulación tras la aparición de un evento predeterminado. En una realización alternativa, un método para hacer funcionar un accionamiento de frecuencia variable incluye hacer funcionar una pluralidad de células de potencia que están configuradas como tres fases de células conectadas en serie para entregar potencia a una carga. El método incluye aumentar la tensión de salida de cada célula de potencia utilizando sobremodulación. La utilización de sobremodulación puede realizarse bajo una condición de régimen permanente, y también puede realizarse bajo una condición transitoria. Opcionalmente, la técnica de sobremodulación puede incluir modulación sinusoidal, modulación sinusoidal con inyección del tercer armónico, u otros métodos adecuados. La tensión de salida aumentada puede ser, por ejemplo, de hasta aproximadamente un 10,2% por encima de la tensión de salida normal de las células en la tensión de entrada suministrada. En algunas realizaciones, el método puede incluir vigilar la velocidad de funcionamiento de la carga, y sólo permitir la utilización de sobremodulación cuando la velocidad de funcionamiento está en o por encima de un nivel predeterminado, tal como aproximadamente el 95% de la velocidad máxima de la carga. Opcionalmente, el método también puede incluir vigilar las células de potencia para detectar cuándo se ha derivado una célula de potencia, y disparar la utilización de sobremodulación tras la detección de una derivación. En una realización alternativa, un accionamiento de frecuencia variable incluye una pluralidad de células de potencia. Cada célula de potencia presenta una entrada para recibir potencia trifásica desde un devanado secundario de un transformador, y cada célula de potencia presenta una salida para entregar potencia monofásica a una fase de un motor trifásico. Un sistema de control controla el funcionamiento de cada una de las células de potencia. El sistema de control está programado para aumentar la tensión de salida de cada una de las células de potencia utilizando sobremodulación. El aumento puede producirse durante el funcionamiento en régimen permanente del motor, o puede dispararse al haber alcanzado el motor un porcentaje predeterminado de velocidad nominal, la detección de una caída de tensión, o la detección de derivación de al menos una de las células de potencia o por algún otro evento predeterminado. En algunas realizaciones, cada célula de potencia presenta un régimen para suministrar aproximadamente 690 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 voltios y el accionamiento incluye menos de doce células de potencia. Como alternativa, cada célula de potencia puede presentar un régimen para suministrar aproximadamente 690 voltios, el motor puede presentar un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 V y el accionamiento puede incluir al menos doce células requiriéndose menos de doce de las células para activar la carga en cualquier momento en el tiempo. Como alternativa, cada célula de potencia puede presentar un régimen para suministrar aproximadamente 690 voltios, el motor puede presentar un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 kilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, y el accionamiento puede incluir menos de dieciocho células de potencia. Como todavía otra realización, cada célula de potencia puede presentar un régimen para suministrar aproximadamente 690 voltios, el motor puede presentar un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 kilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, y el accionamiento puede incluir al menos dieciocho células requiriéndose menos de dieciocho de las células para activar la carga en cualquier momento en el tiempo. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 describe un circuito a modo de ejemplo que comprende una pluralidad de células de potencia conectadas a una carga. Las figuras 2A y 2B ilustran un ejemplo de sobremodulación. Las figuras 3A y 3B ilustran un ejemplo de sobremodulación con inyección del tercer armónico. La figura 4 es un diagrama de circuito de una célula de potencia a modo de ejemplo. La figura 5 es un diagrama de flujo que ilustra un proceso de sobremodulación a modo de ejemplo. DESCRIPCIÓN DETALLADA Antes de que se describan los presentes métodos, sistemas y materiales, debe entenderse que esta descripción no está limitada a metodologías, sistemas y materiales particulares descritos, ya que éstos pueden variar. También debe entenderse que la terminología utilizada en la descripción es sólo para el fin de describir las versiones o realizaciones particulares y no pretenden limitar el alcance. Por ejemplo, tal como se utiliza en la presente memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una", "el" y "la" incluyen referencias en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario. A menos que se definan de otra manera, todos los términos técnicos y científicos utilizados en el presente documento tienen los mismos significados que como los entiende normalmente un experto en la técnica. Además, se pretende que los siguientes términos tengan las siguientes definiciones en el presente documento : Conjunto de condensadores -uno o más condensadores. gue comprende - que incluye pero que no esta limitado a. Circui to de control - un primer dispositivo eléctrico que envía señales a un segundo dispositivo eléctrico para cambiar un estado del segundo dispositivo eléctrico. Conversor - un dispositivo que convierte potencia de CA a potencia de CC.

Conectado eléctricamente o acoplado eléctricamente -conectado de una manera adaptada para transferir energía eléctrica. Inversor de puente en H - un circuito para flujo de potencia controlada entre circuitos de CA y de CC que presenta cuatro transistores y cuatro diodos. Haciendo referencia a la figura 4, un inversor 416 de puente en H incluye generalmente un primer tramo de fase y un segundo tramo de fase conectados eléctricamente en paralelo en los terminales de CC. Cada tramo incluye dos combinaciones de transistor/diodo. En cada combinación, el diodo está acoplado eléctricamente a través de la base y el emisor del transistor.

Inversor - un dispositivo que convierte potencia de CC a potencia de CA o potencia de CA a potencia de CC. Media tensión - una tensión de régimen superior a 690 voltios (V) e inferior a 69 kilovoltios (kV) . En algunas realizaciones, media tensión puede ser una tensión entre aproximadamente 1.000 V y aproximadamente 69 kV. Célula de potencia - un dispositivo eléctrico que presenta una entrada de corriente alterna trifásica y una salida de corriente alterna monofásica. Modulación de anchura de impulso - una técnica para controlar un circuito generando impulsos de anchura variable para representar la amplitud de una señal de entrada analógica. Condición de régimen permanente - una condición estable que no cambia sustancialmente en el tiempo. Sustancialmente - en gran medida o grado. Los inversores que convierten una entrada de CC en una salida de CA, tales como los que pueden utilizarse en el accionamiento de la figura 1, se controlan frecuentemente utilizando una o más técnicas de modulación de anchura de impulso (PWM, Pulse-Width Modulation) . Una técnica de este tipo es la modulación sinusoidal. Con el fin de producir una forma de onda de tensión de salida sinusoidal a una frecuencia deseada (también denominada como la frecuencia fundamental) , una referencia de tensión sinusoidal (es decir, una señal de control con amplitud Vcontrol) puede compararse con una forma de onda triangular (con amplitud Vtri) . La amplitud y la frecuencia de la forma de onda triangular son normalmente constantes, y la frecuencia de la forma de onda triangular establece la frecuencia de conmutación del inversor. La modulación sinusoidal permite control lineal de la tensión de salida hasta que la amplitud de una referencia de tensión sinusoidal sea igual a la amplitud de la portadora triangular. Cuando la amplitud de la referencia sinusoidal supera la amplitud de la señal portadora, se pierde el control lineal de la tensión de salida. Cuando esto sucede, la relación amplitud-modulación, ma = Vcontrol/Vtri, es superior a 1,0. Esta región de funcionamiento se llama sobremodulación. La región en la que ma es inferior o igual a 1,0 se denomina a veces el intervalo lineal. La sobremodulación (es decir, el funcionamiento fuera del intervalo lineal del inversor) provoca que la tensión de salida contenga un nivel superior de armónicos de orden inferior (a frecuencias próximas pero superiores a la frecuencia fundamental) que están presentes en el intervalo lineal . La figura 2A muestra las dos señales que se comparan en modulación sinusoidal Vcontrol 201 y Vtri 205. La figura 2B muestra la tensión de salida en función del índice de modulación. Tal como se muestra en la figura 2B, la amplitud de la componente de frecuencia fundamental de la tensión de salida varía linealmente con la amplitud de la señal de referencia en la región 210 lineal. Sin embargo, la salida de tensión no aumenta linealmente con la amplitud de la señal de referencia después de que supere la amplitud de la portadora triangular, es decir, cuando el índice de modulación supera 1,0 y se entra en la región 215 de sobremodulación. En este ejemplo, la tensión de salida del inversor es de 3.500 voltios (V) cuando el índice de modulación es 1,0, aunque la presente invención no está limitada a una realización de este tipo. Otros métodos, tales como la modulación sinusoidal con inyección del tercer armónico o vector espacial PWM, pueden utilizarse para extender el intervalo el control lineal de un inversor. Estos métodos pueden permitir un aumento en la tensión de salida en comparación con el método de modulación sinusoidal antes de que se pierda el control lineal. Por ejemplo, tales métodos pueden permitir un aumento de aproximadamente el 15,5 % en la tensión de salida. La figura 3A ilustra las dos señales, Vcontrol 301 y Vtri 305, que pueden compararse en una modulación sinusoidal con el método de inyección del tercer armónico. La figura 3B ilustra una tensión de salida a modo de ejemplo en función del índice de modulación. Tal como se muestra en la figura 3B, la salida de tensión es lineal hasta que el índice de modulación alcanza 1,155. En ese punto, la tensión de salida es 4.040 V, que es correspondientemente superior al límite de control lineal con modulación sinusoidal. Por encima de este índice de modulación se pierde la linealidad, es decir, cuando la amplitud de la señal de referencia supera 1,155 veces la amplitud de la portadora triangular. Aumentar la amplitud de las referencias de tensión sinusoidal por encima de este límite de control lineal de 115,5% puede incrementar la salida de tensión por encima de 115,5%. En este ejemplo, la salida máxima del inversor en la región de sobremodulación es un 127,3% de la tensión producida con un índice de modulación de 1,0. Esto se consigue cuando la amplitud de referencia sinusoidal se aumenta más allá del 320% de la señal portadora triangular (es decir, cuando el índice de modulación es superior a 3,2) . El funcionamiento en la región de sobremodulación puede producirse en situaciones en las que se requiere que la salida del inversor se maximice bajo condiciones transitorias de entrada, tales como una pérdida repentina de la tensión primaria en el inversor. En tal caso, el inversor intenta mantener la máxima tensión de salida posible aumentando la amplitud de referencia de tensión y funcionando en la región de sobremodulación. Una vez restaurada la tensión primaria, el inversor funciona en la región lineal para limitar la producción de armónicos de orden inferior en la salida e impedir que cualquier efecto secundario a largo plazo afecte a la carga. Se ha descubierto que la utilización de sobremodulación en un funcionamiento en régimen permanente de inversores conectados en serie puede proporcionar una o más ventajas en ciertas realizaciones. Por ejemplo, obligando intencionadamente a una célula de potencia a funcionar en la región de sobremodulación en un funcionamiento en régimen permanente, el inversor puede entregar la misma tensión de salida que entregaría en la región lineal pero entregándose al inversor tensión primaria inferior (por ejemplo, aproximadamente un 10% inferior) . Por tanto, en algunas realizaciones, los componentes del inversor, o del transformador de entrada, pueden presentar un régimen de una tensión inferior y por tanto podrían ser menos costosos o más pequeños que con componentes que presenten un régimen superior. Además, tal funcionamiento (con sobremodulación) puede proporcionar una tensión de salida superior (por ejemplo, aproximadamente un 10% superior) , entregándose la misma tensión primaria al inversor.

Por tanto, se ha descubierto que puede presentar beneficios el funcionamiento de topologías de circuito que utilizan inversores conectados en serie, que incluyen pero que no están limitados a los mostrados en la figura 1, utilizando sobremodulación en la región de régimen permanente. Por ejemplo, pueden necesitarse menos inversores en un circuito porque la capacidad de salida de tensión de cada inversor puede aumentarse. Tal funcionamiento tiene ventajas particulares en aplicaciones de media tensión, aunque las realizaciones descritas en el presente documento no están limitadas a tales aplicaciones.

La figura 4 es un diagrama de circuito que ilustra componentes a modo de ejemplo de una célula de potencia que puede utilizarse en un circuito como el de la figura 1. Haciendo referencia a la figura 4, una célula 410 de potencia de la técnica anterior puede incluir un rectificador 412 de puente de diodos trifásico, uno o más condensadores 414 de corriente continua (CC) y un inversor de puente en H u otro inversor 416. El rectificador 412 convierte la tensión 418 de CA de entrada en una tensión de CC sustancialmente constante que pueden soportar los condensadores 414 que están conectados a través de la salida del rectificador 412. La etapa de salida del inversor 410 incluye un inversor 416 de puente en H que incluye dos polos, un polo izquierdo y un polo derecho, cada uno con dos dispositivos. El inversor 410 transforma la tensión de CC a través de los condensadores 414 de CC en una salida 420 de CA utilizando modulación de anchura de impulso (PWM) de los dispositivos semiconductores en el inversor 416 de puente en H. Las salidas de los inversores de puente en H pueden conectarse en serie (tal como se muestra en la figura 1) para que aumente la tensión de salida. Pueden utilizarse otras configuraciones de circuito para una célula de potencia en lugar del circuito ilustrado en la figura 4. Los inversores conectados en serie, tales como los mostrados en las figuras 1 y 4, se utilizan normalmente en aplicaciones de accionamientos por motor de CA de media tensión. Por consiguiente, las realizaciones descritas en el presente documento incluyen hacer funcionar un circuito de inversores conectados en serie de manera que cada inversor se hace funcionar en la región de sobremodulación. Para una célula de potencia que normalmente recibe (o funciona con una tensión de devanado secundario de transformador de) 690 V, puede ser deseable un aumento de hasta 750 V (es decir, un aumento de aproximadamente el 8,7%) o incluso un aumento de hasta 780 V (es decir, un aumento de aproximadamente el 13%) . Los motores están disponibles sólo en unos pocos niveles de tensión discretos que son habituales en la industria, y sólo algunos de esos niveles son enormemente populares. Aunque la invención no está limitada a los niveles de tensión habituales actualmente en la industria, los ejemplos citados posteriormente describen la utilización de sobremodulación con inversores conectados en serie en dos niveles de tensión a modo de ejemplo. La tensión de salida en un circuito de este tipo puede expresarse en función del número de filas (F) de células de potencia, la tensión de CA de entrada para las células de potencia (VCA) mediante la siguiente ecuación: Vsaüda = 1,78 * Kovm* F * VCA en la que Kovm representa el aumento en la tensión de salida debido al funcionamiento con sobremodulación y es el intervalo de 1,0 < K0Vm < 1,10. Esta expresión muestra que aumentar tanto la tensión de entrada de CA para las células de potencia como el factor K0VTI1 hasta sus límites prácticos puede reducir el número de filas requeridas para producir una tensión de salida dada. Esto se ilustra utilizando los ejemplos de los siguientes párrafos. EJEMPLO 1 Para hacer funcionar un motor a 4.160 V, puede utilizarse un accionamiento como el mostrado en la figura 1 con inversores conectados en serie como los mostrados en la figura 4. Con el fin de producir esta tensión de salida, el accionamiento típico de la técnica anterior presenta cuatro inversores (monofásicos) conectados en serie por fase. Dicho de otro modo, hay cuatro filas de células de potencia. Cada inversor, que puede utilizar transistores bipolares de puerta aislada (IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor) u otros dispositivos adecuados de régimen aproximadamente de 1.700 V, recibe una fuente de 690 V de CA y puede entregar aproximadamente 709 V en la salida para una salida total de aproximadamente 4.912 V entre fases (o aproximadamente 2.836 V por fase) . Un inversor de este tipo puede producir mucho más de la tensión requerida de 4.160 V. Sin embargo, con tres inversores conectados en serie por fase (es decir, tres filas de células de potencia) , la tensión de salida total sería de aproximadamente 3.684 V entre fases (o de aproximadamente 2.127 V por fase). Este nivel de potencia está muy por debajo de la salida deseada de 4.160 V. Si los inversores se controlan para funcionar en la región de sobremodulación (con KOVm = 1/10), entonces los tres inversores conectados en serie en una disposición por fase pueden proporcionar aproximadamente 4.053 V entre fases (o 2.340 V por fase) que es ligeramente inferior a la tensión de salida deseada.

Un pequeño aumento en la tensión primaria de entrada hasta 740 V en cada inversor monofásico puede proporcionar aproximadamente 4.347 V entre fases. Esto es suficiente para la salida deseada de 4.160 V. El pequeño aumento en la tensión primaria puede soportarse con los regímenes IGBT existentes y no necesitará transistores que presenten un régimen para el siguiente régimen de tensión superior. En algunas realizaciones, puede requerirse un ligero aumento en el régimen del condensador del inversor (es decir, el elemento 414 de la figura 4) para tratar la tensión aumentada del bus de CC. Por tanto, esta disposición que sólo utiliza tres inversores por fase puede dar como resultado ahorros de tamaño y coste globales. EJEMPLO 2 Otro nivel de tensión habitual es de 6.900 V para el que puede utilizarse el accionamiento de la figura 1. Con el fin de producir esta tensión de salida, este accionamiento puede modificarse para que tenga seis inversores (monofásicos) conectados en serie por fase (es decir, seis filas) . Cada inversor, como el mostrado en la ; r figura 4, que puede utilizar los IGBT que presentan un ¡ régimen de 1.700 V, recibe una fuente de 690 V de CA y j I puede soportar aproximadamente 709 V en la salida para una | salida total de aproximadamente 4.254 V por fase, o l aproximadamente 7.368 V entre fases. Un inversor de este ¡ tipo puede producir muy por encima de la tensión requerida de 4.160 V. Sin embargo, con cinco inversores conectados en serie por fase (es decir, cinco filas) , la tensión de salida total sería aproximadamente 6.140 V entre fases (o aproximadamente 3.545 V por fase). Este nivel de tensión está muy por debajo de la salida deseada de 6.900 V. Si se utiliza sobremodulación, entonces los tres inversores conectados en serie en una disposición por fase pueden proporcionar aproximadamente 6.754 V entre fases (o aproximadamente 3.900 V por fase) lo que es ligeramente inferior a la salida de tensión deseada. Un pequeño aumento en la tensión primaria de entrada hasta 740 V en cada inversor monofásico puede proporcionar aproximadamente 7.243 V entre fases. Esto es suficiente para la salida deseada de 6.900 V. El pequeño aumento en la tensión primaria puede soportarse con los regímenes IGBT existentes y no necesitará transistores que presenten un régimen para el siguiente régimen de tensión superior. En algunas realizaciones, puede requerirse un ligero aumento en el régimen del condensador del inversor (es decir, el elemento 414 de la figura 4) para tratar la tensión aumentada del bus de CC. Sin embargo, esta disposición, que sólo utiliza cinco inversores por fase, también puede dar como resultado ahorros de tamaño y coste globales.

En los dos ejemplos citados anteriormente, puede ser deseable un aumento adicional en la tensión primaria de entrada para cada célula desde 740 V hasta 750 V, por ejemplo, para compensar las caídas de tensión tales como las debidas a la impedancia de fuga del transformador. EJEMPLO 3 Como otro ejemplo, si se desea hacer funcionar una carga que presenta un régimen aproximadamente a 10 kilovoltios (kV) , puede utilizarse en la técnica anterior un accionamiento que presenta 24 células de potencia conectadas en serie (es decir, 8 filas de células) , presentando cada una un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente entre 740 V y 780 V. Con sobremodulación podrían utilizarse menos de 24 células, por ejemplo siete filas de células, para accionar la carga. Como alternativa, podrían utilizarse 8 o más filas, proporcionando una fila redundancia ya que sólo se requieren siete para activar la carga cuando se dispara la sobremodulación . Haciendo referencia a la figura 5, los métodos descritos en el presente documento pueden incluir utilizar un sistema de control (es decir, el elemento 192 de la figura 1) para hacer funcionar un accionamiento, tal como el mostrado en la figura 1, introduciendo señales portadoras y de referencia de manera que la célula de potencia se hace funcionar en una región 510 de sobremodulación. En algunas realizaciones, el funcionamiento en la región de sobremodulación puede producirse en todas las células en el circuito de potencia durante el funcionamiento normal, es decir, en régimen permanente, del circuito para accionar un motor. En algunas realizaciones, la sobremodulación también puede producirse durante un funcionamiento transitorio. En otra situación, el sistema de control puede vigilar al accionamiento para determinar si una o más de las células han fallado o si se han derivado 515 de algún otro modo, y el circuito de control puede disparar la sobremodulación 525 con el fin de mantener una tensión de salida sustancialmente completa a pesar de la pérdida de una o más células. En algunas realizaciones, la sobremodulación también puede dispararse por la aparición de uno o más eventos. Por ejemplo, en algunas realizaciones, la sobremodulación puede dispararse detectando que la tensión de entrada a cruzado un umbral predeterminado, tal como detectando que la tensión para la carga ha caído por debajo de un nivel 530 predeterminado o ha aumentado por encima de un nivel 550 predeterminado. Por tanto, puede vigilarse la tensión de entrada para los inversores conectados en serie, o puede vigilarse la tensión deseada entregada a la carga, y puede dispararse la sobremodulación. En algunas realizaciones, el disparador puede basarse en un primer nivel predeterminado, tal como una caída de tensión que da como resultado que la tensión de entrada caiga hasta o por debajo de aproximadamente el 95 % de un nivel de régimen o predeterminado. Como alternativa, en algunas realizaciones, el disparador puede basarse en un aumento de la tensión de la carga deseada por encima de un cierto nivel, tal como aproximadamente el 95 % de la tensión de motor nominal. En algunas realizaciones, también puede ser deseable limitar la introducción de sobremodulación dependiendo de la velocidad de funcionamiento del motor 540. Por tanto, por ejemplo, la sobremodulación puede limitarse a condiciones de funcionamiento que están aproximadamente entre el 95 % y aproximadamente el 100 % de la velocidad nominal, o a condiciones que están aproximadamente entre el 97 % y aproximadamente el 100 % de la velocidad máxima deseada, o a otras condiciones deseadas. En algunas realizaciones, la sobremodulación puede controlarse para que se dispare por una combinación de factores, tales como la detección de una derivación de célula y un cambio en la velocidad de funcionamiento. En algunos casos, la velocidad umbral y los niveles de tensión predeterminados pueden ser diferentes 517, 518, dependiendo de si se ha detectado 515 una derivación de célula.

El sistema de control puede aplicar cualquier técnica de sobremodulación conocida actualmente o futura para conseguir los objetivos descritos en el presente documento. Por ejemplo, pueden utilizarse las técnicas descritas en Hava, "Carrier-Based PWM-VSI Drives in the Overmodulation Región", publicado como una tesis doctoral en diciembre de 1998 en la Universidad de Wisconsin-Madison (Madison, Wisconsin, EE.UU.) En algunas realizaciones, la sobremodulación puede dar como resultado que cada célula de potencia presente una tensión de salida que esté aproximadamente entre el 0 % y aproximadamente el 10,2 % por encima de su funcionamiento normal basándose en la tensión de entrada. En otras realizaciones, la sobremodulación puede dar como resultado que cada célula de potencia tenga una tensión de salida que esté aproximadamente entre el 2 % y aproximadamente el 10 % por encima de su funcionamiento normal. En otras realizaciones, la sobremodulación puede dar como resultado que cada célula de potencia tenga una tensión de salida que sea aproximadamente un 2,7 % superior a su funcionamiento normal . Con sobremodulación pueden necesitarse pocas células para activar una carga. Por tanto, el circuito global podría ser más pequeño. Como alternativa, los circuitos que normalmente se utilizarían para activar una carga podrían servir en su lugar para proporcionar redundancia en caso de fallo de una célula de potencia. Por ejemplo, haciendo referencia a la figura 1, en un circuito en el que las células de potencia presentan un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de 690 V, normalmente se requieren cuatro filas de células 150, 160, 170 y 180 para accionar una carga de 4.160 V o de aproximadamente 4 kilovoltios (kV) . Cada fila incluye tres células de potencia (una célula por fase) y, por lo tanto, bajo funcionamiento normal los circuitos requieren normalmente doce células 151 a 153, 161 a 163, 171 a 173 y 181 a 183 de potencia. Si las células de potencia se controlan utilizando sobremodulación y se hace funcionar cada célula de potencia con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 V hasta aproximadamente 780 V, sólo se requieren tres filas 150, 160 y 170 (es decir, nueve células 151 a 153, 161 a 163, 171 a 173 de potencia) para proporcionar 4.160 V. A diferencia de los sistemas anteriores, se requieren menos de doce células de potencia, ya que la cuarta fila 180 podría omitirse tal como se mencionó en el ejemplo 1 anterior. Como alternativa, la cuarta fila 180 podría incluirse en el circuito pero sólo se utilizaría para proporcionar una redundancia de una célula de potencia por fase para una tensión de motor nominal de 4.160 V.

De manera similar, en un circuito que acciona una carga aproximadamente a 6,6 kV o aproximadamente a 6,9 kV, se disponen seis filas de células de potencia (es decir, dieciocho células de potencia en total) si las células de potencia presentan un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 690 V. Utilizando sobremodulación y funcionando cada célula de potencia con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 V hasta aproximadamente 780 V, este circuito podría suministrar 6.900 V a la carga utilizando sólo cinco filas (es decir, quince células de potencia) tal como se describe en el ejemplo 2 anterior. La sexta fila podria omitirse del circuito o podría incluirse en el circuito para proporcionar células de potencia redundantes. La selección de las células de potencia no está limitada a las realizaciones descritas en el presente documento, y podría seleccionarse cualquier número de células de potencia basándose en la tensión deseada que debe suministrarse para alimentar una carga. Todavía otras realizaciones resultarán fácilmente evidentes para los expertos en la técnica a partir de la descripción detallada expuesta anteriormente y los dibujos de ciertas realizaciones a modo de ejemplo. Aunque sólo se han mostrado dos métodos de modulación, otros métodos de modulación también pueden combinarse con la utilización propuesta de sobremodulación en inversores conectados en serie. Debería entenderse que son posibles numeras variaciones, modificaciones y realizaciones adicionales y, por consiguiente, debe considerarse que todas estas variaciones, modificaciones y realizaciones están dentro del espíritu y alcance de esta solicitud. Por consiguiente, las descripciones y dibujos deben considerarse como ilustrativos por naturaleza y no como restrictivos. Además, cuando se describe cualquier número o intervalo en el presente documento, ese número o intervalo es aproximado a no ser que se indique claramente lo contrario.

Claims

REIVINDICACIONES 1.- Accionamiento de frecuencia variable, que comprende : una pluralidad de células de potencia, presentando cada célula de potencia una entrada para recibir potencia trifásica desde un devanado secundario de un transformador, y presentando cada célula de potencia una salida para entregar potencia monofásica a una fase de un motor trifásico; un sistema de control que controla el funcionamiento de cada una de las células de potencia; en el que el sistema de control está programado para aumentar la tensión de salida de cada una de las células de potencia utilizando sobremodulación tras la aparición de un evento predeterminado.
2.- Accionamiento según la reivindicación 1, en el que cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 V, y el accionamiento incluye menos de doce células de potencia.
3.- Accionamiento según la reivindicación 1, en el que cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 V, el accionamiento incluye al menos doce células, y al menos una célula por fase proporciona redundancia.
4.- Accionamiento según la reivindicación 1, en el que cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 kilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, y el accionamiento incluye menos de dieciocho células de potencia.
5.- Accionamiento según la reivindicación 1, en el que cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 kilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, el accionamiento incluye al menos dieciocho células, y al menos una célula por fase proporciona redundancia.
6.- Accionamiento según la reivindicación 1, en el que cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 10 kilovoltios, y el accionamiento incluye menos de veinticuatro células de potencia.
7.- Accionamiento según la reivindicación 1, en el que cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios, el motor presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 10 kilovoltios, el accionamiento incluye al menos veinticuatro células, y al menos una célula por fase proporciona redundancia.
8.- Accionamiento según la reivindicación 1, en el que el evento predeterminado comprende al menos uno del funcionamiento en régimen permanente del motor, haber alcanzado el motor un porcentaje predeterminado de velocidad nominal, la detección de un cambio de tensión que cruza un nivel umbral o la detección de derivación de al menos una de las células de potencia.
9.- Accionamiento de frecuencia variable, que comprende : una pluralidad de células de potencia, en las que: cada célula de potencia presenta una entrada para recibir potencia trifásica desde un devanado secundario de un transformador; cada célula de potencia presenta una salida para entregar potencia monofásica a una fase de una carga trifásica; si la carga presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 4.160 voltios, la pluralidad de las células de potencia comprende menos de doce células de potencia; si la carga presenta un régimen para funcionar a desde aproximadamente 6,6 kilovoltios hasta aproximadamente 6,9 kilovoltios, la pluralidad de células de potencia comprende menos de dieciocho células de potencia; y si la carga presenta un régimen para funcionar aproximadamente a 10 kilovoltios, la pluralidad de células de potencia comprende menos de veinticuatro células de potencia.
10.- Accionamiento según la reivindicación 9, en el que cada célula de potencia presenta un régimen para funcionar con una tensión de CA de entrada de aproximadamente 740 voltios hasta aproximadamente 780 voltios.
11.- Accionamiento según la reivindicación 9, que comprende además un sistema de control que aumenta la tensión de salida de cada una de las células de potencia utilizando sobremodulación tras la aparición de un evento predeterminado.
12.- Accionamiento según la reivindicación 11, en el que el evento predeterminado comprende al menos uno de funcionamiento en régimen permanente del motor, haber alcanzado el motor un porcentaje predeterminado de velocidad nominal, la detección de un cambio de tensión que cruza un nivel umbral o la detección de derivación de al menos una de las células de potencia.
13. - Método para hacer funcionar un accionamiento de frecuencia variable, que comprende: hacer funcionar una pluralidad de células de potencia que están configuradas como tres fases de células conectadas en serie para entregar potencia a una carga; utilizar un sistema de control para aplicar sobremodulación para aumentar la tensión de salida de al menos algunas de las células de potencia bajo condiciones de régimen permanente tras la aparición de un evento predeterminado .
14.- Método según la reivindicación 13, que comprende además vigilar la velocidad de funcionamiento de la carga, y detectando el evento predeterminado que la velocidad de funcionamiento está en o por encima de un nivel predeterminado .
15.- Método según la reivindicación 14, en el que el nivel predeterminado es aproximadamente el 95 % de la velocidad máxima de la carga.
16.- Método según la reivindicación 15, que comprende además vigilar la pluralidad de células de potencia para detectar cuándo se ha derivado una célula de potencia, y en el que el evento predeterminado comprende la detección de una derivación.
17.- Método según la reivindicación 15, en el que la utilización de sobremodulación también se realiza bajo condiciones transitorias.
18.- Método según la reivindicación 15, en el que la utilización de sobremodulación comprende modulación sinusoidal.
19. Método según la reivindicación 15, en el que la utilización de sobremodulación comprende modulación sinusoidal con inyección del tercer armónico.