Sistema y procedimiento de protección de un convertidor multinivel.

Un convertidor (78) con punto neutro bloqueado (NPC) de tres niveles que comprende:

una pluralidad de circuitos de fase, teniendo cada uno al menos dos dispositivos de conmutación internos (50,52), al menos dos dispositivos de conmutación externos (48,54) y al menos dos diodos de bloqueo (56,58); y que se caracteriza por:

un circuito de protección (80) que comprende

un circuito de detección de fallo de componentes internos (102) para detectar una condición de fallo en cualquiera de los dispositivos de conmutación internos (50) o diodos de bloqueo,

un circuito de generación de señal de disparo (106) configurado para generar una señal de CO NEXIÓN para conectar un dispositivo de conmutación externo respectivo (48) que es adyacente al dispositivo de conmutación interno fallido (50) o al diodo de bloqueo fallido, y

en el que, tras la detección de la condición de fallo, el circuito de generación de señal de disparo (106) está configurado además para generar señales de DESCONEXIÓN para desconectar todos los dispositivos de conmutación restantes en el convertidor con NPC de tres niveles.

Sistema y procedimiento de protección de un convertidor multinivel La presente invención se refiere, en general, a un convertidor multinivel con punto neutro bloqueado (NPC) o de diodo bloqueado, y, más específicamente, se refiere a un procedimiento de protección de un convertidor multinivel.

Un convertidor multinivel de diodo bloqueado se utiliza generalmente en aplicaciones industriales de alta potencia, tales como los sistemas de accionamiento de velocidad variable (VSD) o en aplicaciones de conversión de energía, tales como los sistemas de generación de energía solar (o fotovoltaica) o eólica. Los convertidores multinivel sintetizan una tensión sinusoidal por medio de varios niveles de tensiones, obtenidos típicamente de fuentes de tensión de condensadores. Un convertidor de tres niveles incluye dos tensiones de condensadores en serie. Cada circuito de fase del convertidor de tres niveles tiene cuatro dispositivos de conmutación en serie y dos diodos para bloquearlo al punto central del condensador.

Los dispositivos de conmutación en un convertidor multinivel están sujetos a altos esfuerzos eléctricos y térmicos durante las condiciones de cortocircuito. Por ejemplo, si hay una gran pérdida de energía en el dispositivo de conmutación debido a condiciones de esfuerzos eléctricos o de sobrecorriente, el dispositivo de conmutación se sobrecalienta y puede experimentar una ruptura térmica. Una vez que un dispositivo de conmutación ha sufrido una ruptura o se destruye, sin no hay medidas de protección se puede producir una reacción en cadena y resultar en la destrucción de los otros dispositivos de conmutación dentro del convertidor de puente. Algunas técnicas para la protección del convertidor de puente incluyen el empleo de un circuito amortiguador o un circuito de palanca. Sin embargo, el uso de hardware adicional es una solución costosa y compleja.

El documento US 6.369.543, por ejemplo, describe un procedimiento para simetrizar fallos asimétricos en una cadena de tracción que comprende un motor controlado por un convertidor de dos niveles o multinivel.

El documento DE 102 05 963 se refiere al accionamiento de máquinas eléctricas y la conmutación de elementos conductores primero o segundo tras la detección de una condición de fallo.

Por lo tanto, es deseable proporcionar un procedimiento y un sistema que aborde las cuestiones anteriores.

En consecuencia, se proporcionan varios aspectos y realizaciones de la presente invención, como se define por las reivindicaciones adjuntas.

Varias características, aspectos y ventajas de la presente invención se entenderán mejor cuando la siguiente descripción detallada se lea con referencia a los dibujos que se acompañan, en los que los caracteres similares representan partes similares en todos los dibujos, en los que:

la figura 1 es un diagrama de circuito de un circuito de fase de un convertidor con punto neutro bloqueado multinivel convencional y una forma de onda de salida;

la figura 2 es un diagrama de circuito de un convertidor con NPC de tres niveles trifásico conectado a una red eléctrica que ilustra los trayectos de corriente en caso de un semiconductor en cortocircuito;

la figura 3 es un diagrama de circuito de un convertidor con NPC de tres niveles trifásico conectado a una red eléctrica, que ilustra diferentes trayectorias de corriente cuando está equipado con un circuito de protección, de acuerdo con una realización de la presente invención;

la figura 4 es un diagrama de circuito de un convertidor con NPC de tres niveles monofásico conectado a una fuente de alimentación monofásica con un circuito de protección, de acuerdo con una realización de la presente invención; y la figura 5 es un diagrama de bloques de un circuito de protección de acuerdo con una realización de la presente invención.

Como se explica en detalle a continuación, las realizaciones de la presente invención permiten a un convertidor multinivel convertir una energía de corriente continua (CC) en una energía de corriente alterna (CA) con un esquema de protección. Para un convertidor con Punto Neutro Bloqueado (NPC) de tres niveles, existe un modo de fallo clave cuando falla un dispositivo interno de conmutación (18 o 20 de la figura 1) o un diodo de bloqueo (24 o 26 de la figura 1) . Bajo esta condición, la mitad del enlace de CC, V1 o V2 en la figura 1, se carga a la tensión de pico de línea a línea del lado de tensión de la máquina o de la red. Este valor es típicamente más alto que la tensión de bloqueo máxima permitida de los dispositivos de conmutación y de los condensadores. Por lo tanto, esto hará que los dispositivos de conmutación adicionales, en particular los dispositivos de conmutación en los circuitos de fase conectados al mismo bus de CC, fallen después del fallo del dispositivo de conmutación inicial. El esquema de protección de la

presente invención proporciona una lógica de control adecuada para proteger los dispositivos de conmutación en los circuitos de fase conectadas a un mismo bus de CC utilizando los conmutadores semiconductores existentes.

La figura 1 ilustra un esquema 10 de un convertidor de tres niveles con punto neutro bloqueado (NPC) o de diodo bloqueado de un circuito o una fase convencional y su forma de onda de salida 12. Un circuito 14 del convertidor de tres niveles incluye cuatro dispositivos de conmutación 16, 18, 20 y 22 y dos diodos 24 y 26. Las tensiones de entrada V1 y V2 son controladas teniendo cada una tensión igual a Vcc / 2, en la que Vcc es la tensión total del enlace de CC. La tensión V3 es la tensión de salida de la fase A medida con respecto a un punto central 28 del enlace de CC

30. El dispositivo de conmutación 16 es complementario al dispositivo de conmutación 20 de manera que, cuando el dispositivo de conmutación 16 está conduciendo, el dispositivo de conmutación 20 no está conduciendo y viceversa. De la misma manera, los dispositivos de conmutación 18 y 22 son complementarios.

En funcionamiento, cada circuito del convertidor con NPC de tres niveles tiene tres etapas de conmutación. En la primera etapa de conmutación, los dispositivos de conmutación 16 y 18 están conectados y los dispositivos de conmutación 20 y 22 están desconectados. Suponiendo un funcionamiento estable, V1 = V2 = Vcc / 2, y V3 se hace Vcc / 2. En la segunda etapa de conmutación, los dispositivos de conmutación 18 y 20 están conectados mientras que los dispositivos de conmutación 16 y 22 están desconectados. En esta etapa, V3 es igual a cero. En la tercera etapa de conmutación, los dispositivos de conmutación 16 y 18 están desconectados mientras que los dispositivos de conmutación 20 y 22 están conectados. Esto hace que V3 se convierta en -Vcc / 2 como se muestra en una forma de onda 12. De esta manera se puede ver , que la tensión de fase V3 tiene tres niveles Vcc / 2, -Vdc / 2 y 0. Cuando se combinan los tres circuitos del convertidor con NPC trifásico, entonces la línea resultante de las tensiones de línea tiene cinco niveles, es decir, Vcc, Vcc / 2, 0, -Vdc / 2 y -Vdc. El convertidor de tres niveles 14 de la figura 1, puede ser incrementado a cualquier nivel en función de la topología del circuito y del número de dispositivos de conmutación y de diodos en el circuito. A medida que aumenta el número de niveles en el convertidor, la forma de onda de salida del convertidor se aproxima a una onda sinusoidal pura, lo que resulta en armónicos inferiores en la tensión de salida.

La figura 2 ilustra un diagrama de circuito 40 de un convertidor con NPC de tres niveles trifásico 42 conectado a una red de energía 60. El convertidor con NPC 42 incluye un enlace de CC dividido con un condensador superior 44 y un condensador inferior 46 y tres circuitos, cada uno asociada con una fase diferente. Como se ha descrito más arriba, cada fase del convertidor 42 incluye dos dispositivos de conmutación externos y dos dispositivos de conmutación internos por ejemplo, los dispositivos de conmutación externos 48 y 54 y los dispositivos de conmutación internos 50 y 52 para la fase C; los dispositivos de conmutación externos 148 y 154 y los dispositivos de conmutación internos 150 y 152 para la fase B, y los dispositivos de conmutación externos 248 y 254 y los dispositivos de conmutación internos 250 y 252 para la fase A, respectivamente. Además, cada circuito comprende dos diodos de bloqueo 56, 58 para la fase C; 156, 158 para la fase B, y 256 y 258 para la fase. El convertidor con NPC 42 está conectado a la red eléctrica 60. En una realización, el convertidor con NPC 42 puede estar conectado a la red 60 a través de transformadores o impedancias de red 70, 72, y 74. En otra realización, en lugar de estar conectado a... [Seguir leyendo]

1. Un convertidor (78) con punto neutro bloqueado (NPC) de tres niveles que comprende:

una pluralidad de circuitos de fase, teniendo cada uno al menos dos dispositivos de conmutación internos (50, 52) , al menos dos dispositivos de conmutación externos (48, 54) y al menos dos diodos de bloqueo 5 (56, 58) ; y que se caracteriza por:

un circuito de protección (80) que comprende un circuito de detección de fallo de componentes internos (102) para detectar una condición de fallo en cualquiera de los dispositivos de conmutación internos (50) o diodos de bloqueo, un circuito de generación de señal de disparo (106) configurado para generar una señal de CO

NEXIÓN para conectar un dispositivo de conmutación externo respectivo (48) que es adyacente al dispositivo de conmutación interno fallido (50) o al diodo de bloqueo fallido, y en el que, tras la detección de la condición de fallo, el circuito de generación de señal de disparo

(106) está configurado además para generar señales de DESCONEXIÓN para desconectar todos los dispositivos de conmutación restantes en el convertidor con NPC de tres niveles.

2. El convertidor con NPC de tres niveles (78) de la reivindicación 1, en el que el convertidor de tres niveles comprende un convertidor de tres niveles monofásico.

3. El convertidor con NPC de tres niveles (78) de la reivindicación 1, en el que el convertidor de tres niveles comprende un convertidor de tres niveles trifásico.

4. El convertidor con NPC de tres niveles (78) de cualquier reivindicación precedente, en el que los dispositivos de

conmutación internos y externos (48, 50, 52, 54) son seleccionados del grupo que consiste en IGBT, IGCT, MCT, MTO, y MOSFET.

5. Un procedimiento de protección de un convertidor de energía de tres niveles (78) que comprende condensadores de enlace de CC y circuitos de fase incluyendo dispositivos de conmutación y conectados a una red de energía, comprendiendo el procedimiento:

bloquear la carga de al menos un condensador de enlace de CC (206, 208) cortocircuitando la red de energía por medio de impedancias de la red y desconectando al menos algunos de los dispositivos de conmutación; que se caracteriza porque:

el bloqueo comprende disponer en CONEXIÓN un dispositivo de conmutación externo adyacente (48, 54) a un componente interno fallido del convertidor de tres niveles (78) ; y en el que desconectar al menos algunos de los dispositivos de conmutación comprende disponer en DESCONEXIÓN todos los dispositivos de conmutación restantes en el convertidor de tres niveles (78) .

6. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que el convertidor de tres niveles (78) comprende un convertidor de tres niveles monofásico.

7. El procedimiento de la reivindicación 5, en el que el convertidor de tres niveles (78) comprende un convertidor de tres niveles trifásico.