ES3057746T3 - Power conversion system - Google Patents
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Abstract
Se proporciona un sistema de conversión de potencia que puede suprimir una falla en un interruptor de cortocircuito que deriva una unidad de falla y mejora la confiabilidad y redundancia del sistema. El sistema de conversión de potencia (100) está equipado con varias unidades convertidoras de potencia (10) formadas mediante elementos de conmutación semiconductores y conectadas en serie. Incluye: elementos de conmutación (201, 211) conectados a los terminales de entrada y/o salida de las unidades convertidoras de potencia (10) y que las derivan; y elementos supresores de sobretensión (202, 212) conectados en paralelo con los elementos de conmutación (201, 211) y cuyos estados de conducción se modifican mediante la aplicación de una tensión predefinida. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
[0001] DESCRIPCIÓN
[0002] Sistema de conversión de potencia
[0003] Campo técnico
[0004] La presente invención se refiere a un sistema de conversión de potencia.
[0005] Antecedentes de la técnica
[0006] En los últimos años se han utilizado numerosos dispositivos de conversión de potencia que convierten CA en CC o CC en CA. Dichos dispositivos de conversión de potencia también se aplican al campo de alta tensión. En este caso, por ejemplo, se utiliza un convertidor de potencia monofásico que incluye un elemento semiconductor de conmutación (Transistor bipolar de puerta aislada: IGBT y similar), y una pluralidad de dichos convertidores de potencia monofásicos se conectan en serie. Con esta configuración, puede generarse una tensión superior a la tensión soportada del elemento de conmutación. Se espera que la configuración se aplique a un sistema de transmisión de potencia de CC (HVDC), a un dispositivo de compensación de potencia reactiva (STATCOM), a un inversor de accionamiento de motor y similares.
[0007] Como ejemplo de un sistema de conversión de potencia que incluye una pluralidad de unidades convertidoras de potencia monofásicas conectadas en serie, se conoce el sistema de conversión de potencia en el que una pluralidad de dispositivos inversores monofásicos (en adelante, denominados dispositivos inversores de celda) están conectados en serie para formar un grupo de dispositivos inversores para una fase, formando así un sistema inversor trifásico combinando una pluralidad de dichos grupos de dispositivos inversores en, por ejemplo, tres fases (véase la Literatura 1 de Patentes).
[0008] Literatura 1) de patentes
[0009] Cuando un dispositivo inversor de celda se vuelve anormal, dicho sistema convertidor multiplexado en serie no puede suministrar potencia normal a la carga y también puede afectar el funcionamiento normal de otros convertidores de potencia monofásicos sin fallos. Se conoce una configuración que se proporciona con un interruptor de desconexión de salida insertado en la línea de salida de la unidad convertidora de potencia monofásica y con un interruptor de derivación en un circuito de derivación que deriva la salida de cada convertidor de potencia monofásico, incluido el interruptor de desconexión, para continuar el funcionamiento sin detener todos los dispositivos inversores de celda cuando se produce un fallo (anomalía) en un dispositivo inversor de celda (véase la Literatura 2 de Patentes). Además, en la Literatura 3 de Patentes se describe también un dispositivo de conversión de potencia que convierte la potencia de CA suministrada desde una fuente de alimentación de CA de un sistema directamente en potencia de CC o potencia de CA para su salida, mientras que, específicamente, se utilizan interruptores semiconductores de cortocircuito para derivar, respectivamente, las unidades convertidoras de potencia utilizadas, predominantemente para aumentar aún más la fiabilidad del sistema en caso de fallo.
[0010] Además, en la Literatura 4 de Patentes, se describen varias configuraciones y/o circuitos diferentes que utilizan elementos supresores de sobretensión para suprimir una sobretensión generada por interruptores de cortocircuito.
[0011] Lista de citas
[0012] Literatura de patentes
[0013] Literatura 1 de Patentes: Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No examinada Nº Hei 10(1998)-75580 Literatura 2 de Patentes: Publicación de Solicitud de Patente Japonesa No examinada Nº 2000-245168 Literatura 3 de Patentes: Publicación de Literatura de Patentes Japonesa No examinada Nº 2017077114 A Literatura 4 de Patentes: Alexander Abramovitz et al.: "Survey of Solid-State Fault Current Limiters"; TRANSACCIONES EN ELECTRÓNICA DE POTENCIA del IEEE; Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, EE. UU., vol.27(6), junio de 2012
[0014] Compendio de la invención
[0015] Problema técnico
[0016] Sin embargo, en dicho sistema convertidor en serie convencional, no se considera un fallo en el interruptor de cortocircuito que deriva la unidad defectuosa en el momento de un fallo en la unidad convertidora de potencia.
[0017] Cuando falla el interruptor de cortocircuito, no puede invalidarse la unidad defectuosa y es necesario detener todo el sistema de conversión de potencia.
[0018] La presente invención se ha realizado en vista de dichas circunstancias, y un objeto de la presente invención es proporcionar un sistema de conversión de potencia que pueda suprimir un fallo en un interruptor de cortocircuito que deriva una unidad defectuosa y mejorar la fiabilidad y la redundancia del sistema.
[0019] Solución al problema
[0020] Para solucionar los problemas anteriores, un sistema de conversión de potencia de la presente invención, provisto de una pluralidad de unidades convertidoras de potencia conectadas en serie, incluye interruptores de cortocircuito provistos en los lados de entrada y/o los lados de salida de las unidades convertidoras de potencia, que derivan las unidades convertidoras de potencia, y elementos supresores de sobretensión conectados en paralelo con los interruptores de cortocircuito, y en los que los estados conductores cambian mediante la aplicación de una tensión prescrita, en donde los elementos supresores de sobretensión están provistos de un primer elemento supresor de sobretensión en el que el estado conductor cambia durante un primer tiempo de funcionamiento y de un segundo elemento supresor de sobretensión en el que el estado conductor cambia durante un segundo tiempo de funcionamiento, y en donde el primer elemento supresor de sobretensión y el segundo elemento supresor de sobretensión están conectados en paralelo con el interruptor de cortocircuito. Otros aspectos de la presente invención se describirán en una realización descrita más adelante.
[0021] Efectos ventajosos de la invención
[0022] Según la presente invención, es posible suprimir un fallo en el interruptor de cortocircuito que deriva la unidad defectuosa y mejorar la fiabilidad y la redundancia del sistema.
[0023] Breve descripción de los dibujos
[0024] La Fig. 1 es un diagrama que ilustra la configuración general de un sistema de conversión de potencia según una realización de la presente invención;
[0025] La Fig. 2 es un diagrama que ilustra una configuración de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de entrada de una unidad convertidora de potencia del sistema de conversión de potencia según un ejemplo ajeno a la invención;
[0026] La Fig. 3 es un diagrama que ilustra una configuración de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de salida de la unidad convertidora de potencia del sistema de conversión de potencia según un ejemplo ajeno a la invención;
[0027] La Fig. 4 es un diagrama que ilustra otra configuración de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de entrada de la unidad convertidora de potencia del sistema de conversión de potencia según un ejemplo ajeno a la invención;
[0028] La Fig. 5 es un diagrama que ilustra otra configuración de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de salida de la unidad convertidora de potencia del sistema de conversión de potencia según un ejemplo ajeno a la invención;
[0029] La Fig.6 es un diagrama que ilustra una configuración adicional de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de entrada de la unidad convertidora de potencia del sistema de conversión de potencia según la realización de la presente invención; y
[0030] La Fig.7 es un diagrama que ilustra una configuración adicional de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de salida de la unidad convertidora de potencia del sistema de conversión de potencia según la realización de la presente invención.
[0031] Descripción de las realizaciones
[0032] A continuación, se describirá en detalle una realización de la presente invención con referencia a los dibujos 1, 6 y 7.
[0033] Realización
[0034] La Fig. 1 es un diagrama que ilustra la configuración general de un sistema de conversión de potencia según la realización de la presente invención. Esta realización es un ejemplo en el que el sistema de conversión de
potencia se aplica a dispositivos de conversión de potencia multiplexados utilizando una pluralidad de convertidores de enlace de CA de alta frecuencia.
[0035] La configuración del sistema de conversión de potencia
[0036] Un sistema 100 de conversión de potencia está provisto de una pluralidad de unidades 10 convertidoras de potencia monofásicas (en adelante, denominadas unidades 10 convertidoras de potencia) que se forman utilizando elementos semiconductores de conmutación y están conectadas en serie.
[0037] El sistema 100 de conversión de potencia está provisto de una unidad 20 de conmutación de cortocircuito en el lado de entrada, provista en el terminal de entrada (lado de entrada) de la unidad 10 convertidora de potencia y que tiene de un elemento 201 de conmutación que deriva la unidad 10 convertidora de potencia. Además, el sistema 100 de conversión de potencia está provisto de una unidad 21 de conmutación de cortocircuito en el lado de salida, provista en el terminal de salida (lado de salida) de la unidad 10 convertidora de potencia y que tiene un elemento 211 de conmutación que deriva la unidad 10 convertidora de potencia.
[0038] La pluralidad de unidades 10 convertidoras de potencia y las unidades 20 y 21 de conmutación de cortocircuito configuran los grupos convertidores 301, 302 y 303 de potencia monofásicos. Tres grupos convertidores 301, 302 y 303 de potencia monofásicos convierten una fuente 30 de alimentación de CA trifásica (fases U, V y W) en CC.
[0039] Las respectivas unidades 10 convertidoras de potencia de la pluralidad de unidades 10 convertidoras de potencia tienen la misma configuración. Además, las respectivas unidades 20 y 21 de conmutación de cortocircuito, provistas en el terminal de entrada y el terminal de salida de la unidad 10 convertidora de potencia tienen la misma configuración.
[0040] La unidad 10 convertidora de potencia
[0041] La unidad 10 convertidora de potencia se describirá tomando como ejemplo la unidad 10 convertidora de potencia en el grupo convertidor 301 de potencia monofásico en la Fig. 1. Aquí, la unidad 10 convertidora de potencia es una unidad de los convertidores de enlace de alta frecuencia.
[0042] La unidad 10 convertidora de potencia está provista de un convertidor CA/CC 101 que convierte CA en CC, de un inversor CC/CA 102 de alta frecuencia que convierte CC en CA de alta frecuencia, de un convertidor CA/CC 103 de alta frecuencia que convierte CA de alta frecuencia en CC, de un transformador 104 de aislamiento (transformador de alta frecuencia) y de condensadores 105 y 106 de suavizado.
[0043] El inversor CC/CA 102 de alta frecuencia y el convertidor CA/CC 103 de alta frecuencia están conectados a través del transformador 104 de aislamiento. Como CA de alta frecuencia, por ejemplo, se utiliza una frecuencia portadora del orden de kHz.
[0044] El convertidor CA/CC 101, el inversor CC/CA 102 de alta frecuencia y el convertidor CA/CC 103 de alta frecuencia son inversores o convertidores de puente completo que utilizan un IGBT (Transistor Bipolar de Puerta Aislada) como elemento semiconductor de conmutación. Como elemento semiconductor de conmutación, por ejemplo, puede utilizarse un MOSFET de potencia (Transistor de Efecto de Campo de Semiconductor de Óxido Metálico de Potencia).
[0045] En esta realización, como ejemplo de la unidad 10 convertidora de potencia, se adopta como ejemplo el convertidor de enlace de CA de alta frecuencia, pero la unidad 10 convertidora de potencia puede ser de cualquier tipo. Además, en la Fig. 1, puede cambiarse solo el convertidor o el inversor o una combinación de estos.
[0046] La Fig. 2 es un diagrama que ilustra una configuración de la unidad 20 de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de entrada (lado de entrada) de la unidad 10 convertidora de potencia.
[0047] La unidad 20 de conmutación de cortocircuito ilustrada en la Fig. 2 está provista del elemento 201 de conmutación (interruptor de cortocircuito) y de un elemento 202 supresor de sobretensión conectado en paralelo con el elemento 201 de conmutación. En el ejemplo en la Fig. 1, la unidad 20 de conmutación de cortocircuito está conectada al terminal de CA de la fuente 30 de alimentación de CA trifásica.
[0048] El elemento 201 de conmutación
[0049] El elemento 201 de conmutación (interruptor de cortocircuito) ilustrado en la Fig. 2 es el elemento semiconductor de conmutación, y como elemento 201 de conmutación, por ejemplo, se aplican tiristores 51 y 52 (interruptores de cortocircuito) conectados con polaridad inversa. El elemento 201 de conmutación puede energizarse en ambas direcciones conectando dos tiristores 51 y 52 conectados con polaridad inversa.
[0050] El elemento 201 de conmutación se vuelve conductor en el momento de un fallo en el lado del circuito de entrada (lado del convertidor CA/CC 101) en la unidad 10 convertidora de potencia, y deriva la unidad 10 convertidora de potencia.
[0051] Tenga en cuenta que, como elemento 201 de conmutación, se aplica, preferentemente, el elemento semiconductor de conmutación, pero también puede utilizarse un interruptor de tipo contacto mecánico, como un relé aéreo y un dispositivo de conmutación de vacío.
[0052] Los elementos 201 y 211 de conmutación (descritos más adelante) pueden configurarse, por ejemplo, como un interruptor de relé de tipo mecánico accionado por una bobina electromagnética o por un interruptor de estado sólido, como un tiristor y un MOSFET.
[0053] Al aplicar el elemento semiconductor de conmutación al interruptor de cortocircuito, el circuito puede cortocircuitarse en el orden de milisegundos, y en caso de fallo de un elemento dentro de la unidad convertidora de potencia monofásica, la corriente de fallo que fluye a través del elemento se deriva durante un breve periodo de tiempo, para evitar que se produzca el fallo por rotura en el elemento. La propagación de fallos puede reducirse al mínimo y puede mejorarse aún más la fiabilidad.
[0054] El elemento 202 supresor de sobretensión
[0055] El elemento 202 supresor de sobretensión ilustrado en la Fig. 2 está conectado en paralelo con el elemento 201 de conmutación, y el estado conductor cambia según la tensión.
[0056] El elemento 202 supresor de sobretensión es un elemento de resistencia no lineal que tiene baja resistencia cuando se aplica una alta tensión. Como elemento de resistencia no lineal, por ejemplo, se aplica un supresor 53 de gas que utiliza una descarga eléctrica y un varistor (descrito más adelante) hecho de óxido de zinc (ZnO) y similares, y que utiliza una resistencia no lineal. Cuando se aplica una sobretensión generada instantáneamente, el supresor 53 de gas pasa sólo la sobretensión al lado de conexión a tierra.
[0057] El supresor 53 de gas de este ejemplo se proporciona en la unidad 20 de conmutación de cortocircuito y protege contra fallos internos en el sistema 100 de conversión de potencia. Es decir, el supresor 53 de gas tiene un uso diferente al de un supresor de gas para proteger la fuente de alimentación de un dispositivo electrónico y una línea de comunicación contra una sobretensión inducida por un rayo.
[0058] El elemento 201 de conmutación tiene una tensión soportada en estado no conductor que es superior a la tensión de funcionamiento en estado estable de la unidad 10 convertidora de potencia o a la tensión soportada en estado no conductor del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad 10 convertidora de potencia, y el elemento 202 supresor de sobretensión tiene una tensión de funcionamiento que se encuentra entre la tensión soportada del elemento 201 de conmutación y la tensión soportada del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad 10 convertidora de potencia.
[0059] El elemento 201 de conmutación tiene una tensión soportada en estado no conductor que es dos veces o más la tensión de funcionamiento en estado estable de la unidad 10 convertidora de potencia o la tensión soportada en estado no conductor del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad 10 convertidora de potencia.
[0060] La Fig. 3 es un diagrama que ilustra una configuración de la unidad 21 de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de salida (lado de salida) de la unidad 10 convertidora de potencia.
[0061] La unidad 21 de conmutación de cortocircuito ilustrada en la Fig. 3 está provista del elemento 211 de conmutación (interruptor de cortocircuito) y de un elemento 212 supresor de sobretensión conectado en paralelo con el elemento 211 de conmutación. En el ejemplo en la Fig. 1, la unidad 21 de conmutación de cortocircuito está conectada al terminal de CC.
[0062] El elemento 211 de conmutación
[0063] El elemento 211 de conmutación (interruptor de cortocircuito) ilustrado en la Fig. 3 es un elemento semiconductor de conmutación, y como elemento 211 de conmutación, por ejemplo, se aplica un tiristor 51. Cuando se aplica al terminal de CC como la unidad 21 de conmutación de cortocircuito, el elemento 211 de conmutación tiene unipolaridad con un tiristor. Sin embargo, como elemento 211 de conmutación de la unidad 21 de conmutación de cortocircuito, puede utilizarse el elemento 201 de conmutación de la Fig.2.
[0064] Cuando el lado del circuito de salida (lado del convertidor CA/CC 103 de alta frecuencia) en la unidad 10 convertidora de potencia falla, el elemento 211 de conmutación se vuelve conductor y deriva la unidad 10 convertidora de potencia.
[0065] Tenga en cuenta que, como elemento 211 de conmutación, se aplica, preferentemente, el elemento semiconductor de conmutación, pero también puede utilizarse un interruptor de tipo contacto mecánico, como un relé aéreo y un dispositivo de conmutación de vacío.
[0066] El elemento 212 supresor de sobretensión
[0067] El elemento 212 supresor de sobretensión ilustrado en la Fig. 3 está conectado en paralelo con el elemento 211 de conmutación, y el estado conductor cambia según la tensión.
[0068] El elemento 212 supresor de sobretensión es un elemento de resistencia no lineal que tiene baja resistencia cuando se aplica una alta tensión, y como elemento 212 supresor de sobretensión, se aplican el supresor 53 de gas (elemento supresor de sobretensión) que utiliza una descarga eléctrica y un varistor 54 (descrito más adelante) (elemento supresor de sobretensión) hecho de óxido de zinc (ZnO) y similares, y que utiliza una resistencia no lineal.
[0069] El elemento 211 de conmutación tiene una tensión soportada en estado no conductor que es superior a la tensión de funcionamiento en estado estable de la unidad 10 convertidora de potencia o a la tensión soportada en estado no conductor del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad 10 convertidora de potencia, y el elemento 212 supresor de sobretensión tiene una tensión de funcionamiento que se encuentra entre la tensión soportada del elemento 211 de conmutación y la tensión soportada del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad 10 convertidora de potencia.
[0070] El elemento 211 de conmutación tiene una tensión soportada en estado no conductor que es dos veces o más la tensión de funcionamiento en estado estable de la unidad 10 convertidora de potencia o la tensión soportada en estado no conductor del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad 10 convertidora de potencia.
[0071] La unidad 20 de conmutación de cortocircuito y la unidad 21 de conmutación de cortocircuito
[0072] La unidad 20 de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de entrada de la unidad 10 convertidora de potencia y la unidad 21 de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de salida de la unidad 10 convertidora de potencia pueden tener la misma configuración y especificaciones, o pueden tener configuraciones y especificaciones diferentes. Además, el elemento 201 de conmutación de la unidad 20 de conmutación de cortocircuito y el elemento 211 de conmutación de la unidad 21 de conmutación de cortocircuito no se requiere que tengan las mismas especificaciones. Asimismo, el elemento 202 supresor de sobretensión de la unidad 20 de conmutación de cortocircuito y el elemento 212 supresor de sobretensión de la unidad 21 de conmutación de cortocircuito no se requiere que tengan las mismas especificaciones.
[0073] Otro ejemplo de configuración de la unidad de conmutación de cortocircuito
[0074] La Fig. 4 es un diagrama que ilustra otra configuración de una unidad 20A de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de entrada (lado de entrada) de la unidad 10 convertidora de potencia.
[0075] La unidad 20A de conmutación de cortocircuito ilustrada en la Fig. 4 está provista del elemento 201 de conmutación y de un elemento 202A supresor de sobretensión conectado en paralelo con el elemento 201 de conmutación.
[0076] El elemento 202A supresor de sobretensión es un elemento de resistencia no lineal que tiene baja resistencia cuando se aplica una alta tensión, y como elemento 202A supresor de sobretensión, por ejemplo, se aplica el varistor 54 hecho de óxido de zinc (ZnO) y similares, y que utiliza una resistencia no lineal. Alternativamente, como elemento 202A supresor de sobretensión, se aplica un varistor 54A de óxido metálico (MOV: Varistor de Óxido Metálico) (elemento supresor de sobretensión) que tiene un tiempo de funcionamiento corto. Cuando se requiere proteger contra la abrupta sobretensión de un impulso de rayo externo, se instala, preferentemente, el MOV 54A que tiene un tiempo de funcionamiento corto.
[0077] La Fig. 5 es un diagrama que ilustra otra configuración de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de salida (lado de salida) de la unidad 10 convertidora de potencia.
[0078] Una unidad 21A de conmutación de cortocircuito ilustrada en la Fig. 5 está provista del elemento 211 de conmutación y de un elemento 212A supresor de sobretensión conectado en paralelo con el elemento 211 de conmutación.
[0079] El elemento 212A supresor de sobretensión es, por ejemplo, el varistor 54 hecho de óxido de zinc (ZnO) y similares y que utiliza una resistencia no lineal o el varistor 54A de óxido metálico que tiene un tiempo de funcionamiento corto.
[0080] Como se describió anteriormente, como elementos 202 y 212, 202A y 212A supresores de sobretensión conectados en paralelo con los elementos 201, 211 de conmutación, se aplican el supresor 53 de gas que utiliza una descarga eléctrica, el varistor 54 que utiliza una resistencia no lineal y el varistor 54A de óxido metálico.
[0081] Los elementos 202, 212, 202A y 212A supresores de sobretensión sólo deben ser elementos de resistencia no lineales que tienen baja resistencia cuando se aplica una alta tensión, y no se limitan al varistor 54, al supresor 53 de gas y similares. Sin embargo, en caso de fallo interno del elemento de conmutación y similares, que configuran el inversor o convertidor, cuando después del fallo de cortocircuito se pasa a descarga de arco, el arco se extingue, se genera una tensión de alta frecuencia con propiedades de atenuación. De esta manera, los elementos 202 y 212 supresores de sobretensión son, preferentemente, el supresor 53 de gas, que tiene una gran capacidad de corriente I²t de paso soportada.
[0082] A continuación, se describirá el funcionamiento del sistema 100 de conversión de potencia configurado como se describió anteriormente.
[0083] En el sistema 100 de conversión de potencia, cuando falla el convertidor de potencia monofásico de una unidad 10 convertidora de potencia, la unidad 10 convertidora de potencia se desconecta del sistema mediante el elemento 201 de conmutación de la unidad 20 de conmutación de cortocircuito, y la salida de la unidad 10 convertidora de potencia se deriva mediante el elemento 211 de conmutación de la unidad 21 de conmutación de cortocircuito. De esta manera, el convertidor de potencia monofásico relacionado con el fallo se elimina del sistema y la operación puede continuar tal cual. Como resultado, la salida en serie de las unidades 10 convertidoras de potencia sin fallos restantes, el suministro eléctrico a la carga continúa para mejorar la fiabilidad del suministro eléctrico.
[0084] Sin embargo, los elementos 201 y 211 de conmutación, que configuran las unidades 20 y 21 de conmutación de cortocircuito, se consideran rotos debido a una sobrecorriente provocada por la sobretensión en el momento del corte de la corriente de fallo. Es decir, como elementos 201 y 211 de conmutación, los elementos semiconductores de conmutación, como los tiristores 51 y 52, se utilizan debido al requisito de que sean pequeños y ligeros, y con una rápida operación de cortocircuito. El elemento semiconductor de conmutación es operado por la tensión de funcionamiento prescrita y no se utiliza en un entorno que exceda la tensión soportada.
[0085] Los presentes inventores también han considerado la avería de los elementos 201 y 211 de conmutación desde el punto de vista de la continuidad de funcionamiento del sistema de conversión de potencia. Los presentes inventores han encontrado que en el caso donde se rompe el elemento de conmutación, o similar, que configura el inversor o convertidor de la unidad 10 convertidora de potencia, cuando después del fallo de cortocircuito se pasa a descarga de arco, el arco se extingue, se genera una tensión de alta frecuencia con propiedades de atenuación. Dicha tensión de alta frecuencia puede romper los elementos 201 y 211 de conmutación de las unidades 20 y 21 de conmutación de cortocircuito. Si los elementos 201 y 211 de conmutación se rompen debido a una sobrecorriente provocada por la sobretensión en el momento del corte de la corriente de fallo, se impide la desconexión de la unidad convertidora de potencia relacionada con el fallo del sistema mediante el elemento 201 de conmutación y la función de derivación de salida de la unidad 10 convertidora de potencia relacionada con el fallo mediante el elemento 211 de conmutación.
[0086] En consecuencia, el sistema 100 de conversión de potencia está provisto de los elementos 202 y 212 supresores de sobretensión que están conectados en paralelo con los elementos 201 y 211 de conmutación de las unidades 20 y 21 de conmutación de cortocircuito y cuyos estados conductores cambian según la tensión aplicada a los elementos 201 y 211 de conmutación. Por ejemplo, el elemento 201 de conmutación corresponde a los tiristores 51 y 52 (véase la Fig. 2), y el elemento 211 de conmutación corresponde al tiristor 51 (véase la Fig. 3). Además, los elementos 202 y 212 supresores de sobretensión corresponden el supresor 53 de gas (véanse las Figs.2 y 3).
[0087] La tensión soportada de los elementos 201 y 211 de conmutación es dos veces o más la tensión de funcionamiento, y la tensión de funcionamiento (tensión en la que cambia el estado conductor) del supresor 53 de gas (elemento supresor de sobretensión) debe ser entre una y dos veces la tensión de funcionamiento de los elementos 201 y 211 de conmutación. Además, en consideración de que cuando después del fallo de cortocircuito se pasa a descarga de arco, el arco se extingue, se genera una tensión de alta frecuencia con propiedades de atenuación, el supresor 53 de gas es, preferentemente, el supresor 53 de gas que tiene una gran capacidad de corriente I²t de paso soportada.
[0088] Como se describió anteriormente, el sistema 100 de conversión de potencia (véase la Fig.1) de esta realización está provisto de una pluralidad de unidades 10 convertidoras de potencia (véase la Fig. 1) que se forman utilizando los elementos semiconductores de conmutación y están conectadas en serie, e incluye los elementos 201 y 211 de conmutación (interruptores de cortocircuito) provistos en los terminales de entrada y/o los terminales de salida de las unidades 10 convertidoras de potencia y derivan las unidades 10 convertidoras de
potencia (véase la Fig. 1), y los elementos 202 y 212 supresores de sobretensión que están conectados en paralelo con los elementos 201 y 211 de conmutación y en los que los estados conductores cambian mediante la aplicación de una tensión prescrita.
[0089] Con esta configuración, cuando falla un convertidor de potencia, la unidad 10 convertidora de potencia es derivada por los elementos 201 y 211 de conmutación, de modo que se puede continuar el funcionamiento del sistema 100 de conversión de potencia.
[0090] En el momento de fallo en el convertidor de potencia, puede generarse, de forma transitoria, una sobretensión. Los elementos 202 y 212 supresores de sobretensión en los que los estados conductores cambian mediante la aplicación de una tensión prescrita, pueden evitar que se aplique a los elementos 201 y 211 de conmutación una tensión por encima de la tensión soportada, y mejorar la fiabilidad de los elementos 201 y 211 de conmutación.
[0091] Además, dado que los estados conductores cambian mediante la aplicación de una tensión prescrita, los elementos 202 y 212 supresores de sobretensión no requieren la introducción de nuevos medios de control, de modo que puede reducirse el coste.
[0092] De esta manera, en el sistema 100 de conversión de potencia, que incluye la pluralidad de unidades 10 convertidoras de potencia conectadas en serie, incluso cuando fallan algunas unidades 10 convertidoras de potencia, las unidades convertidoras de potencia en fallo pueden ser derivadas por los elementos 201 y 211 de conmutación (interruptores de cortocircuito), y puede continuarse el suministro eléctrico a la carga. Además, cuando se genera una sobretensión en el momento de un fallo en la unidad convertidora de potencia, puede prevenirse, de forma fiable, un fallo en el interruptor de cortocircuitos para mejorar la fiabilidad y la redundancia del sistema
[0093] Aquí, el valor máximo Vc de la tensión de funcionamiento de la unidad 10 convertidora de potencia, la tensión soportada Vs de los elementos 201 y 211 de conmutación (interruptores de cortocircuito) y la tensión de funcionamiento Va de los elementos supresores de sobretensión satisfacen la relación de la siguiente ecuación (1).
[0094] Vc < Va < Vs ... (1)
[0095] Al satisfacer la relación de la ecuación (1) anterior, puede prevenirse, de forma fiable, un fallo por ruptura dieléctrica en el interruptor de cortocircuito en el estado donde el interruptor de cortocircuito se encuentra en el estado no conductor. Como resultado, puede mejorarse aún más la fiabilidad.
[0096] Además, cuando el elemento semiconductor de conmutación de la unidad 10 convertidora de potencia falla por cortocircuito, puede circular una corriente de alta frecuencia por los condensadores 105 y 106 de suavizado (véase la Fig. 1) y el componente de reactancia del circuito (véase el transformador 104 de alta frecuencia en la Fig. 1). Por ejemplo, cuando se produce un arco eléctrico en el elemento defectuoso y el arco se extingue instantáneamente, se genera una tensión transitoria de alta frecuencia dos veces la tensión de los condensadores 105 y 106 de suavizado. La tensión soportada Vs del interruptor de cortocircuito se establece en dos veces el valor máximo Vc de la tensión de funcionamiento, de modo que, incluso cuando hay un retardo en la operación o un fallo por falta de operación en los elementos 202 y 212 supresores de sobretensión (véase la Fig.1), puede prevenirse el fallo debido a la ruptura dieléctrica del interruptor de cortocircuito, de modo que puede configurarse el sistema con una alta fiabilidad.
[0097] Realizaciones de la invención
[0098] La Fig.6 es un diagrama que ilustra una realización de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de entrada de la unidad 10 convertidora de potencia.
[0099] Una unidad 20B de conmutación de cortocircuito ilustrada en la Fig. 6 está provista del elemento 201 de conmutación (interruptor de cortocircuito) y de un elemento 202B supresor de sobretensión conectado en paralelo con el elemento 201 de conmutación.
[0100] El elemento 202B supresor de sobretensión está provisto del supresor 53 de gas (un primer elemento supresor de sobretensión) y del MOV 54A (un segundo elemento supresor de sobretensión), que están conectados en paralelo. El elemento 202B supresor de sobretensión tiene el supresor 53 de gas, que utiliza una descarga eléctrica, y el MOV 54A, que tiene un tiempo de operación corto, que están conectados en paralelo. Es decir, la unidad 20B de conmutación de cortocircuito tiene el supresor 53 de gas y el MOV 54A que tienen características diferentes, que están conectados en paralelo.
[0101] La Fig. 7 es un diagrama que ilustra una realización adicional de una unidad de conmutación de cortocircuito conectada al terminal de salida de la unidad 10 convertidora de potencia.
[0102] Una unidad 21B de conmutación de cortocircuito ilustrada en la Fig. 7 está provista del elemento 211 de conmutación (interruptor de cortocircuito) y de un elemento 212B supresor de sobretensión conectado en paralelo con el elemento 211 de conmutación.
[0103] El elemento 212B supresor de sobretensión está provisto del supresor 53 de gas (el primer elemento supresor de sobretensión) y del MOV 54A (el segundo elemento supresor de sobretensión), que están conectados en paralelo. El elemento 212B supresor de sobretensión tiene el supresor 53 de gas, que utiliza una descarga eléctrica, y el MOV 54A, que tiene un tiempo de operación corto, que están conectados en paralelo.
[0104] De esta manera, en las unidades 20B y 21B de conmutación de cortocircuito, el supresor 53 de gas y el MOV 54A, con un tiempo de operación diferente, en los que el estado conductor cambia, están conectados en paralelo con los elementos 201 y 211 de conmutación, de modo que puede suprimirse, de forma inmediata y fiable, un fallo en los elementos 201 y 211 de conmutación debido a la sobretensión en el momento del corte de la corriente de fallo. Es decir, en primer lugar, la aplicación de sobretensión a los elementos 201 y 211 de conmutación se suprime, inmediatamente, mediante el MOV 54A, que tiene un tiempo de operación corto (garantía de responsabilidad), y luego, el fallo debido a la sobrecorriente se suprime mediante el supresor 53 de gas, que tiene una gran capacidad de corriente I²t de paso soportada (garantía de efecto de supresión). Con esto, cuando además se genera una sobretensión en el momento de un fallo en la unidad 10 convertidora de potencia, puede prevenirse, de forma más fiable, un fallo en el interruptor de cortocircuito, de modo que pueda mejorarse aún más la fiabilidad y la redundancia del sistema.
[0105] Tenga en cuenta que en lugar del MOV 54A, o adicionalmente, puede agregarse el supresor 53 de gas (véanse las Figs.2 y 3) en paralelo con los elementos 201 y 211 de conmutación.
[0106] La presente invención se define en las reivindicaciones.
[0107] Lista de señales de referencia
[0108] 10 Unidad convertidora de potencia
[0109] 20, 20A, 20B Unidad de conmutación de cortocircuito (lado de entrada)
[0110] 21, 21A, 21B Unidad de conmutación de cortocircuito (lado de salida)
[0111] 30 Fuente de alimentación de CA trifásica
[0112] 51, 52 Tiristor (elemento semiconductor de conmutación, interruptor de cortocircuito)
[0113] 53 Supresor de gas (elemento supresor de sobretensión (primer elemento supresor de sobretensión))
[0114] 54 Varistor (elemento supresor de sobretensión)
[0115] 54A Varistor de óxido metálico (elemento supresor de sobretensión (segundo elemento supresor de sobretensión))
[0116] 100 Sistema de conversión de potencia
[0117] 101 Convertidor CA/CC
[0118] 102 Inversor CC/CA de alta frecuencia
[0119] 103 Convertidor CA/CC de alta frecuencia
[0120] 104 Transformador de aislamiento (transformador de alta frecuencia)
[0121] 105, 106 Condensador de suavizado
[0122] 201, 211 Elemento de conmutación (interruptor de cortocircuito)
[0123] 202, 212 Elemento supresor de sobretensión
[0124] 301, 302, 303 Grupo convertidor de potencia monofásico
Claims (5)
1. REIVINDICACIONES
1. Un sistema (100) de conversión de potencia provisto de una pluralidad de unidades (10) convertidoras de potencia conectadas en serie, que comprende:
interruptores (20; 21; 201; 211) de cortocircuito provistos en los lados de entrada y/o los lados de salida de las unidades (10) convertidoras de potencia y derivan las unidades (10) convertidoras de potencia; y elementos (202B; 212B) supresores de sobretensión que están conectados en paralelo con los interruptores (20; 21) de cortocircuito y en los que los estados conductores cambian mediante la aplicación de una tensión prescrita, estando el sistema (100) de conversión de potencia caracterizado por que
los elementos (202B; 212B) supresores de sobretensión están provistos de un primer elemento (53) supresor de sobretensión en el que el estado conductor cambia durante un primer tiempo de funcionamiento y de un segundo elemento (54A) supresor de sobretensión en el que el estado conductor cambia durante un segundo tiempo de funcionamiento, y
en donde el primer elemento (53) supresor de sobretensión y el segundo elemento (54A) supresor de sobretensión están conectados en paralelo con el interruptor (20; 21; 201; 211) de cortocircuito.
2. El sistema (100) de conversión de potencia según la reivindicación 1,
en donde cada uno de los interruptores (20; 21; 201; 211) de cortocircuito es un elemento semiconductor de conmutación.
3. El sistema (100) de conversión de potencia según la reivindicación 1,
en donde cada uno de los elementos (202B; 212B) supresores de sobretensión es, al menos, uno o más de un supresor de gas que utiliza una descarga eléctrica de gas, de un varistor que utiliza una resistencia no lineal y de un varistor de óxido metálico.
4. El sistema (100) de conversión de potencia según la reivindicación 1,
en donde el interruptor (20; 21; 201; 211) de cortocircuito tiene una tensión soportada en estado no conductor que es superior a la tensión de funcionamiento en estado estable de la unidad (10) convertidora de potencia o a la tensión soportada en estado no conductor del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad (10) convertidora de potencia, y
en donde el elemento (202B; 212B) supresor de sobretensión tiene una tensión de funcionamiento que se encuentra entre la tensión soportada del interruptor (20; 21; 201; 211) de cortocircuito y la tensión soportada del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad (10) convertidora de potencia.
5. El sistema (100) de conversión de potencia según la reivindicación 1,
en donde el interruptor (20; 21; 201; 211) de cortocircuito tiene una tensión soportada en estado no conductor que es dos veces o más la tensión de funcionamiento en estado estable de la unidad (10) convertidora de potencia o la tensión soportada en estado no conductor del elemento semiconductor de conmutación que configura la unidad (10) convertidora de potencia.
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