ES2935353T3 - Sistema de equilibrado de potencial para un convertidor multinivel modular - Google Patents

Sistema de equilibrado de potencial para un convertidor multinivel modular Download PDF

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Felix Däumler
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Johann Holweg
Adrian Huber
Martin Kapelke
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Christian Schrammel
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Marcus Wahle
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Abstract

La invención se refiere a un sistema de compensación de potencial para un convertidor multinivel modular (1) que tiene una pluralidad de módulos convertidores (3) que tienen cada uno una fuente de corriente continua (13). El sistema de compensación de potencial comprende contactos polares (15), cada uno de los cuales está conectado eléctricamente a un polo de una fuente de corriente continua (13), y al menos un elemento de contacto conductor de electricidad (17), que se puede mover entre una primera posición final en el cual dicho elemento de contacto está eléctricamente aislado de los módulos convertidores (3) y una segunda posición final en la que dicho elemento de contacto contacta contactos polares (15) de diferentes fuentes de corriente continua (13) y puede colocarse sobre un potencial de tierra. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de equilibrado de potencial para un convertidor multinivel modular
La presente invención hace referencia a un convertidor multinivel modular con múltiples módulos convertidores de potencia, cada uno de los cuales presenta una fuente de tensión continua, por ejemplo, un condensador.
Para realizar trabajos de mantenimiento en un convertidor de este tipo, primero hay que asegurarse de que las fuentes de tensión continua estén descargadas y que al menos un polo de cada fuente de tensión continua esté conectado a tierra. Por ejemplo, el enlace de potencia se obtiene a través de una gran cantidad de contactos deslizantes conectados en serie o a través de cables de puente insertados manualmente. Sin embargo, la gran cantidad de contactos conectados en serie puede provocar una interrupción del potencial de tierra cuando fallan dos contactos.
La solicitud de patente internacional WO 2008/074275 A1 revela un dispositivo de puesta a tierra con un cable de puente que se puede enrollar y presenta una sección aislante y una sección de puesta a tierra. Cuando resulta necesario, la sección de conexión a tierra se coloca sobre los módulos convertidores de potencia.
El objeto de la presente invención consiste en especificar un sistema de equilibrado de potencial para un convertidor multinivel modular con una pluralidad de módulos convertidores de potencia, cada uno de los cuales presenta una fuente de tensión continua, lo que mejora la capacidad de conectar las fuentes de tensión continua a un potencial de tierra.
El objeto se resuelve, conforme a la presente invención, mediante un sistema de equilibrado de potencial con las características de la reivindicación 1, y mediante un convertidor multinivel modular con las características de la reivindicación 9.
Las configuraciones ventajosas de la presente invención son objeto de las reivindicaciones relacionadas.
Un sistema de equilibrado de potencial conforme a la invención para un convertidor multinivel modular, que presenta una pluralidad de módulos convertidores de potencia (3), cada uno con una fuente de tensión continua (13), comprende contactos polares, cada uno de los cuales está conectado eléctricamente a un polo de una fuente de tensión continua y al menos un elemento de contacto eléctricamente conductor, que se puede mover entre una primera posición final, en la que está aislado eléctricamente de los módulos convertidores de potencia y una segunda posición final, en la que hace contacto con contactos de polos de diferentes fuentes de tensión continua y puede conectarse a un potencial de tierra, por ejemplo, mediante un accionamiento manual, mecánico o eléctrico. En un sistema de equilibrado de potencial según la invención para un convertidor de potencia modular multinivel, los polos de fuentes de tensión continua de diferentes módulos convertidores de potencia del convertidor de potencia se pueden conectar, entonces, a un potencial de tierra, ya que los contactos de polo conectados a los polos se conectan eléctricamente entre sí a través de un elemento de contacto y el elemento de contacto se conecta al potencial de tierra. De esta manera, ante una falla de los contactos de los polos individuales, las fuentes de tensión continua conectadas al elemento de contacto a través de los otros contactos de los polos permanecen conectadas al potencial de tierra. Esto aumenta ventajosamente la fiabilidad de la conexión de muchas fuentes de tensión continua al potencial de tierra en comparación con una conexión a través de un gran número de contactos conectados en serie.
La invención prevé que al menos uno de los elementos de contacto sea un blindaje eléctrico para proteger una pluralidad de módulos convertidores de potencia, el cual puede girar alrededor de un eje de rotación entre la primera posición final y la segunda posición final. Por ejemplo, el blindaje presenta un tubo de blindaje del que sobresale al menos un contacto de blindaje, que hace contacto con al menos un contacto polar en la segunda posición final del blindaje, y en donde el eje de rotación del el blindaje consiste es un eje longitudinal del tubo de blindaje. Por ejemplo, al menos un contacto de blindaje está realizado como una empuñadura que está dispuesta en el tubo de blindaje y que hace contacto con múltiples contactos polares en la segunda posición final del blindaje. El blindaje está fabricado, por ejemplo, de aluminio.
Las mencionadas realizaciones de la invención utilizan un blindaje de los módulos convertidores de potencia, que suele ser necesario de todos modos, como elemento de contacto o bien dotan al elemento de contacto de una función de blindaje. De este modo, se reducen ventajosamente los costes de materiales y construcción en comparación con elementos de protección y contacto implementados por separado.
Otra forma de realización de la invención prevé que al menos un elemento de contacto sea un cable de contacto eléctricamente conductor, por ejemplo, un cable de cobre, que puede guiarse sobre un cable guía eléctricamente aislante guiado sobre contactos de polo de diferentes fuentes de tensión continua, que en la primera posición final no se apoya en ningún contacto de polo y en la segunda posición final se apoya sobre los contactos de polo sobre los que se guía el cable guía. Por ejemplo, el cable guía se guía sobre un primer tambor de cable, el cable de contacto se guía sobre un segundo tambor de cable y ambos tambores de cable están montados sobre un eje de transmisión que se puede accionar de manera manual, mecánica o eléctrica.
Un elemento de contacto realizado como cable de contacto permite una conexión eléctrica de los contactos de polo que puede adaptarse flexiblemente a la distribución espacial de los contactos de polo, en particular, también una conexión de contactos de polo que están relativamente alejados espacialmente entre sí.
Un convertidor multinivel modular conforme a la invención, en particular, un convertidor multinivel modular autoconmutado, comprende múltiples módulos convertidores de potencia, cada uno con una fuente de tensión continua, que está diseñada, por ejemplo, como un condensador o una interconexión eléctrica de múltiples condensadores, y un sistema de equilibrado de potencial conforme a la invención. Las ventajas de un convertidor de este tipo corresponden por lo tanto a las ventajas del sistema de equilibrado de potencial conforme a la invención ya mencionadas anteriormente y por ello, no se enumerarán aquí nuevamente por separado.
En otra realización de la invención, el convertidor de potencia comprende una pluralidad de grupos de módulos, cada uno de los cuales comprende una pluralidad de módulos convertidores de potencia, cada uno de los cuales presenta al menos un contacto de polo. El sistema de equilibrado de potencial presenta para cada grupo de módulos un elemento de contacto que, en su segunda posición final, contacta todos los contactos polares del grupo de módulos. Este perfeccionamiento de la invención considera que los módulos convertidores de potencia de un convertidor multinivel modular conforman con frecuencia múltiples grupos de módulos que están dispuestos, por ejemplo, a una distancia espacial entre sí. En este caso, puede resultar ventajoso prever un elemento de contacto para cada grupo de módulos. En este caso, puede estar previsto que todos los elementos de contacto estén conectados eléctricamente entre sí en sus segundas posiciones finales. Esto simplifica ventajosamente la conexión al potencial de tierra. Además, puede estar previsto un accionamiento común con el cual todos los elementos de contacto se puedan accionar en simultáneo. De esta manera, por un lado, se pueden reducir los costes y el gasto de material para mover los elementos de contacto y, por otro lado, los movimientos de los elementos de contacto se pueden sincronizar con más facilidad.
Las propiedades, características y ventajas de la presente invención, arriba mencionadas, así como la forma en la que las mismas se consiguen, se clarifican y deducen en relación con la siguiente descripción de los ejemplos de ejecución, los cuales se explican en detalle en relación con los dibujos. Las figuras muestran:
Figura 1: un diagrama de circuito de un convertidor multinivel modular.
Figura 2: elementos de contacto realizados como blindajes y un accionamiento para mover los blindajes. Figura 3: una vista en perspectiva de contactos polares y un elemento de contacto realizado como blindaje en una primera posición final del blindaje.
Figura 4: una representación en perspectiva de los contactos de polos mostrados en la figura 3 y el blindaje en una segunda posición final del blindaje.
Figura 5: Contactos de polos y un elemento de contacto diseñado como un cable de contacto, que se guía sobre un cable guía, en una capa intermedia del cable de contacto.
Figura 6: los contactos de polos mostrados en la figura 5 y el cable de contacto guiado sobre el cable guía en una segunda posición final del cable de contacto.
Las piezas que se corresponden entre sí, están provistas de los mismos símbolos de referencia en las figuras. La figura 1 muestra un diagrama de circuito de un convertidor multinivel modular autoconmutado 1. El convertidor 1 presenta una pluralidad de módulos convertidores de potencia 3 conectados en serie durante el funcionamiento normal del convertidor 1, de los cuales sólo se muestran algunos. Los módulos convertidores de potencia 3 conforman tres grupos de módulos 5 a 7 dispuestos uno encima del otro. Además, el convertidor 1 presenta un sistema de equilibrado de potencial conforme a la invención, que presenta un elemento de contacto 17 eléctricamente conductor para cada grupo de módulos 5 a 7 y un contacto polar 15 para cada módulo convertidor de potencia 3.
Cada módulo convertidor de potencia 3 presenta un medio puente de interruptores semiconductores 9, que están realizados, por ejemplo, cada uno como un transistor bipolar con una puerta aislada (IGBT = Insulated Gate Bipolar Transistor), al cual está conectado un diodo libre 11 de forma antiparalela. Además, cada módulo convertidor de potencia 3 presenta una fuente de tensión continua 13 que está realizada como un condensador. Un polo de la fuente de tensión continua 13 está conectado eléctricamente al contacto polar15 del módulo convertidor de potencia 3, a través del cual el polo puede contactarse eléctricamente.
El elemento de contacto 17 de cada grupo de módulos 5 a 7 se puede mover entre una primera posición final, en la que está eléctricamente aislado de los módulos convertidores de potencia 3 del grupo de módulos 5 a 7, y una segunda posición final, en la que hace contacto con todos los contactos polares 15 del grupo de módulos 5 a 7 y conecta en paralelo las fuentes de tensión continua 13 de los módulos convertidores de potencia 3 del grupo de módulos 5 a 7. El elemento de contacto 17 de un primer grupo de módulos 5 también hace contacto, en su segunda posición final, con un contacto de puesta a tierra 19 al que se puede aplicar un potencial de tierra a través de un primer interruptor de puesta a tierra 21. En su segunda posición final, el elemento de contacto 17 de un segundo grupo de módulos 6 también hace contacto con un primer contacto de conexión 23 que está conectado eléctricamente con un contacto de polo 15 del primer grupo de módulos 5. En su segunda posición final, el elemento de contacto 17 del tercer grupo de módulos 7 también hace contacto con un segundo contacto de conexión 25 que está conectado eléctricamente con un contacto de polo 15 del segundo grupo de módulos 6. El potencial de tierra se puede aplicar a un contacto de polo 15 del tercer grupo de módulos 7 a través de un segundo interruptor de puesta a tierra 22. Cuando todos los elementos de contacto 17 están en su segunda posición final, el potencial de tierra se puede aplicar a todos los contactos polares 15 al cerrar al menos un interruptor de puesta a tierra 21, 22
Cada elemento de contacto 17 puede moverse entre sus dos posiciones finales a través de un accionamiento 27. Los accionamientos 27 de los elementos de contacto 17 también pueden estar configurados como un accionamiento 27 común a todos los elementos de contacto 17.
La figura 2 muestra los elementos de contacto 17 realizados como blindajes y un accionamiento común 27 para los elementos de contacto 17. Cada blindaje está diseñado para proteger los módulos convertidores de potencia 3 de un grupo de módulos 5 a 7.
Cada blindaje presenta tubos de blindaje 29 y puede girar alrededor de un eje de rotación 31, que es un eje longitudinal del tubo del blindaje 29, entre sus dos posiciones finales. De cada tubo de protección 29 sobresale un contacto de blindaje 33 que está configurado como una empuñadura dispuesta en el tubo de blindaje 29. Los blindajes están fabricados, por ejemplo de aluminio.
El accionamiento 27 comprende una varilla de accionamiento 35 que se acciona manual, mecánica o eléctricamente para girar alrededor de su eje longitudinal, y para cada tubo de blindaje 29 un elemento de engranaje 37 que a partir de una rotación de la varilla de accionamiento 35 alrededor de su eje longitudinal provoca una rotación del tubo de blindaje 29 alrededor del eje de rotación 31. Por ejemplo, la varilla de accionamiento 35 y cada elemento de engranaje 37 conforman un engranaje helicoidal, en donde la varilla de accionamiento 35 está realizada como un tornillo sin fin del engranaje helicoidal y el elemento de engranaje 37, como rueda helicoidal del engranaje helicoidal. Las figuras 3 y 4 muestran dos contactos de polos 15 de un grupo de módulos 5 a 7 y una sección de un blindaje asociado, en las dos posiciones finales del blindaje, en donde la figura 3 muestra la primera posición final y la figura 4 muestra la segunda posición final. Los contactos de polos 15 del grupo de módulos 5 a 7 están dispuestos uno junto al otro a lo largo de una paralela al eje de rotación 31 del blindaje. En la primera posición final del blindaje, el contacto de blindaje 33 del blindaje está a una distancia de los contactos de polos 15. En la segunda posición final, el tubo de blindaje 29 gira alrededor del eje de rotación 31 aproximadamente 90 grados con respecto a la primera posición final, y el contacto de blindaje 33 del blindaje se apoya contra los contactos de polos 15.
Las figuras 5 y 6 muestran contactos de polos 15 y un elemento de contacto 17 configurado como un cable de contacto eléctricamente conductor, que está guiado sobre un cable guía 39 aislado eléctricamente.
El cable guía 39 se guía sobre un primer tambor de cable 41, rodillos de desviación 43, los contactos de polos 15 y un contacto de puesta a tierra 19.
En su primera posición final, el cable de contacto está enrollado en un segundo tambor de cable 42 y es arrastrado por el cable guía 39 desde la primera posición final a través de una posición intermedia mostrada en la figura 5 hasta la segunda posición final mostrada en la figura 6, en la cual está en contacto con todos los contactos de polo 15 y el contacto de masa 19. El cable de contacto está fabricado, por ejemplo, de cobre.
Los tambores de cable 41, 42 están montados sobre un eje de transmisión 45 que se puede accionar manual, mecánica o eléctricamente.
Aunque la invención ha sido descrita e ilustrada en detalle mediante ejemplos de ejecución preferidos, dicha invención no está limitada por los ejemplos revelados y, sin abandonar el alcance de la presente invención, el especialista puede derivar de aquí otras variaciones.
Lista de símbolos de referencia
I Convertidor
3 Módulo convertidor de potencia
5 a 7 Grupo de módulos
Interruptor semiconductor
I I Diodo libre
13 Fuente de tensión continua
15 Contacto de polo
17 Elemento de contacto
9 Contacto de puesta a tierra
21, 22 Interruptor de puesta a tierra
23, 25 Contacto de conexión
27 Accionamiento
29 Tubo de blindaje
1 Eje de rotación
33 Contacto de blindaje
35 Barra de accionamiento
37 Elemento de engranaje
39 Cable guía
1, 42 Tambor de cable
43 Rodillo de desviación
45 Eje de transmisión

Claims (14)

  1. REIVINDICACIONES
    I. Sistema de equilibrado de potencial para un convertidor multinivel modular (1) que presenta una pluralidad de módulos convertidores de potencia (3) cada uno con una fuente de tensión continua (13); en donde el sistema equilibrado de potencial comprende
    - contactos polares (15), cada uno de los cuales está conectado eléctricamente con un polo de una fuente de tensión continua (13); y
    - al menos un elemento de contacto eléctricamente conductor (17) que se puede mover entre una primera posición final, en la que está aislado eléctricamente de los módulos convertidores de potencia (3), y una segunda posición final, en la que hace contacto con contactos de polos (15) de diferentes fuentes de tensión continua (13) y puede conectarse a un potencial de tierra;
    caracterizado porque
    al menos uno de los elementos de contacto (17) consiste en un blindaje eléctrico para proteger una pluralidad de módulos convertidores de potencia (3), que puede girar alrededor de un eje de rotación (31) entre la primera posición final y la segunda posición final.
  2. 2. Sistema de equilibrado de potencial según la reivindicación 1, con un accionamiento manual, mecánico o eléctrico (27) para mover el, al menos un, elemento de contacto (17) entre sus dos posiciones finales.
  3. 3. Sistema de equilibrado de potencial según la reivindicación 1 ó 2, en donde el blindaje presenta un tubo de blindaje (29) del que sobresale al menos un contacto de blindaje (33), que hace contacto con al menos un contacto polar (15) en la segunda posición final del blindaje, y en donde el eje de rotación (31) del el blindaje consiste en un eje longitudinal del tubo de blindaje (29).
  4. 4. Sistema de equilibrado de potencial según la reivindicación 3, en donde al menos un contacto de blindaje (33) está realizado como una empuñadura que está dispuesta en el tubo de blindaje (29) y que hace contacto con múltiples contactos polares (15) en la segunda posición final del blindaje.
  5. 5. Sistema de equilibrado de potencial según una de las reivindicaciones precedentes, en donde el blindaje está fabricado de aluminio.
  6. 6. Sistema de equilibrado de potencial según una de las reivindicaciones precedentes, en donde al menos un elemento de contacto (17) es un cable de contacto conductor de electricidad que puede guiarse sobre un cable guía eléctricamente aislante (39) guiado sobre contactos de polo (15) de diferentes fuentes de tensión continua (13), que en la primera posición final no se apoya en ningún contacto de polo (15) y en la segunda posición final se apoya sobre los contactos de polo (15) sobre los que se guía el cable guía (39).
  7. 7. Sistema de equilibrado de potencial según la reivindicación 6, en donde el cable de contacto está fabricado de cobre.
  8. 8. Sistema de equilibrado de potencial según la reivindicación 6 ó 7, en donde el cable guía (39) se guía sobre un primer tambor de cable (41), el cable de contacto se guía sobre un segundo tambor de cable (42) y ambos tambores de cable (41, 42) están montados en un eje de transmisión (45) que puede accionarse de manera manual, mecánica o eléctrica.
  9. 9. Convertidor multinivel modular (1), compuesto por
    - múltiples módulos convertidores (3), cada uno con una fuente de tensión continua (13); y
    - un sistema de equilibrado de potencial conformado según una de las reivindicaciones precedentes.
  10. 10. Convertidor multinivel modular (1) según la reivindicación 9 en donde cada fuente de tensión continua (13) está realizada como un condensador o una interconexión eléctrica de una pluralidad de condensadores.
  11. I I . Convertidor multinivel modular (1) según la reivindicación 9 ó 10 que presenta múltiples grupos de módulos (5 a 7), cada uno de los cuales presenta múltiples módulos convertidores (3), cada uno con al menos un contacto polar (15), y cuyo sistema de equilibrado de potencial presenta para cada grupo de módulos (5 a 7) un elemento de contacto (17) que, en su segunda posición final, contacta todos los contactos polares (15) del grupo de módulos (5 a 7).
  12. 12. Convertidor multinivel modular (1) según la reivindicación 11 en donde todos los elementos de contacto (17) están conectados eléctricamente entre sí en sus segundas posiciones finales.
  13. 13. Convertidor multinivel modular (1) según la reivindicación 11 ó 12 con un accionamiento común (27) con el cual todos los elementos de contacto (17) pueden ser accionados en simultáneo.
  14. 14. Convertidor multinivel modular (1) según una de las reivindicaciones 9 a 13, que está realizado como un convertidor autoconmutado.
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