ES2624555T3 - Inversor de alta tensión - Google Patents

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ES2624555T3 ES09703610.7T ES09703610T ES2624555T3 ES 2624555 T3 ES2624555 T3 ES 2624555T3 ES 09703610 T ES09703610 T ES 09703610T ES 2624555 T3 ES2624555 T3 ES 2624555T3
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Abstract

Un inversor de alta tensión para convertir potencia de entrada de CC en tres o más fases de salida de CA (71a) con control de corriente individual de cada fase de salida de CA (71a), que comprende: a) cada fase de salida de CA (71a) que tiene un circuito de fase de entrada CA (86, 88, 90) asociado, comprendiendo cada circuito de fase de entrada CA (86, 88, 90): i) un primer y segundo tubos de electrones (30, 32) de emisión controlable de campo de cátodo frío de estructura de triodo, tetrodo o pentodo; ii) un devanado (48) de transformador primario que tiene un primer extremo, un segundo extremo y una toma central (48a); iii) la toma central (48a) es conectable a un potencial de CC superior a 20 KV; iv) el primer tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (30) está conectado en serie entre el primer extremo del devanado (48) del transformador primario y la conexión a tierra (28) a través de un tercer tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (102), estando conectado el segundo tubo de electrones controlable de campo de cátodo frío (32) en serie entre el segundo extremo del devanado (48) del transformador primario y la conexión a tierra (28) a través de un cuarto tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (sin numerar); y v) un estado de conducción de cada tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío controlado para convertir de potencia de CC a un potencial superior a 20 KV a una potencia de CA a través de dicho devanado (48) del transformador primario; conduciendo el primer y el segundo tubos de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (30, 32) alternativamente para llevar alternativamente el primer extremo del devanado (48) del transformador primario aproximadamente al potencial de la conexión a tierra (28) y luego llevar el segundo extremo del devanado (48) del transformador primario aproximadamente al potencial de la conexión a tierra (28); b) para cada devanado (48) del transformador primario de fase de entrada de CA, un respectivo devanado (132) de transformador secundario de una fase de salida de CA (71a) asociada acoplada al mismo; formando cada devanado (48) del transformador primario y el devanado (132) del transformador secundario asociado parte de un transformador (71) de fases múltiples; c) medios para ajustar la corriente en cada circuito de fase de entrada de CA (86, 88, 90), que comprende: i) medios (74, 76 y 78) para determinar la carga en una fase de salida de CA (71a) asociada, y ii) un primer y segundo circuitos de modulación (94, 96), que responden a dichos medios para determinar, para controlar el nivel de corriente de cada fase de salida (71a); iii) el primer circuito de modulación (94) que incluye dicho tercer tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (102); un primer tubo de control (112) que tiene un cátodo conectado a una red del tercer tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (102) y que tiene una red conectada al punto medio de un divisor de tensión resistivo (108 y 110), en el que el divisor de tensión resistiva (108 y 110) tiene una primera resistencia (110) que recibe una tensión en un extremo de una resistencia (106) cuyo otro extremo está conectado al ánodo del tercer tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (102) y una segunda resistencia (108) que recibe una primera tensión de referencia en un extremo distal desde dicho punto medio; iv) el segundo circuito de modulación (96) que incluye dicho cuarto tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (sin numerar); un segundo tubo de control (sin numerar) que tiene un cátodo conectado a una red del cuarto tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (sin numerar) y que tiene una red conectada al punto medio de un segundo divisor de tensión resistivo (sin numerar), en el que el segundo divisor de tensión resistivo (sin numerar) tiene una primera resistencia (sin numerar) que recibe una tensión en un extremo de una resistencia (sin numerar) cuyo otro extremo está conectado al ánodo del cuarto tubo de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío (sin numerar) y una segunda resistencia (sin numerar) que recibe una primera tensión de referencia en un extremo distal desde dicho punto medio; y d) cada uno del primer (30), segundo (32), tercer (102) y cuarto (sin numerar) tubos de electrones de emisión controlable de campo de cátodo frío que tienen una tensión nominal superior a 20 KV.

Description

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DESCRIPCION
Inversor de alta tension Campo de la invencion
La presente invencion se refiere a inversores que incluyen la funcion de conversion de potencia de CC en potencia de CA y, mas particularmente, a inversores de alta tension, en los que las tensiones de CC de entrada exceden de 20 kV.
Antecedentes de la invencion
Las tecnologfas de inversores de la tecnica anterior para convertir CC a tensiones que exceden de 20 KV a potencia de CA incluyen tubos de vapor de mercurio y dispositivos de estado solido. Ambas tecnologfas tienen inconvenientes que sena deseable evitar.
Los tubos de vapor de mercurio tienen el inconveniente de ser ambientalmente peligrosos si el vapor de mercurio en los tubos escapa al medio ambiente. Los dispositivos de estado solido tienen el inconveniente de comprender grandes bancos de muchos dispositivos de estado solido conectados en paralelo, tales como tiristores (por ejemplo, rectificadores controlados por silicio). Aparte del factor de coste y de las complicaciones de requerir muchos dispositivos conectados en paralelo, la fiabilidad se reduce porque la probabilidad de que uno de muchos dispositivos componentes falle excede en gran medida la probabilidad de que un solo dispositivo falle, asumiendo que la tasa de fallos por dispositivo sea la misma.
Un tipo de inversor se describe en la patente US 3.156.846. La patente anterior divulga un "inversor paralelo, externamente excitado, que tiene dos tiratronas de tipo gaseoso 10", y en el que se produce un "flujo continuo de corriente continua a traves de las tiratronas". Col. 2, lmeas 15-16 y lmeas 40-42.
La patente US 4.950.962 divulga un "conmutador de alta tension que emplea un catodo fno de gran area alargada axialmente simetrico y rodeado por un anodo alargado, y una red que actua como una puerta interpuesta entre el catodo y el anodo". Col. 1, lmeas 48-52. La patente anterior se describe adicionalmente en la descripcion detallada de la invencion siguiente.
Sena deseable proporcionar un inversor de alta tension que incluya la funcion de convertir potencia de CC en potencia de CA que pueda tener un numero bajo de piezas, que presente alta fiabilidad y que no sea peligroso para el medio ambiente.
Breve descripcion de los dibujos
En los dibujos, en los que los mismos numeros de referencia se refieren a partes similares:
La figura 1 es un diagrama esquematico de un inversor de alta tension para convertir la potencia de CC en potencia de CA que tiene una sola fase.
La figura 2 es una vista en perspectiva simplificada de un tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno de estructura de triodo que se puede usar en la presente invencion;
La figura 3A es un diagrama esquematico, parcialmente en forma de bloques, de un inversor de alta tension trifasico con monitorizacion de fase y equilibrado de potencia de acuerdo con un aspecto de la presente invencion;
La figura 3B es un diagrama esquematico, parcialmente en forma de bloques, de una red de distribucion de energfa electrica;
La figura 4 es un diagrama esquematico del circuito 86 de fase de entrada de CA del inversor de alta tension de la figura 3A;
La figura 5 es un diagrama esquematico de un circuito de ajuste de corriente del circuito de fase de entrada de CA mostrado en la figura 4;
La figura 6 es un diagrama esquematico de un inversor de alta tension y un rectificador de CA a CC para proporcionar una salida de CC de alta tension; y
La figura 7 es un diagrama esquematico, parcialmente en forma de bloques, del inversor de alta tension y del rectificador de CA a CC de la figura 6 cuando se conecta a una red de distribucion de energfa electrica.
Sumario de la invencion
La presente invencion proporciona, en una forma preferida, un inversor de alta tension para convertir potencia de CC en potencia de CA con una o mas fases de salida de CA. El inversor de alta tension tiene para cada fase de salida de CA, un circuito de fase de entrada de CA que comprende un primer y un segundo tubos de electrones de emision
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controlable de campo de catodo fno de estructura de triodo, tetrodo o pentodo. Cada tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno tiene un primer nodo de entrada para su conexion a un potencial de CC de alta tension superior a 20 KV y un segundo nodo de entrada para su conexion a tierra. Un devanado de transformador primario tiene un primer extremo, un segundo extremo y una toma central. El primer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno esta conectado en serie entre el primer extremo del devanado del transformador primario y tierra y el segundo tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno esta conectado en serie entre el segundo extremo del devanado del transformador primario y tierra. Los circuitos de control controlan los tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno de modo que el primer y segundo tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno conducen alternativamente para llevar alternativamente el primer extremo del devanado primario al potencial de tierra y llevar el segundo devanado del transformador primario aproximadamente al potencial de tierra.
Realizaciones preferidas del inversor de alta tension anterior incluyen la funcion de convertir potencia de CC en potencia de CA, mientras tienen un numero bajo de piezas, exhiben alta fiabilidad, y no son ambientalmente peligrosos.
Descripcion detallada de la invencion
La figura 1 muestra un inversor 10 de alta tension preferido para convertir CC de alta tension en CA. La salida del inversor 10 de alta tension proporciona preferiblemente una tension superior a 10 KV y con una frecuencia de CA en el intervalo de aproximadamente 50 a 400 ciclos por segundo. El circuito de fase de entrada de CA 20 convierte en CC de alta tension de CA que se suministra entre el nodo de entrada 26 y una conexion a tierra 28.
La siguiente descripcion cubre las areas de (1) fases de entrada de CA del inversor de alta tension de la presente invencion, (2) un inversor de alta tension que incorpora sincronizacion de fase y monitorizacion de fase y equilibrio de potencia de una red de distribucion de energfa electrica, y (3) un inversor de Cc a CC de alta tension.
1. Circuito de fase de entrada de CA
El circuito 20 de fase de entrada CA de la figura 1 incluye tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 30 y 32 de estructura de triodo. Alternativamente, tales tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno podnan reemplazarse por tubos de estructura de tetrodo o pentodo con ajustes apropiados a los circuitos, como sena obvio para una persona con conocimientos ordinarios en la tecnica. La figura 2 muestra un tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 38 preferido de estructura de tnodo. En la figura
2, el tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 38 incluye un catodo cilmdrico 40 rodeado por una red cilmdrica 42, que a su vez esta rodeada por un anodo cilmdrico 44. El catodo 40, la red 42 y el anodo 44 estan dispuestos axialmente entre sf a lo largo de sus ejes cilmdricos centrales. Otros detalles del tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 38 se pueden encontrar en la patente US 4.950.962, concedida el 21 de agosto de 1990 y titulada "Tubo de conmutacion de alta tension". Las constantes de tiempo del circuito divulgado en la patente anterior se ajustan para proporcionar una velocidad de conmutacion que sea suficientemente alta para permitir el uso eficiente de la salida acoplada al transformador del inversor 10 de alta tension de la figura 1.
El inversor 10 de alta tension de la figura 1 utiliza preferiblemente el tubo 38 de electrones de emision controlable de campo de catodo fno de la figura 2 y la anterior patente US 4.950.962. Esto se debe a la combinacion de las cualidades del tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 38 de capacidad de alta tension, alta capacidad de corriente y alta disipacion termica. Para las aplicaciones de la estacion de generacion de energfa y de la lmea de transmision del inversor 10 de alta tension, es posible y practico construir tubos de electrones controlables de emision de catodo fno como el tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 38, que operara continuamente a tensiones superiores a 20 KVCC (por ejemplo, 1 millon de VCC). En aplicaciones de transmision de potencia, las corrientes continuas tfpicas se encuentran en el intervalo de Kiloamperios. Si el inversor 10 de alta tension de la figura 1 se usa como una estacion de generacion de energfa, pueden usarse otros tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno en el inversor 10 de alta tension de la figura 1, siempre que esten disenados para operar continuamente en el entorno exigente de una estacion de generacion de energfa.
Asumiendo una corriente continua de 10 Kiloamperios (aproximadamente 5 veces la lmea de transmision de HVCC mayor contemporanea) y asumiendo el uso del tubo 38 de electrones de emision controlable de campo de catodo fno de la figura 2 y la patente US 4.950.962 mencionada anteriormente, las separaciones entre el catodo 40, la red 42 y el anodo 44 cumplinan ciertos requisitos geometricos. Tfpicamente, por ejemplo, la relacion de separacion del anodo 44 y la red 42 con respecto a la separacion de la red 42 y el catodo 40 puede ser de aproximadamente 10 a
1. La seleccion de estas separaciones sera obvia para las personas con conocimientos ordinarios en la tecnica, basandose en la presente divulgacion. El anodo 44 puede estar formado como la superficie interior de una camisa refrigerada por lfquido para control termico. El catodo 40 y la red 42 tambien se pueden refrigerar, si es necesario. Como ejemplo extremo, un inversor con una capacidad de 5 Gigavatios, que es mucho mas alta que cualquier aplicacion realista, muestra la combinacion de la capacidad de gestion de potencia sustancial frente al tamano compacto. Esta es una fraccion del tamano de los dispositivos de tecnologfa existentes, que son en su mayona tiristores y tubos de vapor de mercurio.
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En la figura 1, la tension de entrada de CC aparece entre el nodo de entrada 26 y la conexion a tierra 28 excede de 20 KV. El circuito de fase de entrada CA 20 incluye tubos 30 y 32 de electrones de emision controlable de campo de catodo fno como se ha descrito anteriormente, con sus anodos 30a y 32a conectados a tierra 28. El catodo 30b del tubo 30 de electrones de emision controlada de campo de catodo fno esta conectado a un primer extremo de un devanado 48 de transformador primario, mostrado como el extremo superior del devanado. El catodo 32b del tubo 32 de electrones de emision controlada de campo de catodo fno esta conectado de manera similar a un segundo extremo del devanado 48 de transformador primario, mostrado como el extremo inferior del devanado. Las redes 30c y 32c de los tubos 30 y 32 de electrones de emision controlable de campo de catodo fno estan conectadas a circuitos temporizadores, incluyendo, para la red 30c, la resistencia 50 y el condensador 52, y para la red 32c, la resistencia 54 y el condensador 56. Un extremo de las resistencias 50 y 54 esta conectado a una toma central 48a del devanado 48 del transformador primario. Adicionalmente, una resistencia 58 y un diodo p-n 60 estan asociados con el tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 30 y sirven una funcion de bloqueo de tension inversa. De forma similar, una resistencia 62 y un diodo p-n 64 estan asociados con el tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno 32 y sirven una funcion de bloqueo de tension inversa. Como es sabido, un diodo p-n puede ser reemplazado por otros tipos de valvulas de corriente unidireccionales.
Una consideracion de diseno importante para un inversor de alta tension de acuerdo con la presente invencion es el diseno del transformador 19 (figura 1). A diferencia de los circuitos convencionales de inversor de alta tension, el transformador 19 puede ser probablemente un transformador reductor o posiblemente un transformador 1:1, construido para operar a altas tensiones.
Tambien hay topologfas de inversor que no requieren transformadores. La eliminacion del transformador es deseable para reducir el coste y acelerar la fabricacion de un inversor, pero, desde una perspectiva de seguridad, la presencia de un transformador para aislamiento no solo es deseable, sino que a menudo es obligatoria. La decision de que topologfa utilizar se realizana por parte de una compafna electrica y cualquier ingeniero arquitecto para la compafna electrica.
2. Inversor de alta tension con sincronizacion de fases y, opcionalmente, monitorizacion de fase y equilibrio de potencia de una red de distribucion de energia electrica
En contraste con el circuito de fase de entrada de CA simple 20 del inversor 10 de alta tension de la figura 1, que es un circuito de una sola fase, un inversor alternativo puede tener multiples circuitos de fase de entrada de CA, tal como en el inversor 70 de alta tension de la figura 3A. El inversor de alta tension 70 incluye los tres circuitos de fase de entrada de CA 86, 88 y 90. Correspondientes a los tres circuitos de fase de entrada de CA 86, 88 y 90 hay tres fases de salida de CA asociadas mostradas por los tres devanados secundarios conectados en estrella 71a. Los inversores alternativos de alta tension de acuerdo con la presente invencion pueden tener otros numeros de circuitos de fase de salida de CA, tal como seis o doce circuitos de fase de salida de CA, por ejemplo. A continuacion, se describen circuitos de control de fase apropiados para asegurar la sincronizacion requerida de varias fases en una red de distribucion de energfa electrica y separacion de angulo de fase entre circuitos de fase de entrada de CA cuando no estan conectados a dicha red.
Opcionalmente, un inversor de alta tension de multiples fases de la presente invencion puede incorporar beneficiosamente la monitorizacion de fase y el equilibrado de potencia en una red de distribucion de energfa electrica en la que esta conectado, en el que el equilibrio de potencia tiene lugar de manera casi instantanea (por ejemplo, en microsegundos).
La figura 3A muestra un inversor 70 de alta tension, tal como se ha descrito ahora, que logra sincronizacion con una red de distribucion de energfa electrica y, opcionalmente, equilibrado de potencia en dicha red. El inversor 70 de alto tension incluye un transformador de salida 71 con bobinados de salidas 71a conectados en estrella. Los devanados conectados en delta podnan ser utilizados en su lugar.
Para generar una salida de CA trifasica desde una unica fuente HVDC entrante como en el inversor 10 de alta tension de la figura 1, es necesario generar 3 senales de reloj (no mostradas) que estan desfasadas 120° entre sr Estas senales deben sincronizarse en fase con la red 72 de distribucion de energfa electrica mostrada en la figura 3A en forma de bloque. La red 72 de distribucion de energfa electrica se detalla en la figura 3B. La figura 3B muestra una pluralidad de unidades de generacion de potencia 72a, una pluralidad de subestaciones 72b, y una pluralidad de usuarios 72c. El presente inversor de alta tension 70 de la figura 3A podna implementar una o mas unidades de generacion de potencia 72a. Las subestaciones 72b dirigen energfa electrica a los usuarios 72c a traves de lmeas de distribucion 72d, solo algunas de las cuales estan numeradas.
Para llevar a cabo la sincronizacion de fase a la red 72 de distribucion de energfa electrica, los transductores de fase 74, 76 y 78 monitorizan continuamente la carga y el angulo de fase de cada circuito de fase de salida de CA unido a la red 72 de distribucion de energfa electrica. Por ejemplo, los monitores de corriente pueden proporcionar senales de control que son proporcionales al equilibrio de potencia de la red de distribucion. El circuito de monitorizacion 80 produce un conjunto de tres senales que corresponden a las condiciones instantaneas de los circuitos de fase de salida de CA de la red 72 de distribucion de energfa electrica. Estas senales se introducen en un ordenador central 82, donde se digitalizan y se alimentan en memorias intermedias separadas (no mostradas) para su uso posterior.
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El ordenador central 82 tiene un circuito de interfaz de salida 84 que contiene componentes para diversos circuitos de control, que se describiran mas adelante, y establece el angulo de circuito de fase de entrada de CA para cada uno de los circuitos de fase de entrada de CA 86, 88 y 90. Como se explica mas adelante, el circuito de interfaz de salida 84 puede opcionalmente controlar la cantidad de energfa que se permite pasar a traves de la entrada de CA respectiva para cada circuito de fase.
Si el inversor 70 de alta tension de la figura 3A no esta conectado a una red de distribucion de energfa electrica, el ordenador central 82 hara que el circuito de interfaz de salida 84 transmita senales a los circuitos de fase de entrada de CA 86, 88 y 90 para ajustar el angulo de fase de cada uno con una separacion de 120° entre sf El circuito de interfaz de salida 84 transmite dichas senales a los circuitos de fase de entrada de CA anteriores a traves de lmeas de control 86a, 86b, 88a, 88b y 90a, 90b.
Por otra parte, si el inversor 70 de alta tension de la figura 3A esta conectado a la red de distribucion de energfa electrica 72, el modo predeterminado del ordenador central 82 es hacer que el circuito de interfaz de salida 84 transmita senales a los circuitos de fase de entrada de CA 86, 88 y 90 para sincronizar los circuitos de fase de entrada de CA 86, 88 y 90 a las fases de la red 72 de distribucion de energfa electrica.
De acuerdo con un aspecto preferido de la invencion, es deseable que se utilicen circuitos de control para distribuir rapidamente la energfa entrante a traves de los tres circuitos de entrada de CA en respuesta a cambios en la carga de fase de la red. Esto puede ser de enorme beneficio para el mantenimiento de la red de distribucion de energfa electrica y la proteccion del equipo en la red.
Pueden realizarse cambios rapidos en la distribucion de potencia a los circuitos de fase de salida de CA mediante el inversor 70 de alta tension (figura 3A). El ordenador central 82 tiene un circuito de interfaz de salida 84 que contiene componentes para diversos controles, que se describiran mas adelante, que controla la cantidad de energfa que se permite pasar a traves del respectivo inversor para cada circuito de fase de entrada de CA. Como se ha mencionado anteriormente, los transductores de fase 74, 76 y 78 monitorizan continuamente la carga y el angulo de fase de cada circuito de fase de salida unido a la red de distribucion de energfa electrica 72 y pueden determinar las diferencias en las cargas de fase entre cada uno de los tres circuitos de fase de salida de CA en la red de distribucion de energfa electrica.
Para equilibrar la potencia de las fases de salida de CA, un programa de ordenador simple en el ordenador central 82 realiza el siguiente algoritmo:
1. Examinar los valores de fase en las tres memorias intermedias mencionadas anteriormente y en relacion con el equilibrio de potencia de la red de distribucion de energfa electrica.
2. Si los valores son iguales, entonces se hace que el circuito de interfaz de salida 84 envfe senales identicas, separadas 120° en fase, a cada una de las tres etapas de salida.
3. Si los valores de la memoria intermedia de entrada no son iguales, se envfa una cantidad creciente de energfa a la(s) memoria(s) intermedia(s) con valores bajos hasta que las tres memorias intermedias tengan valores iguales.
El algoritmo anterior se puede implementar en cualquiera de una serie de lenguajes de programacion. La eleccion del idioma se determina mediante la seleccion del ordenador central y del software operativo. Tambien es posible implementar este algoritmo en firmware como un conjunto de circuitos analogicos de control de retroalimentacion negativa convencionales. Hay muchas topologfas adecuadas para este firmware que seran obvias para las personas con conocimientos ordinarios en la tecnica en base a la presente divulgacion. Es mas facil implementar este sistema con un ordenador digital, pero es mas fiable implementarlo con un diseno de firmware.
La figura 4 muestra un circuito que puede implementar un circuito de fase de entrada de CA 86 del inversor 70 de alta tension de la figura 3A. En la figura 4, un circuito de modulacion 94 recibe una senal de control en la lmea de control 86a desde el circuito de interfaz de salida 84 de la figura 3A. De forma similar, un circuito de modulacion 96 recibe una senal de control en la lmea de control 86b desde el circuito de interfaz de salida 84 de la figura 3A. Los circuitos de modulacion 94 y 96 son preferiblemente simetricos entre sf y, por lo tanto, se proporciona aqrn una descripcion del unico circuito de modulacion 94.
El circuito de modulacion 94 esta conectado a los nodos 98 y 100. La figura 5 muestra el circuito de modulacion 94 de la figura 4, pero con nodos 98 y 100 orientados en una direccion horizontalmente opuesta a la mostrada en la figura 4. Esto es para que el comportamiento de circuito del circuito de modulacion 94 en la figura 5 pueda analizarse de izquierda a derecha, por conveniencia.
El circuito de modulacion 94 de la figura 5 es algo analogo al regulador de corriente FET (transistor de efecto campo) clasico que se encuentra en las fuentes de alimentacion de baja tension. El problema abordado por el circuito de modulacion 94 es que no hay dispositivos de tubo de vacrn de estado solido o convencional que son capaces de operar en los regfmenes de tension o corriente contemplados para este diseno. Por consiguiente, el dispositivo de regulacion de corriente 102 en serie es preferiblemente un tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno de estructura de triodo, tetrodo o pentodo. El dispositivo de regulacion de corriente 102 en
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serie puede tener la estructura geometrica mostrada en la figura 2 y como se describe adicionalmente en la patente US 4.950.962 mencionada anteriormente. Alternativamente, el dispositivo de regulacion de corriente en serie 102 puede comprender un dispositivo semiconductor de alta tension tal como un tiristor. El tubo de control 112 puede implementarse de la misma manera que el dispositivo de regulacion de corriente 102 en serie para reducir la diversidad de piezas requeridas, o podna implementarse mediante un dispositivo con requerimientos de tension y corriente relativamente menores.
En el circuito de modulacion 94 de la figura 5, la siguiente descripcion de la operacion supone una fuente de tension positiva en el nodo de entrada 26 de la figura 4. Una resistencia 104 establece una tension de polarizacion para la red del dispositivo de regulacion de corriente 102 en serie, que funciona como un regulador de corriente en serie. El dispositivo de regulacion de corriente 102 en serie es funcionalmente analogo a un FET en este circuito. La corriente que fluye desde el dispositivo de regulacion de corriente 102 en serie fluye a traves de una resistencia de derivacion 106 para desarrollar una tension a traves de dicha resistencia 106. Esta tension es alimentada a traves de un divisor de tension que comprende resistencias 108 y 110. La red 112a del tubo de control 112 esta conectada a la union de las resistencias 108 y 110. Se aplica una tension de control al otro lado de la resistencia 108; es decir, en la lmea de control 86a. La relacion entre la tension de la resistencia de derivacion 106 y la tension de referencia en la lmea de control 86a determina el grado de conduccion del tubo de control 112 que, a su vez, controla la conduccion del dispositivo de regulacion de corriente 102 en serie. El condensador 114 establece una constante de tiempo con la resistencia 108 para asegurar que el circuito permanece en conduccion hasta el punto de cruce por cero. Ajustando los valores de la tension de referencia en la lmea de control 86a y los valores de resistencia de las resistencias 108 y 110 que forman un divisor de tension, pueden implementarse diferentes modos de regulacion de corriente. Como se ha mencionado anteriormente, la tension de referencia en la lmea de control 86a se proporciona mediante el circuito de interfaz de salida 84 de la figura 3A.
El circuito de modulacion 94 puede regular facilmente el equilibrio de potencia entre respectivos circuitos de fase de salida en un grado muy alto de una potencia promedio a traves de los tres circuitos de fase de salida de CA, por ejemplo, al menos aproximadamente un 1 por ciento de una potencia promedio a traves de los tres circuitos de fase de salida de CA. Esto es ademas de la sincronizacion de las fases de salida de CA conectadas a los devanados 71a del inversor de alta tension 70 de la figura 3A como se ha descrito anteriormente.
Aunque solo el circuito 86 de fase de entrada de CA de la figura 3A se ha descrito en detalle anteriormente, los circuitos de fase de entrada de CA 88 y 90 de la figura 3A son preferiblemente identicos al circuito de fase de entrada de CA 86, por lo que no es necesaria una descripcion detallada de los circuitos de fase de entrada de CA 88 y 90. Sin embargo, se observara que, en lugar de recibir senales de control del circuito de interfaz de salida 84 en las lmeas de control 88a y 88b, el circuito de fase de entrada de CA 88 recibe senales de control en lmeas de control 88a y 88b desde el circuito de interfaz de salida 84; y de manera similar el circuito de fase de entrada de CA 90 recibe senales de control en lmeas de control 90a y 90b desde el circuito de interfaz de salida 84.
3. Convertidor de alta tension de CC a CA a CC
La figura 6 muestra un convertidor de alta tension 120 de tipo CC a CA a CC con un circuito de fase de entrada de CA 122 similar al circuito de fase de entrada de CA 20 de la figura 1, y, por lo tanto, compartiendo con el circuito de fase de entrada de CA 20 numeracion comun de partes similares. El convertidor de alta tension 120 tiene una entrada de CC positiva en el nodo de entrada 124 con respecto a una conexion a tierra 126. Un transformador 128 tiene un devanado 130 de transformador primario con una toma central 130a. Un devanado del transformador secundario suministra tension de CA a un convertidor de CA a CC, que puede incluir un rectificador de puente completo 134 con diodos p-n u otras valvulas de corriente unidireccionales 136 interconectadas como se muestra. La polaridad de salida del rectificador de puente completo 134 puede invertirse invirtiendo las polaridades de los diodos p-n mostrados. La salida del rectificador de puente completo 134 se filtra mediante un circuito de filtro 135 que puede comprender condensadores 137 y 138 y un inductor 140 interconectado como se muestra. El rectificador de puente completo 134 y el circuito de filtro 135 proporcionan una conversion de CA a CC. El nodo de salida 142 del circuito de filtro 135 proporciona una tension de CC que difiere de la tension de CC en el nodo de entrada 124. Otros circuitos para realizar la conversion de CA a CC seran evidentes para los expertos en la tecnica en base a la presente divulgacion.
El convertidor de alta tension 120 de la figura 6 puede modificarse para convertirse en un convertidor de alta tension 121 de tipo de CC a AC a CC, como se describe a continuacion y, a modo de ejemplo, utilizado para suministrar potencia HVCC a traves de una lmea de transmision HVCC 150 a un inversor 152 CC a CA, tal como se muestra en la figura 7. Cuando esta conectado de esta manera a la lmea de transmision HVCC 150, puede ser deseable modular la potencia proporcionada por el convertidor de alta tension 121 en la red. Por lo tanto, el circuito de alimentacion de la figura 7 se puede usar.
En la figura 7, el nodo de salida 142 del convertidor de alta tension 121 de tipo CC a CA a CC proporciona CC a la lmea de transmision HVCC 150, para la transmision a un inversor de CC a CA 152, por ejemplo. Un transductor 154 envfa al circuito de monitorizacion 156 senales relacionadas con una o ambas corrientes y tensiones en la lmea de transmision HVCC 150. A su vez, el circuito de monitorizacion 156 envfa senales relacionadas con una o ambas corrientes y tensiones en la red a una memoria intermedia en el ordenador central 158. Un circuito de interfaz de
salida 160 proporciona senales de control a traves de las lmeas 121a y 121b al convertidor de alta tension 121, para hacer que la potencia suministrada a la lmea de transmision HVCC 150 se estabilice.
Como se ha mencionado anteriormente, el convertidor de CC de alta tension a CC 120 de la figura 6 se modifica para convertirse en el convertidor de alta tension 121 de la figura 7 para su conexion a una lmea de transmision 5 HVCC 150. En particular, el convertidor de alta tension 121 de tipo CC a CA a CC podna tener un circuito de entrada de CA como se muestra en la figura 4 para el circuito de fase de entrada de CA 86 del inversor de alta tension 70 de la figura 3A. La descripcion anterior del circuito de modulacion 94 de la figura 4 en relacion a la figura 5 se aplicana con respecto a la regulacion de la corriente proporcionada al transformador 19. Este proceso de control de salida es directamente analogo al descrito en relacion con las figuras 4 y 5. Sin embargo, para el convertidor 121 de 10 alta tension de la figura 7 , se aplicaran las siguientes calificaciones adicionales: La tension en la lmea de transmision HVCC 150 se monitoriza para controlar la tension en la lmea de transmision; esto contrasta con la monitorizacion de la corriente de CA y el control de la corriente de CA cuando esta interconectada a una red de distribucion electrica de CA (por ejemplo, figura 3B).
Lo anterior describe un inversor de alta tension que incluya la funcion de convertir potencia de CC en potencia de CA 15 que pueda tener un numero bajo de piezas, que presente alta fiabilidad y que no sea peligroso para el medio ambiente.
Aunque la invencion se ha descrito con respecto a realizaciones espedficas a modo de ilustracion, se les ocurriran muchas modificaciones y cambios a los expertos en la tecnica.

Claims (11)

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    REIVINDICACIONES
    1. Un inversor de alta tension para convertir potencia de entrada de CC en tres o mas fases de salida de CA (71a) con control de corriente individual de cada fase de salida de CA (71a), que comprende:
    a) cada fase de salida de CA (71a) que tiene un circuito de fase de entrada CA (86, 88, 90) asociado, comprendiendo cada circuito de fase de entrada CA (86, 88, 90):
    i) un primer y segundo tubos de electrones (30, 32) de emision controlable de campo de catodo fno de estructura de triodo, tetrodo o pentodo;
    ii) un devanado (48) de transformador primario que tiene un primer extremo, un segundo extremo y una toma central (48a);
    iii) la toma central (48a) es conectable a un potencial de CC superior a 20 KV;
    iv) el primer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (30) esta conectado en serie entre el primer extremo del devanado (48) del transformador primario y la conexion a tierra (28) a traves de un tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102), estando conectado el segundo tubo de electrones controlable de campo de catodo fno (32) en serie entre el segundo extremo del devanado (48) del transformador primario y la conexion a tierra (28) a traves de un cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar); y
    v) un estado de conduccion de cada tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno controlado para convertir de potencia de CC a un potencial superior a 20 KV a una potencia de CA a traves de dicho devanado (48) del transformador primario; conduciendo el primer y el segundo tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (30, 32) alternativamente para llevar alternativamente el primer extremo del devanado (48) del transformador primario aproximadamente al potencial de la conexion a tierra (28) y luego llevar el segundo extremo del devanado (48) del transformador primario aproximadamente al potencial de la conexion a tierra (28);
    b) para cada devanado (48) del transformador primario de fase de entrada de CA, un respectivo devanado (132) de transformador secundario de una fase de salida de CA (71a) asociada acoplada al mismo; formando cada devanado (48) del transformador primario y el devanado (132) del transformador secundario asociado parte de un transformador (71) de fases multiples;
    c) medios para ajustar la corriente en cada circuito de fase de entrada de CA (86, 88, 90), que comprende:
    i) medios (74, 76 y 78) para determinar la carga en una fase de salida de CA (71a) asociada, y
    ii) un primer y segundo circuitos de modulacion (94, 96), que responden a dichos medios para determinar, para controlar el nivel de corriente de cada fase de salida (71a);
    iii) el primer circuito de modulacion (94) que incluye dicho tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102); un primer tubo de control (112) que tiene un catodo conectado a una red del tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102) y que tiene una red conectada al punto medio de un divisor de tension resistivo (108 y 110), en el que el divisor de tension resistiva (108 y 110) tiene una primera resistencia (110) que recibe una tension en un extremo de una resistencia (106) cuyo otro extremo esta conectado al anodo del tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102) y una segunda resistencia (108) que recibe una primera tension de referencia en un extremo distal desde dicho punto medio;
    iv) el segundo circuito de modulacion (96) que incluye dicho cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar); un segundo tubo de control (sin numerar) que tiene un catodo conectado a una red del cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar) y que tiene una red conectada al punto medio de un segundo divisor de tension resistivo (sin numerar), en el que el segundo divisor de tension resistivo (sin numerar) tiene una primera resistencia (sin numerar) que recibe una tension en un extremo de una resistencia (sin numerar) cuyo otro extremo esta conectado al anodo del cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar) y una segunda resistencia (sin numerar) que recibe una primera tension de referencia en un extremo distal desde dicho punto medio; y
    d) cada uno del primer (30), segundo (32), tercer (102) y cuarto (sin numerar) tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno que tienen una tension nominal superior a 20 KV.
  2. 2. El inversor de alta tension de la reivindicacion 1, en el que;
    a) el inversor de alta tension incluye medios para conectar la fase de salida de CA (71a) a una red de distribucion de energfa electrica (72) que tiene una pluralidad de generadores de energfa (72a) y una pluralidad de subestaciones (72b) para distribuir energfa a usuarios (72c); y
    b) los medios para ajustar la corriente regulan el equilibrio de energfa entre la pluralidad de fases individuales de
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    salida (71a).
  3. 3. El inversor de alta tension de la reivindicacion 1, en el que el primer (30), segundo (32), tercer (102) y cuarto (sin numerar) tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno comprenden cada uno:
    a) un catodo fno cilmdrico alargado;
    b) un anodo cilmdrico alargado; y
    c) una red cilmdrica que actua como una puerta interpuesta entre dicho catodo y dicho anodo;
    d) siendo dicho anodo cilmdrico alargado axialmente simetrico y rodeando dicho catodo fno cilmdrico alargado y dicha red cilmdrica.
  4. 4. El inversor de la reivindicacion 1, en el que:
    a) el primer (30), segundo (32), tercer (102) y cuarto (sin numerar) tubos de electrones de emision de campo de catodo fno tienen, cada uno, un primer y un segundo electrodos portadores de corriente principales;
    b) el inversor esta libre de cualquier otro tubo de electrones de catodo de catodo fno conectado en paralelo con dicho primer (30), segundo (32), tercer (102) o cuarto (sin numerar) tubos de electrones de catodo fno.
  5. 5. El inversor de alta tension de la reivindicacion 1, en el que cada devanado (132) del respectivo transformador secundario esta configurado para producir una tension en cada devanado (132) del transformador secundario respectivo de al menos 10 KV.
  6. 6. El inversor de alta tension segun la reivindicacion 2, en el que los medios para ajustar la corriente regulan el equilibrio de energfa entre la pluralidad de fases de salida de CA individuales (71a) hasta un grado de al menos un 1 por ciento de una potencia promedio entre la pluralidad de fases de salida de CA (71a).
  7. 7. El inversor de alta tension segun la reivindicacion 1 o 2 o 3 o 4 o 5, en el que el primer y segundo circuitos de modulacion (94, 96) controlan el nivel de corriente de cada fase de salida de CA (71a) de una manera variable continuamente.
  8. 8. Un convertidor de alta tension (120) de tipo de CC a CA a CC con control de corriente de salida, que comprende:
    a) un circuito de fase de entrada de CA (86, 88, 90) que comprende:
    i) un primer y segundo tubos de electrones (30, 32) de emision controlable de campo de catodo fno de estructura de triodo, tetrodo o pentodo;
    ii) un devanado (48) de transformador primario que tiene un primer extremo, un segundo extremo y una toma central (48a);
    iii) la toma central (48a) es conectable a un potencial de CC superior a 20 KV;
    iv) el primer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (30) esta conectado en serie entre el primer extremo del devanado (48) del transformador primario y la conexion a tierra (28) a traves de un tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102), estando conectado el segundo tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (32) en serie entre el segundo extremo del devanado (48) del transformador primario y la conexion a tierra (28) a traves de un cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar); y
    v) un estado de conduccion de cada tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno controlado para convertir de potencia de CC a un potencial superior a 20 KV a una potencia de CA a traves de dicho devanado (48) del transformador primario; conduciendo el primer y el segundo tubos de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (30, 32) alternativamente para llevar alternativamente el primer extremo del devanado (48) del transformador primario aproximadamente al potencial de la conexion a tierra (28) y luego llevar el segundo extremo del devanado (48) del transformador primario aproximadamente al potencial de la conexion a tierra (28);
    b) una fase de salida de CA (71a) que incluye un devanado (132) de transformador secundario acoplado al devanado (48) del transformador primario;
    c) un rectificador de CA a CC (134) para convertir la tension de salida desde el devanado (132) del transformador secundario a una salida de alta tension de CC;
    d) medios para regular la corriente de salida del convertidor de alta tension (120) que se suministra a una lmea de transmision HVCC (150), comprendiendo los medios de regulacion:
    i) medios para determinar la tension y la corriente en la salida de alta tension de CC; y
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    ii) un primer y un segundo circuitos de modulacion (94, 96) que responden a dichos medios para determinar, para controlar el nivel de corriente de la salida del convertidor de alta tension (120);
    iii) el primer circuito de modulacion (94) que incluye dicho tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102); un primer tubo de control (112) que tiene un catodo conectado a una red del tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102) y que tiene una red conectada al punto medio de un divisor de tension resistivo (108 y 110), en el que el divisor de tension resistiva (108 y 110) tiene una primera resistencia (110) que recibe una tension en un extremo de una resistencia (106) cuyo otro extremo esta conectado al anodo del tercer tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (102) y una segunda resistencia (108) que recibe una primera tension de referencia en un extremo distal desde dicho punto medio;
    iv) el segundo circuito de modulacion (96) que incluye dicho cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar); un segundo tubo de control (sin numerar) que tiene un catodo conectado a una red del cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar) y que tiene una red conectada al punto medio de un segundo divisor de tension resistivo (sin numerar), en el que el segundo divisor de tension resistivo (sin numerar) tiene una primera resistencia (sin numerar) que recibe una tension en un extremo de una resistencia (sin numerar) cuyo otro extremo esta conectado al anodo del cuarto tubo de electrones de emision controlable de campo de catodo fno (sin numerar) y una segunda resistencia (sin numerar) que recibe una primera tension de referencia en un extremo distal desde dicho punto medio; y
    e) cada uno del primer (30), segundo (32), tercer (102) y cuarto (sin numerar) tubos de electrones controlables por emision de campo de catodo fno que tienen una tension nominal superior a 20 KV.
  9. 9. El convertidor de alta tension de la reivindicacion 8, en el que:
    a) el primer (30), segundo (32), tercer (102) y cuarto (sin numerar) tubos de electrones de emision de campo de catodo fno tienen, cada uno, un primer y un segundo electrodos portadores de corriente principales;
    b) el inversor esta libre de cualquier otro tubo de electrones de catodo de catodo fno conectado en paralelo con dicho primer (30), segundo (32), tercer (102) o cuarto (sin numerar) tubos de electrones de catodo fno.
  10. 10. El convertidor de alta tension de la reivindicacion 8, en el que los medios para regular la corriente de salida del convertidor de alta tension (120) regulan la potencia de salida del convertidor de alta tension en un grado de al menos un 1 por ciento de un nivel de potencia promedio.
  11. 11. El convertidor de alta tension de la reivindicacion 8 o 9, en el que el primer y segundo circuitos de modulacion (94, 96) controlan el nivel de corriente de la salida del convertidor de alta tension de una manera variable continuamente.
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