Módulo de conmutación para uso en un dispositivo para limitar y/o cortar la corriente de una línea de transmisión o distribución de potencia.

Un dispositivo (14, 17, 18) para limitar y/o cortar una corriente eléctrica que fluye a través de una línea

(13) de transmisión o distribución de potencia, comprendiendo el dispositivo al menos un módulo de conmutación que comprende:

• al menos un elemento (1, 2; 8, 9) de conmutación de semiconductores de potencia;

• una unidad (31) de puerta dispuesta para conectar y desconectar el al menos un elemento de conmutación de semiconductores de potencia, respectivamente, de acuerdo con una señal de control de conmutación, y

• un condensador (25) de almacenamiento de energía, dispuesto para proporcionar alimentación a una entrada (29) de la fuente de alimentación de la unidad de puerta,

• medios (20) de transformación de potencia dispuestos para recibir una señal óptica de potencia, para transformar la señal óptica de potencia en una señal de potencia eléctrica y para proporcionar la señal de potencia eléctrica al condensador de almacenamiento de energía, donde

• el módulo de conmutación está dispuesto para separar una señal eléctrica de control de la señal óptica de potencia y para proporcionar la señal eléctrica de control a la unidad (31) de puerta, donde la señal eléctrica de control comprende dicha señal de control de la conmutación.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2010/051313.

Solicitante: ABB TECHNOLOGY AG.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: AFFOLTERNSTRASSE 44 8050 ZURICH SUIZA.

Inventor/es: HAFNER, JURGEN, LUNDBERG,PETER, SILJESTRÖM,ROLAND, SCHLAPBACH,ULRICH, BILJENGA,BO.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > TECNICA DE IMPULSO (medida de las características... > Conmutación o apertura de puerta electrónica, es... > H03K17/12 (Modificaciones para aumentar la corriente conmutada máxima admisible)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > TECNICA DE IMPULSO (medida de las características... > Conmutación o apertura de puerta electrónica, es... > H03K17/10 (Modificaciones para aumentar la tensión conmutada máxima admisible)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > TECNICA DE IMPULSO (medida de las características... > Conmutación o apertura de puerta electrónica, es... > H03K17/78 (por la utilización, como elementos activos, de dispositivos opto-electrónicos, es decir, dispositivos emisores de luz y dispositivos fotoeléctricos acoplados eléctrica u ópticamente)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > TECNICA DE IMPULSO (medida de las características... > Conmutación o apertura de puerta electrónica, es... > H03K17/0814 (por medidas tomadas en el circuito de salida)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > CIRCUITOS ELECTRONICOS BASICOS > TECNICA DE IMPULSO (medida de las características... > Conmutación o apertura de puerta electrónica, es... > H03K17/689 (con aislamiento galvánico entre el circuito de control y el circuito de salida (H03K 17/78 tiene prioridad))

PDF original: ES-2477196_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Mïdulo de conmutaciïn para uso en un dispositivo para limitar y/o cortar la corriente de una lïnea de transmisiïn o distribuciïn de potencia La invenciïn estï relacionada con un mïdulo de conmutaciïn que estï dispuesto para ser usado en un dispositivo para limitar y/o cortar una corriente elïctrica que fluye a travïs de una lïnea de transmisiïn o distribuciïn de potencia, donde el mïdulo de conmutaciïn comprende al menos un elemento de conmutaciïn por semiconductores de potencia, una unidad de puerta dispuesta para conectar y desconectar el al menos un conmutador de semiconductores de potencia, respectivamente, de acuerdo con una seïal de control de conmutaciïn, y un condensador de almacenamiento de energïa, dispuesto para proporcionar potencia a una entrada de alimentaciïn de potencia a la unidad de puerta.

La invenciïn surge originalmente a partir del campo de los disyuntores de corriente continua de alta tensiïn (HVDC) y de los limitadores de corriente, es decir, dispositivos de conmutaciïn que son capaces de limitar y/o cortar una corriente continua que fluye a travïs de una lïnea de transmisiïn de potencia, donde la lïnea estï a un nivel de tensiïn por encima de 50 kV. Sin embargo, la invenciïn es aplicable tambiïn a disyuntores para la distribuciïn de potencia de CC de media tensiïn, es decir, una gama de tensiones de CC entre alrededor de 1 kV y 50 kV, y los modos de realizaciïn bidireccionales de la invenciïn son aplicables incluso a disyuntores para la transmisiïn y distribuciïn de potencia de CA a cualquier nivel de tensiïn.

En el documento EP 0867998 B1, se describe un disyuntor para CC de estado sïlido, que comprende una conexiïn paralela de al menos un conmutador principal de semiconductores de potencia de una resistencia no lineal que trabaja como un elemento de detenciïn de sobretensiïn. Cuando se acciona el disyuntor de CC para interrumpir una corriente de CC en una lïnea de transmisiïn o distribuciïn de CC, el al menos un conmutador principal de semiconductores de potencia conmuta la corriente de CC en la resistencia no lineal, la cual reduce entonces la corriente de CC disipando la energïa almacenada en la lïnea de CC. En el documento PCT/EP2009/065233, se presenta otro disyuntor para CC de estado sïlido que contiene, en paralelo con la conexiïn paralela del conmutador principal por semiconductores de potencia y del elemento de detenciïn de sobretensiïn, una conexiïn en serie de un conmutador mecïnico de alta velocidad y al menos un conmutador auxiliar de semiconductores de potencia.

En la prïctica, tales disyuntores de CC, con el fin de ser aplicables al nivel de tensiïn de los sistemas de transmisiïn y distribuciïn de potencia de CC, necesitan contener un considerable nïmero de conmutadores principales de semiconductores de potencia conectados en serie, ya que un solo conmutador de semiconductores de potencia tiene una especificaciïn de tensiïn comparativamente bajo. El nïmero de conmutadores principales de semiconductores de potencia conectados en serie puede alcanzar fïcilmente varios cientos en el caso del nivel de tensiïn HVDC de varios cientos de kV.

Con respecto a la presente invenciïn, tanto los conmutadores principales de semiconductores de potencia, asï como posiblemente los conmutadores actuales de semiconductores de potencia auxiliares de un disyuntores de CC o limitadores de corriente de CC, representan cada uno de ellos un mïdulo de conmutaciïn, es decir, comprenden, ademïs de uno o varios elementos de conmutaciïn de semiconductores de potencia, una unidad de puerta y un condensador de almacenamiento de energïa. Tales mïdulos de conmutaciïn estïn descritos en detalle por ejemplo en el documento EP 0 868 014 B1, donde el condensador de almacenamiento de energïa estï conectado a travïs de un convertidor de CC/CC, a la entrada de la fuente de alimentaciïn de la unidad de puerta. La energïa almacenada en el condensador es transformada a travïs del convertidor de CC/CC en la tensiïn de alimentaciïn de CC requerida por la unidad de puerta para su funcionamiento normal de conexiïn y desconexiïn el al menos un elemento conmutador de semiconductores de potencia. El propio condensador de almacenamiento de energïa estï conectado al denominado circuito primario de alta tensiïn, es decir, estï conectado al mismo circuito y por ello al mismo nivel de alta tensiïn que el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia de ese mïdulo de conmutaciïn particular. Siempre que el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia estï en el estado de conmutaciïn de bloqueo, es decir, no-conductor, se cargarï el condensador de almacenamiento de energïa.

Con respecto a los disyuntores de CC y a los limitadores de corriente de CC que contienen conmutadores principales de semiconductores de potencia, esta manera conocida de alimentar las unidades de puerta de los elementos de conmutaciïn, se muestra problemïtica, ya que en condiciones de funcionamiento normal del disyuntor de CC o el limitador de corriente de CC se supone que son conductores durante un periodo de tiempo largo, preferiblemente un aïo o incluso mïs, sin ninguna necesidad de una operaciïn de conmutaciïn. Consecuentemente, al menos una parte de sus elementos de conmutaciïn de semiconductores de potencia es permanentemente conductora, no ofreciendo con ello un estado de bloqueo que podrïa permitir la carga requerida o la recarga de los correspondientes condensadores de almacenamiento de energïa. Esto hace difïcil asegurar que se pueda suministrar suficiente energïa a la unidad de puerta en el caso de que haya que accionar los elementos de conmutaciïn de semiconductores de potencia. Ademïs, al poner un disyuntor de CC en funcionamiento, significa normalmente que se desconecta despuïs la correspondiente lïnea de transmisiïn o distribuciïn de potencia de la red de CC, dejando con ello al circuito primario con tensiïn cero. Consecuentemente, la carga o recarga de los condensadores de almacenamiento de energïa de los mïdulos de conmutaciïn de un disyuntor de CC, solamente es posible durante los raros y cortos periodos de tiempo en que el disyuntor estï abierto. Si no se puede asegurar una carga repetitiva y regular de los condensadores de almacenamiento de energïa, la fiabilidad del correspondiente disyuntor de CC o limitador de corriente de CC se reduce considerablemente.

Se conoce una soluciïn diferente para proporcionar alimentaciïn a las unidades de puerta de los conmutadores de semiconductores de potencia para aplicaciones de convertidores de media tensiïn, donde se utiliza una fuente de alimentaciïn a travïs de transformadores de impulsos, es decir, la fuente de alimentaciïn funciona independientemente del circuito primario. Sin embargo, esta soluciïn no es aplicable a niveles de alta tensiïn, debido a razones de diseïo y coste, ya que el aislamiento de cada transformador de impulsos necesita soportar al menos la tensiïn nominal de CC, lo cual significa para aplicaciones de alta tensiïn varios cientos de kV. En el caso de los disyuntores de CC de alta tensiïn, la fatiga de sobretensiïn durante la acciïn de apertura requiere incluso un nivel casi el doble de la tensiïn de CC.

Es un objeto de la presente invenciïn presentar una soluciïn para un mïdulo de conmutaciïn para uso en un disyuntor de CC o un limitador de corriente de CC, en particular para aplicaciones HVDC, con el cual se aumenta la fiabilidad del mïdulo de conmutaciïn y con ello del disyuntor de CC o del limitador de corriente de CC.

El objeto se consigue por medio de un mïdulo de conmutaciïn que comprende ademïs medios de transformaciïn de potencia, dispuestos para recibir la potencia a travïs de una seïal de potencia ïptica, para transformar la seïal de potencia... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un dispositivo (14, 17, 18) para limitar y/o cortar una corriente elïctrica que fluye a travïs de una lïnea (13) de transmisiïn o distribuciïn de potencia, comprendiendo el dispositivo al menos un mïdulo de conmutaciïn que comprende:

! al menos un elemento (1, 2; 8, 9) de conmutaciïn de semiconductores de potencia;

! una unidad (31) de puerta dispuesta para conectar y desconectar el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia, respectivamente, de acuerdo con una seïal de control de conmutaciïn, y

! un condensador (25) de almacenamiento de energïa, dispuesto para proporcionar alimentaciïn a una entrada (29) de la fuente de alimentaciïn de la unidad de puerta,

! medios (20) de transformaciïn de potencia dispuestos para recibir una seïal ïptica de potencia, para transformar la seïal ïptica de potencia en una seïal de potencia elïctrica y para proporcionar la seïal de potencia elïctrica al condensador de almacenamiento de energïa, donde ! el mïdulo de conmutaciïn estï dispuesto para separar una seïal elïctrica de control de la seïal ïptica de potencia y para proporcionar la seïal elïctrica de control a la unidad (31) de puerta, donde la seïal elïctrica 15 de control comprende dicha seïal de control de la conmutaciïn.

2. Un dispositivo (14, 17, 18) para limitar y/o cortar una corriente elïctrica que fluye a travïs de una lïnea (13) de transmisiïn o distribuciïn de potencia, comprendiendo el dispositivo al menos un mïdulo de conmutaciïn que comprende:

! al menos un elemento (1, 2; 8, 9) de conmutaciïn de semiconductores de potencia y al menos un diodo (2, 7) 20 o funciïn (8, 9) de diodo, donde el diodo o funciïn de diodo estï en anti-paralelo con un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia;

! una unidad (31) de puerta dispuesta para conectar y desconectar el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia, respectivamente, de acuerdo con una seïal de control de conmutaciïn, y

! un condensador (25) de almacenamiento de energïa, dispuesto para proporcionar alimentaciïn a una entrada 25 (29) de la fuente de alimentaciïn de la unidad de puerta,

! medios (20) de transformaciïn de potencia dispuestos para recibir una seïal ïptica de potencia, para transformar la seïal ïptica de potencia en una seïal de potencia elïctrica y una seïal elïctrica de control para proporcionar una seïal de potencia elïctrica al condensador de almacenamiento de energïa, y

! medios (37) de monitorizaciïn de diodos adaptado para monitorizar la funcionalidad de bloqueo de dicho diodo (o diodos) o funciïn (o funciones) de diodo siempre que el (los) correspondiente (s) elemento (s) de conmutaciïn de semiconductores de potencia estïn conectados o desconectados y no fluya corriente principal a travïs del diodo (o diodos) o funciïn (o funciones) de diodo a monitorizar, donde durante la monitorizaciïn se aplica una tensiïn positiva de prueba a la direcciïn de avance del (de los) elemento (s) de conmutaciïn y se genera una informaciïn de fallo en el caso de que la tensiïn de prueba no se mantenga.

3. Un dispositivo (14, 17, 18) para limitar y/o cortar una corriente elïctrica que fluye a travïs de una lïnea (13) de transmisiïn o distribuciïn de potencia, comprendiendo el dispositivo una conexiïn en serie de un primer mïdulo de conmutaciïn y al menos un mïdulo de conmutaciïn adicional, donde el primer mïdulo de conmutaciïn comprende:

! al menos un elemento (1, 2; 8, 9) de conmutaciïn de semiconductores de potencia y al menos un diodo (2, 7)

o funciïn (8, 9) de diodo, donde el diodo o funciïn de diodo estï en anti-paralelo con un elemento de 40 conmutaciïn de semiconductores de potencia;

! una unidad (31) de puerta dispuesta para conectar y desconectar el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia, respectivamente, de acuerdo con una seïal de control de conmutaciïn, y

! un condensador (25) de almacenamiento de energïa, dispuesto para proporcionar alimentaciïn a una entrada (29) de la fuente de alimentaciïn de la unidad de puerta,

! medios (20) de transformaciïn de potencia dispuestos para recibir una seïal ïptica de potencia, para transformar la seïal ïptica de potencia en una seïal de potencia elïctrica y una seïal elïctrica de control para proporcionar una seïal de potencia elïctrica al condensador de almacenamiento de energïa;

! un circuito amortiguador RCD conectado en paralelo con el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia, donde el circuito amortiguador RCD comprende al menos una resistencia (35; 40, 41) , al menos un condensador (34; 46) y al menos un diodo (33; 42, 45) , estando el diodo y el condensador conectados en serie entre sï y estando la resistencia conectada en paralelo con el diodo, y

! medios (37) de monitorizaciïn de diodos adaptados para monitorizar la funcionalidad de bloqueo del diodo (o diodos) o funciïn (o funciones) de diodo en el mïdulo (38) de conmutaciïn, cuando el dispositivo estï conectado y cuando fluye una corriente en la direcciïn de avance a travïs de los elementos de conmutaciïn de potencia tanto del primer mïdulo como del al menos un mïdulo de conmutaciïn adicional, desconectando activamente el mïdulo (38) de conmutaciïn durante un corto periodo de tiempo, y volviïndolo a conectar despuïs nuevamente y generando una informaciïn de fallo si la tensiïn a travïs del correspondiente circuito amortiguador RCD no excede de un lïmite predefinido de tensiïn dentro del corto periodo de tiempo.

4. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -3, donde la seïal de potencia ïptica es una seïal de potencia baja de menos de 1 vatio.

5. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la unidad (31) de puerta estï dispuesta para generar informaciïn de estado sobre la funcionalidad del al menos uno de los elementos del mïdulo de conmutaciïn, y donde el mïdulo de conmutaciïn comprende ademïs medios (21) de transformaciïn de la seïal, dispuestos para transformar la informaciïn de estado en una seïal de informaciïn ïptica y para enviar la seïal de informaciïn ïptica a una unidad central (50) de control.

6. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende como el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia un primer mïdulo que contiene un primer IGBT (1) de una primera conexiïn paralela de varios IGBT (1a) y un primer diodo (2) de una primera conexiïn paralela (1b) de varios diodos, donde el diodo o diodos estïn conectados en anti-paralelo con el IGBT o la conexiïn paralela de IGBT.

7. Dispositivo de acuerdo con la reivindicaciïn 6, en el que el mïdulo de conmutaciïn comprende ademïs un segundo mïdulo conectado en anti-paralelo o en una conexiïn anti-serie con el primer mïdulo, conteniendo el segundo mïdulo un segundo IGBT o una segunda conexiïn paralela (1b) de varios IGBT y un segundo diodo o una segunda conexiïn paralela (2b) de varios diodos, donde el diodo o diodos estïn conectados en anti-paralelo con el IGBT o con la conexiïn paralela (1b) de IGBT.

8. Dispositivo de acuerdo con la reivindicaciïn 6 o 7, donde los diodos son diodos conmutados en lïnea.

9. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -5, que comprende como el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia un primer mïdulo que contiene un primer IGBT (8) de conducciïn inversa de una primera conexiïn paralela de varios IGBT de conducciïn inversa.

10. Dispositivo de acuerdo con la reivindicaciïn 9, que comprende ademïs un segundo mïdulo conectado en conexiïn anti-serie con el primer mïdulo, conteniendo el segundo mïdulo un segundo IGBT (9) de conducciïn inversa o una segunda conexiïn paralela de varios IGBT de conducciïn inversa.

11. Dispositivo de acuerdo con la reivindicaciïn 10, en el que el primer y segundo mïdulos estïn integrados en un solo paquete de semiconductores, y donde el paquete estï provisto de un terminal de puerta comïn y de un terminal de emisor comïn, estando conectados los terminales a las puertas y a los emisores, respectivamente, de todos los IGBT (8) de conducciïn inversa del paquete.

12. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -11, en el que el mïdulo de conmutaciïn comprende ademïs una resistencia no lineal (32) limitadora de tensiïn, en paralelo con el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia.

13. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -12, en el que el mïdulo de conmutaciïn comprende ademïs un circuito auxiliar (36) de recarga adaptado para recibir energïa elïctrica desde el circuito primario, donde el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia estï conectado, y para proporcionar la energïa elïctrica al condensador (25) de almacenamiento de energïa.

14. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -2 o las reivindicacione.

4. 13, que comprende ademïs un circuito amortiguador RCD conectado en paralelo con el al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia, donde el circuito amortiguador RCD comprende al menos una resistencia (35; 40, 41) , al menos un condensador (34, 46) y al menos un diodo (33; 42, 45) , estando conectados el diodo y el condensador en serie entre sï y estando conectada la resistencia en paralelo con el diodo.

15. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 -14, donde la unidad (31) de puerta estï conectada a la puerta del al menos un elemento de conmutaciïn de semiconductores de potencia (1, 2; 8, 9) a

travïs de un puente en H, donde el puente en H estï alimentado por una tensiïn unipolar de CC y el cual entrega una tensiïn bipolar de CC.

16. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicacione.

2. 15, en el que el mïdulo de conmutaciïn estï

configurado ademïs para separar una seïal elïctrica de control a partir de la seïal ïptica de potencia y para 5 proporcionar la seïal elïctrica de control a la unidad (31) de puerta.

17. Dispositivo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 .

4. 16, que comprende ademïs unos medios (37) de monitorizaciïn de diodos, adaptados para monitorizar la funcionalidad de bloqueo de los diodos o la funciïn de diodo, respectivamente, en el primer y/o el segundo mïdulos.

18. Dispositivo de acuerdo con la reivindicaciïn 17 y cualquiera de las reivindicacione.

9. 11, donde los medios

(37) de monitorizaciïn de diodos estïn adaptados para monitorizar la funcionalidad de bloqueo de la funciïn de diodo o las funciones de diodo del IGBT (8, 9) de conducciïn inversa, junto con la monitorizaciïn de la funcionalidad del propio IGBT correspondiente, generando una informaciïn de fallo en caso de que la tensiïn de puerta-emisor a travïs del IGBT conectado o desconectado se deteriore o se interrumpa.

19. Mïdulo (38) de conmutaciïn de acuerdo con la reivindicaciïn 18, en el que se detecta el deterioro o interrupciïn de la tensiïn de puerta-emisor, detectando un aumento de la corriente de fuga de puerta-emisor del IGBT (8, 9) de conducciïn inversa.