ES2220968T3 - Disposicion de circuito convertidor de corriente. - Google Patents
Disposicion de circuito convertidor de corriente.Info
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Abstract
SE DA A CONOCER UNA DISPOSICION DE CIRCUITO RECTIFICADOR DE CORRIENTE. DEBIDO A QUE DEBEN SER CONTROLADAS LAS APLICACIONES GTO, LOS DIODOS ANTIPARALELOS EN COMPORTAMIENTO DE CORRIENTE DE RETORNO MUESTRAN UN DV/DT DESDE 2 KV/{MI}S HASTA 10 KV/{MI}S Y ENTRE LA FUENTE DE TENSION CONTINUA Y LOS GTO SE HA PREVISTO UN DESARROLLO LIBRE INDUCTIVO INFERIOR, PUDIENDO SER OPERADAS LAS APLICACIONES GTO Y LOS DIODOS ANTIPARALELOS SIN CIRCUITO DE PROTECCION.
Description
Disposición de circuito convertidor de
corriente.
La invención se refiere al campo de la
electrónica de potencia. Parte de una disposición de circuito
convertidor de corriente según el preámbulo de la primera
reivindicación.
Tales disposiciones de circuito se describen, por
ejemplo, en el Artículo "Efficient Snubbers for Voltaje Source GTO
Inverters" de W. McMurray, IEEE Transactions on Power
Electronics, Vol. PE-2, Nº 3, Julio de 1987. Se
trata en este caso de disposiciones de circuito convertidor de
corriente con al menos dos GTO conectados en serie, que están
conectados en una fuente de tensión continua y que forman una
conexión de carga con el punto nodal común. Además, en paralelo con
los GTO están previstos los llamados diodos antiparalelos, que
reciben el flujo de corriente después de la conmutación. Para
proteger los GTO durante la conmutación frente a flancos de
corriente y de tensión demasiado altos, debe preverse un circuito de
protección (en inglés "Snubber"). Éste comprende según el
estado de la técnica, como se representa en el Artículo mencionado,
una red comparativamente costosa de inductividades, condensadores,
resistencias y diodos, que está dispuesta en paralelo y en serie con
los GTO y los diodos antiparalelos. El Artículo "An Overview of
Low-Loss Snubber Technology for Transistor
Converters" de A. Ferraro, IEEE 1982, páginas
466-467 publica otras variantes del circuito de
protección.
Se publica en el documento
DE-A1-3 244 623 una disposición de
circuito convertidor de corriente según el preámbulo de la primera
reivindicación.
En la solicitud de patente europea
EP-A1-0 489 945 y en la solicitud
internacional PCT WO 93/09600 se describe la llamada "activación
dura" de un GTO y se indican disposiciones de circuito para
unidades de activación correspondientes. Con respecto a estas dos
solicitudes se entiende por el concepto "activación dura" la
activación del GTO con una corriente de puerta que está configurada
de tal forma que la ampliación de desconexión IA/IGpeak es
claramente menor que 3 y que resulta un gradiente de la tensión del
ánodo de al menos 1 kV/\mus.
Pero los módulos de fases GTO constituidos de
acuerdo con el estado de la técnica indicado anteriormente
-entendiendo por ellos aquella parte del convertidor de corriente
que se necesita para una fase de un sistema de tensión alterna-
presentan siempre todavía un grado comparativamente alto de
complejidad. Los motivos son los siguientes:
- -
- la alta medida de circuitos de protección, que son necesarios para la limitación de la subida empinada de la corriente y de la tensión durante la conexión y desconexión de los GTO y de los diodos;
- -
- la interacción entre las medidas de circuitos de protección (los condensadores para la limitación de dV/dt forman circuitos oscilantes con las bobinas para la limitación de dl/dt);
- -
- la repercusión de interferencias que proceden del circuito intermedio de alimentación sobre la fase respectiva por medio de corrientes de desplazamiento en los condensadores dV/dt, que puede conducir a inyecciones perturbadoras de portadores de carga en los diodos del circuito de protección (Snubber);
- -
- la combinación de las propiedades de muchos componentes individuales para formar una estructura general compleja (módulo de fases, convertidor), en la propiedad de un elemento individual (GTO, activación del GTO, diodo, circuito de protección, parásitos del circuito intermedio, no se modifica, en general, sin poner en peligro otros elementos.
Por lo tanto, los módulos de fases GTO son
grandes, costosos e intensivos de desarrollo. Sólo en unos pocos
casos se consigue satisfacer el deseo del cliente de modularidad y
servicio sencillo de una manera efectiva y con un sobregasto
tolerable.
En la solicitud de patente alemana no publicada
anteriormente P 195 23 095.7 (DE 19523095) se consigue reducir la
red del circuito de protección. Allí se emplean GTOs, como se
describen en la patente de los Estados Unidos US Nº 4.345.095. Pero
debe preverse siempre por cada derivación todavía un condensador de
protección que limita la subida de la tensión. Pero precisamente los
condensadores son comparativamente caros y ocupan mucho espacio. Por
lo tanto, sería deseable una disposición de circuito, en la que se
pueda prescindir totalmente de una red de circuito de
protección.
El cometido de la invención es indicar una
disposición de circuito convertidor de corriente, que se puede
constituir de forma modular, de coste favorable y pequeño. Los
efectos parasitarios del tipo descrito deben excluirse en gran
medida desde el principio a través del circuito, para reducir el
riesgo y los costes de desarrollo a una medida, como se conoce
actualmente ya de convertidores IGBT de las clases inferiores de la
tensión y de la potencia. Especialmente los conmutadores de
semiconductores de potencia deben poder accionarse sin red de
circuito de protección.
Este cometido se soluciona en una disposición de
circuito convertidor de corriente del tipo mencionado al principio
por medio de las características de la primera reivindicación. Por
lo tanto, el núcleo de la invención consiste en que
- -
- los tiristores (GTO1, GTO2) son activados con una activación dura. Especialmente, la relación entre la corriente del ánodo I_{A} y una corriente de puerta máxima I_{Gpico}, I_{A}/I_{Gpico}, debe ser menor o igual a 1, y la corriente de puerta debe elevarse tan rápidamente que se alcance el valor máximo I_{Gpico} dentro de un tiempo de subida tr menos o igual a 2 \mus, con preferencia menor o igual a 1 \mus;
- -
- la inductividad total L_{G} del circuito de activación de cada tiristor (GTO1, GTO2) desconectable debe seleccionarse tan pequeña que se aplique L_{G} \leq V_{GR}/ (I_{Gpico}/tr), correspondiendo V_{GR} a la tensión de bloqueo de retorno de la puerta respectiva de los tiristores (GTO1, GTO2) que se pueden desconectar,
- -
- está previsto circuito de marcha libre entre la fuente de tensión y el circuito en serie de los tiristores (GTO1, GTO2) que se pueden desconectar, y en que
- -
- los diodos que se encuentran antiparalelos con respecto a los tiristores presentan un comportamiento de la corriente de retorno con un flanco de tiempo de la tensión dV/dt de 2 kV/\mus a 10 kV/\mus.
Esta combinación de medidas posibilita la
indicación de un circuito, que puede trabajar sin los condensadores
de protección necesarios hasta ahora. De esta manera, se ahorran
componentes. Esto posibilita una reducción de costes y requiere un
volumen de construcción reducido. Además, se reducen las pérdidas
del convertidor a través de la supresión de energías almacenadas.
Las pérdidas en caso de carga parcial, con el circuito según la
invención, son aproximadamente proporcionales a la corriente de
carga, y se anula las posibilidades de repercusión parasitaria. De
esta manera, son posibles costes más reducidos de desarrollo, un
riesgo menor y un grado alto de normalización.
El circuito de marcha libre comprende un
condensador, una inductividad, un diodo y una resistencia, estando
el condensador en paralelo al circuito en serie de los tiristores
que se pueden desconectar.
Se indican diferentes ejemplos de realización
para el circuito de marcha libre. En el caso más sencillo está
previsto un circuito de marcha libre por cada derivación. Partes o
incluso todo el circuito de marcha libre se pueden utilizar también
para una pluralidad de derivaciones. De esta manera, se obtienen
circuitos, que están caracterizados por una estructura
extraordinariamente compacta.
Otros ejemplos de realización se deducen a partir
de las reivindicaciones dependientes.
A continuación se explica en detalle la invención
con la ayuda de ejemplos de realización con relación a los
dibujos.
En este caso:
La figura 1 muestra un diagrama de conexiones
equivalente de una disposición de circuito convertidor de corriente
según la invención.
La figura 2 muestra la curva de la corriente y la
curva de la tensión del comportamiento de la corriente de retorno de
los diodos antiparalelos.
La figura 3 muestra una segunda forma de
realización de la invención.
La figura 4 muestra una tercera forma de
realización de la invención.
La figura 5 muestra una variante de la forma de
realización según la figura 1.
Los signos de referencia utilizados en los
dibujos y su significado se indican de forma resumida en la lista de
signos de referencia. En principio, las partes iguales en las
figuras están provistas con los mismos signos de referencia.
La figura 1 muestra una derivación de una
disposición de circuito convertidor de corriente 1 según la
invención. Con GTO1 y GTO2 se designan dos tiristores que se pueden
desconectar, que están conectados en serie. El punto nodal común
medio forma una fase o conexión de carga, en la que se pueden
conectar, por ejemplo, las conexiones de fases de un motor síncrono.
Entre los tiristores que se pueden desconectar y una fuente de
tensión continua, que se forma especialmente por medio de un
circuito intermedio de tensión continua Uzk de un convertidor, está
dispuesto un circuito de marcha libre 2.
Los GTOs del circuito según la invención son
activados con activación dura. Se ha podido mostrar que a través de
la activación dura es posible conseguir los valores de desconexión
marcados a través de las posibilidades térmicas de los GTO
(generación y disipación de calor) para la mayoría de las
aplicaciones en el funcionamiento sin condensadores que limitan el
gradiente del circuito de seguridad, es decir, el gradiente de la
tensión.
En oposición a la invención, en el estado de la
técnica son necesarios siempre todavía condensadores de protección
en paralelo a los GTOs.
En oposición al documento
EP-A1-0 489 945 mencionado al
principio, en el que no es posible todavía un funcionamiento sin
circuito de protección, la relación entre la corriente del ánodo
I_{A} y una corriente de puerta máxima I_{Gpico},
I_{A}/I_{Gpico}, debe ser menor o igual a 1, y la corriente de
puerta debe elevarse tan rápidamente que se alcance el valor máximo
I_{Gpico} dentro de un tiempo de subida tr menos o igual a 2
\mus, con preferencia menor o igual a 1 \mus;
Con este fin, también la inductividad total
L_{G} del circuito de activación de cada tiristor GTO debe
seleccionarse tan pequeña que se aplique L_{G} \leq V_{GR}/
(I_{Gpico}/tr), correspondiendo V_{GR} a la tensión de bloqueo
de retorno de la puerta. Este objetivo se consigue para GTOs de alta
corriente, por ejemplo, con una estructura, como se describe en el
documento US 5.345.096 mencionado al principio.
En general, por medio de este tipo de activación
se consigue que la corriente del cátodo alcance el valor cero
durante la desconexión, antes de que se eleve la tensión del
ánodo.
Antiparalelos a los GTOs están previstos diodos
antiparalelos D1, D2. Éstos se pueden integrar también en el GTO en
el caso de un GTO conductor de retorno. Estos diodos requieren una
limitación de dl/dt, que se alcanza de una manera conocida a través
de la inductividad L. Los diodos deben conmutarse de nuevo sin
condensador de protección o circuito de protección contra esta carga
inductiva (comportamiento de corriente de retorno, "Recuperación
de retorno"). Los diodos muestran un comportamiento de corriente
de retorno, como se representa en la parte superior de la figura 2.
En el caso de aceptación de la tensión, la corriente fluye en primer
lugar una vez en sentido opuesto durante un periodo de tiempo
determinado. Solamente entonces se eleva la tensión con una
inclinación determinada de los flancos dV/dt. Por lo tanto, se
emplean en la invención diodos especialmente sintonizados (por
ejemplo, a través del diseño de vida útil por medio de radiación con
protones o radiación con helio), que se ajustan con preferencia de
tal forma que su dV/dt está durante la conmutación bajo carga plena
en el intervalo de 2 kV/\mus... 10 kV/\mus (ver la figura
2).
El funcionamiento sin circuito de protección de
los GTOs y de los diodos antiparalelos conduce, especialmente en el
caso del diseño para pérdidas de conmutación pequeñas, a dV/dt altas
y a procesos de conmutación correspondientemente rápidos con dl/dt
alta. Por lo tanto, es necesaria una estructura inductiva
extremadamente baja (inductividad de dispersión del circuito total
< 100 ... 200 nH). El circuito intermedio y las resistencias de
marcha libre no permiten, en general, una estructura inductiva
reducida de este tipo. Por lo tanto, de acuerdo con la invención, es
necesario un circuito que permita la introducción de un
desbordamiento inductivo reducido. El condensador de desbordamiento
C está dimensionado en su tamaño de tal forma que limite de una
manera eficaz las sobretensiones transitorias, pero no influya en
una medida esencial sobre la marcha libre de la inductividad. De
esta manera, resulta un condensador con C = 1 \muF a 3 \muF para
la mayoría de las aplicaciones en el intervalo de 3kA de corriente
de desconexión.
Por lo tanto, entre la fuente de la tensión
continua Uzk y los conmutadores está previsto un circuito de marcha
libre rápida 2. En el caso más sencillo (figura 1), este circuito
comprende un condensador C, que está dispuesto en paralelo a los
GTOs y un circuito en serie, puenteado por una inductividad, formado
por una resistencia R y por un diodo D, estando conectada la
resistencia R o bien el condensador C, por una parte, con el cátodo
del diodo y, por otra parte, con la conexión positiva o bien con la
conexión negativa, respectivamente, de la fuente de tensión
continua.
En la figura 1 solamente se representa una
derivación de un convertidor de corriente. En general, están
previstas varias derivaciones o módulos de fases y a cada módulo de
fases se asocia un circuito de marcha libre. Las formas de
realización especialmente preferidas permiten utilizar en común
estos elementos, además, para varios módulos de fases.
En la figura 3 se utilizan en común la
resistencia de marcha libre R y el condensador de desbordamiento C
de varios módulos de fases. Pero para cada derivación está prevista
una inductividad. Esta forma de realización presenta las siguientes
ventajas:
- -
- número más reducido de componentes,
- -
- concentración de la potencia de calor en una resistencia, es decir, menor gasto de refrigeración especialmente en el caso de refrigeración por agua, elevada fiabilidad con respecto a la conducción de agua y el diseño de la resistencia (más robusto),
- -
- constitución modular compacta.
En la forma de realización según la figura 4, se
utilizan en común la inductividad L, la resistencia R, el
condensador de desbordamiento C y el diodo D. Las ventajas de este
circuito son:
- -
- gasto extremadamente reducido,
- -
- diseño compacto,
- -
- peso y volumen de construcción mínimos (solamente una inductividad, desplazamientos mínimos).
Pero en este circuito, antes de la conmutación de
una fase, debe estar concluido el proceso de conmutación de una fase
precedente, hasta el punto de que solamente fluya todavía una
corriente reducida en la resistencia de marcha libre R.
Pero los circuitos de marcha libre pueden estar
dispuestos, como se muestra a modo de ejemplo en la figura 5 para
una derivación, entre el polo negativo del circuito intermedio de la
tensión continua y los tiristores que se pueden desconectar. El
diodo D debe emplearse entonces con polaridad invertida. El resto
del circuito es simétrico de espejo.
En general, a través de las medidas tomadas de
acuerdo con la invención se obtiene la posibilidad de construir un
convertidor de corriente, que no requiere circuito de protección de
los tiristores que se pueden desconectar y de los diodos
antiparalelos.
El convertidor de corriente puede presentar
también la forma de un inversor de tres puntos. En este caso, están
previstos al menos cuatro conmutadores por derivación y por medio de
la conexión correspondiente de los conmutadores y del circuito
intermedio de tensión continua no sólo se puede conectar la tensión
positiva y la tensión negativa del circuito intermedio sino también
cero voltios en la conexión de la carga, que se forma de nuevo a
través de los nodos medios comunes del circuito en serie de los
conmutadores. La función y la estructura de un inversor de tres
puntos se conocen a partir de muchas citas de la literatura y no es
necesario explicarlas aquí de nuevo.
\dotable{\tabskip\tabcolsep#\hfil\+#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{
1 \+ Disposición de circuito convertidor\cr \+ de corriente\cr 2
\+ Circuito de marcha libre\cr GTO1, GTO2 \+ Tiristores que se
pueden desconectar\cr D1, D2 \+ Diodos antiparalelos\cr D \+ Diodo
de marcha libre\cr L \+ Inductividad\cr R \+ Resistencia de marcha
libre\cr C \+ Condensador\cr Uzk \+ Fuente de tensión
continua\cr}
Claims (6)
1. Disposición de circuito convertidor de
corriente (1) con al menos una derivación con un número par de
tiristores (GTO1, GTO2) conectados en serie, que se pueden
desconectar y con diodos antiparalelos (D1, D2), que están
conectados antiparalelos a los tiristores (GTO1, GTO2) que se pueden
desconectar, estando conectada la o cada derivación en una fuente de
tensión continua (Uzk) y formando un punto nodal común medio de la o
de cada derivación una conexión de carga, caracterizada
porque
- -
- los tiristores (GTO1, GTO2) que se pueden desconectar son activados con activación dura, y en particular de tal manera que la relación entre la corriente del ánodo I_{A} y una corriente de puerta máxima I_{Gpico}, I_{A}/I_{Gpico}, es menor o igual a 1, y la corriente de puerta se eleva tan rápidamente que se alcanza el valor máximo I_{Gpico} dentro de un tiempo de subida tr menos o igual a 2 \mus, con preferencia menor o igual a 1 \mus;
- -
- la inductividad total L_{G} del circuito de activación de cada tiristor (GTO1, GTO2) desconectable es seleccionada tan pequeña que se aplica L_{G} \leq V_{GR}/ (I_{Gpico}/tr), correspondiendo V_{GR} a la tensión de bloqueo de retorno de la puerta respectiva de los tiristores (GTO1, GTO2) que se pueden desconectar,
- -
- está previsto circuito de marcha libre entre la fuente de tensión y el circuito en serie de los tiristores (GTO1, GTO2) que se pueden desconectar, y
- -
- los diodos que se encuentran antiparalelos con respecto a los tiristores presentan un comportamiento de la corriente de retorno con un flanco de tiempo de la tensión dV/dt de 2 kV/\mus a 10 kV/\mus.
2. Disposición de circuito según la
reivindicación 1, caracterizada porque el circuito de marcha
libre (2) está previsto para cada derivación y el circuito de marcha
libre comprende un condensador (C), una resistencia (R), un diodo
(D) y una inductividad (L), estando conectados la resistencia (R) y
el diodo (D) en serie y entre el polo positivo de la fuente de
tensión continua (Uzk) y el circuito en serie de tiristores (GTO1,
GTO2) que se pueden desconectar, la inductividad (L) se encuentra en
paralelo al circuito en serie de la resistencia (R) y el diodo (D),
y el condensador (C) está conectado, por una parte, con el punto
nodal común del circuito en serie de la resistencia (R) y del diodo
(D) y, por otra parte, con el polo negativo de la fuente de tensión
continua (Uzk).
3. Disposición de circuito según la
reivindicación 1, caracterizado porque el circuito de marcha
libre (2) está previsto para cada derivación y el circuito de marcha
libre comprende un condensador (C), una resistencia (R), un diodo
(D) y una inductividad (L), estando conectados la resistencia (R) y
el diodo (D) en serie y entre el polo negativo de la fuente de
tensión continua (Uzk) y el circuito en serie de tiristores (GTO1,
GTO2) que se pueden desconectar, la inductividad (L) se encuentra en
paralelo al circuito en serie de la resistencia (R) y el diodo (D) y
el condensador (C) está conectado, por una parte, con el punto nodal
común del circuito en serie de la resistencia (R) y del diodo (D) y,
por otra parte, con el polo positivo de la fuente de tensión
continua (Uzk).
4. Disposición de circuito según la
reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque están previstas al
menos 3 derivaciones y la resistencia (R) y el condensador (C) de
los circuitos de marcha libre de las derivaciones están agrupados
para formar en cada caso un componente común.
5. Disposición de circuito según la
reivindicación 4, caracterizada porque también las
inductividades (L) de los circuitos de marcha libre (2) de las
derivaciones están agrupados para formar un componente común.
6. Disposición de circuito según una de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque cada derivación
presenta al menos cuatro tiristores que se pueden desconectar y
diodos antiparalelos, y porque los tiristores que se pueden
desconectar están conectados con la fuente de tensión continua (Uzk)
de tal forma que sobre la base de esta configuración se forma un
inversor de tres puntos.
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