ES2894235T3 - Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía. - Google Patents

Abstract

Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía (101) para un convertidor de circuito intermedio de tensión, que comprende un devanado primario (102, 110) con dos conexiones eléctricas (116, 118) y un devanado secundario (106) acoplado magnéticamente con el devanado primario, en el que el devanado secundario está en cortocircuito, caracterizado por que el devanado primario y el devanado secundario están conectados eléctricamente en puntos, mediante lo cual el cortocircuito eléctrico para el devanado secundario se realiza a través del devanado primario, y el devanado primario y el devanado secundario están fijados con un conjunto tensor.

Description

DESCRIPCIÓN

Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía

La invención se refiere a un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía para un convertidor de circuito intermedio de tensión. Se refiere también a un módulo de convertidor controlado por tensión y a un convertidor. Los convertidores con módulos de convertidor del tipo mencionado se utilizan principalmente hoy en día en la transmisión de corriente continua de alta tensión (TCCAT), que sirve en particular para la transmisión de energía por medio de corriente continua a lo largo de largas distancias, por regla general distancias de alrededor de 750 km hacia arriba. Esto requiere un esfuerzo técnico relativamente alto para convertidores costosos, aptos para alta tensión, dado que la energía eléctrica en las centrales eléctricas casi siempre se genera mediante generadores síncronos como corriente alterna trifásica con una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz. No obstante, a partir de determinadas distancias, a pesar del esfuerzo técnico y de las pérdidas de convertidor adicionales, la TCCAT lleva a pérdidas de transmisión totales más bajas que la transmisión con corriente alterna trifásica.

Para este propósito, se conoce usar convertidores que comprenden una pluralidad de módulos de convertidor controlados por tensión conectados en una serie: (en inglés: Voltage-Source Converter, abreviado VSC) (los denominados convertidores multinivel). Por un módulo de VSC se entiende un módulo que comprende un acumulador de carga a modo de condensador, pudiendo variar el valor de tensión en las conexiones del módulo con una tensión de control mediante el control correspondiente de conmutadores de semiconductores igualmente contenidos en el módulo. Con una serie de estos módulos de VSC es posible generar curvas de tensión escalonadas, cuya altura de paso corresponde a la tensión nominal de uno de los módulos de VSC, que finalmente forman la conexión entre los lados de corriente alterna y corriente continua.

El uso de módulos de VSC en lugar de los convertidores conmutados por la red que eran habituales hasta ahora (en inglés: Linecommutated Converter, abreviado LCC) ofrece muchas ventajas, véase G. Gemmell, J. Dorn, D Retzmann, D. Soerangr, "Prospects of Multilevel VSC Technologies for Power Transmission", en IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition, Chicago, Estados Unidos, abril de 2008.

Sin embargo, ha demostrado ser problemático que los acumuladores de carga grandes usados en los módulos de VSC sean difíciles de controlar en caso de fallo (por ejemplo, fallo de conmutación de un conmutador de semiconductores), dado que en este sentido, sin medidas de seguridad adicionales, la energía se libera de manera descontrolada y abrupta. En este sentido, sin medidas de protección, pueden aparecer amplitudes de corriente superiores a 1 MA. En caso de fallo, los componentes eléctricos del circuito eléctrico generalmente no pueden absorber o controlar tales energías. Esto puede provocar una explosión de los elementos constructivos de semiconductor, formación de arco, flexión y desgarro de las barras colectoras así como la emisión de fuertes campos de interferencia.

Por lo tanto, para evitar los efectos descritos anteriormente en caso de fallo, se intenta limitar la alta sobrecorriente momentánea que se produce entonces mediante elementos de conmutación correspondientes. Hasta ahora se han utilizado las denominadas combinaciones de RL (resistencia óhmica (R) e inductancia (L) en conexión en paralelo), circuitos intermedios desacoplados (resistencia óhmica e inductancia en conexión en serie) o fusibles rápidos. Si no se utilizan medidas de limitación de corriente, se genera un esfuerzo adicional considerable para poder controlar los efectos mecánicos y electromagnéticos que se producen en caso de fallo.

Si se pueden generar sobrecorrientes momentáneas relativamente altas en caso de fallo, los componentes eléctricos necesarios para limitarlas, tales como resistencia (R) o inductancia (L), se diseñarán para ser muy macizos, de modo que no se dañen permanentemente por las fuerzas de la corriente magnética durante el caso de fallo. Para controlar cortocircuitos en circuitos intermedios de alta energía (40-400 kJ) en el caso de tensiones en caso de fallo superiores a 2 kV, no hay resistencias disponibles comercialmente disponibles para combinaciones de RL en paralelo que puedan soportar las cargas que aparecen. El diseño mecánico de una combinación de RL en paralelo consume mucho material y a gran escala, también en lo que respecta a la reutilización. El bucle conductor agrandado resultante introduce inductancia de fuga adicional en el circuito intermedio. En el caso de combinaciones de RL en serie, el efecto protector en el intervalo de alta potencia es demasiado pequeño o los efectos negativos de la alta inductancia sobre la conmutación que tiene lugar en el funcionamiento normal se vuelven demasiado graves. De hecho, los fusibles rápidos son adecuados para las condiciones marginales dadas para limitar las sobrecorriente momentáneas, pero bajo ciertas circunstancias requieren enfriamiento en ambos lados y son relativamente costosos. Se conoce un limitador de corriente de fallo inductivo por el documento de patente DE 102012218 260 B3, que comprende una disposición de bobina primaria normalmente conductora con una pluralidad de espiras y una disposición de bobina secundaria superconductora, en cortocircuito, estando dispuestas la disposición de bobina primaria y la disposición de bobina secundaria al menos esencialmente coaxialmente entre sí.

La solicitud de patente europea EP 0724274 A2 divulga un limitador de corriente de fallo inductivo superconductor: Este limitador de corriente de fallo presenta un núcleo de hierro con un devanado primario y un devanado secundario superconductor en cortocircuito.

La publicación para información de solicitud de patente alemana DE 102012202513 A1 divulga un dispositivo para limitar la corriente en una línea eléctrica, comprendiendo el dispositivo una bobina primaria conectada en serie con la línea eléctrica y un equipo superconductor acoplado inductivamente con la bobina primaria. A este respecto, el equipo superconductor presenta una primera sección y una segunda sección, estando puenteada la segunda sección por un elemento de cortocircuito normalmente conductor conectado en paralelo al mismo.

Un convertidor multinivel modular se conoce por el documento WO 2015/155112 A1.

El objetivo de la invención es facilitar un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía del tipo mencionado al principio que en un módulo de convertidor, por un lado, permite una limitación fiable de la sobrecorriente momentánea en caso de fallo, incluso a energías altas y extremadamente altas, pero, por otro lado, tiene una influencia relativamente baja sobre la actividad de conmutación del módulo de convertidor en funcionamiento normal.

Este objetivo se consigue de acuerdo con la invención mediante un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según la reivindicación 1. A este respecto, el limitador de sobrecorriente momentánea comprende un devanado primario con dos conexiones eléctricas y un devanado secundario acoplado magnéticamente con el devanado primario, estando el devanado secundario en cortocircuito.

La invención se basa a este respecto en la consideración de que para aumentar adicionalmente las posibles energías a las que se puede limitar la sobrecorriente momentánea de manera fiable, no parece suficiente un perfeccionamiento o una mejora de la tecnología anterior, en particular de las combinaciones de RL. En cambio, se prescindiría de la combinación conocida de elementos discretos (resistencia óhmica e inductancia) y se favorecería una variante que se asemejara a un transformador en cortocircuito en el lado secundario. Por lo tanto, tal como se hizo anteriormente, se puede hablar de un devanado primario, dado que el componente óhmico real se implementa a través de un devanado secundario en cortocircuito. El lado primario del transformador es un componente activo del circuito de conmutación del módulo de convertidor, es decir, el lado primario está en serie con el acumulador de energía (condensador) y los conmutadores de semiconductores. En caso de fallo, el devanado primario transforma la tensión absorbida debido al fuerte aumento de corriente en el devanado secundario, que a este respecto convierte una parte de la energía eléctrica almacenada en calor debido a su resistencia óhmica. El componente inductivo del devanado primario limita la velocidad de aumento de corriente y absorbe una parte adicional de la energía en el campo, que se convierte en calor en la resistencia del devanado secundario durante la desmagnetización posterior. A este respecto, la contratensión que se produce a través del limitador de sobrecorriente momentánea limita la amplitud de la corriente de cortocircuito.

La frecuencia de la corriente de cortocircuito también se reduce por la mayor inductancia efectiva en caso de cortocircuito. De este modo se reduce la emisión de campos magnéticos de alta frecuencia que podrían interferir con los grupos constructivos adyacentes.

En ensayos experimentales, aproximadamente el 90 % de la energía total convertida en el limitador de sobrecorriente momentánea podría disiparse en el devanado secundario. A este respecto, era posible disipar disipativamente hasta el 80 % de la energía almacenada en el circuito intermedio en el limitador de sobrecorriente momentánea.

En funcionamiento normal, la resistencia toma la corriente de carga a través del acoplamiento magnético durante la conmutación hasta que el campo se magnetiza. El devanado secundario limita eficazmente la caída de tensión inductiva por lo demás muy alta a través de su inductancia mutua. Una vez que el proceso de conmutación ha disminuido o después de que el campo se ha magnetizado, la corriente de carga solo fluye a través del devanado primario.

Al apagar, el campo se magnetiza en el devanado secundario, lo que reduce en gran medida el pico de sobretensión inductiva. La energía se convierte disipativamente en el devanado secundario con cada proceso de conmutación. El devanado secundario se enfría en un área grande a través del devanado primario.

En caso de cortocircuito, el devanado primario transforma la tensión absorbida por el fuerte aumento de corriente en el devanado secundario, que convierte a este respecto en calor parte de la energía eléctrica almacenada en el circuito intermedio. Al aplicar corriente continua, solo aparecen las pérdidas de cobre del devanado primario.

Ventajosamente, en el limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía, el devanado primario y el devanado secundario están configurados esencialmente en forma de camisa de cilindro y están dispuestos ventajosamente uno dentro del otro, es decir, los devanados primario y secundario están dispuestos a la misma altura axial y uno de los dos devanados presenta un radio más pequeño de modo que se dispone dentro del otro devanado. Esto ofrece la ventaja de una inductancia de fuga relativamente muy pequeña, dado que los devanados primario y secundario están muy próximos entre sí, y se hace posible una estructura técnica simple dado que se pueden usar barras colectoras que están esencialmente dobladas para formar una camisa de cilindro. A este respecto, no hay necesariamente una capa de aislamiento continua entre los devanados primario y secundario. A la hora de seleccionar y dimensionar los materiales se debe tener en cuenta la carga térmica que se produce en caso de fallo. El devanado primario y el devanado secundario están conectados eléctricamente en puntos. Como resultado, el cortocircuito eléctrico para el devanado secundario se implementa a través del devanado primario.

Además, una capa de aislamiento está dispuesta ventajosamente en cada caso entre espiras paralelas del devanado primario y/o secundario.

En el limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía, los devanados primario y secundario están fijados con un conjunto tensor. Esto actúa en la dirección radial y mantiene las capas juntas con arrastre de fuerza de forma plana. La presión superficial de dicho conjunto tensor contrarresta las fuerzas en caso de fallo, sin que, a este respecto, el limitador de sobrecorriente momentánea se deforme permanentemente o incluso se destruya. Se puede utilizar un efecto de apoyo mecánico mutuo, dado que las direcciones de fuerza en los devanados primario y secundario pueden ser opuestas en relación con el tiempo.

Ventajosamente, las conexiones eléctricas del limitador de sobrecorriente momentánea están dispuestas a este respecto en el conjunto tensor.

Además, los devanados primario y secundario están ventajosamente estabilizados mecánicamente mediante una estructura de apoyo. El limitador de sobrecorriente momentánea se puede realizar con una capa o con varias capas, es decir, se puede componer de varios devanados primarios y secundarios que se superponen localmente y se pueden conectar eléctricamente entre sí. Dependiendo de la realización, también es necesario a este respecto prever adicionalmente una construcción de apoyo que pueda absorber y disipar las fuerzas magnéticas que actúan sobre los devanados.

En una configuración especialmente ventajosa, el devanado primario comprende dos espiras y el devanado secundario una espira, que está dispuesta entre las dos espiras del devanado primario y está en cortocircuito a través del devanado primario. En otras palabras: El devanado secundario está aislado entre los devanados primarios, y el circuito cerrado del devanado secundario está asegurado por un corto contacto superpuesto a través del devanado primario. Esto conduce a una estructura mecánicamente especialmente hábil, que se puede usar especialmente bien para las cargas elevadas y, al mismo tiempo, es muy poco inductiva, sin que sea necesario utilizar componentes discretos.

En una primera configuración ventajosa, el devanado primario está realizado en una sola pieza, es decir, las dos espiras están formadas en una sola pieza en una barra colectora que se enrolla dos veces en forma de espiral. Esto evita arcos, que posiblemente podrían aparecer en una fabricación de varias piezas.

En una configuración ventajosa alternativa, las dos espiras del devanado primario están formadas como partes separadas y se tocan entre sí en una zona de solapamiento. Tal disposición da como resultado una construcción técnica sencilla, dado que los tres devanados están apilados aislados entre sí y pueden doblarse juntos para formar la camisa de cilindro.

En una configuración ventajosa del limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía, el devanado secundario se compone de una termistancia, en particular de acero fino. Esto significa que el valor de resistencia presenta un carácter de PTC (coeficiente de temperatura positivo) cuando se calienta. Esto se puede conseguir de forma especialmente sencilla con la elección del material para el devanado secundario, usándose, en particular, acero fino, por ejemplo V2A. V2A presenta una resistencia específica muy alta para las aleaciones metálicas, de modo que se puede conseguir una capacidad térmica a través del espesor de material, que puede absorber la energía que se va a amortiguar/disipar. El calentamiento del devanado secundario del limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía en caso de fallo ha de tenerse en cuenta en la elección del material, por ejemplo, para la capa aislante. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía está ventajosamente diseñado para una energía de más de 10 kJ y/o una tensión de más de 1 kV y/o una inductancia de fuga entre devanado primario y secundario inferior a 100 nH. Esto es posible para el experto en la materia mediante la elección correspondiente de los espesores de chapa de los devanados primario y secundario. Las combinaciones de RL convencionales solo se pueden usar de forma limitada en tales intervalos de energía y tensión, y el limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía descrito en este caso es especialmente ventajoso.

Un módulo de convertidor controlado por tensión con al menos una válvula de semiconductores de potencia y un acumulador de carga para un convertidor presenta ventajosamente un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía de este tipo, que está dispuesto en serie con el semiconductor de potencia y el acumulador de carga. Un convertidor de circuito intermedio de tensión comprende ventajosamente una pluralidad de tales módulos de convertidor controlados por tensión conectados en serie.

Las ventajas conseguidas con la invención consisten, en particular, en que se crea un limitador de sobrecorriente momentánea de alta tensión mediante la combinación de resistencia óhmica e inductancia a través de un acoplamiento magnético, que tiene una influencia particularmente pequeña en los procesos de conmutación normales y, al mismo tiempo, puede mitigar sobrecorrientes momentáneas particularmente altas en caso de fallo y, por lo tanto, es especialmente adecuado para su uso en módulos de convertidor controlados por tensión de convertidores multinivel. El limitador de sobrecorriente momentánea descrito anteriormente tiene la propiedad de una inductancia de fuga muy baja, dado que los devanados primario y secundario están muy cerca uno del otro y las líneas de alimentación y descarga de corriente también están una encima de la otra. Al mismo tiempo, el efecto limitador también depende de la corriente: cuanto mayor es la sobrecorriente momentánea (campo magnético) en el circuito primario, mayor es la corriente inducida en el devanado secundario. Por lo tanto, el circuito de protección solo tiene un efecto máximo y eficiente en caso de fallo (por ejemplo, cortocircuito completo de un puente en un módulo de convertidor). Al aplicar corriente continua, solo aparecen las pérdidas de cobre del devanado primario. El acoplamiento magnético de los componentes óhmico e inductivo asegura además una buena escalabilidad. Los materiales de construcción están fácilmente disponibles y son económicos. Ya no es necesaria una integración costosa de una resistencia a prueba de pulsos y la compra de componentes discretos especiales (resistencia, fusible). A diferencia de un fusible, se da también una reutilización.

El hábil enfoque mecánico también puede ahorrar espacio constructivo, lo que a su vez beneficia al circuito de conmutación. El enfoque principal en este caso está en el área de extensión más pequeña posible en la que fluye la corriente de conmutación, aunque el nH adicional y, por lo tanto, la inductancia de fuga relevante también se incorpora a sabiendas con el limitador de sobrecorriente momentánea descrito.

Ejemplos de realización de la invención se explican con más detalle mediante los dibujos. Aquí muestran:

la figura 1 un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía en una forma de realización con una vuelta en sección transversal,

la figura 2 un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía en una forma de realización con un devanado secundario dispuesto entre dos espiras del devanado primario y devanado primario de dos partes en sección transversal,

la figura 3 un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía en una forma de realización con un devanado secundario dispuesto entre dos espiras del devanado primario y devanado primario de una parte en sección transversal,

la figura 4 un diagrama de circuito de un módulo de convertidor controlado por tensión con representación de la disposición del limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía,

la figura 5 un diagrama de circuito esquemático de un convertidor multinivel,

la figura 6 una medición de las variables eléctricas del limitador de sobrecorriente momentánea de la figura 3 en caso de cortocircuito, y

la figura 7 un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía en una forma de realización con un mayor número de vueltas en sección transversal.

Partes iguales están provistas de las mismas referencias en todos los dibujos.

La figura 1 muestra un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 1 en una primera forma de realización en sección transversal. El limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía presenta una geometría esencialmente en forma de camisa de cilindro. Su diámetro se encuentra a este respecto en el intervalo de aproximadamente 15-50 cm y su altura es de aproximadamente 5-20 cm (estos órdenes de magnitud también se aplican a los ejemplos de realización en la figura 2, figura 3 y figura 7). Estos tamaños así como los espesores de las capas de la camisa de cilindro que se describen a continuación son variables y pueden ser adaptados por un experto en la materia con respecto al diseño deseado para la corriente que fluye durante el funcionamiento, para la inductancia principal y la amortiguación alcanzables, así como para la inductancia de fuga que se produce entre el lado primario y secundario.

La geometría en forma de camisa de cilindro del limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 1 se forma esencialmente en el ejemplo de realización según la figura 1 por una pared conductora, que se compone de una capa conductora exterior 2, una capa conductora interior 4 y una capa de aislamiento intermedia 6. En el interior de la capa conductora interior 4 está dispuesta una construcción de apoyo 9, igualmente en forma de camisa de cilindro, de un material eléctricamente no conductor, que evita que la capa conductora interior 4 sea presionada hacia dentro por las fuerzas magnéticas. La capa conductora exterior 2 está construida en dos partes a partir de partes 8, 10 con simetría especular, en cada caso semicirculares en sección transversal, de un material conductor, en el ejemplo de realización de cobre, que presentan en ambos extremos en cada caso una brida 12, 14, 16, 18. Por un lado, las bridas 12, 14 están conectadas mediante una conexión por tornillo 20. En el lado opuesto, las bridas 16, 18 están separadas entre sí de modo que no hay conexión eléctrica. Una conexión eléctrica 22, 24 está dispuesta en cada caso en las dos bridas 16, 18, con la que la brida respectiva 16, 18 se puede conectar con una barra colectora no representada. La capa conductora exterior 2 forma así un devanado primario con una sola vuelta.

En una forma de realización alternativa, no representada, las bridas 12, 14 con la conexión roscada 20 también pueden omitirse y la capa conductora exterior 2 puede formarse en una sola pieza y de forma continua en la zona superior.

Dentro de esta capa conductora exterior 2, separada de la capa conductora exterior 2 por una capa de aislamiento 6 de sección transversal circular de un aislante tal como, por ejemplo, mica, papel aislante o plástico reforzado con fibra de vidrio, está dispuesta igualmente la capa conductora interior 4 igualmente de sección transversal circular. La capa conductora interior 4 está fabricada de un conductor, en el ejemplo de realización de un acero fino, que presenta una resistencia óhmica no despreciable. Debido a la forma circular cerrada y la disposición dentro del devanado primario, la capa conductora interior 4 forma un devanado secundario en cortocircuito que está acoplado magnéticamente con el devanado primario y puede conectarse eléctricamente.

En otras formas de realización, la posición de los devanados primario y secundario también se puede intercambiar, es decir, el devanado primario está dispuesto en el interior.

La función del limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 1 se explica tan pronto como su área de aplicación e interconexión se han explicado a continuación con referencia a la figura 3 y la figura 4. En primer lugar, sin embargo, la figura 2 muestra otra forma de realización mejorada de un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 101, que es mecánicamente más fuerte.

El transformador de sobrecorriente momentánea de alta energía 101 comprende igualmente una pared conductora esencialmente en forma de camisa de cilindro, pero que está configurada en forma de espiral con un solapamiento en la sección transversal. En su despliegue es rectangular, pero presenta a este respecto una longitud mayor en la dirección circunferencial que la circunferencia de la camisa de cilindro. Los extremos de la pared conductora forman así el solapamiento mencionado anteriormente. En la zona 112 del solapamiento, las capas 102, 104, 106, 108, 110 están conectadas por una conexión de abrazadera 114, de modo que en este caso se forma un conjunto tensor con ajuste de fuerza.

La pared conductora esencialmente cilíndrica comprende a este respecto cinco capas, en concreto, desde el interior hacia el exterior, una primera capa conductora 102, una primera capa de aislamiento 104, una segunda capa conductora 106, una segunda capa de aislamiento 108 y una tercera capa conductora 110. En la zona 112 del solapamiento, el extremo exterior de la segunda capa de aislamiento 108 y el extremo interior de la primera capa de aislamiento 104 están acortados, de modo que existe una conexión eléctrica entre el extremo interior de la segunda capa conductora 106, el extremo interior de la tercera capa conductora 110, el extremo exterior de la primera capa conductora 102 y el extremo exterior de la segunda capa conductora 106. Las conexiones eléctricas 116, 118 para las barras colectoras para suministrar energía están conectadas con el extremo interior de la primera capa conductora 102 o con el extremo exterior de la tercera capa conductora 110, respectivamente. Como alternativa, el contacto con las barras colectoras de alimentación también se puede realizar solo mediante presión superficial, atornillado o también soldado.

Como resultado de esta disposición, la primera capa conductora 102 forma una primera vuelta del devanado primario y la tercera capa conductora 110 forma una segunda vuelta del devanado primario. Estas capas conductoras 102, 110 están fabricadas de cobre. La segunda capa conductora 106, por otro lado, está fabricada de acero fino, por ejemplo V2A, y forma el devanado secundario. El cortocircuito del devanado secundario se inserta en el conjunto tensor y tiene lugar mediante un contacto definido del devanado primario. En la zona 112 del conjunto tensor, el devanado secundario está cortocircuitado a través del devanado primario de cobre. En el caso de capas de aislamiento 104, 108 muy gruesas, se pueden insertar alternativamente capas de cobre adicionales en esta zona 112 para compensar la altura de las capas de aislamiento 104, 108 en la zona 112 del solapamiento. Si se usa papel aislante, por ejemplo papel de mica, esto no es necesario en el ejemplo de realización mostrado en la figura 2 si la fuerza de la conexión de apriete 114 es suficiente. En los extremos y en la zona exterior, ha de preverse un solapamiento o una distancia de fuga suficiente para las capas 102, 104, 106, 108, 110 individuales y diferentes de los devanados.

En la figura 3 se muestra una forma de realización aún más ventajosa. Esa forma de realización se diferencia de la de la figura 2 únicamente en que el devanado primario está realizado en una sola pieza. Por lo tanto, no existe un extremo interior de la segunda capa conductora 106 ni un extremo exterior de la primera capa conductora 102, sino que estas capas conductoras 102, 106 se fusionan entre sí en una sola pieza en la zona del solapamiento. Con ello se facilita el contacto y aumenta de nuevo la estabilidad mecánica en comparación con la forma de realización de la figura 2.

La interconexión del limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 1, 101 se explicará con referencia a la figura 4. La figura 4 muestra el diagrama de circuito de un ejemplo de realización de un módulo de convertidor controlado por tensión 201 en un circuito de semipuente, que de estructura relativamente sencilla, pero está restringido en cuanto a sus opciones de conmutación. El experto en la materia conoce otras formas constructivas de módulos de convertidor controlados por tensión 201, tales como, por ejemplo, circuitos de puente completo o submódulos de pinza doble, en los que también se puede utilizar el limitador de sobrecorriente momentánea 1, 101. El módulo de convertidor 201 tiene dos conexiones de corriente alterna externas 202, 204, con las que se conectan en serie varios módulos de convertidor 201, tal como se explica con más detalle en la figura 4. El módulo de convertidor 201, en el ejemplo de realización, comprende dos conmutadores de semiconductores 206, 208 en forma de transistores bipolares con un electrodo de puerta aislado (en inglés: Insulated-Gate bipolar Transistor, abreviado IGBT), que en cada caso tiene un diodo de rueda libre 210, 212 conectado en paralelo en direcciones opuestas. En principio, sin embargo, también se pueden usar otros tipos de transistores.

En la figura 4 y los dibujos siguientes, los conmutadores de semiconductores 206, 208 se representan en cada caso solo como IGBt individuales. Por supuesto, esto también puede ser representativo solo de varios IGBT que forman una unidad funcional, es decir, por ejemplo, están conectados en paralelo y sus puertas están conectadas entre sí o controladas juntas.

Los conmutadores de semiconductores 206, 208 están conectados con un acumulador de carga 214 en forma de condensador (circuito intermedio) como elemento central a modo de semipuente, es decir, los dos conmutadores de semiconductores 206, 208 están conectados en serie en la misma dirección y forman un circuito con el acumulador de carga 214. Los conmutadores de semiconductores 206, 208 presentan en cada caso un colector 206k, 208k, una puerta 206g, 208g y un emisor 206e, 208e. La primera conexión de corriente alterna 202 está conectada con la conexión entre el emisor 206e del primer conmutador de semiconductores 206 y el colector 208k del segundo conmutador de semiconductores 208 del circuito. La segunda conexión de corriente alterna 204 está conectada con la conexión entre emisor 208e del segundo conmutador de semiconductores y acumulador de carga 214. El conmutador de semiconductores 208 está así conectado con su recorrido colector-emisor en la ruta de corriente 216 entre las dos conexiones de corriente alterna 202, 204.

Los conmutadores de semiconductores 206, 208 son controlables/conmutables individualmente por medio de un control electrónico no representado en detalle. El control puede encender o apagar el IGBT conectado mediante pulsos de control externos. En una forma de realización, puede estar presente en este sentido un bloqueo implementado estructuralmente que evita que los dos semiconductores 206, 208 se conmuten al mismo tiempo. Como resultado, la tensión U presente en el acumulador de carga 214 puede conmutarse a las conexiones de corriente alterna 202, 204. Por consiguiente, la tensión U o 0 V se aplica entre las conexiones de corriente alterna 202, 204, dependiendo del estado de conmutación de los conmutadores de semiconductores 202, 204. Cualquier dirección es posible a este respecto. Conectando en serie varios módulos de convertidor 201, se puede generar una curva de voltaje escalonada, tal como se explica con detalle con referencia a la figura 5.

La figura 4 muestra adicionalmente un conmutador de derivación 220 entre las conexiones de corriente alterna 202, 204, que se utiliza para derivar el módulo de convertidor 201 en caso de fallo. Además, se muestran posibles sitios de instalación 222 para limitadores de sobrecorriente momentánea 1, 101, en concreto, en el ejemplo de realización según la figura 4 en cada caso en las dos líneas de alimentación al acumulador de carga 214, que habitualmente están realizadas como barras colectoras macizas, y dentro del semipuente. En otras palabras: El limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 1, 101 está conectado entre los conmutadores de semiconductores 206, 208 y el acumulador de carga 214 o entre los conmutadores de semiconductores 206, 208. En este sentido, el limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 1, 101 también se puede disponer alternativamente en solo uno de los sitios de instalación 222.

La figura 5 muestra un ejemplo de realización de un convertidor 250 en una representación esquemática. El convertidor 250 presenta seis válvulas de semiconductores de potencia 252 que están conectadas entre sí en un circuito puente. Cada una de las válvulas de semiconductores de potencia 252 se extiende entre una de las tres conexiones de corriente trifásica 254, 256, 258 y una de las dos conexiones de corriente continua 260, 262.

Se prevé una conexión trifásica 254, 256, 258 para cada fase de la red de tensión alterna. En el ejemplo de realización mostrado, la red de tensión alterna es trifásica. Por lo tanto, el convertidor 250 también presenta tres conexiones trifásicas 254, 256, 258. En el ejemplo de realización mostrado, el convertidor 250 es parte de una instalación de transmisión de corriente continua de alta tensión y se usa para conectar redes de tensión alterna con el fin de transmitir altas potencias eléctricas entre ellas. En este punto, sin embargo, debe mencionarse que el convertidor 250 también puede ser parte de lo que se conoce como instalación FACTS, que sirve para estabilizar la red o asegurar la calidad de tensión deseada. Además, el convertidor 250 también se puede usar en tecnología de accionamiento. Cada una de las válvulas de semiconductores de potencia 252 de la figura 5 está realizada de manera idéntica y comprende una conexión en serie de módulos de convertidor 201, así como un estrangulador 264. Estos módulos de convertidor 201 se pueden diseñar como se representa en la figura 4, pero también como módulos de puente completo o submódulos dobles de abrazadera.

Como ya se explicó, durante el funcionamiento normal del convertidor 250, los valores de voltaje en las conexiones trifásicas 254, 256, 258 y las conexiones de corriente continua 260, 262 se emparejan estableciendo los valores de tensión de cada válvula de semiconductores de potencia 252 en consecuencia. Esto se consigue mediante los correspondientes procesos de conmutación controlados (la denominada conmutación) en los módulos de convertidor 201 individuales, es decir, sus conmutadores de semiconductores 206, 208.

El comportamiento del limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 1, 101 en los módulos de convertidor 201 se explica a continuación: En funcionamiento normal, la resistencia toma la corriente de carga a través del acoplamiento magnético durante la conmutación hasta que el campo se magnetiza. El devanado secundario limita eficazmente la caída de tensión inductiva por lo demás muy alta a través de su inductancia mutua. Una vez que el proceso de conmutación ha disminuido o después de que el campo se ha magnetizado, la corriente de carga solo fluye a través del devanado primario.

Al apagar, el campo se magnetiza en el devanado secundario, lo que reduce en gran medida el pico de sobretensión inductiva. La energía se convierte disipativamente en el devanado secundario con cada proceso de conmutación. El devanado secundario se enfría en un área grande a través del devanado primario.

En caso de cortocircuito, el devanado primario transforma la tensión absorbida por el fuerte aumento de corriente en el devanado secundario, que convierte a este respecto en calor parte de la energía eléctrica almacenada en el circuito intermedio. El componente inductivo del devanado primario limita la velocidad de aumento de corriente y absorbe una parte adicional de la energía del circuito intermedio en el campo, que se convierte en calor en el devanado secundario durante la desmagnetización posterior. Este efecto se ve reforzado por las características de PTC del acero fino.

A este respecto, la contratensión que se produce a través del transformador de sobrecorriente momentánea limita la amplitud de la corriente de cortocircuito. La frecuencia de la corriente de cortocircuito también se reduce por la mayor inductancia efectiva en caso de cortocircuito. De este modo se reduce la emisión de campos magnéticos de alta frecuencia que podrían interferir con los grupos constructivos adyacentes. En ensayos experimentales con la forma de realización según la figura 1, fue posible disipar aproximadamente el 90 % de la energía convertida en total en el limitador de sobrecorriente momentánea en el devanado secundario.

La figura 6 muestra un gráfico con una representación de distintas variables eléctricas del limitador de sobrecorriente momentánea 101 en la forma de realización de acuerdo con la figura 2/3 cuando está conectado a un acumulador de carga con el siguiente cortocircuito, representado frente al tiempo, determinado por medio de una medición. El gráfico está dividido en una cuadrícula, solo se dibujan en cada caso las líneas cero para las abscisas y ordenadas. Para la abscisa, el punto cero indica el momento del cortocircuito, una subdivisión de la cuadrícula corresponde a 100 |js. Se representan en total cuatro tamaños distintos, en concreto

- la tensión a través del limitador de sobrecorriente momentánea 101 en la curva 280, donde una subdivisión de la red corresponde a 1 kV,

- la corriente total a través del devanado primario en la curva 282, donde una subdivisión de la rejilla corresponde a 100 kA,

- el componente inductivo de la corriente total en la curva 284, donde una subdivisión de la red corresponde asimismo a 100 kA, y

- la corriente a través del devanado secundario en la curva 286, donde una división de la rejilla corresponde a 200 kA.

El acumulador de carga puede presentar una tensión de arranque de entre 1 y 6 kV y una capacidad de entre 2 y 20 mF. El aumento de temperatura del devanado secundario debido a la energía convertida asciende a aproximadamente 200 K.

La medición muestra que la corriente máxima del cortocircuito de puente completo se puede reducir a aproximadamente 580 kA. Sin un mecanismo limitador, se generaría aproximadamente el doble de la corriente de cortocircuito de puente, lo que también daría como resultado un efecto de fuerza que es hasta cuatro veces mayor debido a los campos magnéticos inducidos. Adicionalmente, debe señalarse que cuando los conmutadores de semiconductores 206, 208 mostrados en la figura 4 se utilizan en forma de IGBT, se puede esperar una función aún más mejorada: Si se usan tiristores como detonadores en el experimento, son conductores particularmente buenos cuando se alean. Sin embargo, en el uso comercial de un circuito de semipuente o de puente completo, los IGBT incluso desarrollan un contravoltaje en caso de cortocircuitos completos del puente. El contravoltaje es causado por el arco resultante y tiene adicionalmente un efecto limitador de corriente.

La figura 7 muestra finalmente otro ejemplo de realización de un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía 301, igualmente en sección transversal. Esto se basa en la consideración de que el número de vueltas del devanado primario, en principio, no está limitado. En la forma de realización de acuerdo con la figura 7, el devanado primario comprende una capa conductora exterior 302 y una capa de aislamiento 304 unida al interior, que se enrollan juntas en forma de espiral de dos tramos en un total de tres vueltas, resultando también en este caso de nuevo una zona 306 de un solapamiento. El devanado secundario está dispuesto en forma de una capa conductora 308 de acero fino en el espacio interior en la sección transversal de manera esencialmente circular a continuación de la capa de aislamiento más interna 304.

La forma de realización con tres devanados mostrada en la figura 7 es funcional de acuerdo con una simulación, pero es difícil disponer hábilmente el devanado secundario. Las ventajas con respecto a una limitación más alta de la corriente de fallo tampoco son apreciables y la capacidad de producción mecánica y a gran escala también es posible de forma limitada o no rentable. Además, la inductancia de fuga aumenta con un mayor número de vueltas.

Lista de referencias

1 limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía

2 capa conductora exterior

4 capa conductora interior

5 construcción de apoyo

6 capa de aislamiento

8, 10 parte

12, 14

16, 18 brida

20 conexión roscada

22, 24 conexión eléctrica

101 limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía

102 primera capa conductora

104 primera capa de aislamiento

106 segunda capa conductora

108 segunda capa de aislamiento

110 tercera capa conductora

112 zona

114 conexión de apriete

, 118 conexión eléctrica

módulo de convertidor controlado por tensión

, 204 conexión de corriente alterna

, 208 conmutador de semiconductores

e, 208e emisor

g, 208g puerta

k, 208k colector

, 212 diodo de rueda libre

Acumulador de carga

ruta de corriente

conmutador de derivación

sitio de instalación

convertidor

válvula de semiconductores de potencia

, 256, 258 conexión trifásica

, 262 conexión de corriente continua

estrangulador

, 282, 284, 286 curva

limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía capa conductora

capa de aislamiento

zona

capa conductora

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía (101) para un convertidor de circuito intermedio de tensión, que comprende un devanado primario (102, 110) con dos conexiones eléctricas (116, 118) y un devanado secundario (106) acoplado magnéticamente con el devanado primario, en el que el devanado secundario está en cortocircuito,

caracterizado por que

el devanado primario y el devanado secundario están conectados eléctricamente en puntos, mediante lo cual el cortocircuito eléctrico para el devanado secundario se realiza a través del devanado primario, y

el devanado primario y el devanado secundario están fijados con un conjunto tensor.

2. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según la reivindicación 1, en el que el devanado primario y el devanado secundario están configurados esencialmente en forma de camisa de cilindro.

3. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según la reivindicación 2, en el que el devanado primario y el devanado secundario están dispuestos uno dentro del otro.

4. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según una de las reivindicaciones anteriores, en el que entre espiras paralelas del devanado primario y/o secundario está dispuesta en cada caso una capa de aislamiento (104, 108).

5. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según una de las reivindicaciones anteriores, en el que las conexiones eléctricas (116, 118) están dispuestas sobre el conjunto tensor.

6. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el devanado primario y secundario están estabilizados mecánicamente mediante una construcción de apoyo (9).

7. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el devanado primario comprende dos espiras (102, 110) y el devanado secundario comprende una espira (106) que en dirección radial está dispuesta entre las dos espiras (102, 110) del devanado primario y está en cortocircuito a través del devanado primario.

8. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según la reivindicación 7, en el que el devanado primario está realizado en una sola pieza.

9. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según la reivindicación 7, en el que las dos espiras (102, 110) del devanado primario están formadas como partes separadas y contactan entre sí en una zona de solapamiento (112).

10. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el devanado secundario se compone de una termistancia.

11. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según la reivindicación 10, en el que el devanado secundario se compone de acero fino.

12. Limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía según una de las reivindicaciones anteriores, diseñado para una energía de más de 10 kJ y/o una tensión de más de 1 kV y/o una inductancia de fuga entre devanado primario y secundario inferior a 100 nH.

13. Módulo de convertidor controlado por tensión (201) con al menos una válvula de semiconductores de potencia y un acumulador de carga (214), así como con un limitador de sobrecorriente momentánea de alta energía (101) según una de las reivindicaciones anteriores, que está dispuesto en serie con respecto al semiconductor de potencia y al acumulador de carga.

14. Convertidor de circuito intermedio de tensión (250), que comprende una pluralidad de módulos de convertidor controlados por tensión (201) conectados en serie según la reivindicación 13.