ES2714426T3 - Dispositivo para conmutar corrientes continuas - Google Patents
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Abstract
Dispositivo (1) para conmutar corrientes continuas en un polo de una red de tensión continua, que comprende: - dos bornes de conexión (21, 22), entre los cuales se extiende un trayecto de corriente de servicio (2) con un interruptor (4) mecánico; - el cual se puede puentear mediante un ramal de desconexión (3); - en donde están proporcionados medios de conmutación (6) para conmutar la corriente del trayecto de corriente de servicio (2) en el ramal de desconexión (3); - en donde los medios de conmutación (6) están dispuestos en el ramal de desconexión (3) y están configurados para generar una corriente circular que circula a través de la sección puenteada del trayecto de corriente de servicio (2) y el ramal de desconexión (3); dicha corriente circular es opuesta a la corriente continua que debe ser conmutada; caracterizado porque en el ramal de desconexión (3) está dispuesta una unidad de conmutación de potencia (5) para limitar o para interrumpir completamente la corriente continua, la cual presenta un circuito en serie de submódulos (10) bipolares con al menos un interruptor semiconductor de potencia (11) que se puede conectar o desconectar; y porque los medios de conmutación (6) conforman un circuito en serie de submódulos (10) bipolares; en donde cada submódulo (10) de los medios de conmutación dispone de un acumulador de energía (14) y de un circuito semiconductor de potencia conectado en paralelo al acumulador de energía (14).
Description
DESCRIPCION
Dispositivo para conmutar corrientes continuas
La presente invencion hace referencia a un dispositivo para conmutar corrientes continuas en un polo de una red de tension continua, que comprende dos bornes de conexion, entre los cuales se extiende un trayecto de corriente de servicio con un interruptor mecanico, el cual se puede puentear mediante un ramal de desconexion; en donde en el ramal de desconexion esta dispuesta una unidad de conmutacion de potencia, la cual presenta un circuito en serie de submodulos bipolares con al menos un interruptor semiconductor de potencia que se puede conectar o desconectar; y en donde estan proporcionados medios de conmutacion para conmutar la corriente del trayecto de corriente de servicio en el ramal de desconexion.
La invencion hace referencia, ademas, a un procedimiento para conmutar corrientes continuas con un dispositivo de este tipo.
Un dispositivo de la clase mencionada en la introduccion se conoce por la solicitud WO 2011/057675 A1 y por la publicacion de J. Hafner y B. Jacobson"Proactive Hybrid HVDC Breakers - A Key Innovation for Reliable HVDC Grids" ("Interruptores HVDC hibridos proactivos": Una innovacion clave para redes HVDC fiables"), Simposio "The Electric Power System of the Future - Integrating Super-Grids and Micro-Grids International Symposium" (“El sistema de energia electrica del futuro - simposio internacional sobre integracion de super-redes y micro-redes”), Bolonia, Italia, del 13 al 15 de septiembre de 2011, pagina 264 y siguientes. El interruptor de tension continua alli descrito presenta un trayecto de corriente de servicio con un interruptor mecanico asi como un ramal de desconexion, el cual esta conectado en paralelo al trayecto de corriente de servicio. En el ramal de desconexion esta dispuesto un circuito en serie de interruptores semiconductores de potencia, a los que esta conectado respectivamente en paralelo en sentido contrario un diodo libre. Las unidades de conmutacion compuestas por los interruptores semiconductores de potencia y los diodos libres estan dispuestas en antiserie, en donde los interruptores semiconductores de potencia que pueden desconectarse estan dispuestos en serie y para cada interruptor semiconductor de potencia esta proporcionado un correspondiente interruptor semiconductor de potencia con direccion de circulacion contrapuesta. De este modo, la corriente se puede interrumpir en ambas direcciones en el ramal de desconexion. En el trayecto de corriente de servicio, ademas del interruptor mecanico, esta dispuesto tambien un interruptor auxiliar electronico en serie con el interruptor mecanico. En el funcionamiento normal, la corriente fluye a traves del trayecto de corriente de servicio y, de este modo, a traves del interruptor auxiliar electronico asi como a traves de los interruptores mecanicos cerrados, ya que los interruptores semiconductores de potencia del ramal de desconexion representan una elevada resistencia para la corriente continua. Para interrumpir por ejemplo una corriente de cortocircuito, el interruptor auxiliar electronico se conduce a su posicion de seccionamiento. De este modo, la resistencia en el trayecto de corriente de servicio aumenta de tal manera que la corriente continua se conmuta en el ramal de desconexion. El seccionador mecanico rapido puede abrirse por ello sin corriente. La corriente de cortocircuito conducida a traves del ramal de desconexion puede interrumpirse mediante los interruptores semiconductores de potencia. Para tomar la energia almacenada en la red de tension continua y que debe reducirse en la conmutacion estan previstos descargadores, que estan conectados respectivamente en paralelo a los interruptores semiconductores de potencia del ramal de desconexion.
La creciente demanda de energia en todo el mundo y al mismo tiempo el deseo de disminuir las emisiones de CO2, hacen a las asi denominadas energias renovables cada vez mas atractivas. Las fuentes de energias renovables son por ejemplo las instalaciones de energia eolica situadas del lado del oceano, o tambien las plantas de energia fotovoltaica situadas en zonas deserticas muy soleadas. Para poder utilizar de manera economica la energia generada de esta manera, resulta de una importancia cada vez mayor, la conexion de las fuentes de energia renovables a una red de abastecimiento de tierra. Por estas razones, se discute cada vez con mas intensidad la construccion y el funcionamiento de una red de tension continua mallada. Pero para ello resulta una condicion que las corrientes de cortocircuito, que pueden presentarse en una red de tension continua mixta de este tipo, puedan ser desconectadas de manera rapida y fiable. Para ello, se requieren sin embargo interruptores de tension continua que hasta ahora no estan disponibles en el mercado. Por el estado del arte se conocen diferentes conceptos para un interruptor de tension continua de este tipo.
En la solicitud DE 69408811 T2 se describe un interruptor de tension continua, en el cual estan conectados en serie dos interruptores mecanicos. El circuito en serie compuesto de los dos interruptores mecanicos esta protegido de altas sobretensiones mediante un descargador, asi como mediante un condensador. Solamente a uno de los interruptores mecanicos esta conectado en paralelo un interruptor semiconductor de potencia que se puede conectar y desconectar. Cuando se abre el interruptor mecanico se genera un arco voltaico. La tension presente en el arco voltaico activa el interruptor semiconductor de potencia, con lo cual el interruptor mecanico abierto en paralelo se cortocircuita. El arco voltaico desaparece. La corriente conducida a traves del interruptor semiconductor de potencia puede ahora ser interrumpida mediante el correspondiente control del semiconductor de potencia.
En la solicitud US 5,999,388 esta descrito un interruptor de potencia de tension continua que se puede integrar en serie en una lfnea de tension continua. El mismo esta compuesto de un circuito en serie de interruptores semiconductores de potencia que se pueden conectar y desconectar, a los cuales esta respectivamente conectado un diodo libre en paralelo en sentido contrario. Ademas, a cada interruptor semiconductor de potencia esta conectado en paralelo un descargador, por ejemplo un varistor, para limitar la tension. El interruptor de tension continua previamente conocido, esta realizado completamente electronico y conmuta por ello considerablemente mas rapido que los interruptores mecanicos convencionales en el mercado. En pocos microsegundos, se puede interrumpir una corriente de cortocircuito que fluya a traves de un interruptor de tension continua. Resulta sin embargo desventajoso que tambien la corriente de servicio debe conducirse a traves de los interruptores semiconductores de potencia. De esta manera, se producen altas perdidas de transmision.
La solicitud WO 2011/141055 revela un interruptor de tension continua que se puede conectar en serie a un polo de una red de corriente continua de alta tension. El interruptor de tension continua esta compuesto de un interruptor mecanico conectado en serie a un interruptor semiconductor de potencia, al cual nuevamente esta conectado en paralelo un diodo libre en sentido contrario. En paralelo al circuito en serie de interruptor semiconductor de potencia e interruptor mecanico estan conectados un circuito en serie de bobina y condensador, o sea un ramal LC, asf como un descargador, el cual limita la tension presente mediante el ramal LC. Tambien al interruptor semiconductor de potencia esta conectado en paralelo un descargador. Tras la apertura del interruptor mecanico, el interruptor semiconductor de potencia se conecta y se desconecta con la frecuencia propia del ramal LC. De esta manera, se genera una oscilacion y finalmente un punto cero de corriente en el interruptor mecanico, de modo que el arco voltaico que se genera puede eliminarse. Otro dispositivo se conoce por la solicitud DE 102007004527 A1.
El objeto de la presente invencion consiste en proporcionar un dispositivo y un procedimiento de la clase mencionada en la introduccion, con los cuales se puedan interrumpir de manera fiable corrientes de fuga en una red de tension continua; en donde al mismo tiempo se generen mmimas perdidas de conduccion.
La presente invencion resuelve dicho objeto en referencia al dispositivo porque los medios de conmutacion estan dispuestos en el ramal de desconexion y estan configurados para generar una corriente circular que fluye a traves de la seccion puenteada del trayecto de corriente de servicio y del ramal de desconexion; dicha corriente circular es opuesta a la corriente continua que debe ser conmutada.
La invencion resuelve dicho objeto ademas con un procedimiento, en el cual un sensor de corriente detecta el flujo de corriente en el trayecto de corriente de servicio, obteniendo valores de medicion de corriente; una unidad de control conectada con el sensor de corriente monitorea los valores de medicion de corriente en base a la presencia de un criterio de intervencion; y ante la presencia del criterio de intervencion activa los medios de conmutacion de modo que se genera una corriente circular de tal intensidad que el flujo de corriente se limita mediante el interruptor mecanico a una corriente maxima.
Conforme a la invencion, en contraposicion al estado del arte mencionado en la introduccion, los medios de conmutacion ya no estan dispuestos en el trayecto de corriente de servicio. Por esta razon, los medios de conmutacion ya no actuan como medios de conmutacion pasivos que interrumpen el trayecto de corriente de servicio. En lugar de ello, conforme a la invencion, se genera de manera activa una contratension en una malla que se conforma por el ramal de desconexion y por la seccion del trayecto de corriente de servicio puenteado por el mismo. La contratension impresa en la mencionada malla, empuja una corriente circular que circula a traves del interruptor mecanico, la cual es opuesta a la corriente que debe ser conmutada. En el caso ideal, ambas corrientes contrapuestas se eliminan mutuamente. En el caso de corrientes de igual intensidad en el trayecto de servicio, la corriente en el interruptor mecanico es cercana a cero. Con otras palabras, la corriente se conduce por los medios de conmutacion activos casi completamente a traves del ramal de desconexion. A continuacion, el interruptor mecanico puede abrir practicamente sin corriente. Si el interruptor mecanico esta abierto en el trayecto de corriente de servicio, entonces, la unidad de conmutacion de potencia puede limitar y/o interrumpir la corriente en el ramal de desconexion.
En el marco de la presente invencion, el diseno de la unidad de conmutacion de potencia es discrecional. Esto vale tambien para los medios de conmutacion. Lo que resulta sin embargo fundamental es que el ramal de desconexion conforme una resistencia electrica mas elevada que la de la seccion del trayecto de corriente de funcionamiento puenteada por el mismo. Ademas, los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia tienen la capacidad de desconectar de manera segura las corrientes de cortocircuito elevadas y por otro lado, de disolver de manera controlada la energfa que se libere. En cambio, los medios de conmutacion estan realizados de modo tal que los mismos generan en la ventana de tiempo mencionada una corriente circular tan elevada que el flujo de corriente a traves del interruptor mecanico se puede suprimir y el mismo se puede entonces abrir sin corriente. Para detectar el flujo de corriente en el trayecto de corriente de servicio esta proporcionado un sensor de corriente. Naturalmente, tambien se puede monitorear la tension en el trayecto de corriente de servicio con respecto al potencial de tierra y/o a la tension presente a traves del interruptor. De manera conveniente, esto vale correspondientemente tambien para el ramal de desconexion. De manera ventajosa, los medios de conmutacion comprenden ademas del sensor de corriente, una unidad de control y/o de regulacion, la cual esta conectada con el sensor de medicion corriente del
trayecto de corriente de servicio. Los valores de corriente generados por el sensor de medicion de corriente se transfieren a la unidad de regulacion, la cual evalua los valores de medicion de corriente recibidos a fin de establecer si se presenta un criterio de intervencion previamente determinado. Un criterio de intervencion de este tipo es por ejemplo un incremento de corriente demasiado alto (di/dt), o cuando los valores de corriente medidos exceden un valor umbral de corriente durante una ventana temporal predeterminada. Pero fundamentalmente en el marco de la invencion son posibles combinaciones discrecionales con otros valores de medicion de dispositivos de proteccion o similares, u otros criterios. Si se presenta un criterio de intervencion de este tipo, se genera la mencionada corriente circular, de modo que el cortocircuito en ascenso se conmuta en el ramal de desconexion. Si el interruptor mecanico esta abierto, la corriente puede limitarse por los submodulo, o si el caso lo requiere tambien desconectarse. En el marco de la invencion, tambien es posible que el interruptor mecanico se abra solo durante un periodo de tiempo limitado, cuando por ejemplo se desea una influencia de la corriente que circula a traves de todo el dispositivo.
De manera ventajosa, los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia presentan cada uno al menos parcialmente un interruptor semiconductor de potencia que se puede conectar y desconectar, y un diodo libre conectado alli de manera paralela en sentido opuesto. Alternativamente a esto, cada submodulo puede presentar tambien un unico interruptor semiconductor de potencia de conduccion inversa. Como interruptores semiconductores de potencia se consideran por ejemplo IGBTs, GTOs o similares. Por lo general, un interruptor semiconductor de potencia presenta una pluralidad de chips de interruptor semiconductor de potencia dispuestos en una carcasa. Para conectar las conexiones de carga de los chips de interruptor semiconductor de potencia se utilizan por ejemplo hilos de union. Sin embargo, de manera diferente, tambien se pueden implementar en el marco de la invencion interruptores semiconductores de potencia de contacto por presion, en los cuales los chips de los interruptores semiconductores de potencia estan conectados entre si del lado de la conexion de carga mediante un contacto por presion. Este tipo de interruptores semiconductores de potencia son sin embargo conocidos por el experto, de modo que no resulta necesario aqui detallar con precision su conformacion.
Conforme a un perfeccionamiento preferido, los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia conforman dos grupos, cada uno con una direccion de conduccion orientada identicamente de sus interruptores semiconductores de potencia; en donde los interruptores semiconductores de potencia de un grupo estan orientados en oposicion a los interruptores semiconductores de potencia del otro grupo. Conforme a este perfeccionamiento preferido, la corriente no solo puede fluir en las dos direcciones de corriente a traves del ramal de desconexion, sino que las corrientes tambien se pueden desconectar de manera fiable en ambas direcciones. Si la corriente fluye en la primera direccion, se activan los interruptores semiconductores de potencia del primer grupo para interrumpir la corriente en dicha primera direccion. Si la corriente fluye en la contraria segunda direccion, se activan los interruptores semiconductores de potencia del segundo grupo. Los submodulos, en referencia a su efecto, tambien se pueden por ejemplo dividir en grupos. De esta manera, un primer grupo de submodulos esta proporcionado para generar una contratension en el trayecto de corriente de servicio y con ello para la conmutacion. El otro grupo de submodulos, por el contrario, tiene la funcion de interrumpir el flujo de corriente. Los submodulos pueden tambien unificar ambas funciones. Dichos submodulos estan realizados por ejemplo como puentes completos.
En una conformacion preferida de la invencion, los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia presentan cada uno, al menos parcialmente, un acumulador de energia y un circuito en serie, conectado en paralelo al acumulador de energia, compuesto de dos interruptores semiconductores de potencia que se pueden conectar y desconectar, cada uno con un diodo libre dispuesto alli paralelamente en sentido opuesto; en donde un borne de conexion de submodulo esta conectado con un punto potencial entre los interruptores semiconductores de potencia que se pueden conectar y desconectar; y el otro borne de conexion esta conectado con un polo del acumulador de energia. Una topologia de submodulos de este tipo se denomina tambien como semipuente.
Naturalmente, en lugar de un unico interruptor semiconductor de potencia se puede tambien instalar un circuito en serie de interruptores semiconductores de potencia que se active sincronicamente. En ese caso, los interruptores semiconductores de potencia del circuito en serie que se activan sincronicamente, se comportan exactamente igual que un unico interruptor semiconductor de potencia. Esto vale ademas tambien para los submodulos que se describen en detalle mas adelante, o sea tambien para el circuito de puente completo o para el circuito de frenado.
Para disipar una energia que se libera durante la conmutacion, la cual esta almacenada en la red de tension continua, estan previstos para cada submodulo de la unidad de conmutacion de potencia al menos un descargador y/o varistor.
Los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia, los cuales estan realizados como semipuentes, pueden interrumpir la corriente solamente en una direccion. Si se debe interrumpir la corriente en dos direcciones, entonces aqui se requiere tambien la conformacion de dos grupos de submodulos; en donde los submodulos de un grupo tienen la funcion de interrumpir la corriente en una primera direccion; y los submodulos del otro grupo, la funcion de interrumpir la corriente en una segunda direccion opuesta a la primera direccion.
Conforme a un acondicionamiento preferido de la invencion, los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia estan realizados sin embargo, al menos parcialmente, como un circuito de puente completo, y presentan por ello, un acumulador de energfa y dos circuitos en serie paralelos al acumulador de energfa, cada uno con dos interruptores semiconductores de potencia que se pueden conectar y desconectar, cada uno con diodos libres paralelos en sentido contrario; en donde un primer borne de conexion esta conectado con un punto de potencial entre los dos interruptores semiconductores de potencia del primer circuito en serie; y un segundo borne de conexion de submodulo esta conectado con un punto de potencial entre los dos interruptores semiconductores de potencia del segundo circuito en serie. Un circuito de puente completo de este tipo, es capaz de interrumpir corrientes en ambas direcciones, o sea, con otras palabras, de desconectarlas.
Como ya se ha expuesto, cada submodulo de la unidad de conmutacion de potencia presenta de manera conveniente un descargador y/o un varistor conectados en paralelo o bien a un unico interruptor semiconductor de potencia que se puede conectar y desconectar, o sino en paralelo al acumulador de energfa del submodulo.
No obstante, los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia estan realizados al menos parcialmente como modulos de frenado. Dichos modulos de frenado presentan un acumulador de energfa, al cual esta conectado en paralelo un primer circuito en serie. El primer circuito en serie esta compuesto tambien de un interruptor semiconductor de potencia que se puede conectar y desconectar con un diodo libre en paralelo en sentido contrario y de un diodo orientado en el mismo sentido que el diodo libre. Ademas, esta proporcionado un segundo circuito en serie, el cual tambien esta conectado en paralelo al acumulador de energfa. El segundo circuito en serie esta compuesto de un interruptor semiconductor de potencia que se puede conectar y desconectar con un diodo libre en paralelo en sentido contrario y de otro diodo orientado en el mismo sentido que el diodo libre. El diodo del segundo circuito en serie puentea una resistencia ohmica. El primer borne de conexion de submodulo esta conectado con un polo del acumulador de energfa y el segundo borne de conexion de submodulo, con un punto de potencial entre el interruptor semiconductor de potencia y el diodo del primer circuito en serie. Dichos modulos de frenado pueden transformar de manera regulada la energfa almacenada en la red y que debe disiparse en la conmutacion, en energfa termica y evacuarla a la atmosfera exterior.
Conforme a la invencion, los medios de conmutacion conforman un circuito en serie de submodulos bipolares; en donde cada submodulo dispone de un acumulador de energfa y de un circuito semiconductor de potencia conectado en paralelo al acumulador de energfa Con ayuda del circuito semiconductor de potencia se puede ajustar la tension de los submodulos bipolares, que se presenta en los bornes de conexion de submodulo. O bien, se lleva la tension que se presenta en el acumulador de energfa a los bornes de conexion de submodulo o bien una tension nula, o sea nada de tension. A causa del circuito en serie, la tension presente en todo el circuito en serie de los submodulos de los medios de conmutacion, se puede entonces ajustar gradualmente; en donde la amplitud de los niveles se corresponde con la tension presente en el acumulador de energfa de un modulo.
Como ya se describio en relacion a los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia, la conformacion del circuito semiconductor de potencia de los medios de conmutacion puede ser un circuito de semipuente o de puente completo. Si el circuito semiconductor de potencia es un circuito de semipuente, entonces esta proporcionado solamente un circuito en paralelo de dos interruptores semiconductores de potencia desconectables, cada uno con un diodo libre en paralelo en sentido contrario; en donde un primer borne de conexion de submodulo esta conectado con un punto de potencial entre los interruptores semiconductores de potencia desconectables; y otro borne de conexion de submodulo esta conectado con un polo del acumulador de energfa. Los submodulos de los medios de conmutacion, realizados como un circuito de semipuente, deben estar orientados de modo que en el trayecto de corriente de servicio se pueda generar una contratension con una polaridad deseada. Esto resulta ser el caso cuando los circuitos de semipuente de los medios de conmutacion estan orientados en oposicion a los circuitos de semipuente de los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia.
No obstante, el circuito semiconductor de potencia de los submodulos de los medios de conmutacion esta realizado conjuntamente con el acumulador de energfa como un circuito de puente completo; en donde, como ya ha sido descrito anteriormente, estan proporcionados dos circuitos en serie. Los dos circuitos en serie estan conectados en paralelo al acumulador de energfa y presentan respectivamente dos interruptores semiconductores de potencia que se pueden conectar y desconectar, cada uno con un diodo libre en paralelo en sentido contrario. En lugar de interruptores semiconductores de potencia con diodos libres, tambien se pueden implementar interruptores semiconductores de potencia de conduccion inversa. El punto de potencial entre ambos interruptores semiconductores de potencia esta respectivamente conectado con un borne de conexion de submodulo, de modo que en los bornes de conexion de submodulo se puede generar o bien la tension que se presenta en el acumulador de energfa, una tension nula, o sino la tension inversa del acumulador de energfa. El circuito de puente completo puede entonces generar tensiones que presentan diferentes polaridades. Estas resultan particularmente ventajosas cuando se deben generar contratensiones para corrientes en ambas direcciones. Los submodulos de los medios de conmutacion se pueden implementar tambien para desconectar o limitar la corriente que debe ser conmutada. Esto resulta por ejemplo conveniente cuando tanto los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia, como tambien los submodulos de los medios de conmutacion, estan realizados como puentes completos; en donde los medios de conmutacion entonces tambien estan provistos de descargadores, varistores u otras resistencias no
lineales. De manera conveniente, los submodulos de la unidad de conmutacion de potencia no se diferencian de los submodulos de los medios de conmutacion. Esta identidad comprende tambien la conexion de los descargadores o varistores.
Como acumulador de energia de los submodulos, tanto de los medios de conmutacion asi como tambien de la unidad de conmutacion de potencia, esta proporcionado, por ejemplo, un condensador.
De manera conveniente, esta proporcionado un ramal de carga, el cual esta conectado o bien con un potencial de tierra, o sino con un polo opuesto. El polo opuesto esta polarizado de manera opuesta al polo, con el cual el dispositivo conforme a la invencion esta conectado al menos en uno de sus bornes de conexion. El ramal de carga dispone de un interruptor, el cual esta conectado galvanicamente con uno de sus contactos con un punto de potencial entre la unidad de conmutacion de potencia y los medios de conmutacion. Si el interruptor se acciona, entonces el ramal de carga se conecta al ramal de desconexion, de modo que una corriente de carga puede fluir tanto a traves de los medios de conmutacion como tambien a traves de la unidad de conmutacion de potencia hacia la tierra, o bien, hacia el polo opuesto. De esta manera, se cargan los acumuladores de energia de los submodulos. Ademas, en los interruptores semiconductores de potencia se presenta una tension, la cual se puede utilizar para el abastecimiento de energia de la electronica de los submodulos. De manera conveniente, el ramal de carga se puede conectar con el punto de potencial entre la unidad de conmutacion de potencia y los medios de conmutacion. Ademas, se pueden proporcionar tambien varios ramales de carga.
Otros acondicionamientos y ventajas convenientes de la invencion son objeto de la descripcion a continuacion, en relacion con las figuras de los dibujos, en donde los mismos simbolos de referencia indican componentes de igual funcion, y donde:
la figura 1 muestra un ejemplo de ejecucion de un interruptor de tension continua y
las figuras 2 a 5, posibles acondicionamientos de los submodulos para un interruptor de tension continua conforme a la figura 1.
La figura 1 muestra esquematicamente un ejemplo de ejecucion de un dispositivo 1 conforme a la invencion, el cual tambien se puede denominar como un interruptor de tension continua. El interruptor de tension continua 1 mostrado alli, presenta un trayecto de corriente de servicio 2, asi como un ramal de desconexion 3; en donde en el trayecto de corriente de servicio 2 esta dispuesto un interruptor mecanico 4, el cual esta puenteado por el ramal de desconexion 3. El trayecto de corriente de servicio 2 se extiende entre un primer borne de conexion 21 y un segundo borne de conexion 22. En el ramal de desconexion 3 estan dispuestos en serie unos con otros, una unidad de conmutacion 5, asi como medios de conmutacion 6. Ademas, esta proporcionado un ramal de carga 7, el cual presenta un interruptor mecanico 8, asi como una resistencia ohmica 9, y el cual conecta el ramal de desconexion 3 con un potencial de tierra, cuando el interruptor 8 esta cerrado. Si el interruptor esta cerrado, el ramal de carga 7 esta conectado con el punto de potencial entre la unidad de conmutacion 5 y los medios de conmutacion 6.
La unidad de conmutacion 5, asi como los medios de conmutacion 6, presentan respectivamente un circuito en serie de submodulos 10 bipolares. La cantidad de submodulos 10 en la unidad de conmutacion 5 depende de la tension que se debe conmutar. La cantidad de submodulos 10 en los medios de conmutacion 6, determina la tension continua que se puede generar en una malla, la cual esta compuesta del ramal de desconexion 3 y de la seccion del trayecto de corriente de servicio 2 puenteada por el ramal de desconexion 3. La contratension empuja una corriente circular en la mencionada malla, la cual circula en el trayecto de corriente de servicio que es opuesto a la corriente que debe ser conmutada. De manera conveniente, dichas corrientes se eliminan mutuamente en el interruptor mecanico.
En las figuras 2, 3, 4 y 5 estan representados ejemplos de posibles submodulos 10 para el interruptor de tension continua conforme a la figura 1. En el caso mas sencillo conforme a la figura 2, un submodulo 10 se trata de un interruptor semiconductor de potencia 11 que se puede conectar y desconectar, al cual esta conectado en paralelo en sentido contrario un diodo libre 12. A cada interruptor semiconductor de potencia 11, ademas, esta conectado en paralelo un descargador 13. Los submodulos segun la figura 2 no se pueden considerar para los medios de conmutacion 6, ya que los mismos no pueden generar tension continua en la malla mencionada. Para ello, resultan sin embargo apropiados submodulos 10, que comprenden, cada uno, un acumulador de energia 14, por ejemplo en forma de un condensador. En el caso de un submodulo segun la figura 3, al condensador o al acumulador de energia 14, esta conectado en paralelo un circuito en serie 15 compuesto de dos interruptores semiconductores de potencia 11, cada uno con un diodo libre 12 paralelo en sentido contrario. Un primer borne de conexion de submodulo 16 esta conectado con el punto de potencial entre los interruptores semiconductores de potencia 11 del circuito en serie 15. El otro borne de conexion de submodulo 17 se ubica por el contrario en un polo del condensador 14 unipolar. Por ello, dependiendo del control de los interruptores semiconductores de potencia 11, entre los bornes de conexion 16 y 17 se puede generar o bien la tension del condensador Uc que se presenta en el condensador, o sino una tension nula. Para que el fallo de un unico submodulo no implique el fallo de todo el interruptor de tension
continua 1, cada submodulo 10 se puede puentear mediante un interruptor 18 rapido mecanico o electronico. Ademas, un diodo 19 o un tiristor tiene la funcion de dirigir altas corrientes de cortocircuito entre los bornes de conexion 16 y 17. Si el submodulo 10 es parte de la unidad de conmutacion de potencia 5, resulta conveniente conectar en paralelo al condensador 14 un descargador 13, tal como esta representado de manera figurativa en la figura 1. Un descargador 12 de este tipo no es obligatoriamente necesario para los submodulos 10 de los medios de conmutacion 6. Los mismos sirven solamente para generar una corriente circular que fluye a traves del interruptor mecanico 4, y con ello para generar un punto cero de corriente en el interruptor mecanico 4. No resulta necesario disipar mediante los medios de conmutacion la energia electromagnetica que esta almacenada en la red. Sin embargo, los submodulos de los medios de conmutacion se pueden implementar tambien para conmutar o limitar una corriente. En estos casos, los mismos presentan tambien un descargador u otro tipo de resistencia no lineal conectada en paralelo al submodulo.
Los semipuentes segun la figura 3, pueden interrumpir un flujo de corriente solo en una direccion. Un flujo de corriente desde el segundo borne de conexion de submodulo 17, representado en la figura 3, hacia el primer borne de conexion de submodulo 16, se dirigiria mediante el diodo libre 12 no controlado dispuesto entre dichos bornes. Por ello, no resulta posible un control de la corriente.
Una influencia sobre ambas direcciones de corriente puede conseguirse, sin embargo, con un circuito de puente completo conforme a la figura 4. En la figura 4 esta ilustrado un submodulo 10 que representa un circuito de puente completo. Al condensador 14 estan conectados en paralelo dos circuitos en serie 15 y 20. Cada circuito en serie 15, 20 presenta dos interruptores semiconductores de potencia 11 que se pueden conectar y desconectar, con un diodo libre 12 en sentido contrario. Los bornes de conexion de submodulo 16, 17 estan respectivamente conectados con un punto de potencial entre los interruptores semiconductores de potencia 11. Si los puentes completos de los medios de conmutacion presentan un descargador, entonces, los mismos se pueden considerar tambien parte de la unidad de conmutacion.
Para conectar una red de tension continua, primero se conecta el borne de conexion 3 del interruptor de tension continua 1 con la seccion de red de tension continua que se debe conectar. El interruptor 4 esta abierto en el trayecto de corriente de servicio 4. A continuacion, el interruptor de tension continua 1 se prepara para funcionar a traves del ramal de carga 7, porque el interruptor 8 se cierra y el ramal de descarga 3 se conecta entonces a traves de la resistencia ohmica 9 con el potencial de tierra. En el caso de submodulos 10 conforme a la figura 3 o 4, tras la aplicacion de una tension continua en los bornes de conexion 22, que se conecta para ello con un polo de una fuente de tension continua, se pueden ahora cargar los condensadores 14 de los submodulos 10. Ahora, tambien esta preparada para funcionar la electronica de control de los interruptores semiconductores de potencia 11, la cual se alimenta a partir de la tension que se presenta en los interruptores semiconductores de potencia 11 que se pueden desconectar.
Si la unidad de conmutacion de potencia 5 esta preparada para funcionar, el interruptor 8 del ramal de carga 7 se puede abrir y con un apropiado control de los interruptores semiconductores de potencia 11 de la unidad de conmutacion de potencia 5, conectar de manera controlada a la seccion de red de tension continua conectada con el segundo borne de conexion 22; en donde la tension se eleva en forma de rampa. Esto resulta sin embargo posible sin complicaciones cuando los submodulos 10 de los medios de conmutacion 6 conforman, segun la figura 3, circuitos de semipuente. En el caso de circuitos de puente completo, conforme a la figura 4, los mismos deber ser o bien puenteados o sino los submodulos 10 tienen que prepararse primero para funcionar, para conducir a continuacion a los interruptores semiconductores de potencia 11 a su posicion de paso. Para ello, se deberia por ejemplo, conectar el ramal de carga con el punto de potencial entre los medios de conmutacion 6 y el borne 22. Para ello, se podrian utilizar convenientes interruptores. No obstante, en esta posicion esta proporcionado un segundo ramal de carga.
La figura 5 muestra otro ejemplo de ejecucion de un submodulo 10 para una unidad de conmutacion de potencia 5, el cual aqui tambien se puede denominar modulo frenado. El submodulo 10 presenta nuevamente dos circuitos en serie 15, 20. El primer circuito en serie 15 esta compuesto de un semiconductor de potencia que se puede conectar y desconectar, IGBT, con diodo libre 12 paralelo en sentido contrario. En serie al IGBT esta conectado un diodo 23. El diodo 23 esta en sentido contrario con respecto al mencionado IGBT y por ello esta orientado en el mismo sentido que su diodo libre. Ademas, esta proporcionado un segundo circuito en serie 20, el cual tambien esta conectado en paralelo al acumulador de energia 14. El segundo circuito en serie tambien presenta un IGBT 11 con diodo libre 12 paralelo en sentido contrario, asi como un diodo 24 conectado alli en paralelo. El IGBT 11 y el diodo 24 estan orientados entre si en sentido opuesto; en donde al diodo 24 esta conectada en paralelo una resistencia ohmica 25. El primer borne de conexion de submodulo 16 esta conectado con el punto de potencial entre el diodo 23 y el IGBT. El segundo borne de conexion de submodulo 17 esta conectado con un polo del acumulador de energia 14.
El interruptor de tension continua 1 esta ahora preparado para funcionar. Durante el funcionamiento del interruptor de tension continua, el interruptor 8 se puede abrir o sino tambien permanecer cerrado. Esto depende de la intensidad de la resistencia ohmica 9 y de las perdidas que puedan surgir por la misma. En cualquier caso, el interruptor mecanico 9 se puede tratar de un interruptor mecanico lento.
En la descripcion de un proceso de desconexion se parte ahora de que la unidad de conmutacion de potencia 5 esta compuesta de un circuito en serie de submodulos 10, segun la figura 4, o sea de circuitos de puente completo. Esto vale correspondientemente para los submodulos 10 de los medios de conmutacion 6. En la posicion de funcionamiento, el interruptor mecanico 4 esta cerrado en el trayecto de corriente de servicio 2. Tambien los interruptores semiconductores de potencia 11 de los submodulos 10 de la unidad de conmutacion de potencia 5 y de los medios de conmutacion se encuentran en su posicion de paso. En este estado de conmutacion de los submodulos 10 tambien resulta posible, en esencia, un flujo de corriente a traves del ramal de desconexion 3. Pero, a causa de la mayor resistencia electrica del ramal de desconexion 3, comparativamente con el trayecto de servicio 2, la corriente de servicio fluye casi exclusivamente y sin perdidas a traves del trayecto de corriente de servicio 2. Un sensor de medicion de corriente 26 dispuesto en el trayecto de corriente de servicio 2 detecta la corriente de servicio que fluye a traves del trayecto de corriente de servicio 2, obteniendo valores de medicion de corriente. El mencionado sensor de medicion de corriente 26 esta conectado con una unidad de regulacion 27 del interruptor de tension continua 1, con el cual resulta posible un control o regulacion de los interruptores semiconductores de potencia 11 de los submodulos 10. La unidad de regulacion 27 monitorea los valores de medicion de corriente enviados por el sensor de medicion de corriente en busca de la presencia de un criterio de error. Un criterio de error de este tipo, es por ejemplo un rapido incremento de corriente inusual, o se presenta cuando la corriente tambien excede un valor umbral de corriente durante un periodo de tiempo predeterminado. Si se presenta un criterio de error de este tipo, los medios de conmutacion 6 inducen una tension continua en la malla compuesta del ramal de desconexion 3 y la seccion de trayecto de corriente de servicio puenteada. Dependiendo del tipo de criterio de error establecido, la tension continua se ajusta de tal modo que durante un periodo de tiempo preestablecido por la topologia de los medios de conmutacion, en la mencionada malla se ajusta una corriente circular orientada en sentido contrario a la corriente de cortocircuito. La corriente de cortocircuito y la corriente circular contraria se adicionan hasta casi cero. En este caso, el interruptor mecanico 4 puede abrir casi sin corriente, sin que en la separacion de sus contactos se provoque un arco voltaico indeseado. Dicho arco voltaico, podria provocar un gran dano en el interruptor de tension continua 1. Particularmente despues de la apertura del interruptor mecanico 4, la corriente fluye a traves del ramal de desconexion 3 dispuesto en paralelo al interruptor. Cuando el interruptor ya esta abierto, los submodulos 10 de la unidad de conmutacion 5 y de los medios de conmutacion pueden llevarse a su posicion de seccionamiento, de modo que el flujo de corriente se interrumpe completamente mediante a traves del dispositivo 1. La energia de conmutacion que se libera aqui, se disipa por medio de los descargadores 13, los cuales despues de que se excede una tension limite, se comportan como una resistencia ohmica, y los cuales, a causa de la corriente que fluye a traves de ellos, se calientan, y de esta manera descargan termicamente al ambiente exterior la energia almacenada en la red. Para concluir, debe indicarse que tambien pueden estar proporcionados otros sensores de medicion de corriente 26 o sensores de tension, con los cuales se refuerce la regulacion del dispositivo. Ademas, los medios de conmutacion tambien pueden presentar descargadores, los cuales esten conectados en paralelo a los submodulos.
Es importante reiterar que en el caso de que el interruptor 4 este abierto, solo una parte de los submodulos puede llevarse a su posicion de bloqueo. En el caso de submodulos bloqueados, a partir de una cierta tension limite, la corriente fluye a traves del descargador conectado respectivamente en paralelo. En el caso de puentes completos, el descargador esta conectado en paralelo, por ejemplo, al acumulador de energia y de este modo al condensador. Si la tension que se presenta en el condensador excede la tension limite del descargador, el mismo se comporta como una resistencia ohmica, de modo que se obtiene una limitacion de la corriente. Mientras mas submodulos sean llevados a su posicion de bloqueo, mayor sera la resistencia y mayor sera la limitacion.
Claims (15)
1. Dispositivo (1) para conmutar corrientes continuas en un polo de una red de tension continua, que comprende:
- dos bornes de conexion (21, 22), entre los cuales se extiende un trayecto de corriente de servicio (2) con un interruptor (4) mecanico;
- el cual se puede puentear mediante un ramal de desconexion (3);
- en donde estan proporcionados medios de conmutacion (6) para conmutar la corriente del trayecto de corriente de servicio (2) en el ramal de desconexion (3);
- en donde los medios de conmutacion (6) estan dispuestos en el ramal de desconexion (3) y estan configurados para generar una corriente circular que circula a traves de la seccion puenteada del trayecto de corriente de servicio (2) y el ramal de desconexion (3); dicha corriente circular es opuesta a la corriente continua que debe ser conmutada;
caracterizado porque
en el ramal de desconexion (3) esta dispuesta una unidad de conmutacion de potencia (5) para limitar o para interrumpir completamente la corriente continua, la cual presenta un circuito en serie de submodulos (10) bipolares con al menos un interruptor semiconductor de potencia (11) que se puede conectar o desconectar; y porque los medios de conmutacion (6) conforman un circuito en serie de submodulos (10) bipolares; en donde cada submodulo (10) de los medios de conmutacion dispone de un acumulador de energia (14) y de un circuito semiconductor de potencia conectado en paralelo al acumulador de energia (14).
2. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 1, caracterizado porque los submodulos (10) de la unidad de conmutacion de potencia presentan cada uno al menos parcialmente un interruptor semiconductor de potencia (11) que se puede conectar o desconectar, y un diodo libre (12) conectado alli de manera paralela en sentido opuesto.
3. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado porque los submodulos (10) de la unidad de conmutacion de potencia (5) conforman dos grupos, cada uno con una direccion de conduccion orientada identicamente de sus interruptores semiconductores de potencia (11); en donde los interruptores semiconductores de potencia (11) de un grupo estan orientados en oposicion a los interruptores semiconductores de potencia (11) del otro grupo.
4. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque los submodulos (10) de la unidad de conmutacion de potencia (5) presentan cada uno, al menos parcialmente, un acumulador de energia (14) y un circuito en serie (15), conectado en paralelo al acumulador de energia (14), compuesto de dos interruptores semiconductores de potencia (11) que se pueden conectar y desconectar, con diodos libres (12) dispuestos alli paralelamente en sentido opuesto; en donde un borne de conexion de submodulo (16) esta conectado con un punto potencial entre los interruptores semiconductores de potencia (11) que se pueden conectar y desconectar; y el otro borne de conexion de submodulo (17) esta conectado con un polo del acumulador de energia (14).
5. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque los submodulos (10) de la unidad de conmutacion de potencia (5) presentan, al menos parcialmente, un acumulador de energia (14) y dos circuitos en serie (15,20), conectados en paralelo al acumulador de energia (14), cada uno con dos interruptores semiconductores de potencia (11) que se pueden conectar y desconectar, con diodos libres (12) paralelos en sentido opuesto; en donde un primer borne de conexion de submodulo (16) esta conectado con un punto potencial entre los dos interruptores semiconductores de potencia (11) del primer circuito en serie (15); y un segundo borne de conexion de submodulo (17) esta conectado con el punto potencial entre los dos interruptores semiconductores de potencia (11) del segundo circuito en serie (20).
6. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la unidad de conmutacion de potencia (5) comprende varistores y/o descargadores (13) conectados en paralelo al menos a un submodulo (10).
7. Dispositivo (1) segun la reivindicacion 6, caracterizado porque los varistores y/o los descargadores (13), al menos parcialmente, estan conectados en paralelo al acumulador de energia (14).
8. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque los submodulos (10) de la unidad de conmutacion de potencia (5) estan realizados al menos parcialmente como modulos de frenado y presentan un acumulador de energia (14), al cual estan conectados en paralelo un primer circuito en serie (15) de un
interruptor semiconductor de potencia (11) desconectable, con un diodo libre paralelo en sentido contrario, y de un diodo orientado en el mismo sentido que el diodo libre; y un segundo circuito en serie de un interruptor semiconductor de potencia desconectable, con un diodo libre paralelo en sentido contrario, y de otro diodo orientado en el mismo sentido que el diodo libre; en donde el diodo del segundo circuito en serie puentea una resistencia ohmica; el primer borne de conexion de submodulo esta conectado con un polo del acumulador de energia; y el segundo borne de conexion de modulo esta conectado con un punto de potencial entre el interruptor semiconductor de potencia desconectable y el diodo del primer circuito en serie.
9. Dispositivo (1) segun una de la reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el circuito semiconductor de potencia conforma un circuito en paralelo (15) de dos interruptores semiconductores de potencia (11) desconectables, cada uno con un diodo libre (12) paralelo en sentido contrario; en donde un primer borne de conexion de submodulo (16) esta conectado con un punto de potencial entre los interruptores semiconductores de potencia (11) desconectables; y otro borne de conexion de submodulo (17) esta conectado con un polo del acumulador de energia (14).
10. Dispositivo (1) segun una de la reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el circuito semiconductor de potencia conforma dos circuitos en serie (15, 20), cada uno de dos interruptores semiconductores de potencia (11) que se pueden conectar y desconectar, cada uno con diodos libres (12) paralelos en sentido opuesto; en donde el punto de potencial entre los interruptores semiconductores de potencia (11) que se pueden conectar y desconectar, del primer circuito en serie (15) esta conectado con el primer borne de conexion de submodulo (16); y punto de potencial entre los interruptores semiconductores de potencia (11) que se pueden conectar y desconectar, del segundo circuito en serie (20) esta conectado con el segundo borne de conexion de submodulo (17).
11. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado por un ramal de carga (7) conectado con un potencial de tierra o con un polo opuesto, polarizado de manera opuesta al polo.
12. Dispositivo (1) segun una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque en el ramal de carga (7) se encuentra dispuesta una resistencia ohmica (9).
13. Procedimiento para conmutar corrientes continuas en un polo de una red de tension continua, que comprende dos bornes de conexion (21, 22), entre los cuales se extiende un trayecto de corriente de servicio (2) con un interruptor (4) mecanico, el cual se puede puentear mediante un ramal de desconexion (3); en donde en el ramal de desconexion (3) esta dispuesta una unidad de conmutacion de potencia (5) para limitar o para interrumpir completamente la corriente continua, la cual presenta un circuito en serie de submodulos (10) bipolares con al menos un interruptor semiconductor de potencia (11) que se puede conectar o desconectar; en donde los medios de conmutacion (6) dispuestos en el ramal de desconexion (3) estan configurados para generar una corriente circular que fluye a traves de la seccion puenteada del trayecto de corriente de servicio (2); en donde los medios de conmutacion (6) conforman un circuito en serie de submodulos (10) bipolares; y en donde cada submodulo (10) de los medios de conmutacion dispone de un acumulador de energia (14) y de un circuito semiconductor de potencia conectado en paralelo al acumulador de energia (14); en el cual:
- un sensor de corriente detecta el flujo de corriente en el trayecto de corriente de servicio, obteniendo valores de medicion de corriente;
- una unidad de control conectada con el sensor de corriente monitorea los valores de medicion de corriente en base a la presencia de un criterio de intervencion; y
- ante la presencia del criterio de intervencion activa los medios de conmutacion (6) de modo que se genera una corriente circular de tal intensidad que el flujo de corriente se limita, mediante el interruptor (4) mecanico, a una corriente maxima;
- a continuacion el interruptor (4) mecanico se abre y
- mediante la unidad de conmutacion de potencia (5) la corriente se limita o se interrumpe completamente en el ramal de desconexion (3).
14. Procedimiento segun la reivindicacion 13, caracterizado porque el flujo de corriente se limita a una corriente maxima de aproximadamente cero y a continuacion se abre el interruptor (4) mecanico.
15. Procedimiento segun la reivindicacion 13 o 14, caracterizado porque el interruptor (4) mecanico se abre y la corriente que circula a traves del ramal de desconexion (3) se limita durante un periodo de tiempo predeterminado, a una corriente de fuga maxima preestablecida.
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