BRPI0721437A2 - mÉtodo para limitar dano a conversor tendo semicondutores de potÊncia, no caso de um curto-circuito no circuito intermediÁrio de voltagem de corrente contÍnua - Google Patents
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Abstract
MÉTODO PARA LIMITAR DANO A CONVERSOR TENDO SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA, NO CASO DE UM CURTO- CIRCUITO NO CIRCUITO INTERMEDIÁRIO DE VOLTAGEM DE CORRENTE CONTÍNUA. A presente invenção refere-se a um dispositivo (1) para converter uma corrente elétrica, tendo pelo menos um módulo de fase (3a, 3b, 3c), que, por sua vez, tem uma conexão de corrente alternada (31, 32, 33) e pelo menos uma conexão de corrente contínua (p, n), conectada ao circuito intermediário de corrente continua (4), e tendo ainda pelo menos um armaze- namento de potência (5, 13), em que uma ramificação do módulo de fase (<225>ap, <225>bp, <225>cp, <225>an, <225>bn, <225>cn) sendo formada entre cada conexão de corrente contínua (p, n) e cada conexão de corrente alternada (31,32,33) e cada ramificação de módulo de fase (<225>ap, <225>bp, <225>cp, <225>an, <225>bn, <225>cn) tendo uma conexão em série de submódulos (7), tendo cada um pelo menos um semicondutor de potência (8, 9), meios protetores de semicondutor (10) sendo providos em conexão paralela com um dos semicondutores de potência (8, 9) de cada submódulo (7), e uma unidade de controle sendo provida para acionar os meios protetores de semicondutor (10), e o/ou o(s) armazenamento(s) de potência (5, 13) sendo equipados para suprir potência à unidade de controle. O dito dispositivo impedindo com segurança dano a a partir de um curto- circuito no lado de corrente contínua, mesmo quando a rede elétrica de abastecimento é conectada, a invenção propondo que pelo menos uma conexão de corrente contínua (p), de cada módulo de fase (3a, 3b, 3c) seja co- nectada ao circuito intermediário de corrente contínua por uma chave de corrente contínua (15).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO PARA LIMITAR DANO A CONVERSOR TENDO SEMICONDUTORES DE POTÊNCIA, NO CASO DE UM CURTO-CIRCUITO NO CIRCUITO INTER- MEDIÁRIO DE VOLTAGEM DE CORRENTE CONTÍNUA".
A presente invenção refere-se a um dispositivo para converter uma corrente elétrica, compreendendo pelo menos um módulo de fase tendo uma conexão de voltagem de CA e pelo menos uma conexão de voltagem de CC1 conectado a um circuito intermediário de voltagem de CC1 e compre- endendo pelo menos um armazenamento de potência, em que uma ramifi- cação do módulo de fase é formada entre cada conexão de voltagem de CC e cada conexão de voltagem de CA1 e em que cada ramificação de módulo de fase tem um circuito em série, formado por submódulos, tendo cada um pelo menos um semicondutor de potência, em que meios protetores de se- micondutor, conectados em paralelo com um dos semicondutores de potên- cia de cada submódulo, e uma unidade de controle, para acionar os meios protetores de semicondutor, são proporcionados, e o ou os armazenamentos de potência são projetados para suprir potência à unidade de controle.
A invenção refere-se, ainda mais, a um processo para limitar dano a um conversor tendo semicondutores de potência, o dito conversor sendo conectado a pelo menos um outro conversor, ou pelo menos uma máquina elétrica, por meio de um circuito intermediário de voltagem de CC, afetado por um curto-circuito.
O dispositivo do tipo genérico já é conhecido do pedido de pa- tente DE 103 23 220 A1, que descreve um denominado conversor para co- nexão a um sistema de abastecimento trifásico de alimentação de potência. O conversor conhecido previamente tem módulos de fase, cujo número cor- responde ao número de fases do sistema de abastecimento a ser conectado. Cada módulo de fase tem uma conexão de voltagem de CA e duas cone- xões de CC, em que as conexões de voltagem de CC dos módulos de fase são conectadas a um circuito intermediário de voltagem de CC. As ramifica- ções dos módulos de fase, entre cada conexão de voltagem de CA e cada conexão de voltagem de CC, em que cada ramificação de módulo de fase compreende um circuito em série de submódulos. Cada submódulo tem um armazenamento de potência dedicado, conectado em paralelo com um cir- cuito de semicondutor de potência. O circuito de semicondutor de potência tem semicondutores de potência de desligamento, tal como IGBTs, GTOs ou similares, cada um deles tendo um respectivo diodo antiparalelo, que é co- nectado inversamente em paralelo. Se um curto-circuito estiver presente no circuito de voltagem de CC1 os armazenamentos de potência do respectivo submódulo são descarregados. Para evitar a destruição dos semicondutores de potência dos submódulos, cada semicondutor de potência, exposto por um curto-circuito no circuito de voltagem de CC, tem conectado em paralelo com ele um meio protetor de semicondutor, por exemplo, um tiristor, que é disparado no caso de um curto-circuito, e conduz, subseqüentemente, uma grande parte da corrente do curto-circuito. O que é desvantajoso sobre a solução conhecida previamente é que a unidade de disparo, que dispara o tiristor, é abastecida com potência pelo armazenamento de potência dos submódulos. Embora isso evite um abastecimento de potência separado das unidades de disparo, os armazenamentos de potência dos submódulos ain- da não ficam carregados, quando o conversor é conectado ao sistema trifá- sico, com a conseqüência de um disparo dos tiristores é impossível. Conse- quentemente, quando o sistema de abastecimento é conectado, a destruição dos semicondutores de potência, do conversor previamente conhecido, não pode ser eliminada se um curto-circuito estiver presente no circuito de volta- gem de CC.
É um objeto da invenção, portanto, descrever um dispositivo e um processo do tipo mencionado na introdução, em que dano por conta de um curto-circuito, presente no lado da voltagem de CC, é impedido com se- gurança, quando o sistema de abastecimento é conectado.
Continuando do dispositivo mencionado na introdução, a inven- ção atinge esse objetivo pelo fato de que pelo menos uma conexão de volta- gem de CC, de cada módulo de fase, é conectada ao circuito intermediário de voltagem de CC por meio de uma chave de voltagem de CC.
A invenção atinge ainda o dito objetivo por meio de um processo para limitar dano a um conversor tendo semicondutores de potência, o dito conversor sendo conectado a outros conversores, ou a outras máquinas elé- tricas, por meio de um circuito intermediário de voltagem de CC, afetado por um curto-circuito, em que uma unidade de acionamento é abastecida com potência por um armazenamento de potência do conversor, ou do circuito intermediário de voltagem de CC, a unidade de acionamento determina um curto-circuito e, subseqüentemente, aciona pelo menos um meio protetor de semicondutor, conectado em paralelo com um semicondutor de potência, de modo que uma corrente de curto-circuito escoa pelo meio protetor de semi- condutor e pelo semicondutor de potência conectado em paralelo com ele, em que cada armazenamento de potência é carregado antes que o conver- sor seja conectado ao circuito intermediário de voltagem de CC.
De acordo com a invenção, cada armazenamento de potência do dispositivo é primeiramente carregado antes que o sistema de voltagem de CA seja ligado ou conectado, e seja conectado ao circuito intermediário de voltagem de CC apenas após a carga dos armazenamentos de potência.
Para impedir o escoamento de corrente, no caso de um curto- circuito, o dispositivo de acordo com a invenção tem convenientemente uma chave de voltagem de CC, por meio da qual pelo menos uma conexão de voltagem de CC de cada módulo de fase é conectada ao circuito de volta- gem de CC. A chave de voltagem de CC tem uma posição desconectada, na qual um fluxo de corrente pela chave de voltagem de CC é impedido, e uma posição de contato, na qual um fluxo de corrente pela chave de voltagem de CC é permitido. Se a chave de voltagem de CC estiver na sua posição des- conectada, portanto, cada armazenamento de potência do circuito interme- diário de voltagem de CC ou cada armazenamento de potência de cada submódulo pode ser carregado primeiramente. Após a carga dos armaze- namentos de potência, o sistema de voltagem de CA é de novo desconecta- do do conversor. Apenas depois o circuito intermediário de voltagem de CC é conectado por meio de uma chave de voltagem de CC sendo transferida para a sua posição de contato, em que, no caso de um curto-circuito no cir- cuito intermediário de voltagem de CC e após o sistema de voltagem de CA ter sido de novo conectado, os armazenamentos de potência carregados proporcionam a potência necessária para disparar o um ou mais meios pro- tetores de semicondutor. A chave de voltagem de CC é vantajosamente uma chave de desconexão mecânica.
Vantajosamente, cada conexão de voltagem de CA é conectada
a um sistema de abastecimento por meio de uma chave de voltagem de CA. A chave de voltagem de CA permite que o sistema de abastecimento seja conectado de uma forma particularmente simples, em que a chave de volta- gem de CA tem, igualmente, duas posições de comutação, isto é, uma posi- ção desconectada e uma posição de contato. O sistema de abastecimento é conectado ao conversor por meio da chave de voltagem de CA sendo trans- ferida da sua posição desconectada para a sua posição de contato, de modo que o armazenamento de potência ou armazenamentos de potência são car- regados com a chave de voltagem de CC "aberta". A chave de voltagem de CA é convenientemente um disjuntor mecânico.
O meio protetor de semicondutor compreende convenientemente pelo menos um tiristor. Os tiristores podem ser obtidos a um custo efetivo e têm uma resistência à corrente de surto suficientemente alta, de modo que o tiristor afetado, mesmo no caso de altas correntes de curto-circuito e aumen- tando rapidamente, o que ocorre quando o sistema de voltagem de CA é ligado, em resposta a um curto-circuito no circuito de voltagem de CC, até que a chave de voltagem de CA seja de novo aberta, não é destruído pelo curto-circuito de corrente resultante.
Convenientemente, cada submódulo compreende um semicon- dutor de potência de desligamento, com um diodo antiparalelo conectado no sentido oposto a ele, em que cada armazenamento de potência é disposto no circuito intermediário de voltagem de CC. Os conversores tendo esse ar- mazenamento de potência central são usados no campo da transmissão e distribuição de potência. No entanto, em geral, uma alta quantidade de po- tência é armazenada no armazenamento de potência central, e é liberada no dito caso de um curto-circuito. No contexto da invenção, a disposição ou in- terligação do armazenamento de potência central, com relação à chave de voltagem de CC, é proporcionada de modo que a carga ou descarga do ar- mazenamento de potência é possibilitada, mesmo com a chave de voltagem de CC aberta. Portanto, como visto das conexões de voltagem de CC dos módulos de fase, a chave de voltagem de CC é consequentemente conecta- da a jusante do terminal de conexão do armazenamento de potência. Em outras palavras, o armazenamento de potência central é conectado ao circui- to intermediário de voltagem de CC, entre as conexões de voltagem de CC dos módulos de fase e a chave de voltagem de CC em paralelo com os mó- dulos de fase.
Em um desvio disso, cada submódulo tem um armazenamento
de potência e um circuito de semicondutor de potência, conectado em para- lelo com o armazenamento de potência. Esse dispositivo é também referido como um denominado conversor multinível, em vez de um grande armaze- namento de potência central, uma pluralidade de armazenamentos de po- tência menores conectados em série entre si é proporcionada, que é, em cada caso, conectada em paralelo com uma chave de semicondutor de po- tência.
De acordo com um outro desenvolvimento conveniente nesse aspecto, o circuito de semicondutor de potência é um circuito em ponte completo. Com a ajuda do circuito em ponte completo, é possível aplicar a voltagem do capacitor, uma denominada voltagem zero ou a voltagem do capacitor invertida nos dois terminais de conexão dos submódulos bipolares, que são conectados em série.
Em um desvio disso, o circuito de semicondutor de potência tem dois semicondutores de desligamento, conectados em série entre si, cada semicondutor de potência tendo um respectivo diodo antiparalelo conectado em paralelo com ele no sentido oposto. Esse circuito de semicondutor de potência é também referido como um denominado circuito de Marquardt, que é descrito no pedido de patente DE 101 03 031 A1, e que, por essa referên- cia, é intencionado para ser parte da descrição aqui apresentada. Em com- paração com o circuito em ponte completo, o circuito de semicondutor de potência, de acordo com Marquardt, tem apenas dois semicondutores de potência conectados em série entre si, o último sendo conectado até o ar- mazenamento de potência do respectivo submódulo, de um modo em que a voltagem que cai por todo o armazenamento de potência do respectivo sub- módulo caia pelos dois terminais de conexão do submódulo, ou seja, uma voltagem zero. Uma inversão da voltagem que cai pelo armazenamento de potência, nos terminais do submódulo, não é possibilitada pelo circuito de Marquardt. No entanto, o circuito de Marquardt é mais efetivo em custo do que o circuito em ponte completo.
De acordo com um outro desenvolvimento conveniente do méto- do de acordo com a invenção, cada semicondutor de potência é conectado ao circuito intermediário de voltagem de CC por meio de uma chave de vol- tagem de CC. Desse modo, por meio de disjuntores mecânicos, chaves de desconexão ou similares, ou, alternativamente, por meio de chaves eletrôni- cas compreendendo semicondutores, tais como, por exemplo, tiristores, IGBTs ou similares, é possível desconectar o circuito intermediário de volta- gem de CC do conversor. O que é essencial aqui é que todos os armazena- mentos de potência sejam conectados ao circuito intermediário de voltagem de CC pela chave de voltagem de CC.
O conversor, os armazenamentos de potência e a chave de vol- tagem de CC são dispostos vantajosamente em um alojamento comum.
Convenientemente, cada chave de voltagem de CC é aberta an- tes que o conversor seja conectado a um sistema de abastecimento. Com a chave de voltagem de CC aberta, os armazenamentos de potência podem ser carregados para proporcionar a potência necessária para disparar o meio protetor de semicondutor.
Vantajosamente, o conversor é conectado a um sistema de a- bastecimento por meio de uma chave de voltagem de CA. Como já explica- do, esse outro desenvolvimento da invenção abre a mais alta flexibilidade possível, quando da carga dos armazenamentos de potência, uma solução efetiva em custo sendo proporcionada com a ajuda de uma chave mecânica. No entanto, aqui também, uma chave eletrônica, compreendendo semicon- dutores de potência, pode ser proporcionada em vez de uma chave mecâni- ca.
Convenientemente, para conectar o conversor ao circuito inter- mediário de voltagem de CC1 primeiramente, todas as chaves de voltagem de CA e todas as chaves de voltagem de CC são abertas, e, depois, para carregar os armazenamentos de potência, a chave de voltagem de CA é fe- chada; finalmente, cada chave de voltagem de CA é aberta, após a carga dos armazenamentos de potência, a chave de voltagem de CC é fechada para conectar o conversor ao circuito intermediário de voltagem de CC, e, finalmente, cada chave de voltagem de CA é fechada para conectar o con- versor ao sistema de voltagem de CA, desde que nenhum curto-circuito de CC tenha sido capaz de ser detectado de antemão. Com base nessa sim- ples seqüência de comutação, uma possibilidade efetiva em custo é propor- cionada para carregar os armazenamentos de potência do dispositivo, antes que uma alta corrente de curto-circuito, devido a um curto-circuito no circuito intermediário de voltagem de CC, acionado pelo sistema de voltagem de CA, escoe pelos semicondutores de potência do dispositivo, com a conseqüência de que uma potência necessária é proporcionada para atuar o meio protetor de semicondutor.
Outras configurações e vantagens convenientes da invenção são o tema da descrição apresentada a seguir das concretizações exemplifi- cativas da invenção, com referência às figuras em anexo do desenho, em que os símbolos de referência idênticos se referem a partes componentes agindo identicamente, e em que:
a figura 1 mostra um dispositivo de acordo com a técnica anteri-
or;
a figura 2 mostra um outro dispositivo de acordo com a técnica
anterior;
a figura 3 mostra uma concretização exemplificativa do dispositi- vo de acordo com a invenção; a figura 4 mostra uma outra concretização exemplificativa do
dispositivo de acordo com a invenção;
a figura 5 mostra o dispositivo de acordo com a figura 3 em uma posição de comutação diferente;
a figura 6 mostra o dispositivo de acordo com a figura 4 em uma posição de comutação diferente;
a figura 7 mostra o dispositivo de acordo com as figuras 3 e 5 em uma posição de comutação diferente;
a figura 8 mostra o dispositivo de acordo com as figuras 4 e 6 em uma posição de comutação diferente;
a figura 9 mostra o dispositivo de acordo com as figuras 4, 6 e 8 em uma posição de comutação diferente. A figura 1 mostra um dispositivo 1 de acordo com a técnica ante-
rior. O dispositivo 1 conhecido previamente compreende um conversor 2, composto de três módulos de fase 3a, 3b e 3c. Cada um dos módulos de fase 3a, 3b e 3c tem uma conexão de voltagem de CA 3i, Z2 e 33, respecti- vamente, e duas conexões de voltagem de CC, que são, em cada caso, in- dicadas por ρ e n. As conexões de voltagem de CC ρ e η formam, respecti- vamente, os polos de um circuito intermediário de voltagem de CC 4, em que um capacitor central 5, como um armazenamento de potência, se estende entre os dois polos ρ e η em uma conexão em paralelo. As ramificações dos módulos de fase 6ap, 6bp, 6cp e, respectivamente, 6an, 6bn e 6cn se esten- dem entre cada conexão de voltagem de CA 3i, 32 e 33, e cada conexão de voltagem de CC ρ e respectivamente η de um módulo de fase 3a, 3b e, res- pectivamente, 3c. Cada uma das ditas ramificações dos módulos de fase é composta de um circuito em série de submódulos 7, que são construídos de forma idêntica. Na concretização exemplificativa ilustrada na figura 1, cada submódulo 7 tem um semicondutor de potência de desligamento 8, por e- xemplo, um IGBT, um GTO ou similares, e um diodo antiparalelo 9, conecta- do em paralelo com ele no sentido oposto. Além do mais, um tiristor 10, que pode ser acionado no caso de um curto-circuito, é conectado em paralelo com o diodo antiparalelo 9 no mesmo sentido. Se um curto-circuito está pre- sente no circuito intermediário de voltagem de CC 4, a corrente do curto- circuito, indicada pelas linhas tracejadas, é formada. Pode-se notar que a corrente do curto-circuito é alimentada de um sistema de abastecimento 11 - indicado apenas esquematicamente - por meio de um transformador 12, pa- ra conexão do dispositivo 1, de acordo com a invenção, ao sistema de abas- tecimento 11. Nesse caso, na concretização exemplificativa mostrada, a cor- rente do curto-circuito escoa por meio dos diodos de roda livre 9 dos submó- dulos e também pelo meio protetor de semicondutor 10, conectado em para- lelo com o diodo antiparalelo 9, isto é, o tiristor disparado. No entanto, uma potência de disparo é necessária para disparar o tiristor, a dita potência de disparo sendo proporcionada pelo capacitor central 5. O capacitor central 5 é carregado pelo sistema de abastecimento 11. Se um curto-circuito estiver presente no circuito intermediário de voltagem de CC 4, como antes quando o sistema de abastecimento 11 é conectado pela primeira vez, o tiristor 10 não pode ser transferido para a sua posição de estado ligado, como mostra- do na figura 1, de modo que a corrente do curto-circuito estabelecida seja distribuída entre ambos o diodo antiparalelo 9 e o tiristor 10. Em vez disso, apenas o diodo antiparalelo 9 então conduz a corrente de curto-circuito, de modo que a destruição dos submódulos 7 e, possivelmente, de todo o con- versor 2 possa ocorrer.
A figura 2 mostra um dispositivo 1, de acordo com a técnica an- terior, em que o conversor 2 é configurado como um denominado conversor multinível, embora. Em comparação com o dispositivo de acordo com a figu- ra 1, o dispositivo de acordo com a figura 2 não tem mais um armazenamen- to de potência central no circuito intermediário de voltagem de CC 4. Em vez disso, cada submódulo 7 compreende um armazenamento de potência dedi- cado 13, na forma e um capacitor unipolar. O capacitor 13 é conectado em paralelo com um circuito de semicondutor de potência 14, que, nesse caso, compreende dois semicondutores de potência de desligamento 8, tais como, por exemplo, IGBTs, GTOs ou similares, conectados em série entre si.
Cada um dos ditos semicondutores de potência de de desliga- mento 8 tem um diodo antiparalelo 9, conectado em paralelo com ele no sentido oposto. Se um curto-circuito está presente no circuito intermediário de voltagem de CC 4, uma corrente de curto-circuito, alimentada do sistema de abastecimento 11 escoa, a rota da dita corrente de curto-circuito sendo ilustrada por linhas tracejadas na figura 2. Pode-se notar que a corrente de curto-circuito escoa por um dos diodos de roda livre 9 do circuito de semi- condutor de potência. Um meio protetor de semicondutor, na forma de um tiristor 10, é conectado em paralelo apenas com o diodo antiparalelo 9. Em razão do disparo do tiristor 10, a corrente de curto-circuito escoa tanto pelo tiristor 10 quanto pelo diodo antiparalelo 9, em que o tiristor 10 e o diodo an- tiparalelo 9 são dimensionados de tal modo que uma capacidade de condu- ção de corrente alta é proporcionada para suportar as correntes de curto- circuito que surgem. O que é desvantajoso aqui também, no entanto, é que os componentes eletrônicos de disparo (não-ilustrados esquematicamente) são fornecidos com potência para disparar o tiristor 10 pelo capacitor 13 de cada submódulo 7. Antes que o sistema de abastecimento 11 seja conecta- do, no entanto, o capacitor 13 não é carregado, de modo que o tiristor 10 não pode ser disparado enquanto o sistema de abastecimento 11 está sendo conectado. Portanto, se um curto-circuito está presente no circuito interme- diário de voltagem de CC 4, quando o sistema de abastecimento 11 é conec- tado, a dita corrente de curto-circuito escoa apenas por um dos diodos de roda livre 9 dos submódulos 7, de modo que a destruição do dito diodo anti- paralelo 9 pode ocorrer. O dito diodo é geralmente combinado com o semi- condutor de potência de de desligamento 8, para formar um componente, de modo, no entanto, que isso leve à destruição de todo o circuito de semicon- dutor de potência 14.
A figura 3 mostra um dispositivo 14 de acordo com a invenção, cujo dispositivo é construído de uma maneira correspondente à figura 1, em que cada submódulo 7 compreende um semicondutor de potência de de desligamento 8 e um diodo antiparalelo 9 conectado em paralelo com ele no sentido oposto. Cada diodo antiparalelo 9 tem um tiristor 10, conectado em paralelo com ele no mesmo sentido. O circuito intermediário de voltagem de CC 4 tem de novo um capacitor central 5, entre o polo positivo ρ e o polo negativo η do circuito intermediário de voltagem de CC 4. Em comparação com o dispositivo conhecido previamente, de acordo com a figura 1, a con- cretização exemplificativa de acordo com a invenção, de acordo com a figura 3, tem uma chave de voltagem de CC e também uma chave de voltagem de CA 16, que é disposta entre o sistema de abastecimento 11 e o transforma- dor 12. O que é, além disso, essencial é que o terminal de conexão do capa- citar 5, que é conectado ao polo positivo do circuito intermediário de volta- gem de CC 4, é disposto entre as conexões de voltagem de CC ρ dos módu- los de fase 3a, 3b e 3c e a chave de voltagem de CC 15. A chave de volta- gem de CC 15, o capacitar 5 e os módulos de fase 3a, 3b e 3c são dispostos em uma entrada de válvula 17, que é usual na construção de uma denomi- nada instalação de transmissão de corrente contínua de alta voltagem. Na figura 3, a chave de voltagem de CC 15 está na sua posição
desconectada, na qual um fluxo de corrente, pela chave de voltagem de CC 15, é impedido. Ao contrário, a chave de voltagem de CA está na sua posi- ção de contato, de modo que o sistema de abastecimento 11 é conectado eletricamente ao conversor 2, disposto na entrada de válvula 17. No entanto, a chave de voltagem de CA 15 aberta impede um fluxo de corrente pelo cir- cuito intermediário de voltagem de CC 4, afetado por um curto-circuito. O capacitar central 5 pode ser carregado, no entanto, com o sistema de abas- tecimento 11 conectado nele. A rota de corrente para carregar o capacitar 5 é ilustrada por linhas tracejadas na figura 3. Pode-se notar que a corrente de carga escoa pelos diodos de roda livre 9 dos submódulos 7.
A figura 4 mostra de novo um denominado conversor multinível 14, cuja construção corresponde àquela do conversor de acordo com a figu- ra 2. No entanto, a concretização exemplificativa de acordo com a invenção compreende, de novo, adicionalmente, uma chave de voltagem de CC 15, por meio da qual as conexões de voltagem de CC ρ dos módulos de fase 3a, 3b e, respectivamente, 3c são conectados ao circuito intermediário de volta- gem de CC 4. Além do mais, o sistema de abastecimento 11 é de novo co- nectado por meio de uma chave de voltagem de CA 16 ao transformador e, por conseguinte, ao conversor 2. Como na figura 3, a chave de voltagem de CC 15 está na sua posição desconectada, a chave de voltagem de CA 16 estando na sua posição de contato. Como na figura 3, no caso de um con- versor multinível 14, de acordo com a figura 4 também, no caso dessa posi- ção da chave, a carga dos capacitores 13 de cada submódulo 7 ocorre, a rota da corrente de carga sendo de novo ilustrada por linhas tracejadas. Po- de-se notar que a corrente de carga escoa por aquele diodo antiparalelo 9, que não tem qualquer tiristor 10 conectado em paralelo com ele.
A figura 5 mostra o dispositivo de acordo com a figura 3, mas a
chave de voltagem de CA 16 foi transferida para sua posição desconectada. Isso é feito, por exemplo, quando o capacitor 5 foi carregado com potência a um grau tal que o disparo do tiristor 10, no caso de uma falha, isto é, no caso de um curto-circuito no circuito intermediário de voltagem de CC 4, é possí- vel.
A figura 6 mostra a concretização exemplificativa de acordo com a figura 2, a chave de voltagem de CA 16 tendo igualmente sido transferida para sua posição desconectada. Aqui, também, a chave de voltagem de CA 16 é transferida para sua posição desconectada apenas quando os capacito- res 13 dos submódulos 7 foram carregados suficientemente, para que seja capaz de disparar o respectivo tiristor 10, como o meio protetor de semicon- dutor.
A figura 7 mostra o dispositivo de acordo com a figura 5, mas a chave de voltagem de CA 15 foi transferida para sua posição de contato. Por conta do curto-circuito no circuito intermediário de voltagem de CC 4, o ca- pacitor central 5, conectado em paralelo ao circuito intermediário de volta- gem de CC 4, é descarregado. Nesse caso, mais uma vez escoam altas cor- rentes de curto-circuito, que propiciam que uma conclusão seja feita sobre um curto-circuito no circuito intermediário de voltagem de CC 4, com base em uma medida de corrente adequada. Em outras palavras, o curto-circuito no circuito intermediário de voltagem de CC 4 é identificado com base nas altas correntes de descarga do capacitor 5, de modo que medidas adequa- das possam ser implementadas.
No caso de topologia multinível de acordo com a figura 8, com a mesma posição de comutação da figura 7, isto é, a chave de voltagem de CC 15 fechada e a chave de voltagem de CA 16 aberta, os capacitores 13 não são descarregados, uma vez que os diodos de roda livre 9 dos submó- dulos 7 impedem que eles sejam descarregados.
A figura 9 mostra a concretização exemplificativa de acordo com a figura 8, mas a chave de voltagem de CA 16 foi transferida para a sua po- sição de contato. Por conta do curto-circuito no circuito intermediário de vol- tagem de CC 4, uma corrente de curto-circuito alimentada do sistema de abastecimento 11 escoa, a dita corrente tendo sido identificada dentro de uns poucos microssegundos por uma unidade de detecção eletrônica ou ou- tro dispositivo de detecção adequado, que subseqüentemente dispara o tiris- tor 10. Nesse caso, a potência de disparo necessária é proporcionada pelos capacitores previamente carregados 13 dos submódulos 7. A corrente de curto-circuito, que é novamente ilustrada por linhas tracejadas na figura 10, passa, desse modo, pelo diodo antiparalelo 9 e, simultaneamente, pelo tiris- tor 10, conectado em paralelo. O tiristor 10 tem uma capacidade de condu- ção de corrente de surto suficientemente grande, para suportar o alto surto de corrente (di/dt). A capacidade de condução de corrente do diodo antipara- lelo 9 e do tiristor 10, conectados em paralelo, é também suficientemente alta, que as correntes de curto-circuito não provocam destruição dos semi- condutores de potência.
Uma concretização exemplificativa do processo de acordo com a invenção é descrita abaixo. Primeiramente, todo o dispositivo 1 é desconec- tado do sistema de abastecimento 11. Ambas as chave de voltagem de CA 16 e chave de voltagem de CC 15 são transferidas para as suas posições desconectadas. Com a chave de voltagem de CC 15 ainda aberta, a chave de voltagem de CA 16 é fechada. Em virtude da chave de voltagem de CC 15 aberta, um possível curto-circuito no circuito intermediário de voltagem de CC 4 não provoca uma corrente de curto-circuito, alimentada do sistema de abastecimento 11, no conversor 2. Em virtude da chave de voltagem de CA 16 fechada, no entanto, os armazenamentos de potência no conversor ou no circuito intermediário de voltagem de CC 4 são carregados pelo sistema de abastecimento 11.0 meio protetor de semicondutor, isto é, os tiristores 10, pode ser, desse modo, acionado por uma certa duração de tempo. A dita duração de tempo é, na prática, na faixa de minutos, uma vez que a descar- ga dos capacitores é associada a uma constante de tempo correspondente. Após a carga dos armazenamentos de potência 5, 13 pelo sistema de abas- tecimento 11, a chave de voltagem de CA 16 é aberta de novo e o conversor é, desse modo, desconectado do sistema de abastecimento 11. Com os ar- mazenamentos de potência 5, 13 carregados e com a chave de voltagem de CA 16 aberta, a chave de voltagem de CC 15 é fechada. No caso de um cur- to-circuito, com um capacitor do circuito intermediário central 5, este é des- carregado pela chave de voltagem de CC 15, com o que uma falha pode ser identificada. Por conta das altas correntes de descarga, a chave de voltagem de CC 15, se for representada vantajosamente como uma chave de desco- nexão, é danificada ou destruída. No caso de uma topologia de conversor multinível com capacitâncias distribuídas entre os submódulos 7, a carga nos capacitores é mantida quando o circuito intermediário de voltagem de CC 4 é conectado, uma vez que os diodos de roda livre 9 não permitem qualquer descarga. A chave de voltagem de CC 15 comuta, desse modo, sem voltagem e corrente, com o resultado de que dano à chave de voltagem de CC 15 é evitado. Finalmente, a chave de voltagem de CA 16 é fechada. No caso de um circuito intermediário de voltagem 4, afetado por um curto- circuito, as correntes de curto-circuito, acionadas pelo sistema de abasteci- mento 11, escoam pelos submódulos 7. Esses são identificados rapidamen- te, isto é, na faixa de microssegundos, com base em uma medida de corren- te adequada, com que um sinal de disparo, para disparar o meio protetor de semicondutor, isto é, os tiristores 10, é transmitida. Em virtude dos armaze- namentos de potência 5, 13 pré-carregados, o acionamento pode iniciar um disparo dos tiristores 10, e, desse modo, proteger os semicondutores de po- tência em paralelo 8, 9.
A chave de voltagem de CC 15 é convenientemente uma chave de desconexão. A chave de voltagem de CA 16 é, no entanto, um disjuntor. Os disjuntores podem ser transferidos para as suas posições desconecta- das, no caso de correntes acionadas por uma voltagem, um arco que surge sendo extinto. Em outras palavras, os disjuntores são capazes de comutar efetivamente, mesmo com altas potências. Em comparação, chaves de des- conexão são proporcionadas para abertura na ausência de corrente, com centelhamento sendo evitado. As chaves de desconexão podem ser, portan- to, obtidas a um custo significativamente mais efetivo.
Claims (13)
1. Dispositivo (1) para converter uma corrente elétrica, compre- endendo pelo menos um módulo de fase (3a, 3b, 3c) tendo uma conexão de voltagem de CA (3i, 32, 33) e pelo menos uma conexão de voltagem de CC (p, n), conectada a um circuito intermediário de voltagem de CC (4), e com- preendendo pelo menos um armazenamento de potência (5, 13), em que uma ramificação de módulo de fase (6ap, 6bp, 6cp, 6an, 6bn, 6cn) é formado entre cada conexão de voltagem de CC (p, n) e cada conexão de voltagem de CA (3i, 32, 33), e em que cada ramificação de módulo de fase (6ap, 6bp, 6cp, 6an, 6bn, 6cn) tem um circuito em série formado pelos submódulos (7), cada uma delas tendo pelo menos um semicondutor de potência (8, 9), em que o meio protetor de semicondutor (10), conectado em paralelo com um dos semicondutores de potência (8, 9) de cada submódulo (7), e uma unida- de de controle para acionar o meio protetor de semicondutor (10) são pro- porcionados, e o armazenamento de potência ou armazenamentos de po- tência (5, 13) é (são) projetado(s) para suprir potência à unidade de controle, caracterizado pelo fato de que a conexão de voltagem de CC (p) de cada módulo de fase (3a, 3b, 3c) é conectada ao circuito intermediário de volta- gem de CC (4) por meio de uma chave de voltagem de CC (15).
2. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada conexão de voltagem (CA) (3i, 32, 33) pode ser conec- tada a um sistema de abastecimento (11) por meio de uma chave de volta- gem de CA (16).
3. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracte- rizado pelo fato de que os elementos protetores de semicondutores compre- endem pelo menos um tiristor (10).
4. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindica- ções precedentes, caracterizado pelo fato de que cada submódulo (7) com- preende um semicondutor de potência de de desligamento (8), com um dio- do antiparalelo (9) conectado no sentido oposto a ele, em que cada armaze- namento de potência (5) é disposto no circuito intermediário de voltagem de CC (4).
5. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindica- ções 1 a 3, caracterizado pelo fato de que cada submódulo (7) tem um ar- mazenamento de potência (13) e um circuito de semicondutor de potência (14), conectado em paralelo com o armazenamento de potência (13).
6. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o circuito de semicondutor de potência é um circuito em ponte completo.
7. Dispositivo (1) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o circuito de semicondutor de potência (14) tem dois semi- condutores de potência de de desligamento (8), conectados em série entre si, cada semicondutor de potência tendo um respectivo diodo antiparalelo (9), conectado em paralelo com ele no sentido oposto.
8. Dispositivo (1) de acordo com qualquer uma das reivindica- ções precedentes, caracterizado pelo fato de que a chave de voltagem de CC (15) é uma chave de desconexão.
9. Método para limitar dano a um conversor (2), tendo semicon- dutores de potência (8, 9), o dito conversor sendo conectado a pelo menos um conversor ou a pelo menos uma máquina, por meio de um circuito inter- mediário de voltagem de CC (4), afetado por um curto-circuito, em que uma unidade de acionamento é abastecida com potência por uma fonte de potên- cia (5, 13) do conversor (2) ou do circuito intermediário de voltagem de CC (4), a unidade de acionamento determina um curto-circuito e aciona subse- qüentemente pelo menos um meio protetor de semicondutor (16), conectado em paralelo com um semicondutor de potência (8, 9), de modo que uma cor- rente de curto-circuito escoe pelo meio protetor de semicondutor (10) e pelo semicondutor de potência (8, 9), conectado em paralelo com ele, em que cada armazenamento de potência (5, 13) é carregado antes que o conversor (2) seja conectado ao circuito intermediário de voltagem de CC (4).
10. Método de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que cada semicondutor de potência (8, 9) é conectado ao circuito intermediário de voltagem de CC (4) por meio de uma chave de voltagem de CC (15).
11. Método de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pe- lo fato de que cada chave de voltagem de CC (15) é aberta antes que o con- versor (2) seja conectado a um sistema de abastecimento (11).
12. Método de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pe- lo fato de que o conversor (2) é conectado a um sistema de abastecimento (11) por meio de chaves de voltagem de CA (16).
13. Método de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pe- lo fato de que para conectar o conversor (2) ao circuito intermediário de vol- tagem de CC (4), primeiramente, todas as chaves de voltagem de CA (16) e todas as chaves de voltagem de CC (15) são abertas, e, depois, para carre- gar o armazenamento de potência ou armazenamentos de potência (5, 13), a chave de voltagem de CA (16) é fechada, cada chave de voltagem de CA (16) sendo aberta após a carga dos armazenamentos de potência (5, 13), a chave de voltagem de CC (15) sendo fechada para conectar o conversor (2) ao circuito intermediário de voltagem de CC, e, finalmente, cada chave de voltagem de CA é fechada para conectar o conversor (2) no sistema de a- bastecimento (11), desde que nenhum curto-circuito de CC tenha sido detec- tado de antemão.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| B06A | Patent application procedure suspended [chapter 6.1 patent gazette] | ||
| B09A | Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette] | ||
| B16A | Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette] | ||
| B25G | Requested change of headquarter approved |
Owner name: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE) |
|
| B25A | Requested transfer of rights approved |
Owner name: SIEMENS ENERGY GLOBAL GMBH AND CO. KG (DE) |