ES2329177T3 - Maniobra de conmutadores electronicos que tienen puerta aislada. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de maniobra de una válvula electrónica que tiene un electrodo de control (puerta G) aislado eléctricamente, que puede ser utilizado para controlar la conmutación de la válvula (4), en particular un procedimiento de funcionamiento de un Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), en el que: - cuando la válvula (4) está completamente abierta se pone en marcha un proceso de cierre de la válvula (proceso de cierre); - la magnitud de una carga (carga de puerta), que es transportada por la puerta (G), es retirada de la puerta (G) hasta que queda afectado el estado operativo de la válvula (4); - la magnitud retirada de la carga de la puerta es medida; y - se controla el proceso de cierre y/o un proceso de cierre en un ciclo consecutivo de cierre y apertura repetido de la válvula, dependiendo de la magnitud medida.
Description
Maniobra de conmutadores electrónicos que tienen
puerta aislada.
La invención se refiere a la maniobra de
válvulas electrónicas que tienen puerta aislada, en particular, a
la maniobra de un IGBT (transistor bipolar de puerta aislada). Más
particularmente, la invención se refiere a convertidores de gran
potencia que comprenden dichas válvulas, por ejemplo, para facilitar
energía eléctrica a un motor de impulsión de un vehículo de
tracción ferroviaria. Además, la invención se refiere al dispositivo
correspondiente. El término "puerta" comprende cualquier
electrodo de control aislado eléctricamente utilizado para
controlar el estado de conmutación de la válvula.
Usualmente, los convertidores comprenden una
serie de válvulas electrónicas que son conmutadas en conexión y
desconexión repetidamente durante el funcionamiento del convertidor
a efectos de llevar a cabo la conversión de corriente y/o voltaje.
El proceso de conmutación de cada una de las válvulas electrónicas
es controlado por una unidad de control de la válvula que está
conectada directamente a la válvula electrónica. En particular, el
convertidor puede ser un convertidor CC (corriente continua) a CA
(corriente alterna) que lleva a cabo la conversión de una corriente
continua en corriente alterna y/o viceversa. Más particularmente, la
invención se refiere al campo de los convertidores para
aplicaciones de gran potencia, por ejemplo, proporcionar energía
eléctrica a motores de impulsión de vehículos de tracción
ferroviaria.
Los convertidores del tipo antes indicado son
bien conocidos en la práctica. Por ejemplo, el convertidor puede
ser un convertidor CC a CA, en el que el lado CC del convertidor
(primer convertidor) está conectado mediante un circuito intermedio
de CC a un convertidor CA a CC (segundo convertidor) que está
conectado a una red de suministro de potencia CA. El lado CA del
primer convertidor puede ser conectado a una carga de corriente
alterna trifásica, tal como un motor asíncrono. Se prevé un
dispositivo de control del convertidor que controla la maniobra de
las válvulas electrónicas del convertidor, controlando, por lo
tanto, el funcionamiento del convertidor. Existe una unidad de
control de la válvula para cada una de las válvulas y cada una de
las unidades de control de la válvula está conectada al dispositivo
de control del convertidor. Para una transferencia rápida de
señales de control, que son pasadas desde el dispositivo de control
del convertidor a las unidades de control de las válvulas, las
señales de control pueden ser señales de impulsos de luz en una
línea de señal óptica, por ejemplo, un cable de fibra óptica. Se
prevén convertidores de señales correspondientes para la conversión
de señales analógicas o digitales en señales ópticas o viceversa
para el dispositivo de control del convertidor y para las unidades
de control de las válvulas.
El control de dicho convertidor requiere
habitualmente información con respecto a las corrientes de fase en
el lado CA del convertidor. De manera típica, se utilizan
transformadores de corriente para medir las corrientes de fase.
Recientemente, se han introducido dispositivos de medición de efecto
Hall. No obstante, los costes y los esfuerzos para producir y
montar estos dispositivos de medición, así como los cableados
correspondientes, son elevados. Además, un dispositivo de medición
por efecto Hall requiere un suministro de potencia. Adicionalmente,
pueden ser necesarios dispositivos de medición redundantes para
garantizar el funcionamiento del convertidor.
Eckel H-G y otros:
"Optimization of the turn-off performance of IGBT
at overcurrent and short-circuit current"
(Optimización del proceso de desconexión del IGBT en caso de exceso
de corriente y corriente de cortocircuito), actas de la 5ª
conferencia europea de electrónica de potencia y aplicaciones, 1993,
páginas 317-322, da a conocer un control de puerta
de dos etapas para el IGBT que permite una reducción del
sobrevoltaje para desconexión con exceso de corriente sin
incrementar las pérdidas de conmutación para la corriente nominal.
De acuerdo con esta publicación, el comportamiento de desconexión
del IGBT puede ser influenciado por la corriente de descarga de
puerta. En primer lugar, la puerta es descargada hasta que el
voltaje puerta-emisor alcanza la plataforma de
miller. Durante este tiempo, el voltaje
colector-emisor aumenta solamente de forma ligera
(característica de saturación del IGBT). En el segundo periodo,
aumenta el voltaje colector-emisor. El control de
puerta con la conmutación dependiente de la corriente de la
resistencia de puerta utiliza la dependencia de la corriente de la
plataforma de miller para detectar exceso de corriente y corriente
de cortocircuito. Para una corriente elevada del colector, la
plataforma de miller del voltaje puerta-emisor es
elevada. Después del transcurso de un tiempo de retardo, la
resistencia de puerta es desconectada y se conecta una resistencia
de puerta más grande.
Es un objetivo de la presente invención dar a
conocer un método que permite la medición de la corriente
transportada por la válvula (corriente de la válvula) con esfuerzo
y costes reducidos. Otro objetivo consiste en dar a conocer una
disposición correspondiente.
Además, es un objetivo de la presente invención
mejorar la conmutación de la válvula.
El término "corriente de la válvula" se
comprende que es la corriente que pasa por la válvula cuando ésta
está abierta. Cuando la válvula está completamente abierta, puede
pasar la máxima corriente de válvula posible. Cuando la válvula
está cerrada, no puede pasar corriente alguna de válvula.
En la práctica, la válvula puede ser un IGBT
(Transistor Bipolar de Puerta Aislada). No obstante, se puede
utilizar cualquier otra válvula que tenga puerta aislada (tal como
el Metal Oxide Field Effect Transistor, MOSFET) (transistor de
efecto de campo de óxido metálico), que se puede utilizar para
controlar la apertura o cierre de la válvula y que puede ser
utilizada asimismo en relación con la invención.
Una idea básica de la presente invención
consiste en evaluar el siguiente efecto físico: cuando la válvula
está completamente abierta, la carga transportada por la puerta está
habitualmente saturada. Esto significa que una carga puede ser
retirada de la puerta sin tener un efecto significativo en el estado
operativo de la válvula, es decir, la corriente de la válvula no
queda afectada y el voltaje colector-emisor es
todavía aproximadamente 0. No obstante, la magnitud de la carga,
que puede ser retirada hasta que queda afectado el estado operativo
de la válvula (es decir, la carga de puerta se encuentra desaturada)
depende de la magnitud de la corriente de la válvula. Esto es
cierto, en particular, cuando la válvula es conmutada repetidamente
en conexión y desconexión y, por lo tanto, la puerta se encuentra
repetidamente cargada y descargada.
De acuerdo con una realización preferente de la
invención, se utiliza una corriente constante para descargar la
puerta y se determina el intervalo de tiempo durante el cual pasa la
corriente de descarga constante. En particular, el intervalo de
tiempo puede empezar cuando la unidad de control de la válvula
recibe una señal de disparo que pone en marcha el inicio del
proceso de cierre de la válvula desde un dispositivo externo, tal
como desde un dispositivo de control de un convertidor. Además, el
final del intervalo de tiempo puede ser definido por un estado
operativo predeterminado de la válvula, por ejemplo, cuando el
voltaje colector-emisor alcanza un valor umbral
predeterminado. Por ejemplo, el intervalo de tiempo podría ser
medido mediante un contador conectado a un reloj que periódicamente
envía señales de reloj. No obstante, se pueden utilizar otros
métodos para determinar el intervalo de tiempo de forma
alternativa.
Una ventaja de la utilización de la corriente de
descarga constante es la elevada precisión del resultado de la
medición. Otra ventaja es que existen tipos de unidades de control
de las válvulas (también llamadas Gate Drive Units, GDU)
("Unidades de activación de puertas") que comprenden un
amplificador de fuente de corriente de alta precisión que es capaz
de producir una corriente de descarga muy constante. Además, estos
tipos de unidades de control de válvula también comprenden otros
elementos y unidades que pueden ser utilizadas para la medición de
la magnitud de carga que es retirada de la puerta, por ejemplo, una
unidad de proceso digital (tal como un dispositivo de puerta
programable en campo, FPGA, un Application-Specific
Integrated Circuit, ASIC ("Circuito integrado específico de la
aplicación") o un Complex Programmable Logic Device, CPLD
("Dispositivo lógico programable complejo")), un contador, un
comparador y un convertidor de señal, así como una salida y entrada
de señal para comunicación de señales hacia y desde un dispositivo
de control del convertidor.
Otra idea básica de la presente invención
consiste en la utilización del resultado de medición para control
adicional de la misma o, como mínimo, uno de los siguientes procesos
de cierre de la válvula. En particular, la unidad de control de la
válvula puede adoptar la magnitud de la corriente de descarga, el
voltaje de descarga y/o adaptar la temporización del proceso de
descarga dependiendo del resultado de la medición. Por ejemplo, una
lógica muy simple es suficiente para seleccionar la corriente de
descarga dependiendo del resultado de la medición. Se puede obtener
un comportamiento altamente reproducible del voltaje
colector-emisor durante la causa del proceso de
cierre. Como resultado, la precisión de la temporización del proceso
de conmutación se puede incrementar y, por lo tanto, se pueden
mejorar la seguridad y las pérdidas por conmutación.
Se puede prescindir de otros dispositivos de
medición adicionales, tales como un dispositivo de medición por
efecto Hall. Se pueden ahorrar asimismo los cableados
correspondientes y trabajos de instalación. El sistema de
suministro de potencia del dispositivo de control del convertidor
puede ser más simple y de menores dimensiones. También se puede
reducir el peso.
En particular, el método de medición de la
corriente de la válvula se puede llevar a cabo cuando la válvula
está completamente abierta. De acuerdo con una realización
preferente, la medición es iniciada en el mismo momento cuando se
inicia el proceso de cierre de la válvula. Durante esta fase inicial
del proceso de cierre, la corriente de la válvula puede pasar
todavía libremente por la válvula (situación-ON).
Cuando la válvula se encuentra completamente abierta, la puerta
lleva una carga eléctrica de puerta positiva o negativa dependiendo
del tipo de la válvula. Durante la fase inicial (que se puede
indicar como "primera fase"), se retira una cierta magnitud de
la carga de puerta de la puerta y se mide dicha magnitud o una
cantidad que depende de la misma.
La corriente de la válvula es determinada
dependiendo de la magnitud medida o dependiendo de la otra cantidad.
El término "determinación" no está restringido al cálculo de
un valor absoluto de la corriente de la válvula. En vez de ello, se
puede determinar un nivel de la corriente de válvula en relación con
un nivel anterior. De modo más general, se puede determinar una
medición para la corriente de válvula y esta medición puede ser
utilizada, por ejemplo, en un proceso de control de la válvula.
La medición puede iniciarse en una primera
situación operativa predeterminada de la válvula y/o en un primer
punto de tiempo que es el momento de inicio de la descarga de la
puerta o que difiere del tiempo de inicio en una magnitud de tiempo
fija.
Preferentemente, la medición es llevada a cabo
en cada una de una serie de unidades de control de válvula de un
convertidor y los resultados de las mediciones de las unidades de
control de válvula son transferidos al dispositivo de control del
convertidor. Por ejemplo, el convertidor comprende tres ramales, en
el que cada uno de los ramales comprenden una conexión en serie de
dos de las válvulas, de manera que cada uno de los ramales está
conectado a un voltaje CC y de manera que un contacto de cada uno de
los ramales, entre las dos válvulas, es conectado al lado CA del
convertidor. En este caso, cada una de las unidades de control de
válvula puede medir la respectiva corriente de válvula si la
correspondiente válvula controlada se encuentra en situación
"ON", y si la otra válvula del mismo ramal se encuentra en el
estado de desconexión ("OFF"). Por ejemplo, el dispositivo de
control del convertidor puede procesar los valores de medición
recibidos de las diferentes válvulas del mismo ramal y puede
controlar la conmutación de esas válvulas basándose en los ramales
de medición recibidos desde ambas válvulas.
En particular, para los objetivos de un
funcionamiento continuo, el dispositivo de control del convertidor
puede recibir, de manera repetida, valores medidos procedentes de,
como mínimo, una unidad de control de válvula y puede utilizar,
como mínimo, algunos de los valores recibidos para controlar el
funcionamiento de la serie de unidades de control de válvula.
La, como mínimo, una unidad de control de
válvula puede producir una señal de medición que representa el valor
medido y la señal puede ser convertida en una señal digital y/o en
una señal de impulsos (por ejemplo: una señal de impulsos
luminosos) que es transferida al dispositivo de control del
convertidor.
Además, la invención comprende una disposición
de medición de corriente (corriente de válvula) que es realizada
por una válvula electrónica que tiene un electrodo de control
aislado eléctricamente (puerta) que puede ser utilizado para
controlar la conmutación de la válvula, en particular de un
Transistor bipolar de puerta aislado (IGBT). La disposición
comprende:
- una unidad de descarga que comprende un
contacto a conectar con la puerta y que está adaptado para activar
una corriente de descarga procedente de la puerta;
- una unidad de medición que está adaptada para
medir una magnitud de una carga (carga de puerta) que es retirada
de la puerta o para medir otra cantidad que depende de la cantidad
retirada;
- una unidad de puesta en marcha que está
adaptada para iniciar la medición de la magnitud o de la otra
cantidad, cuando la válvula está completamente abierta;
- una unidad de paro que está adaptada para
interrumpir la medición de la magnitud o de la otra cantidad,
cuando ocurre un evento predeterminado.
La disposición puede comprender una unidad de
control de válvula que incluye la unidad de medición o que está
conectada a la unidad de medición. La unidad de control de la
válvula puede estar adaptada para controlar un proceso de cierre de
la válvula al controlar la descarga adicional de la puerta
dependiendo del resultado de la medición llevada a cabo por la
unidad de medición.
La unidad de medición puede comprender una
unidad de medición de tiempo que está adaptada para determinar,
como mínimo, el final de un intervalo de tiempo durante el cual la
magnitud de la carga de puerta es retirada de la puerta. El término
"como mínimo" significa que el inicio del intervalo de tiempo
puede también ser determinado. En particular, el inicio y final del
intervalo de tiempo se puede provocar utilizando señales
correspondientes. Por ejemplo, un contador recibe las señales y
determina el inicio y final del intervalo de tiempo al empezar el
proceso de contaje o al detener dicho proceso de contaje.
En particular, la unidad de medición de tiempo
puede ser conectada a una entrada de señal para recibir una señal
de activación que pone en marcha el inicio de un proceso de descarga
de la puerta.
La unidad de interrupción puede comprender un
comparador que está conectado a una fuente de una señal de
referencia y que está adaptada para comparar la señal de referencia
con una señal que representa el estado operativo de la válvula.
Además, la invención comprende un dispositivo
para el accionamiento de un convertidor, que comprende la
disposición anteriormente mencionada. El convertidor comprende una
serie de válvulas electrónicas que son conmutadas, de manera
repetida, en conexión y desconexión durante el funcionamiento del
convertidor a efectos de llevar a cabo una conversión, en
particular una conversión de una corriente continua en una corriente
alterna y/o viceversa. La salida de la unidad de medición está
conectada a un dispositivo de control del convertidor que está
conectado a cada una de una serie de unidades de control de válvula
que están adaptadas para controlar el funcionamiento de la serie de
unidades de control de válvula accionando de esta manera el
convertidor.
Cada una de las unidades de control de válvula
puede comprender una realización de la unidad de medición.
En comparación con disposiciones convencionales,
solamente son necesarias pequeñas modificaciones en el material o
"hardware". En particular, la señal de medición puede ser
transferida desde la unidad de control de válvula al dispositivo de
control del convertidor. No obstante, puesto que habitualmente hay
líneas de señal para transferir señales desde las unidades de
control de válvula al dispositivo de control del convertidor, el
esfuerzo adicional es reducido. Las exigencias correspondientes de
aislamiento con respecto del aislamiento eléctrico entre el
dispositivo de medición en la unidad de control de válvula por una
parte y la línea de señal por otra, se cumplen mediante las
soluciones existentes. Por lo tanto, los costes adicionales son
reducidos.
Un tipo existente de dispositivo de medición en
la unidad de control de válvula puede comprender un divisor de
voltaje resistivo en el que este dispositivo divisor está adaptado
para medir el voltaje colector-emisor. Por lo
tanto, el voltaje colector-emisor puede ser
utilizado para determinar el final del intervalo de tiempo (en
particular, el final de la fase inicial de descarga de la puerta).
El resultado de medición de voltaje puede ser transferido al
dispositivo de control del convertidor.
Un ejemplo de la presente invención (que
corresponde a la forma preferente de la invención) se describirá a
continuación haciendo referencia al dibujo adjunto. Las figuras del
dibujo muestran:
La figura 1 es una representación esquemática de
un dispositivo (1) que comprende un convertidor de CC a CA y un
dispositivo de control del convertidor;
La figura 2 muestra esquemáticamente una de las
válvulas electrónicas mostradas en la figura 1 y detalles de la
correspondiente unidad de control de válvula;
La figura 3 muestra detalles de la unidad de
control de válvula y
En la figura 4 la corriente de válvula, la
corriente de puerta y el voltaje colector-emisor
como funciones del tiempo durante un proceso de cierre de la
válvula.
El convertidor CC a CA mostrado en la figura 1
comprende seis válvulas electrónicas (4a) a (4f) que son válvulas
IGBT en el ejemplo. Cada una de las válvulas (4a) a (4f) está
combinada con una unidad de control de válvula (3a) a (3f) que está
conectada a su vez a la puerta de la válvula correspondiente (4a) a
(4f).
Las seis válvulas (4a) a (4f) están dispuestas
en tres ramales, de manera que cada uno de los ramales comprende
dos de las válvulas (4a, 4b; 4c, 4d; 4e, 4f) que están conectadas en
serie entre si, de manera que cada uno de los ramales conecta las
líneas eléctricas (2a, 2b) de un circuito intermedio CC. Un contacto
(indicado por un pequeño círculo) entre las dos válvulas de cada
ramal está conectado a una de las tres líneas CA (6a, 6b, 6c).
Un dispositivo de control del convertidor para
controlar el funcionamiento de las unidades del control de válvula
(3a) a (3f) está conectado a las unidades de control de válvula (3a)
a (3f) con intermedio de las líneas de señal (7a) a (7f). Durante
el funcionamiento del convertidor, el dispositivo (5) de control del
convertidor envía señales de impulso a las unidades de control de
válvula (3a) a (3f), en particular señales de impulso de luz. Por
ejemplo, la correspondiente unidad de control de válvula (3) es
activada para conectar la válvula asignada (4) si se recibe el
inicio de un impulso de luz por la unidad de control de válvula (3).
Si termina el impulso de luz, la unidad de control de válvula (3)
es activada para desconectar la válvula asignada (4).
De acuerdo con la presente invención, cada una
de las líneas de señales (7a) a (7f) puede ser utilizada también
para realimentar señales desde las unidades de control de válvula
(3) al dispositivo de control (5) del convertidor, incluyendo
señales que representan valores de medición de las corrientes de
válvula y del voltaje medido sobre la válvula correspondiente. Cada
una de las líneas de señal (7a) a (7f) comprende una serie de
conexiones de señal, por ejemplo, una serie de cables de fibra
óptica.
La figura 2 muestra una realización preferente
de las unidades (3a) a (3f) de control de válvulas, por ejemplo, la
unidad de control de válvula (3b). Para mayor claridad, la figura 2
muestra solamente componentes de la unidad de control de válvula
(3b) que se utilizan para la medición de la corriente. Se omiten
otros componentes.
La unidad (3b) de control de válvula comprende
un divisor de voltaje resistivo que comprende a su vez una conexión
en serie de dos resistencias (15, 16). La conexión en serie está
conectada por un extremo a un potencial positivo de un suministro
de energía de la unidad de control (3b). El otro extremo de la
conexión en serie (punto de conexión (B), que puede ser conectado a
un potencial cero o potencial de tierra) está conectado al lado del
ramal que está conectado a la línea CC (2a). Un punto de conexión
(A) dispuesto entre las dos resistencias (15, 16) está conectado al
ramal de las IGBT (4a, 4b), es decir, a un punto de contacto entre
las IGBT (4a, 4b). Esta conexión entre el punto de conexión (A) y el
ramal se realiza por intermedio de, como mínimo, un diodo (27, 28),
de manera que el punto (A) se encuentra conectado al ánodo del diodo
o diodos.
En el ejemplo mostrado existe una conexión en
serie de dos diodos (28, 29). En realizaciones alternativas podrían
existir más diodos. De manera general, el diodo o diodos deben ser
dimensionados, de manera que pueden resistir el voltaje máximo
posible (inhibiendo una ruptura) entre el ramal y el punto (A) si el
potencial en el ramal es superior al del punto (A). Mientras el
potencial del ramal es inferior al potencial del punto (A) (cuya
condición depende principalmente del nivel del potencial positivo),
el potencial en el punto (A) es aproximadamente igual al potencial
en el ramal entre las dos válvulas (4a, 4b). Por ejemplo, el
potencial positivo puede ser del orden de +20 V, la resistencia
(15) puede tener un valor de 1 kOhmio y la resistencia (16) puede
tener 100 Ohmios.
En el ejemplo mostrado en la figura 2, el
voltaje dividido en la resistencia (16), es decir, entre los
contactos (A, B) es alimentado a un comparador (14). Este
comparador compara la señal de voltaje de la línea (12) (que
conecta el contacto (A) con una entrada del comparador (14)) con una
señal de referencia en la línea (17) que está conectada a una
segunda entrada del comparador (14). La señal de referencia puede
ser, por ejemplo, una señal de voltaje comprendida entre 5 y 15
voltios, en particular 10 V (el voltaje máximo del
colector-emisor puede ser un valor de algunos miles
de voltios cuando la válvula está cerrada). Una señal de comparación
respectiva se puede disponer en la salida del comparador (14) y es
transferida a un convertidor de señal (11), que puede formar parte
de una unidad digital de proceso (13) (figura 3) de la unidad de
control de válvula (3b). La salida del convertidor de señal (11)
está conectada a la línea de señal (7b).
Además, la unidad (3b) de control de válvula
comprende circuitos para controlar la corriente hacia y desde la
puerta (G) de la válvula (4b). Estos circuitos pueden ser una unidad
(13) de proceso principal que comprende el convertidor de señal
(11). Los circuitos están conectados a un amplificador (18) de la
fuente de corriente que está adaptado para activar la corriente
hacia y desde una fuente de corriente. En particular, puede producir
una elevada corriente constante.
La figura 3 muestra detalles de una realización
preferente de la unidad (3b) de control de válvula. Los mismos
numerales de referencia indican los mismos elementos o dispositivos
que se han descrito en relación con la figura 2. El numeral de
referencia (20) indica un elemento de la unidad de proceso digital
(13), que se puede realizar por hardware y/o software adaptado para
controlar el amplificador (18) de la fuente de corriente.
El comparador (14) está conectado a una primera
entrada de un contador (19). Una segunda entrada del contador (19)
está conectada a un reloj (24) que periódicamente envía señales de
reloj a una frecuencia constante al contador (19) y a otros
elementos de la unidad (3b) de control de válvula. Una tercera
entrada del contador está dispuesta para recibir una señal de
activación que pone en marcha el inicio del proceso para el cierre
de la válvula (4b). La misma señal de activación puede ser recibida
y utilizada por otros elementos de la unidad de proceso digital
(13) para iniciar el proceso de cierre. En particular, la señal de
activación provoca que el elemento (20) controle el amplificador
(18) de la fuente de corriente, de manera que se inicia el proceso
de descarga de la puerta (G). La señal de activación es producida
por el dispositivo (5) de control del convertidor y es transferida
por intermedio de la línea (7b) a la unidad (3b) de control de
válvula (la conexión de la línea (23) a la línea (7b) no se ha
mostrado en la figura 3).
Cuando la señal de activación es recibida por el
contador (19), éste inicia un proceso de conteo de las señales del
reloj. Tan pronto como el comparador (14) detecta que la señal de la
línea (12) ha alcanzado las dimensiones de la señal de referencia
en la línea (17), es decir, que el voltaje
colector-emisor ha alcanzado el valor umbral
predeterminado, el comparador (14) envía una señal al contador (19)
que detiene el proceso de conteo. El número de impulsos contados
corresponde al intervalo de tiempo durante el cual se ha descargado
la puerta (G) utilizando una corriente constante. Por lo tanto,
este número es una medida de la longitud y de la magnitud de la
carga que ha sido retirada desde la puerta (G). De acuerdo con la
invención, esta medición corresponde también a la corriente de
válvula que ha sido llevada por la válvula (4b) inmediatamente antes
del inicio del proceso de cierre. Dado que la duración del
intervalo de tiempo se encuentra de manera típica en el orden de
algunos microsegundos, una corriente del mismo valor continúa, como
mínimo, durante la primera parte del intervalo de tiempo hasta que
la válvula empieza a cerrarse.
El valor de la medición puede ser utilizado
internamente por la unidad (13) de proceso digital para controlar
la válvula (4b) y es enviada al convertidor de señal (11) que emite
una señal convertida correspondiente al dispositivo de control del
convertidor por intermedio de la línea (7b).
La figura 4 muestra el desarrollo de la
corriente de fuerza (IG, IG') y de la corriente de válvula (IV, IV')
en el curso de dos procesos diferentes de cierre de la válvula.
Además, el voltaje en la válvula (4b) (voltaje
colector-emisor (VCE V)) se muestra. El tiempo es
indicado por (t). Las funciones del primer proceso se han indicado
por (IG), por (IV) y por (VCE V). Las funciones de tiempo del
segundo proceso se han indicado por (IG'), por (IV') y por (VCE
V'). Tanto el primer proceso como el segundo proceso pueden ser un
proceso de una serie de procesos consecutivos de cierre de la
puerta (es decir, desconexión) durante el funcionamiento del
convertidor que se ha mostrado en la figura 1. El primer proceso y
el segundo proceso están relacionados con diferentes fases
operativas de la válvula. Las líneas continuas se refieren al primer
proceso. En el caso en que las líneas del segundo proceso difieren
del segundo proceso, las líneas son de trazos.
Al inicio del primer proceso, la corriente de
válvula (IV) es significativamente mayor que la corriente de
válvula (IV') al inicio del segundo proceso. Esto significa que se
tiene que retirar una magnitud de carga más reducida de la puerta
antes de que la válvula empiece a cerrarse en comparación con el
segundo proceso. Dado que esta información es conocida por procesos
anteriores de cierre de la válvula (por ejemplo, proceso que fue
llevado a cabo inmediatamente antes del primer proceso), la
corriente de puerta (IG) podría ser conectada con anterioridad en
comparación con el segundo proceso y con referencia a la señal de
activación que pone en marcha el proceso de cierre de la válvula.
No obstante, tal como se ha mostrado en la figura 4, este no es el
caso del ejemplo. Ambos procesos son iniciados a la recepción de la
señal de activación (en el tiempo (t1)). De manera alternativa,
puede existir un retraso de tiempo entre la recepción de la señal de
activación y el inicio del proceso de cierre. De acuerdo con otra
alternativa, el dispositivo de control del convertidor puede tener
en cuenta la diferente corriente de válvula y puede transferir la
señal de activación que pone en marcha el inicio del proceso de
descarga con anterioridad o más tarde dependiendo de la magnitud de
la corriente de válvula. En este caso (que podría corresponder al
caso mostrado en la figura 4), la señal de activación puede
provocar que la unidad de control de la válvula ponga en marcha sin
retraso el proceso de descarga. A continuación, la recepción de la
señal de activación puede poner en marcha la medición del intervalo
de tiempo, de acuerdo con la realización mostrada en la figura
3.
\newpage
En el caso mostrado en la figura 4, la medición
de la duración del intervalo de tiempo necesario para retirar la
carga de puerta hasta que la válvula empieza a cerrarse (fase
inicial del proceso de cierre) se empieza en el tiempo (t1) en
ambos procesos. En el primer proceso, el intervalo de tiempo termina
en el tiempo (t1'). El segundo proceso de intervalo de tiempo
termina en el tiempo (t2). En ambos casos el intervalo de tiempo
termina cuando el voltaje colector-emisor alcanza un
valor umbral predeterminado o en caso de que tenga lugar otro
evento predeterminado. No obstante, el final del intervalo de tiempo
puede ser distinto en otros procesos de cierre de la válvula si la
corriente de la válvula es la misma, pero las condiciones operativas
externas son las mismas (por ejemplo, temperatura y carga eléctrica
conectada a la válvula). Esto significa que es posible tener en
cuenta estas condiciones operativas externas asimismo para el
control del proceso de cierre de la válvula.
A efectos de clarificar la terminología
utilizada en esta descripción: el proceso de cierre es empezado al
descargar la puerta cuando la válvula sea completamente abierta y la
puerta (o, de manera más precisa, la carga de la puerta) está
saturada. La retirada de una cierta magnitud de la carga de la
puerta no influirá (o no lo hará de manera significativa) en la
corriente transportada por la válvula. Esto significa que durante
la fase inicial (o primera fase) del proceso de cierre la válvula se
encuentra en realidad todavía completamente abierta. Entonces,
durante la segunda fase que sigue a la primera fase, la descarga
adicional de la puerta tiene como resultado una reducción
significativa de la corriente transportada por la válvula.
En cualquier caso, la duración del intervalo de
tiempo (primera fase) es medida y se tiene en cuenta durante la
siguiente segunda fase del proceso de cierre durante la cual se
cierra la válvula.
En la segunda fase, la corriente de puerta (IG,
IG') es adaptada dependiendo del resultado de la medición. En el
ejemplo que se ha mostrado en la figura 4, el valor absoluto de la
corriente de descarga es superior en el primer proceso durante la
segunda fase (es decir, existen valores negativos más elevados y una
magnitud superior de carga es retirada de la puerta por unidad de
tiempo). Como consecuencia, la variación del voltaje
colector-emisor (es decir, la derivada de tiempo del
voltaje colector-emisor, ver (VCE V) y (VCE V'))
puede ser controlada para que sea la misma en cualquier proceso
durante la segunda fase.
La duración del intervalo [t1; ^{+}2] puede
ser, por ejemplo, del orden de 1 a 5 microsegundos. Utilizando un
reloj digital que opera a la frecuencia de reloj estándar, se pueden
determinar las variaciones del intervalo de tiempo con gran
precisión. En el sector de los convertidores utilizados para
aplicaciones de alta potencia, tal como proporcionar energía para
motores de vehículos de tracción ferroviaria, la resolución medida
de la corriente de válvula puede encontrarse, por ejemplo, entre 10
y 50 A para valores de válvula del orden de 200 a 5000 A.
Claims (15)
1. Procedimiento de maniobra de una válvula
electrónica que tiene un electrodo de control (puerta G) aislado
eléctricamente, que puede ser utilizado para controlar la
conmutación de la válvula (4), en particular un procedimiento de
funcionamiento de un Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), en
el que:
- cuando la válvula (4) está completamente
abierta se pone en marcha un proceso de cierre de la válvula
(proceso de cierre);
- la magnitud de una carga (carga de puerta),
que es transportada por la puerta (G), es retirada de la puerta (G)
hasta que queda afectado el estado operativo de la válvula (4);
- la magnitud retirada de la carga de la puerta
es medida; y
- se controla el proceso de cierre y/o un
proceso de cierre en un ciclo consecutivo de cierre y apertura
repetido de la válvula, dependiendo de la magnitud medida.
2. Procedimiento de maniobra de una válvula
electrónica que tiene un electrodo de control (puerta G) aislado
eléctricamente, que puede ser utilizado para controlar la
conmutación de la válvula 4, en particular un procedimiento de
funcionamiento de un Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), en
el que:
- cuando la válvula (4) está completamente
abierta se pone en marcha un proceso de cierre de la válvula
(proceso de cierre);
- la magnitud de una carga (carga de puerta),
que es transportada por la puerta (G), es retirada de la puerta (G)
hasta que queda alcanzado el estado operativo de la válvula (4);
- un intervalo de tiempo durante el cual la
magnitud de la carga de puerta retirada de la puerta es medida;
y
- el proceso de cierre y/o el proceso de cierre
de un ciclo consecutivo de cierre y abertura repetidas de la
válvula es controlado dependiendo del intervalo de tiempo
medido.
3. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que la magnitud de la carga de
puerta o el intervalo de tiempo es medido durante o para una fase
inicial del proceso de cierre, de manera que una segunda fase (t2,
t3) sigue a la fase inicial (t1; t2) del mismo proceso de cierre y
en el que una corriente de descarga que descarga la puerta (G) en
la segunda fase del proceso de cierre disminuye en comparación con
otros procesos de cierre de la válvula (4) cuando se ha medido un
valor más elevado de la carga de puerta y viceversa.
4. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que el inicio del intervalo de
tiempo (t2; t2) está definido por un punto de tiempo (t1) cuando
una unidad de control de válvula (3) recibe una unidad de control
que pone en marcha el inicio del proceso de cierre.
5. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que el intervalo de tiempo
termina cuando tiene lugar un evento predeterminado, y en el que la
presencia de dicho evento es detectada por una unidad de control de
válvula (3) que controla la descarga de la puerta (G).
6. Procedimiento, según la reivindicación
anterior, en el que la carga transportada por la puerta (G) es
saturada al inicio del intervalo de tiempo (t1; t2) y en el que el
intervalo de tiempo (t1; t2) termina cuando la carga transportada
por la puerta (G) es desaturada.
7. Procedimiento, según una de las
reivindicaciones anteriores, en el que el intervalo de tiempo (t1;
t2) termina cuando el voltaje de colector-emisor de
la válvula (4), que aumenta durante el proceso de cierre, alcanza
un valor umbral predeterminado.
8. Procedimiento de medición de una corriente
(corriente de válvula) que es transportada por una válvula
electrónica (4) que tiene un electrodo de control aislado
eléctricamente (puerta G) que puede ser utilizado para controlar la
conmutación de la válvula (4), en particular de un Transistor
Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), en el que:
- cuando la válvula (4) está completamente
abierta se pone en marcha un proceso de cierre de la válvula
(proceso de cierre);
- la magnitud de una carga (carga de puerta),
que es transportada por la puerta (G), es retirada de la puerta (G)
hasta que queda afectado el estado operativo de la válvula (4);
- la magnitud retirada de la carga de la puerta
es medida; y
- la corriente de válvula (IV) es determinada
dependiendo de la magnitud medida.
9. Procedimiento de medición de una corriente
(corriente de válvula) que es transportada por una válvula
electrónica (4) que tiene un electrodo de control aislado
eléctricamente (puerta G) que puede ser utilizado para controlar la
conmutación de la válvula (4), en particular de un Transistor
Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), en el que:
- cuando la válvula (4) está completamente
abierta se pone en marcha un proceso de cierre de la válvula
(proceso de cierre);
- la magnitud de una carga (carga de puerta),
que es transportada por la puerta (G), es retirada de la puerta (G)
hasta que queda alcanzado el estado operativo de la válvula (4);
- un intervalo de tiempo durante el cual la
magnitud de la carga de puerta retirada de la puerta es medida;
y
- la corriente de válvula (IV) es determinada
dependiendo del intervalo de tiempo.
10. Disposición para la medición de una
corriente (corriente de válvula) que es transportada por una válvula
electrónica (4) que tiene un electrodo de control aislado
eléctricamente (puerta G) que puede ser utilizado para controlar la
conmutación de la válvula (4), en particular de un Transistor
Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), en el que el dispositivo
comprende:
- una unidad de descarga (18) que comprende un
contacto a conectar con la puerta (G) y que está adaptado para
activar una corriente de descarga (IG) procedente de la puerta;
- una unidad de medición (19) que está adaptada
para medir una magnitud de una carga (carga de puerta) que es
retirada de la puerta (G) hasta que el estado operativo de la
válvula (4) queda afectado;
- una unidad de puesta en marcha (19) que está
adaptada para iniciar la medición de dicha magnitud cuando la
válvula se encuentra completamente abierta;
- una unidad de paro (14, 19) que está adaptada
para interrumpir la medición de dicha magnitud cuando tiene lugar
un evento predeterminado.
11. Disposición para la medición de una
corriente (corriente de válvula) que es transportada por una válvula
electrónica (4) que tiene un electrodo de control aislado
eléctricamente (puerta G) que puede ser utilizado para controlar la
conmutación de la válvula (4), en particular de un Transistor
Bipolar de Puerta Aislada (IGBT), en el que el dispositivo
comprende:
- una unidad de descarga (18) que comprende un
contacto a conectar con la puerta (G) y que está adaptado para
activar una corriente de descarga (IG) procedente de la puerta;
- una unidad de medición (19) que está adaptada
para medir un intervalo de tiempo durante el cual la magnitud de
carga de la puerta es retirada de la puerta;
- una unidad de puesta en marcha (19) que está
adaptada para iniciar la medición del intervalo de tiempo cuando la
válvula se encuentra completamente abierta;
- una unidad de paro (14, 19) que está adaptada
para interrumpir la medición del intervalo de tiempo se ha
alcanzado un estado operativo predeterminado de la válvula (4).
12. Disposición, según la reivindicación
anterior, que comprende una unidad (3) de control de válvulas que
comprende la unidad de medición (19) o que está conectada a la
unidad de medición, y en el que la unidad de control de válvulas
(3) está adaptada para controlar un proceso de cierre de la válvula
(4) al controlar la descarga adicional de la puerta (G) dependiendo
del resultado de la medición llevada a cabo por la unidad de
medición (19).
13. Disposición, según una de las
reivindicaciones anteriores, en la que la unidad de medición (19)
comprende una unidad de medición de tiempo que está adaptada para
determinar, como mínimo, el final del intervalo de tiempo durante
el cual la magnitud de carga de puerta es retirada de la puerta
(G).
14. Disposición (1) de funcionamiento de un
convertidor que comprende la disposición de una de las anteriores
reivindicaciones, en la que el convertidor (3, 4) comprende una
serie de válvulas electrónicas (4) que son conectadas y
desconectadas repetidamente durante el funcionamiento del
convertidor (3, 4) a efectos de llevar a cabo una conversión, en
particular una conversión de una corriente continua a una corriente
alterna y/o viceversa y en el que una salida de la unidad de
medición (19) está conectada a un dispositivo (5) del control del
convertidor que está conectado a cada una de una serie de unidades
(3) de control de válvula y que está adaptado para controlar el
funcionamiento de la serie de unidades (3) de control de válvula,
haciendo funcionar de esta manera el convertidor (3, 4).
15. Disposición, según la reivindicación
anterior, en la que cada una de las unidades de control de válvula
(3) comprende la unidad de medición (19).
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