Conmutador de fases con elementos de conmutación de semiconductores.

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.

Conmutador de fases con elementos de conmutación de semiconductores La invención se refiere a un conmutador de fases con elementos de conmutación de semiconductores para la conmutación sin interrupción entre tomas de arrollamiento de un transformador de fases.

Un conmutador de fases con elementos de conmutación 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 conmutación; la parte central es un contacto de corredera móvil, 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 conmutación 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 conmutación necesaria de la carga exactamente en el paso de anulación de la corriente de carga.

Se conoce a partir del documento WO 97705536 otro dispositivo de conmutación IGBT, en el que las tomas del arrollamiento de regulación de un transformador de potencia estan conectadas a traves de un circuito en serie de dos IGBTs con una derivación de la carga comun.

Este dispositivo de conmutación conocido trabaja de acuerdo con el principio de la modulación de la anchura del impulso; en este caso se realiza una limitación de la corriente del circuito a traves de la reactancia reactiva transitorias (TER) del arrollamiento de fases.

Esta disposición de circuito conocida y el principio de conmutación que sirve de base requieren una adaptación específica 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 sí y colaboran electricamente. Este dispositivo de conmutación conocido no se puede fabricar, por lo tanto, como aparato separado de aplicación universal. El documento WO 97/05536 publica un conmutador de fases de acuerdo con el preambulo de la reivindicación 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 realización, los varistores estan conectados en paralelo a los elementos de conmutación respectivos y sirven para la división de la tensión.

El problema de la invención 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 anulación de la corriente de carga. Ademas, un problema de la invención es indicar un conmutador de 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 así "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 reivindicación de la patente. Las reivindicaciones dependientes se refieren a desarrollos especialmente ventajosos de la invención.

La invención parte de dos unidades de conmutación, donde cada unidad de conmutación 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 tensión del varistor es menor que la tensión maxima de bloqueo del IGBT paralelo respectivo, pero mayor que el valor momentaneo maximo de la tensión de fases.

45 De manera especialmente ventajosa, los dos IGBTs correspondientes de una unidad de conmutación 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 disposición posibilita tambien 50 con un valor momentaneo pleno de la corriente de carga una desconexión "dura" muy rapida de la corriente de carga que fluye a traves de IGBT con conmutación dentro de 0, 1 . 1 μ sobre el varistor conectado con una inductividad extremadamente pobre, que presenta el mismo solamente un retardo de reacción extremadamente pequeno en el

intervalo de ns.

La "conmutación dura" (Hard-switching") del IGBT reduce en una medida decisiva la energfa de perdida de desconexión convertida en el IGBT y posibilita ya -como se explica todavfa en detalle a continuación-el concepto de conmutación presente aquí de una conmutación de conmutador de fases (OLTC) con cualquier valor discrecional de la corriente de carga momentanea, sin impedancia de conmutación adicional en el OLTC, sin necesidad de conocer la reactancia de dispersión del arrollamiento de fases, sin necesidad de una adaptación del OLTC a la corriente de carga nominal respectiva o a la tensión de fases y sin la necesidad de una sincronización temporal con exactitud de μs del grupo de conmutación 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 conexión con IGBT. Pero en el estado de la tecnica sirven exclusivamente para proteger semiconductores frente a sobretensiones, por lo tanto solamente tienen una función de limitación de la tensión.

En cambio, en la invención la función del varistor dispuesto en paralelo a cada IGBT es diferente: despues de la conmutación de la corriente de carga impresa, impulsada por la tensión de la red, desde el IGBT de desconexión sobre el varistor colocado en paralelo (circuito de conmutación pequeno) , el varistor atravesado por la corriente de carga forma, de acuerdo con su curva caracterfstica-I-U, una tensión que muestra una dependencia relativamente reducida del valor momentaneo de la corriente y que permanece practicamente constante durante el proceso de conmutación del OLTC.

Los varistores estan dimensionados en este caso de manera especialmente ventajosa de tal forma que la tensión 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 tensión de bloqueo maxima de los IGBTs.

Por otra parte, la Tensión de Sujeción de los varistores (Uvar a 1 mA) debe estar claramente por encima del valor vertice de la tensión maxima de las fases, para que la corriente de carga se pueda conmutar desde el lado de desconexión de OLTC mas alla de la tensión de las fases sobre el lado de recepción de la corriente de carga (circuito de conmutación grande) .

La diferencia ΔU entre el valor momentaneo de la cafda de la tensión en el varistor y el valor momentaneo de la tensión de las fases provoca a traves del dimensionado especial de los varistores la conmutación de la corriente de carga a traves de la inductividad de dispersión del arrollamiento de fases y las inductividades de la lfnea sobre el lado de recepción del conmutador de fases y determina la di/dt del proceso de conmutación (di/dt = ΔU/LKom) .

Esto ilustra que los varistores en el marco de la presente invención no se emplean, como se conoce de acuerdo con el estado de la tecnica, para la reducción de sobretensiones transitorias. En la presente invención, los varistores asumen las siguientes funciones atípicas para su tipo y no evidentes a traves del estado de la tecnica:

• Recepción de la corriente de carga desde los IGBTs desconectados de forma dura.

• Generación de una cafda de la tensión que debe estar, independientemente del valor momentaneo de la corriente de carga, en una banda de tensión entre la tensión de bloqueo maxima de los IGBTs y el valor vertice de la tensión... [Seguir leyendo]

1. 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 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 derivación de la carga (dan, dap o bien dbn, dbp) opuestos uno con respecto al otro, caracterizado porque un conmutador mecanico (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 derivación 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 tensión de varistor es inferior a la tensión maxima de bloqueo de los IGBTs paralelos respectivos, pero mayor que el valor instantaneo maximo de la tensión de toma.

2. Conmutador de fases de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque cada IGBT (Ian, Iap; Ibn, Ibp) esta combinado en la construcción para formar una pila junto con el varistor (Van, Vap; Vbn, Vbp) conectado en paralelo con el y el diodo (dan, dap; dbn, dbp) .

3. Conmutador de fases de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los dos varistores (Van, Vap o Vbn, Vbp) previstos en la misma derivación de carga estan combinados para formar un varistor individual (Va, Vp) .

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.