Alimentación de corriente continua de alta tensión así como procedimiento para operar una alimentación de corriente continua de alta tensión de este tipo.

Alimentación de corriente continua de alta tensión (30), con una pluralidad de módulos conectados en serie (Mx;

M1,.., Mn), que en cada caso están configurados como convertidores de corriente continua, sumándose lastensiones de salida de los módulos (Mx; M1,.., Mn) en la conexión en serie, y estando aplicada la tensión de sumaasí formada en una carga (14) formando un circuito de carga, y pudiendo conmutarse al menos una parte de losmódulos (Mx; M1,.., Mn) a un modo operativo en el que absorben energía del circuito de carga, caracterizada porque está previsto un dispositivo de control (26) que en el caso de un cortocircuito conmuta a través de líneas decontrol (27) al menos una parte de los módulos (Mx; M1,.., Mn), que se pueden conmutar a un modo operativo queabsorbe energía, al modo operativo que absorbe energía.

Alimentación de corriente continua de alta tensión así como procedimiento para operar una alimentación de corriente continua de alta tensión de este tipo 5

Campo técnico La presente invención se refiere al campo de la técnica de alimentación con corriente. Se refiere a una alimentación de corriente continua de alta tensión según el preámbulo de la reivindicación 1 así como a un procedimiento para operar una alimentación de corriente continua de alta tensión de este tipo.

Estado de la técnica Desde hace ya mucho tiempo se han desarrollado para emisores de radio de alta potencia de amplitud modulada,

que estaban equipados con un tubo de electrones en la etapa final de alta frecuencia, amplificadores de modulación en forma de los denominados amplificadores PSM (Pulse Step Modulation, modulación por pasos de impulsos) , que al mismo tiempo proporcionan la tensión anódica para la válvula de salida y que amplifican la señal de baja frecuencia y la aplican con modulación a la tensión anódica (véase por ejemplo el documento US-A-4, 403, 197) . La señal de baja frecuencia se aproxima a este respecto mediante una función escalonada que resulta de la estructura del amplificador PSM. El amplificador PSM está compuesto por una pluralidad de fuentes de tensión continua conmutables (módulos, etapas) que para sumar sus tensiones de salida están conectadas en serie. A este respecto las fuentes modulares de tensión continua o etapas de conexión pueden estar ponderadas de manera binaria. Sin embargo, también pueden ser idénticas en cuanto a la estructura y el diseño. La variante mencionada en primer lugar tiene la ventaja de que con relativamente pocos módulos se pueda generar un gran número de niveles de tensión. Sin embargo, con respecto a la resistencia de los módulos se dan diferencias extremas. La variante mencionada en último lugar tiene la ventaja de que los módulos individuales se puedan fabricar de manera más económica mediante la fabricación en serie, de que los módulos individuales estén relativamente poco cargados en caso de una clasificación lo suficientemente fina de las etapas, y de que en caso de que fallen algunas etapas, otras etapas puedan asumir su función sin que se produzcan pérdidas considerables con respecto a la calidad de transmisión (redundancia) .

Dado que los amplificadores PSM en caso de un diseño adecuado de los módulos representan fuentes controlables de corriente continua de alta tensión con tensiones de salida de varios 10 kV y corrientes con más de 100 A, que debido a su estructura modular también se pueden desconectar rápidamente, también se han propuesto y empleado como tales en el pasado: así se conoce por el documento EP-A1-0 134 505 utilizar una conexión comparable con el amplificador PSM como alimentación de corriente continua de alta tensión con una protección frente a sobrecorriente.

En el documento EP-A1-0 563 543 se ha propuesto emplear una alimentación de corriente continua de alta tensión con una estructura modular para la alimentación de tensión de un tubo de girotrón en experimentos de fusión de plasma, proporcionándose diferentes niveles de tensión mediante tomas intermedias en la conexión en serie de los módulos.

Una estructura constructiva especial de una alimentación de corriente continua de alta tensión modular con una 45 tensión de salida superior a 100 kV se describe en el documento EP-A1-0 905 872.

Últimamente se ha propuesto (J. Alex et al., The High Voltage Power Supply for the Alcator C-MOD Lower Hybrid Heating System, 22 º simposio sobre tecnología de fusión, Helsinki, 9 a 13 de septiembre de 2002) emplear una alimentación de corriente con una estructura según la técnica PSM con una tensión de salida de 50 kV con 50 corrientes con más de 200 A para la alimentación de varios klistrones conectados en paralelo. El esquema de conexión simplificado de la disposición global de la alimentación de tensión de klistrones se reproduce en la figura 1. La estructura a modo de ejemplo de un módulo individual o de una etapa individual se representa en la figura 2.

La alimentación de corriente continua de alta tensión 10 conocida de la figura 1 comprende una pluralidad de 55 módulos M1’ a Mn’ (en el presente caso es válido n=68) . Cada uno de los módulos M1’, .., Mn’ contiene una fuente de tensión continua Q1, .., Qn que se puede aplicar mediante un interruptor (interruptor semiconductor) S1, .., Sn a los bornes de salida del respectivo módulo. Entre los bornes de salida de cada módulo se sitúa un diodo (diodo libre) D1, .., Dn polarizado en la dirección de bloqueo. Los módulos M1’, .., Mn’ están conectados en serie con sus bornes de salida a través de una red de inductancias y resistencias de modo que se suman las tensiones de salida de los 60 módulos individuales. La tensión de salida sumada de la alimentación de corriente continua de alta tensión 10 se suministra a través de un primer cable de conexión (triaxial) 11, una caja de conexiones de alta tensión 12 conectada entre medias con un dispositivo de medición 15 que se encuentra dentro de la misma, y un segundo cable de conexión 13, a la carga 14 que comprende una pluralidad de klistrones conectados en paralelo, de los que se presentan dos (K1 y K2) en la figura 1.

Como interruptor S1, .., Sn se emplean en los módulos M1’, .., Mn’ pares de dos IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, transistor bipolar de puerta aislada) conectados en paralelo, de los que cada uno está diseñado para una tensión de 1700 V y una corriente de 200 A. La tensión de salida de cada módulo M1’, .., Mn’ varía entre 800 V y 1150 V. Según la figura 2 la fuente de tensión continua del módulo individual Mx’ se forma mediante un rectificador

en puente de corriente trifásica 18 con un siguiente condensador Cx, que rectifica la corriente trifásica presente en la entrada de tensión 19 trifásica. La conexión a la red de corriente trifásica se controla a través de un contactor 21 y se asegura mediante fusibles 20. La activación del interruptor (IGBT) Sx se realiza mediante una unidad de activación 16 que se alimenta a través de un transformador de red 22 desde la red y que intercambia comandos de control y respuestas a través de líneas de control de fibras ópticas con un dispositivo de control central no mostrado. Entre los bornes de salida se sitúa el diodo antiparalelo Dx ya mencionado.

Tal como se puede ver en la figura 1 existen en el circuito de carga inductancias del orden de magnitud de 2 x 500 μH (por delante y por detrás del cable de conexión 11) y 68 x 10 μH (en cada caso 10 μH en cada uno de los 68 módulos o etapas) , es decir, en total aproximadamente de 1, 68 mH. Las capacitancias de los cables de conexión 11

y 13 ascienden juntas a aproximadamente 10 nF. En caso de una tensión de salida de 50 kV se acumulan en la capacitancia de cable aproximadamente 12 J. En caso de una corriente de 208 A a través de la carga 14 están acumulados en las inductancias aproximadamente 36 J. De forma conjunta esto proporciona una energía acumulada de aproximadamente 48 J. En particular esta energía acumulada lleva a los problemas descritos a continuación:

La mayoría de las cargas eléctricas alimentadas con una alimentación de corriente PSM (en la mayoría de los casos tubos o aceleradores de iones) pueden tener saltos de chispas en su interior. Sin embargo, estos saltos de chispas no deben llevar a un daño de la carga. Por tanto la alimentación de corriente PSM debe limitar la energía de cortocircuito a valores típicos entre 5 y 20 J. La protección se realiza en las instalaciones conocidas hasta el momento por que se desconectan inmediatamente todos los IGBT en los módulos individuales en caso de un desencadenamiento de protección. No existe un dispositivo de palanca especial.

Normalmente todos los sistemas PSM, igual que el representado en la figura 1, tienen ahora en el circuito de salida o circuito de carga un filtro LC. Sin inductancia no es posible realizar un PSM resistente frente a cortocircuitos. En caso contrario, la tasa de cambio de corriente di/dt dentro del retardo de desconexión sería tan elevada que los IGBT se llevarían completamente a una saturación de corriente. Una capacitancia se da o bien de forma parásita (principalmente capacitancias de cable, véase anteriormente) o, si es necesario, en forma de condensadores discretos adicionales.

Tal como ya se mencionó anteriormente, tanto las capacitancias como las inductancias acumulan energías.

Normalmente las energías acumuladas de forma capacitiva e inductiva son del mismo orden de magnitud. Sin embargo, ahora resulta que la energía acumulada... [Seguir leyendo]

1. Alimentación de corriente continua de alta tensión (30) , con una pluralidad de módulos conectados en serie (Mx; M1, .., Mn) , que en cada caso están configurados como convertidores de corriente continua, sumándose las tensiones de salida de los módulos (Mx; M1, .., Mn) en la conexión en serie, y estando aplicada la tensión de suma así formada en una carga (14) formando un circuito de carga, y pudiendo conmutarse al menos una parte de los módulos (Mx; M1, .., Mn) a un modo operativo en el que absorben energía del circuito de carga, caracterizada por que está previsto un dispositivo de control (26) que en el caso de un cortocircuito conmuta a través de líneas de control (27) al menos una parte de los módulos (Mx; M1, .., Mn) , que se pueden conmutar a un modo operativo que absorbe energía, al modo operativo que absorbe energía.

2. Alimentación de corriente continua de alta tensión según la reivindicación 1, caracterizada por que en el caso de un cortocircuito el dispositivo de control (26) desconecta los módulos restantes a través de las líneas de control (27) .

3. Alimentación de corriente continua de alta tensión según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizada por que los módulos que se pueden conmutar a un modo operativo que absorbe energía están configurados como convertidores de cuadrantes múltiples.

4. Alimentación de corriente continua de alta tensión según la reivindicación 3, caracterizada por que los módulos que se pueden conmutar a un modo operativo que absorbe energía están configurados como convertidores de dos cuadrantes con inversión de tensión.

5. Alimentación de corriente continua de alta tensión según la reivindicación 4, caracterizada por que los módulos configurados como convertidores de dos cuadrantes con una inversión de tensión presentan en cada caso una

fuente de tensión continua (Qx; Q1, .., Qn) , con respecto a la que están conectadas en paralelo una primera rama con una conexión en serie de un primer diodo (D1x; D11, .., D1n) polarizado en la dirección de bloqueo y de un primer interruptor (S1x; S11, .., S1n) , y una segunda rama con una conexión en serie de un segundo interruptor (S2x; S21, .., S2n) y de un segundo diodo (D2x; D21, .., D2n) polarizado en la dirección de bloqueo, y por que las dos salidas (23, 24) de los módulos están conectadas en cada caso entre el primer interruptor (S1x; S11, .., S1 n) y el primer diodo (D1x; D11, .., D1n) o entre el segundo interruptor (S2x; S21, .., S2n) y el segundo diodo (D2x; D21, .., D2n) .

6. Alimentación de corriente continua de alta tensión según la reivindicación 5, caracterizada por que los interruptores primero y segundo (S1x; S11, .., S1 n; S2x; S21, .., S2n) están configurados como interruptores 35 semiconductores, en particular como IGBT.

7. Alimentación de corriente continua de alta tensión según una de las reivindicaciones 5 y 6, caracterizada por que está previsto un dispositivo de control (26) que en el caso de un cortocircuito en los módulos (Mx; M1, .., Mn) abre opcionalmente uno de los dos interruptores (S1x; S11, .., S1n; S2x; S21, .., S2n) o ambos interruptores (S1x; S11, ... S1n; S2x; S21, .., S2n) a través de líneas de control (27) .

8. Alimentación de corriente continua de alta tensión según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que todos los módulos (Mx; M1, .., Mn) tienen la misma estructura.

9. Alimentación de corriente continua de alta tensión según la reivindicación 5, caracterizada por que entre las salidas (23, 24) de los módulos que se pueden conmutar a un modo operativo que absorbe energía está dispuesto un contacto de apertura (29) de un contactor (28) .

10. Alimentación de corriente continua de alta tensión según la reivindicación 5, caracterizada por que entre las salidas (23, 24) de los módulos que se pueden conmutar a un modo operativo que absorbe energía está dispuesta una resistencia de carga base (31) .

11. Procedimiento para operar una alimentación de corriente continua de alta tensión según una de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que al aparecer un cortocircuito en el circuito de carga se realiza una

desconexión rápida de la alimentación de corriente continua de alta tensión (30) , y por que durante la desconexión rápida se desconecta una parte de los módulos (Mx; M1, .., Mn) y al menos una parte de los módulos que se pueden conmutar a un modo operativo que absorbe energía se conmutan al modo operativo que absorbe energía.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por que los módulos que se pueden conmutar a un modo operativo que absorbe energía están configurados como convertidores de dos cuadrantes con inversión de tensión, que en cada caso presentan una fuente de tensión continua (Qx; Q1, .., Qn) , con respecto a la que están conectadas en paralelo una primera rama con una conexión en serie de un primer diodo (D1x; D11, .., D1n) polarizado en la dirección de bloqueo y de un primer interruptor (S1x; S11, .., S1n) , y una segunda rama con una conexión en serie de un segundo interruptor (S2x; S21, .., S2n) y de un segundo diodo (D2x; D21, .., D2n) polarizado 65 en la dirección de bloqueo, y estando conectadas las dos salidas (23, 24) de los módulos en cada caso entre el primer interruptor (S1x; S11, .., S1n) y el primer diodo (D1x; D11, .., D1n) o entre el segundo interruptor (S2x; S21, ..,

S2n) y el segundo diodo (D2x; D21, .., D2n) , y por que para conmutar los módulos al modo operativo que absorbe energía se abren los dos interruptores (S1x; S11, .., S1n; S2x; S21, .., S2n) .

13. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado por que todos los módulos (Mx; M1, .., Mn) están configurados como convertidores de dos cuadrantes con inversión de tensión, que en cada caso presentan una fuente de tensión continua (Qx; Q1, .., Qn) , con respecto a la que están conectadas en paralelo una primera rama con una conexión en serie de un primer diodo (D1x; D11, .., D1 n) polarizado en la dirección de bloqueo y de un primer interruptor (S1x; S11, .., S1n) , y una segunda rama con una conexión en serie de un segundo interruptor (S2x; S21, .., S2n) y de un segundo diodo (D2x; D21, .., D2n) polarizado en la dirección de bloqueo, y estando conectadas las dos salidas (23, 24) de los módulos en cada caso entre el primer interruptor (S1x; S11, .., S1 n) y el primer diodo (D1x; D11, .., D1n) o entre el segundo interruptor (S2x; S21, .., S2n) y el segundo diodo (D2x; D21, .., D2n) , y por que durante la desconexión rápida para desconectar los módulos se abre uno de los dos interruptores (S1x; S11, .., S1n; S2x; S21, .., S2n) , y para conmutar los módulos al modo operativo que absorbe energía se abren los dos interruptores (S1x; S11, .., S1n; S2x; S21, .., S2n) .