D E S C R I P C I O N OBJETO DE LA INVENTION En la presente invención se ha desarrollado un sistema con el que se consigue obtener corriente alterna a partir de corriente continua, con un rendimiento considerablemente alto respecto a los sistemas conocidos en la actualidad, funcionando con cualquier tipo de cargas, ya sean resistivas o inductivas, o incluso trabajando con potencias muy altas.

El sistema se basa en un dispositivo inversor, que presenta la novedad de que no utiliza ningún componente inductivo, y que permite la generación de cualquier forma de onda, frecuencia y fases.

La invención puede ser aplicada en múltiples tipos de instalaciones, pero ha sido especialmente ideada para su aplicación en una instalación generadora de energía a partir de paneles solares, aerogeneradores, grupos electrógenos, y la red eléctrica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En la actualidad, la sociedad está cada vez más sensibilizada con todos los problemas que afectan al medio ambiente, y demanda la toma de medidas para paliar estos problemas y evitar agravar el deterioro del medio natural. Entre estos problemas se puede destacar la generación de energía eléctrica, sobre la que se demanda cada vez más su generación a partir de fuentes de

energías limpia, como son la energía solar, eólica, biocombustibles, etc., que son recursos naturales que aún no están siendo explotados en toda su capacidad.

De manera más concreta, la generación de energía eléctrica a partir de placas solares crea energía eléctrica en forma de corriente continua, que es almacenada en baterías desde donde es necesario transformarla en corriente alterna para su utilización en una instalación doméstica o industrial.

Existen diversos sistemas para convertir la corriente continua en alterna, de los cuales el más empleado es la"modulación de ancho de impulsos"o"PWM" de sus iniciales en inglés, que consiste en generar a partir de paquetes de ondas cuadradas de diferente anchura, una onda que posteriormente se filtra con condensadores, bobinas y transformadores para obtener la forma de onda deseada.

Los sistemas actuales para la generación de energía eléctrica a partir de placas solares, posibilitan el disponer de electricidad en lugares remotos alejados de zonas industrializadas, y además permiten la generación de energía en las regiones más pobres del planeta, donde la falta de recursos impide la existencia de centrales eléctricas, con lo que se imposibilita el desarrollo social de estas regiones.

Sin embargo, este sistema de generación de energía, adolece de diversos inconvenientes que limitan la eficacia en su utilización, entre los que se puede destacar : el autoconsumo, variación del rendimiento según la naturaleza de la carga, poca potencia, y dado que limitan la frecuencia en la parte baja del espectro,

para cada frecuencia se requiere un filtro diferente, costes elevados a potencias grandes y sobre todo en sistemas polifásicos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN E1 desarrollo del sistema para generar corriente alterna a partir de corriente continua en el que consiste esta invención, ha sido motivado con la intención de resolver la problemática anteriormente descrita, posibilitando la puesta en funcionamiento de una instalación autónoma de generación de corriente alterna de cualquier voltaje, frecuencia, fases y forma de onda, a partir de energía solar, aerogeneradores, grupos electrógenos, o red eléctrica, y con un alto rendimiento, gracias a que se obtiene muy bajo o casi nulo consumo en la inversión.

Además de esta características, el sistema ofrece las siguientes ventajas : -No se necesitan elementos inductivos para la generación de corriente alterna.

-El rendimiento no se ve afectado apenas por la naturaleza de la carga.

-Soporta cargas inductivas o capacitivas o mezcla de ambas.

-Soporta generadores conectados a la salida del convertidor.

-El rendimiento es sumamente alto a potencias muy elevadas.

-Se pueden sincronizar y conectar en paralelo cualquier número de pasos de potencia.

-Puede funcionar cogenerando a la propia red.

-La energía reactiva producida por la carga,

cuando es inductiva, se utiliza plenamente para la recarga de la batería.

-A1 rectificar la corriente alterna a continua, corrige el factor de potencia de cualquier instalación y esta no envia corriente reactiva a la red.

-Se realiza un control digital de la forma de onda mediante un microcontrolador, en el que se pueden cargar distintos programas de barridos secuenciales.

La invención se basa en la utilización de uno o más puentes de transistores dotados de diodos en montaje antiparelelo, que constituyen un puente completo convencional, y que se conectan en serie de modo que las ondas cuadradas generadas por cada uno de ellos se suman entre si, dando lugar a formas de onda tan complejas como se requiera. Los diodos en montaje antiparalelo permiten recuperar hacia las baterías gran parte de la energía que la carga puede devolver en caso de tener carácter reactivo, con lo cual no se devuelve potencia reactiva a la red y se corrige el factor de potencia de cualquier instalación.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Para completar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, se acompaña a esta memoria descriptiva, como parte integrante de la misma, un conjunto de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente : -La figura 1, representa el puente completo convencional básico empleado en la invención.

-La figura 2, representa esquemáticamente el camino que sigue la corriente en los posibles estados de corte y conducción en los que pueden estar los transistores y diodos del puente completo representado en la figura 1, donde con un trazo inclinado se indica el camino que sigue la corriente eléctrica, que circula por los transistores y/o diodos que están en conducción en ese momento. Los transistores y diodos sobre los que no se representa un trazo inclinado, están abiertos.

-La figura 3, representa la conexión en serie de dos puentes de transistores como el representado en la figura 1, de acuerdo con las características de la invencion.

-La figura 4, representa una forma de onda obtenida según un ejemplo de realización práctica de la invención, indicando mediante flechas el estado de conducción o corte en el que se encuentran los transistores o diodos de cada puente, para obtener el tramo de la onda que indica la flecha.

-La figura 5, representan las gráficas que ilustran los cálculos que se incluyen en la descripción.

-La figura 6, sirve para ilustrar el procedimiento de carga de las baterias, durante el semiciclo positivo de la onda, donde de modo similar a la figura 4, se indica el estado de cada puente para obtener cada escalón de la onda, y en el margen inferior derecho se representa el esquema de conexión de los dos puentes en serie, junto con el puente y diodos que permiten realizar la carga de las baterias. Con trazo inclinado y discontinuo, se indican los posibles estados de funcionamiento de los puentes, ya sea en seguidor o

en conducción.

-La figura 7, es una representación similar a la de la figura 6 para el semiciclo negativo de la onda generada.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN En la figura 1 se ha representado un puente completo convencional, que está formado por un puente de transistores (Q1-Q4), dotados de diodos (D1-D4) en montaje antiparalelo. En la figura se han representado transistores bipolares de puerta aislada"IGBT"para ilustrar la invención, pero también se podría utilizar transistores de efecto de campo con estructura metal oxido semiconductor"MOSFET", en cuyo caso habría que tener cuidado con el uso del diodo parásito, o incluso transistores de efecto de campo"JFET". Los diodos igualmente pueden ser de diversos tipos, como por ejemplo de barrera"Schottky"o de unión"PN". La batería (BT) podría ser cualquier otra fuente de corriente continua, como un panel solar en paralelo con una batería.

E1 funcionamiento ya conocido del puente de transistores de la figura 1, es como sigue : Diremos que el puente se encuentra en conducción directa, figura 2-a, cuando estén en conducción los transistores (Q1 y Q4), estando los demás en corte, correspondiéndose este estado con una tension positiva en el terminal de salida (J1) respecto al terminal de salida (J2). En caso de que la corriente impuesta por la carga entre (Jl) y (J2) vaya en el sentido de la flecha (J1), entonces los diodos antiparalelos correspondientes

(D1, D4) están cortados y la corriente circula por los transistores (Q1, Q4) a través de la fuente de continua, en el sentido de extraer energía de la fuente. Cuando a la inversa, la carga impone una corriente en el sentido de la flecha de (J2), como en el caso de cargas reactivas o de generadores en algunas zonas del ciclo, los diodos (D1, D4), permiten la conducción de la corriente a través de la fuente en el sentido de aportar energía a la fuente.

El puente de transistores se encuentra en conducción inversa, figura 2-b, cuando están activados los transistores (Q2 y Q3), estando desactivados los demás y corresponderá a una tensión negativa entre los terminales (J1 y J2). De nuevo destacamos que, en este estado, si la corriente impuesta por la carga entre (J1 y J2) va en el sentido de la flecha de (J2), entonces los diodos antiparalelos correspondientes (D2 y D3) están cortados y la corriente circula por los transistores (Q2 y Q3) y, a través de la batería (BT), en el sentido de extraer energía de la fuente. Cuando, a la inversa, la carga impone una corriente en el sentido de la flecha de (J1), como en el caso de cargas reactivas ó de generadores en algunas zonas del ciclo, los diodos (D2 y D3) permiten la conducción de la corriente a través de la fuente en el sentido de aportar energía a la fuente.

Diremos que el puente de transistores se encuentra en seguidor superior, figura 2-c, cuando están activados los transistores (Q1 y Q2) y no activamos los demás. En este estado, si la carga impone cualquier tipo de corriente entre (J1 y J2), ésta podrá pasar libremente a través de un transistor y de un diodo. En efecto, si va en el sentido de la flecha de (J1), pasará

a través de (Ql y D2), y, si va en el sentido de la flecha de (J2), pasará por (Q2 y D1). Nunca pasará por la rama inferior porque se lo impedirán los diodos (D3 y D4), y por lo tanto, no se extraerá ni se aportará energía a la fuente de corriente continua (BT).

El puente está en seguidor inferior, figura 2-d, cuando los transistores (Q3 y Q4) están activos, y no activamos los demás. En este estado, si la carga impone cualquier tipo de corriente entre (J1 y J2), ésta podrá pasar libremente a través de un transistor y de un diodo. En efecto, si va en el sentido de la flecha de (J1), pasará a través de (Q4 y D3), y si va en el sentido de la flecha de (J2), pasará por (Q3 y D4).

Nunca pasará por la rama inferior porque se lo impedirán los diodos (D1 y D2), y por lo tanto, no se extraerá ni se aportará energía a la fuente de corriente continua (BT).

De este modo, la novedad de la invención reside en que para obtener corriente alterna a partir la corriente continua proporcionada por una fuente de continua, se conectan en serie dos o más puentes de transistores, de manera que las formas de onda cuadrada que proporciona cada uno de ellos se suman, dando lugar a formas de onda compuestas por múltiples escalones formados por los puentes completos, de modo que cuantos más puentes en serie se utilicen, más nos podremos aproximar a una onda sinusoidal ideal.

Cada puente de transistores es alimentado por una batería (BT) independiente, cuya amplitud determina la altura de cada escalón o peldaño de la onda que se genera.

De este modo se consigue obtener una onda sinusoidal casi perfecta, sin necesidad de utilizar filtros a base de componentes inductivos que suavicen los impulsos de la onda de salida, según se realiza en inversores continua/alterna convencionales, con lo cual, el sistema desarrollado en esta invención, no experimenta pérdidas en estos componentes inductivos y consigue obtener un rendimiento en la conversión considerablemente alto.

Las únicas pérdidas existentes que determinan el rendimiento del sistema, son las que se producen en los elementos semiconductores, transistores y diodos, por calentamiento y caidas de tensión, las cuales son muy bajas y permiten alcanzar un rendimiento muy alto.

Por otro lado, los diodos en montaje antiparalelo con cada transistor, junto con el sistema de excitación de los puentes, permiten recuperar hacia las baterías gran parte de la energía que la carga pueda devolver por su carácter reactivo, o por cualquier otra causa como por ejemplo que la carga se trate de un motor freno que se comporta como un generador. Para ello, con el sistema de excitación de los puentes se hace trabajar a uno de los puentes en conducción, ya sea directa o inversa, y al otro puente se le hace trabajar en seguidor, con objeto de que el puente que está en seguidor transmita la reactiva al puente que está en conducción, sin modificar la forma de onda sinusoidal.

Si ambos puentes estuviesen en seguidor, la reactiva seguiría un camino sin pasar por la batería, con lo cual esta energía no se recuperaría.

La figura 3 representa una sencilla realización práctica de la invención, en la que se conectan en serie dos puentes de transistores (A) y (B) como el representado en la figura 1, de modo que el terminal (J2A) del puente (A) se conecta al terminal (J1B), y mediante los terminales de salida (J1A) y (J2B) se alimenta directamente a una carga (L), que como ya se ha comentado puede tener carácter inductivo, capacitivo o mezcla de ambas.

La figura 4 muestra la onda que se obtiene utilizando dos puentes en serie, donde se indica el estado de funcionamiento de los puentes para obtener cada peldaño. En el semiciclo positivo, el escalón de mayor tensión se obtiene con los dos puentes en conducción directa, siendo este valor de tensión la suma de las baterías (BTA y BTB), despreciando las caidas de tensión en los semiconductores. Para obtener el siguiente escalón, se hace pasar uno de los puentes a seguidor superior, de modo que la altura de este escalón se corresponde con la tensión de la batería del otro puente en conducción directa.

De modo similar se obtienen los siguientes escalones, completando la onda y formando el semiciclo negativo.

En cada uno de los semiciclos, la elección del puente que pasa a funcionar en seguidor superior o inferior, es arbitraria puesto que se obtendría la misma forma de onda, pero tal y como se puede apreciar en esta figura 4, se alterna la elección del puente de un semiciclo a otro con la intención de equilibrar la disipación de los elementos, y equilibrar la descarga o carga de las baterías de ambos puentes, haciendo que en

el semiciclo positivo sea la batería (BTA) la que está siempre en funcionamiento, mientras que en el semiciclo negativo sea la batería (BTB) del otro puente la que siempre este aportando energía.

En caso de trabajar con cargas de funcionamiento asimétrico en los semiciclos, el funcionamiento equilibrado de las baterías se puede conseguir intercambiando su funcionamiento por ciclos en lugar de por semiciclos, para lo cual, tan solo hay que modificar el funcionamiento del microcontrolador, que de manera ya conocida en el estado de la técnica, determina los estados de trabajo de los transistores, haciéndolos pasar de corte a conducción para formar los diferentes escalones de la señal que se desea obtener.

Igualmente modificando el programa del microcontrolador, se puede variar a voluntad la forma de la onda de salida así como su frecuencia, pudiendo obtener por ejemplo formas de onda triangulares haciendo que los puentes generen una rampa de peldaños ascendentes o descendentes.

Resulta evidente que cuantos más puentes se empleen, más nos podremos aproximar a una onda sinusoidal perfecta. Igualmente para obtener una onda muy próxima a una sinusoidal, necesitamos anular el mayor número posible de armónicos, para lo cual es necesario determinar el tiempo de duración de los escalones en función del número de puentes que se están utilizando.

A continuación se describen los cálculos realizados para determinar los parámetros correspondientes a la duración de estos escalones, en el

caso de trabajar con"n"puentes en serie.

Buscaremos la ecuación de los armónicos de cada peldaño básico con los que pretendemos construir la sinusoide, los sumaremos, y buscaremos la anulación del mayor número posible de armónicos del total.

Usaremos el peldaño básico representado en el gráfico superior de la figura 5, cuya expresión en armónicos, asumiendo sin ninguna pérdida de generalidad que la velocidad angular omega (W) es igual a 1.

Siendo A la amplitud del peldaño básico y donde "A"indica que se incluyen tantos sumandos como se desee : Si ahora sumamos los armónicos de varios peldaños que tengan la misma amplitud A (para poder equilibrar el uso de las fuentes de continua), correspondientes a varios parámetros I'T@', obtendremos, después de anular las contribuciones de los armónicos, el siguiente sistema de ecuaciones, cuya solución nos da el conjunto de parámetros"T"mediante el cual obtenemos la mejor aproximación a una sinusoide con'In" puentes.

Donde"M"indica que se pueden emplear tantas ecuaciones como se desee.

Resolveremos ahora el caso práctico de dos puentes : En el gráfico inferior de la figura 5 se representa la solución obtenida y su comparación con una sinusoide ideal.

Calculemos ahora el voltaje eficaz de la aproximación por cajas a la sinusoide en cuestión, teniendo en cuenta que el cuadrado de la rama positiva y negativa son el mismo (primer factor 2), que la primera caja tiene una altura de A2 de y una base de 21111/3, y que la segunda caja sobresale por encima la cantidad 4A2-A2 y que la base de esa caja es 2 7tu : A modo de ejemplo, si quisiéramos obtener una aproximación a una sinusoide con un valor eficaz de 220V, deberíamos poner dos grupos de baterías de por lo que las baterías (BTA) y (BTB) de cada puente estarían tormadas por unas 12 baterias de 12 V.

Con este sistema de conversión de energía, también se pueden generar sistemas trifásicos o polifásicos de corriente alterna, para lo cual tan solo es necesario conectar tantos montajes de puentes, como fases se desee obtener, haciendo que todos ellos tengan un punto en común que determine el neutro del sistema y controlando adecuadamente el funcionamiento del mismo para desfasar convenientemente las señales generadas por cada montaje de puentes.

Por ejemplo, para generar una corriente trifásica, se conectan tres montajes de puentes como el representado en la figura 3 con el terminal (J2B) en común, y mediante el controlador se desfasan las ondas de control 120° entre si.

Otra particularidad del sistema, consiste en la posibilidad de sincronizar y conectar en paralelo diversas etapas de potencia en cada uno de los transistores de los puentes, para poder así aumentar la potencia que el sistema convertidor de corriente continua a alterna, puede generar. Es decir, cada uno de los transistores de los puentes, puede consistir en varios transistores sincronizados y en paralelo, en función de la potencia que se desee alcanzar.

Las figuras 6 y 7 sirven para ilustrar el sistema de carga de las baterias ideado en la invención.

En el caso de que las fuentes de continua sean baterías, es interesante poderlas cargar de la forma más efectiva posible. Si la fuente de energía que va a cargar las baterías es de corriente alterna y se puede sincronizar con la onda obtenida que es aproximadamente

sinusoidal, como en el caso de un aerogenerador síncrono, lo mejor es colocarla directamente a la salida de la onda de tensión alterna y aprovechar asi el efecto de"captura de reactiva ó de generadores externos"del sistema.

Sin embargo, si la onda no es fácilmente sincronizable, caso de la red eléctrica ó de los grupos electrógenos, ó si la naturaleza de la misma es del tipo de corriente continua como en el caso de los paneles solares fotovoltaicos, nos interesa un mecanismo de carga de las baterías en el que las mencionadas fuentes de energía son convertidas a fuentes de corriente y aplicadas a las baterías, sin modificar apreciablemente el voltaje de las mismas y, por tanto, la forma de onda de la salida.

Para ello, es imprescindible un sistema que nos presente el total de todas las baterías del sistema en serie aunque el voltaje de salida de alterna sea incluso cero en ese momento.

Para conseguir que el sistema presente las baterias en serie, se utiliza el montaje representado en el margen inferior derecha de las figuras 6 y 7, en el que a los puentes en serie (A) y (B), se añade un puente (C) para dirigir la corriente de carga de las baterías (Ic), a través de los diodos (D5-D8) hacia las baterias (BTA) y (BTB).

Con el control de los puentes se consigue que las baterías siempre estén en serie, entre el polo positivo de la batería (BTA) y el negativo de la de la batería (BTB,) durante los ciclos positivos de corriente alterna según la figura 6 y, durante los negativos,

entre el positivo de la batería (BTB) y el negativo de la batería (BTA), según la figura 7.

El puente de transistores (C) se emplea para dirigir la corriente de carga (Ic) de las baterias, en un sentido u otro en función del semiciclo, positivo o negativo, en el que nos encontremos. Se dispone de una pareja de diodos asociados a cada una de las baterias, tal y como se ha representado en las figuras 6 y 7, que dan paso a la corriente de carga (Ic) en un sentido u en otro. Variando la dirección de conducción del puente (C) según que el ciclo sea positivo ó negativo, las parejas de diodos (D5, D7) y (D6, D8) nos asegurarán que la corriente de carga (Ic) siempre circule por las baterías en el sentido de carga.

Además, el puente (C) sirve como elemento de control para poder impedir una sobrecarga de las baterías ó para poder regular exactamente la corriente de carga a base de activar y anular el puente y, jugando con el porcentaje de ciclo útil, obtener la corriente de carga deseada de forma exacta y poder así alargar la vida de las baterías a lo que nos especifique el fabricante.

Para otro tipo de aplicaciones en las que no se empleen baterías, la restricción de que las tensiones de continua sean iguales para las fuentes de continua de cada puente no tiene por que darse necesariamente si no queremos cargar esas fuentes de continua y no necesitamos, por tanto, intercambiar sus papeles de un ciclo a otro. En tal caso, es posible obtener una mayor precisión en la obtención de la sinusoide ya que contamos con un grado de libertad más para anular armónicos.