ES2378593T3 - Conmutador de fases con elementos de conmutación de semiconductores - Google Patents

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Abstract

Conmutador de fases con elementos de conmutación de semiconductores para la conmutación sin interrupción entre tomas de arrollamiento de un transformador de fases, en el que el conmutador de fases presenta dos derivaciones de carga que se pueden conectar con las tomas de arrollamiento respectivas, en el que los elementos de conmutadores de semiconductores son IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp), en el que cada una de las dos derivaciones de la carga está conectada eléctricamente con una línea de salida de carga común por medio de un circuito en serie dispuesto, que consta de dos IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) conectados opuestos y en el que un diodo (dan, dap, dbn, dbp) está conectado en paralelo con cada IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp), estando conectados los dos diodos en cada derivación de la carga (dan, dap o bien dbn, dbp) opuestos uno con respecto al otro, caracterizado porque un conmutador mecánico (DSa, DSb) está conectado en serie con el circuito en aerie formado por IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) y diodos paralelos (dan, dap; dbn, dbp) en cada derivación de la carga, poque un varistor (Van, Vap; Vbn, Vbp) respectivo está conectado en paralelo con cada circuito paralelo formado por IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) y diodo (dan, dap; dbn, dbp) y porque los varistores (Van, Vap o Vbn, Vbp) están dimensionados de tal forma que su tensión de varistor es inferior a la tensión máxima de bloqueo de los IGBTs paralelos respectivos, pero mayor que el valor instantáneo máximo de la tensión de toma.

Description

Conmutador de fases con elementos de conmutaci6n de semiconductores
La invenci6n se refiere a un conmutador de fases con elementos de conmutaci6n de semiconductores para la conmutaci6n sin interrupci6n entre tomas de arrollamiento de un transformador de fases.
5 Un conmutador de fases con elementos de conmutaci6n de semiconductores, que esta configurado como conmutador Hybrid-IGBT, se conoce a partir del documento WO 01/22447. El conmutador de fases descrito allf trabaja de acuerdo con el principio de un conmutador de carga de funcionamiento, en el que se puede prescindir de un acumulador de fuerza. Posee como conmutador hfbrido posee una parte mecanica y una parte electrica.
La parte mecanica, que es el objeto propio del documento WO 01/22447, posee contactos mecanicos de
10 conmutaci6n; la parte central es un contacto de corredera m6vil, que es movido a lo largo de un carril de rodadura de contacto conectado con el punto de estrella por medio de un accionamiento a motor y que conecta en este caso elementos de contacto fijos. La conmutaci6n de la carga propiamente dicha se realiza a traves de dos IGBTs, respectivamente, con cuatro diodos en circuito Gratz.
Este concepto conocido de un conmutador hfbrido es costoso y exigente desde el punto de vista mecanico, para 15 asegurar la conmutaci6n necesaria de la carga exactamente en el paso de anulaci6n de la corriente de carga.
Se conoce a partir del documento WO 97705536 otro dispositivo de conmutaci6n IGBT, en el que las tomas del arrollamiento de regulaci6n de un transformador de potencia estan conectadas a traves de un circuito en serie de dos IGBTs con una derivaci6n de la carga comun.
Este dispositivo de conmutaci6n conocido trabaja de acuerdo con el principio de la modulaci6n de la anchura del
20 impulso; en este caso se realiza una limitaci6n de la corriente del circuito a traves de la reactancia reactiva transitorias (TER) del arrollamiento de fases.
Esta disposici6n de circuito conocida y el principio de conmutaci6n que sirve de base requieren una adaptaci6n especffica del conmutador de fases al transformador de fases respectivo, que debe conectarse. Con otras palabras: el transformador de fases y el conmutador de fases estan adaptados entre sf y colaboran electricamente. Este
25 dispositivo de conmutaci6n conocido no se puede fabricar, por lo tanto, como aparato separado de aplicaci6n universal. El documento WO 97/05536 publica un conmutador de fases de acuerdo con el preambulo de la reivindicaci6n 1.
Por ultimo, se conocen a partir del documento GB-A-2424766 diferentes disposiciones de circuito para un conmutador de fases, que contienen varistores conectados de diferente tipo. En una forma de realizaci6n, los
30 varistores estan conectados en paralelo a los elementos de conmutaci6n respectivos y sirven para la divisi6n de la tensi6n.
El problema de la invenci6n es indicar un conmutador de fases del tipo indicado al principio, que esta constituido de forma sencilla, posee una alta seguridad funcional y en el que no es necesario tener de conmutar exactamente en el punto de anulaci6n de la corriente de carga. Ademas, un problema de la invenci6n es indicar un conmutador de
35 fases de este tipo, que no debe adaptarse especialmente a la corriente de carga nominal respectiva y a los arrojamientos respectivos del transformador de fases, sino que se puede conectar por decirlo asf "delante de la barra" como aparato funcional en los mas diferentes transformadores de fases.
Este problema se soluciona a traves de un conmutador de fases con las caracterfsticas de la primera reivindicaci6n de la patente. Las reivindicaciones dependientes se refieren a desarrollos especialmente ventajosos de la invenci6n.
40 La invenci6n parte de dos unidades de conmutaci6n, donde cada unidad de conmutaci6n esta constituida, respectivamente, por dos IGBTs antiparalelos correspondientes. A cada IGBT individual esta asociado un varistor conectado a tal fin en paralelo. El varistor esta dimensionado en este caso de tal forma que la tensi6n del varistor es menor que la tensi6n maxima de bloqueo del IGBT paralelo respectivo, pero mayor que el valor momentaneo maximo de la tensi6n de fases.
45 De manera especialmente ventajosa, los dos IGBTs correspondientes de una unidad de conmutaci6n antiparalela estan enganchados juntos en forma de una pila compacta.
Ademas, es especialmente ventajoso posicionar el varistor respectivo en el sentido de un trayecto en paralelo con la menor inductividad posible junto a cada IGBT e integrarlo en la pila. De esta manera, se pueden realizar conexiones de potencia extremadamente cortas entre IGBT y el varistor colocado en paralelo. Esta disposici6n posibilita tambien 50 con un valor momentaneo pleno de la corriente de carga una desconexi6n "dura" muy rapida de la corriente de carga que fluye a traves de IGBT con conmutaci6n dentro de 0,1 . 1 μ sobre el varistor conectado con una inductividad extremadamente pobre, que presenta el mismo solamente un retardo de reacci6n extremadamente pequeno en el
intervalo de ns.
La "conmutaci6n dura" (Hard-switching") del IGBT reduce en una medida decisiva la energfa de perdida de desconexi6n convertida en el IGBT y posibilita ya -como se explica todavfa en detalle a continuaci6n-el concepto de conmutaci6n presente aquf de una conmutaci6n de conmutador de fases (OLTC) con cualquier valor discrecional de la corriente de carga momentanea, sin impedancia de conmutaci6n adicional en el OLTC, sin necesidad de conocer la reactancia de dispersi6n del arrollamiento de fases, sin necesidad de una adaptaci6n del OLTC a la corriente de carga nominal respectiva o a la tensi6n de fases y sin la necesidad de una sincronizaci6n temporal con exactitud de μs del grupo de conmutaci6n IGBT a desconectar y a aceptar.
En efecto, se conocen a partir del documento DE 101 18 743 A1y a partir de otras numerosas publicaciones ya varistores en conexi6n con IGBT. Pero en el estado de la tecnica sirven exclusivamente para proteger semiconductores frente a sobretensiones, por lo tanto solamente tienen una funci6n de limitaci6n de la tensi6n.
En cambio, en la invenci6n la funci6n del varistor dispuesto en paralelo a cada IGBT es diferente: despues de la conmutaci6n de la corriente de carga impresa, impulsada por la tensi6n de la red, desde el IGBT de desconexi6n sobre el varistor colocado en paralelo (circuito de conmutaci6n pequeno), el varistor atravesado por la corriente de carga forma, de acuerdo con su curva caracterfstica-I-U, una tensi6n que muestra una dependencia relativamente reducida del valor momentaneo de la corriente y que permanece practicamente constante durante el proceso de conmutaci6n del OLTC.
Los varistores estan dimensionados en este caso de manera especialmente ventajosa de tal forma que la tensi6n del varistor, que resulta durante la carga con el valor vertice de la corriente maxima, presenta todavfa una distancia de seguridad suficiente con respecto a la tensi6n de bloqueo maxima de los IGBTs.
Por otra parte, la Tensi6n de Sujeci6n de los varistores (Uvar a 1 mA) debe estar claramente por encima del valor vertice de la tensi6n maxima de las fases, para que la corriente de carga se pueda conmutar desde el lado de desconexi6n de OLTC mas alla de la tensi6n de las fases sobre el lado de recepci6n de la corriente de carga (circuito de conmutaci6n grande).
La diferencia ΔU entre el valor momentaneo de la cafda de la tensi6n en el varistor y el valor momentaneo de la tensi6n de las fases provoca a traves del dimensionado especial de los varistores la conmutaci6n de la corriente de carga a traves de la inductividad de dispersi6n del arrollamiento de fases y las inductividades de la lfnea sobre el lado de recepci6n del conmutador de fases y determina la di/dt del proceso de conmutaci6n (di/dt = ΔU/LKom).
Esto ilustra que los varistores en el marco de la presente invenci6n no se emplean, como se conoce de acuerdo con el estado de la tecnica, para la reducci6n de sobretensiones transitorias. En la presente invenci6n, los varistores asumen las siguientes funciones atfpicas para su tipo y no evidentes a traves del estado de la tecnica:
•
Recepci6n de la corriente de carga desde los IGBTs desconectados de forma dura.
•
Generaci6n de una cafda de la tensi6n que debe estar, independientemente del valor momentaneo de la corriente de carga, en una banda de tensi6n entre la tensi6n de bloqueo maxima de los IGBTs y el valor vertice de la tensi6n maxima de las fases.
•
Preparaci6n de un area de la tensi6n con relaci6n al tiempo, que conmuta la corriente de carga desde el lado de conducci6n de la corriente pasando sobre la tensi6n de fases dirigida en sentido opuesto sobre el lado de recepci6n del conmutador de fases.
A traves de la invenci6n resulta un dimensionado muy sencillo y de coste favorable de los grupos de conmutaci6n de la electr6nica de potencia, porque el volumen de absorci6n de energfa en el caso del varistor es variable de manera flexible y de tamano diferente que el volumen mucho mas pequeno, mas caro y s6lo diffcil de variar, en cuanto al volumen, del chip IGBT.
Como otro efecto positivo de la conducci6n de la corriente de carga a traves de los varistores, la preparaci6n necesaria del area de la tensi6n de conmutaci6n con relaci6n al tiempo a traves de los varistores y la recepci6n de la energfa de perdida que se produce en este caso de la misma manera a traves de los varistores dan como resultado un campo de tolerancia muy grande con respecto a la sincronizaci6n del instante de la desconexi6n del grupo IGBT a desconectar y del instante de la conexi6n del grupo IGBT de recepci6n.
En el caso de que en el transcurso de los anos de funcionamiento, como consecuencia del envejecimiento de los componentes y del desplazamiento del punto de trabajo en la electr6nica de activaci6n, hubiera que ajustar un comportamiento de conmutaci6n a solapa o discontinuo en un orden de magnitud de aproximadamente ± 10 μs, de ello no se deriva ninguna amenaza para la funci6n en el concepto de conmutaci6n de acuerdo con la invenci6n.
En resumen, la invenci6n presenta las siguientes ventajas:
•
Opci6n de la conmutaci6n en cada valor momentaneo discrecional de la corriente de carga sin solicitaci6n termica excesiva de los IGBTs.
•
Proceso de conmutaci6n extraordinariamente rapido de la corriente de carga desde el lado del conmutador de fases A → B o B → A dentro de aproximadamente 10 μs.
•
Prevenci6n de oscilaciones perturbadoras.
•
Se suprime una adaptaci6n especffica de la tarea de cada conmutador de fases a los datos nominales concretos de las fases del encargo (tensi6n de las fases, corriente nominal de paso, inductividad de dispersi6n), con tal que no se excedan los valores lfmite de la tensi6n de las fases y la corriente nominal de paso.
•
Concepto de conmutaci6n robusto seguro propio con un campo de tolerancia muy grande con respecto a la desviaci6n del tiempo de conmutaci6n entre los dos grupos de conmutaci6n IGBT. No es necesario ningun reajuste despues de un tiempo de funcionamiento mas prolongado.
A continuaci6n se explica en detalle todavfa la invenci6n a modo de ejemplo con la ayuda de figuras.
La figura 1 muestra el circuito de un primer conmutador de fases de acuerdo con la invenci6n.
La figura 2 muestra el circuito de un segundo conmutador de fases modificado en el marco de la invenci6n.
Como se representa en la figura 1, cada una de las dos tomas de arrollamiento tap n asf como tal n+1 estan conectadas traves de un conmutador mecanico DSaobien DSb con un circuitoen serie formado, respectivamente, por dos IGBTs Ian y Iap conectados opuestos sobre el lado n asf como Ibn y Ibp sobre el lado n+1 con la derivaci6n del conmutador de fases. En paralelo cada uno de los dos IGBTs Ian y Iap conectados en serie de uno de los lados y Ibn y Ibp del otro lado, esta conectado, respectivamente, un diodo dan, dap o bien dbn, dbp. En este caso, los diodos de un lado, es decir, dan y dap o bien dbn y dbp estan conectados opuestos entre sf, es decir, con direcci6n de paso opuesta.
De nuevo, en paralelo a cada uno de estos circuitos en paralelo de IGBT y diodo esta previsto en cada caso un varistor Van, Vap o bien Vbn, Vbp.
Por ultimo, se representan todavfa los contactos de enganche principales permanentes de cada lado MCa o bien MCb, que puentean en cada caso toda la instalaci6n de conmutaci6n en el modo estacionario. Los IGBTs de los dos lados Ian, Iap; Ibn, Ibp son activados por medio de un excitador IGBT comun, representado s6lo de forma esquematica, conocido a partir del estado dela tecnica.
A continuaci6n se explica en detalle a modo de ejemplo una secuencia de conmutaci6n de tap n sobre tap n+1: en la posici6n basica, la corriente de carga fluye sobre el cotacto de enganche principal permanente MCa desde tap n hacia la derivaci6n del conmutador de fases Y.
Como primera etapa de la secuencia de conmutaci6n se cierran los contactos de conmutaci6n libre DSa y DSb.
A continuaci6n se aplica tensi6n de encendido en las puertas de los IGBTs Ian y Iap. Cada uno abre el contacto de enganche principal permanente MCa y se comunica con la corriente de carga IL sobre el grupo IGBT Ian/Iap.
Despues de una duraci6n del flujo de la corriente inferior a 10 ms de IL a traves del grupo IGBT Ian/Iap, estos IBGTs reciben una instrucci6n de desconexi6n y el grupo IGBT Ibn/Ibp recibe al mismo tiempo (al msnos en el caso estandar) una instruci6n de conexi6n.
La tensi6n que se forma en el IGBT desconectado se transmite sobre el varistor que se encuentra en paralelo. Cuando despues de menos de 100 ns se alcanza la Tensi6n de Sujeci6n del varistor, el varistor comienza a conducir, con lo que se inicia la asunci6n de la corriente de carga desde los IGBT Ian y Iap.
El varistor esta dimensionado de acuerdo con la invenci6n de tal forma que la tensi6n del varistor atravesado por la corriente de carga se mueve, por una parte, por debajo de la tensi6n maxima de bloqueo del IBGT paralelo y, por otra parte, por encima del valor maximo momentaneo de la tensi6n de las fases.
El exceso del valor momentaneo de la tensi6n del varistor por encima del valor momentano de la tensi6n de las fases provoca la conmutaci6n de la corriente de carga con di/dt aproximadamente constante desde el lado A y un deslazamiento por encima de la tensi6n de las fases y la inductividad de dispersi6n del arrollamiento de las fases La (cfrculo de conmutaci6n grande) con di/dt igual (en este caso positivo) en el lado B. A pesar de que se reduce continuamente la corriente, que fluye a traves del varistor en el lado A, se mantiene constante la tensi6n del varistor en una primera aproximaci6n.
Despues de aproximadamente 10 �s, se conmuta toda la corriente de carga desde el varistor del lado A atravesado por la corriente sobre los IGBTs conductores del lado B. Con la aproximacion de la corriente del lado A al valor 0 se modifica, en principio, la tensi6n en el grupo de conmutaci6n A:
La tensi6n del varistor se desploma, el transiente
desaparece y en el Grupo A de IGBT/varistor aparece la tensi6n de las fases, que se eleva en funci6n de la polaridad en un IGBT de bloqueo, del diodo colocado en paralelo con el y del varistor colocado de nuevo en paralelo, respectivamente. Incluso en el caso de carga con el valor vertice de la tensi6n de las fases, el
10 varistor no permite todavfa un flujo significativo de la corriente.
Menos de 10 ms despues de la conmutaci6n electr6nica de la potencia de la corriente de carga desde el lado A sobre el lado B, se cierra el contacto de enganche principal permanente MCb y se deriva el IGBT-Grupo B. A continuaci6n se conmutan los IGBTs Ibn/Ibp a traves de la activaci6n de la puerta al estado no conductor.
La secuencia de conmutacion termina con la apertura de los contactos mecanicos de conmutacion libre DSa y DSb,
15 que protegen los IGBTs contra las solicitaciones transitorias de corriente, que se pueden activar en el arrollamiento de las fases.
En la figura 2 se representa un circuito modificado de un conmutador de fases de acuerdo con la invenci6n, en el que los dos varistores de un lado Van, Vap o bien Vbn, Vbp estan agrupados, respectivamente, en un varistor comun Va
o bien Vb, respectivamente. En este caso, el conmutador mecanico respectivo de cada lado DSa o bien DSb y el
20 varistor repectivo de lado Va o bien Vb correspondiente forman de la misma manera un circuito en serie hacia la derivaci6n de carga comun.

Claims (2)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Conmutador de fases con elementos de conmutaci6n de semiconductores para la conmutaci6n sin interrupci6n entre tomas de arrollamiento de un transformador de fases, en el que el conmutador de fases presenta dos derivaciones de carga que se pueden conectar con las tomas de arrollamiento respectivas, en el que los elementos 5 de conmutadores de semiconductores son IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp), en el que cada una de las dos derivaciones de la carga esta conectada electricamente con una lfnea de salida de carga comun por medio de un circuito en serie dispuesto, que consta de dos IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) conectados opuestos y en el que un diodo (dan, dap, dbn, dbp) esta conectado en paralelo con cada IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp), estando conectados los dos diodos en cada derivaci6n de la carga (dan, dap o bien dbn, dbp) opuestos uno con respecto al otro, caracterizado porque un conmutador mecanico
    10 (DSa, DSb) esta conectado en serie con el circuito en aerie formado por IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) y diodos paralelos (dan, dap; dbn, dbp) en cada derivaci6n de la carga, poque un varistor (Van, Vap; Vbn, Vbp) respectivo esta conectado en paralelo con cada circuito paralelo formado por IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) y diodo (dan, dap; dbn, dbp) y porque los varistores (Van, Vap o Vbn, Vbp) estan dimensionados de tal forma que su tensi6n de varistor es inferior a la tensi6n maxima de bloqueo de los IGBTs paralelos respectivos, pero mayor que el valor instantaneo maximo de la tensi6n de toma.
    15 2.-Conmutador de fases de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado porque cada IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) esta combinado en la construcci6n para formar una pila junto con el varistor (Van, Vap; Vbn, Vbp) conectado en paralelo con el y el diodo (dan, dap; dbn, dbp).
  2. 3.-Conmutador de fases de acuerdo con la reivindicaci6n 1, caracterizado porque los dos varistores (Van, Vap o Vbn, Vbp) previstos en la misma derivaci6n de carga estan combinados para formar un varistor individual (Va, Vp).
    20 4.-Conmutador de fases de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque esta previsto un contacto de enganche mecanico principal (MCa, MCb) respectivo en paralelo con cada una de las dos derivaciones de la carga.
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