ES2924762T3 - Módulo cambiador de derivación electrónico para transformadores - Google Patents
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Abstract
El objeto de la invención es un módulo cambiador de tomas de electrónica de potencia (1') para transformador (4) que utiliza elementos de electrónica de potencia conectados a tramos de un devanado primario (3) del transformador. El módulo cambiador de tomas electrónico de potencia (1') está equipado con válvulas (V1'...VN') que tienen un par de tiristores o transistores conectados con un controlador (7) y las válvulas (V1'...VN') están conectados en serie con los fusibles (F1... FN), respectivamente. El módulo (1') está equipado con una línea de derivación sobredimensionada adicional (LX) que tiene una válvula sobredimensionada (VX) clasificada para corriente de cortocircuito, cuya válvula está conectada con un circuito de activación de sobrevoltaje (11). La válvula sobredimensionada (VX) está equipado con un par de tiristores o transistores conectados con un dispositivo supresor de voltaje protegido térmicamente (13). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Módulo cambiador de derivación electrónico para transformadores
El objetivo de la invención es un módulo cambiador de derivación electrónico de potencia para transformadores que utiliza elementos electrónicos de potencia conectados a secciones de un devanado primario del transformador. La invención hace referencia también a un cambiador de derivación electrónico de potencia que comprende el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia.
Los elementos de conmutación electrónicos de potencia conectados al devanado del transformador deben conducir una corriente nominal, soportar condiciones de cortocircuito y condiciones de sobrecorriente y también soportar condiciones de sobretensión o circuito abierto con un flujo de energía mantenido.
Para las condiciones de cortocircuito o sobrecorriente, las válvulas del módulo cambiador de derivación se suelen diseñar con componentes electrónicos de potencia sobredimensionados, como por ejemplo tiristores, IGBTs, MOSFETs, con el fin de soportar el cortocircuito o la sobrecorriente durante un periodo de tiempo determinado. En algunos casos, la duración del cortocircuito o la sobrecorriente puede ser de varios segundos. Por motivos económicos, no es razonable utilizar válvulas sobredimensionadas para todas las derivaciones, especialmente porque cada válvula del módulo cambiador de derivación puede constar de varios elementos en serie, debido a los requisitos de tensión.
Para proteger las válvulas electrónicas de potencia de las sobretensiones, se utilizan supresores de tensión transitoria estándar como: Dispositivo MOV (varistor óxido metal) o diodos TVS (diodos supresores de tensión transitoria) o escaleras de Jacob o tubos de descarga de gas. Estos supresores son capaces de evitar el aumento de la tensión en la válvula electrónica de potencia por encima del nivel nominal. Sin embargo, los supresores de tensión transitoria estándar se diseñan para mitigar sólo las sobretensiones de corta duración debido a sus límites térmicos. Suelen tener una capacidad nominal de pulsos de 1,2/50 ps. En caso de sobretensiones de larga duración, no es posible proteger el circuito con supresores de tensión transitoria estándar. El medio estándar para hacer frente a las sobretensiones de larga duración es la activación de un fusible, un disyuntor o una derivación de corriente.
En aplicaciones específicas, como por ejemplo los cambiadores de derivación electrónicos de potencia, existe la necesidad de evitar las sobretensiones de larga duración o las condiciones de circuito abierto y, al mismo tiempo, mantener el flujo de energía sin perturbaciones en el circuito, incluso si algunos componentes funcionan mal. No está permitido dejar el circuito abierto, ya que puede provocar un fallo de arco interno en el devanado del transformador. La limitación de los supresores de tensión transitoria es una disminución significativa de sus parámetros y de su vida útil después de cada acción/activación en el caso de los dispositivos MOV y las escaleras de Jacob, o una potencia nominal muy limitada en el caso de los diodos TVS.
A partir de la patente de EE. UU. número US5604423 se conoce un sistema de cambio de derivación para funcionar con un transformador y que presenta un grupo especial de dispositivos electrónicos controlados por puertas que funcionan como un disyuntor y un reconectador de tal manera que, después de medio ciclo de corriente de cortocircuito o de sobrecorriente, dicho grupo especial se transfiere al estado APAGADO, utilizando una señal de control externa, con lo que el devanado del cambiador de derivación se abre. La ventaja es que sólo se tiene que homologar para soportar las condiciones de cortocircuito el grupo especial de dispositivos. La invención descrita en la patente de EE. UU. número US5604423 gestiona las condiciones de cortocircuito o de sobrecorriente mediante la activación de una válvula específica utilizando un controlador externo que ejecuta algoritmos específicos, en base de las mediciones. La técnica presentada utiliza componentes electrónicos de potencia para cambiar la topología del circuito en poco tiempo, al menos un medio ciclo, después de detectar el cortocircuito. La solución presentada no mantiene el flujo de energía inalterado en caso de condiciones de circuito abierto, lo que es deseable en las aplicaciones de cambiadores de derivación. Por consiguiente, la invención presentada sólo resuelve el problema de las condiciones de cortocircuito o de sobrecorriente. Otros cambiadores de derivación de la técnica anterior se describen en los documentos CN204030967, JPS61123912, JPS6074928 y US3786337.
La esencia de la invención es un módulo cambiador de derivación electrónico de potencia para transformadores según se define en la reivindicación 1 anexa.
Preferiblemente, el circuito de activación por sobretensión tiene un dispositivo MOV o diodos TVS y un par de diodos con polaridad inversa.
Preferiblemente, el dispositivo supresor de tensión es un dispositivo MOV protegido térmicamente o diodos TVS. La válvula sobredimensionada está homologada para la corriente de cortocircuito, mientras que las válvulas VT-VN' están homologadas para la corriente nominal.
Preferiblemente, las válvulas (VT-VN') se equipan con un dispositivo de supresión de transitorios protegido térmicamente. La invención también hace referencia a un cambiador de derivación electrónico de potencia que comprende el módulo descrito anteriormente.
Preferiblemente, la válvula sobredimensionada (VX) del módulo cambiador de derivación electrónico de potencia se conecta directamente al devanado primario.
Preferiblemente, las válvulas (V1'-VN') y la válvula (VX) se conectan a la fuente de tensión directamente o a través de una parte del devanado.
La técnica descrita en la presente invención se basa únicamente en el diseño del hardware del módulo cambiador de derivación que presenta un circuito de activación por sobretensión y medios de protección de sobrecorriente, y es independiente de la unidad de control. Además, se elimina la necesidad de mediciones externas. Las condiciones de corriente de cortocircuito o de sobrecorriente, o las condiciones de circuito abierto, dan lugar automáticamente a la activación de la derivación nominal, homologada para la corriente de cortocircuito. La presente invención se caracteriza también por la protección en caso de circuito abierto o de condiciones de sobretensión de larga duración. Esto se hace de forma automática mediante la activación de la válvula nominal del cambiador de derivación para reducir la tensión a través del módulo cambiador de derivación al nivel seguro. La solución mantiene el flujo de energía sin perturbaciones a través del módulo. La invención presentada elimina la necesidad de medios adicionales de medición de la corriente y de control de la activación para el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia. El diseño del módulo y las válvulas electrónicas de potencia particulares aumentan la fiabilidad de la protección, ya que no depende de la aplicación de software. En cuanto a la economía del diseño, sólo es necesario que homologar la válvula nominal del cambiador de derivación para la corriente de cortocircuito. Tampoco es necesario añadir componentes electrónicos de potencia adicionales al circuito. El mismo diseño también permite la protección de circuito abierto o de sobretensión a largo plazo, que es muy deseada para mantener el flujo de energía, y permite reducir los valores nominales de tensión soportada requeridos para los elementos electrónicos de potencia. Los requisitos limitados de los valores nominales de corriente de los elementos electrónicos de potencia también dan lugar a una reducción significativa del tamaño y del impacto.
La invención se presenta de forma esquemática en las figuras en formas de realización de ejemplo para una fase, donde la Fig. 1 muestra el sistema cambiador de derivación conocido en la técnica anterior, la Fig. 2 - válvula cambiadora de derivación electrónica de potencia de la Fig. 1 con los componentes principales homologados para la corriente nominal, Fig. 3 - un sistema cambiador de derivación de acuerdo con la invención con la válvula adicional, Fig.4 - una válvula electrónica de potencia adicional de la Fig. 3 con la válvula principal homologada para la corriente de cortocircuito con un circuito de activación por sobretensión adicional.
El cambiador de derivación electrónico de potencia tiene un módulo cambiador de derivación 1 que tiene múltiples líneas de derivación L1, L2, L3...LN (N es un número natural) conectadas eléctricamente a través de los bornes a1...aN, conectadas con una fuente de tensión 2 desde un lado suministrado directamente o a través del devanado primario 3 del transformador 4, y conectadas una por una a través de los terminales b1...bN con secciones 31, 32, 33...3N al devanado primario 3 del transformador 4. El devanado secundario 5 del transformador 4 se conecta con una carga 6. Para la invención no es un problema que los devanados del transformador 4 tengan los nombres de los devanados secundario o primario invertidos. Cada una de las líneas de derivación L1, L2, L3...LN tiene unas válvulas electrónicas V1...VN conectadas con un controlador 7 con fines de activación selectiva. Las válvulas V1...VN tienen un par de tiristores SCR1 conectados con el controlador 7 a través de un circuito de activación 8 y un receptor de señal de control 9 por un lado. Por el otro lado, los tiristores SCR1 se conectan con el dispositivo supresor de tensión transitoria 10 para la protección básica de la sobretensión de corta duración.
El cambiador de derivación electrónico de potencia que comprende el módulo cambiador de derivación 1' de acuerdo con la invención tiene múltiples líneas de derivación L1, L2', L3'...LN' (N' es un número natural) conectadas eléctricamente a través de los bornes a1'...aN', conectados directamente o a través del devanado primario 3 del transformador 4 con una fuente de tensión 2 desde un lado suministrado, y conectadas una a una a través de los terminales b1'...bN' con las secciones 31, 32, 33...3N al devanado primario 3 del transformador 4 a través de dispositivos de protección de sobrecorriente en forma de fusibles F1...FN, respectivamente. El transformador 4 puede ser monofásico o trifásico. El módulo 1' tiene una línea de toma adicional LX conectada a una sección del devanado 3, a través del borne bX que también se conecta directamente o a través del devanado primario 3 del transformador 4 con una fuente de tensión 2, a través del terminal aX. Esta línea de derivación adicional LX se equipa con la válvula de corriente de cortocircuito VX solamente, sin ningún dispositivo de protección de sobrecorriente en forma de fusible conectado en serie. La válvula VX se conecta directamente al devanado primario 3 a través del borne bX. La válvula nominal sobredimensionada VX se diseña con tiristores que sean capaces de manejar la corriente de cortocircuito durante el período de tiempo requerido, dado en la especificación del transformador 4. Las demás válvulas V1...VN se diseñan para soportar la corriente nominal de forma continua.
La válvula VX tiene un par de tiristores SCRX conectados por un lado con el controlador 7 a través de un circuito de activación por sobretensión 11, el circuito de activación 8' y a través del receptor de señales de control 9', donde el circuito de activación 8' y el circuito de activación por sobretensión 11 se conectan en paralelo. El circuito de activación por sobretensión 11 tiene un dispositivo MOV supresor de tensión transitoria 12 conectado en paralelo al circuito de activación 8'. El dispositivo MOV 12 también puede tener la forma de un conjunto de diodos o transistores, lo que no se presenta en las figuras. El dispositivo MOV 12 se conecta con la sección del devanado primario 33 del transformador 4 a través de dos diodos polarizados en inversa, conectados a los bornes aX y bX. Por el otro lado, el tiristor SCRX se conecta en paralelo con un dispositivo supresor de tensión 13 protegido térmicamente en forma de MOV protegido térmicamente. El dispositivo supresor de tensión 13 puede tener también la forma de un conjunto de diodos o transistores, lo que no se presenta en las figuras.
El funcionamiento del cambiador de derivación de acuerdo con la invención se presenta en dos escenarios.
El primer escenario, tiene lugar en caso de condiciones de cortocircuito o sobrecorriente. Si en el momento del cortocircuito el módulo cambiador de derivación 1' conduce la corriente por medio de una de las válvulas estándar V1...VN, excluyendo VX, la situación lleva a la activación del elemento de protección de sobrecorriente correspondiente - fusible F1....FN. Esto crea unas condiciones de circuito abierto en el módulo cambiador de derivación 1', que durante un tiempo limitado son gestionadas por los medios de protección de sobretensión, en este caso el dispositivo supresor de tensión 13 en la válvula VX. El dispositivo supresor de tensión 13 es un MOV protegido térmicamente, lo que significa que se desconecta de forma automática tras un aumento significativo de la temperatura. Después de la desconexión del dispositivo MOV, el circuito de activación por sobretensión 11 presente en la válvula sobredimensionada nominal VX detecta inmediatamente las condiciones de sobretensión y activa la válvula SCRX, lo que resulta en la reducción de la tensión en primer lugar, pero también en el cambio de la trayectoria de la corriente de cortocircuito para pasar sólo por la válvula sobredimensionada nominal VX, ya que es la única homologada para las condiciones mencionadas. Si se produce una corriente de cortocircuito o una sobrecorriente en el momento en que el cambiador de derivación 1' conduce la corriente a través de la válvula VX, no se realiza ninguna acción, ya que la válvula sobredimensionada VX está homologada para esta condición.
El segundo escenario de funcionamiento tiene lugar en caso de condiciones de sobretensión o circuito abierto de larga duración. La solución presentada en la invención se comporta de forma similar a la descrita anteriormente. La situación de sobretensión de larga duración o las condiciones de circuito abierto provocan el sobrecalentamiento de los medios de protección contra sobretensiones transitorias estándar, es decir, el dispositivo MOV 13, lo que conduce a la activación de la protección por temperatura, que desactiva el dispositivo MOV 13. Tras la desactivación del dispositivo MOV, el circuito de activación por sobretensión 11 presente en la válvula nominal sobredimensionada VX activa inmediatamente la válvula nominal, reduciendo de este modo la tensión a través del módulo cambiador de derivación electrónico de potencia 1' a un nivel seguro y manteniendo el flujo de energía a través del módulo 1'.
Claims (8)
1. Un módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') para transformadores (4), comprendiendo el módulo cargador de derivación electrónico de potencia varias líneas de derivación, incluyendo cada línea de derivación de las varias líneas de derivación:
- un primer borne (a1'...aN') para conectar el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') a una fuente de tensión (2);
- un segundo borne (b1'...bN') para conectar el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') a una sección de derivación de un devanado del transformador (4); y
- una válvula (V1'...VN');
en donde cada válvula comprende:
- un par de tiristores (SCR1);
- un dispositivo supresor de tensiones transitorias (10) para la protección básica contra sobretensiones de corta duración;
- un circuito de activación (8); y
- un receptor de señales de control (9);
en donde el par de tiristores (SCR1) de cada válvula se conecta en antiparalelo entre sí y en paralelo con el dispositivo supresor de tensión transitoria (10);
en donde el par de tiristores (SCR1) de cada válvula se adapta para conectarse con un controlador (7) a través de su respectivo circuito de activación (8) y receptor de señales de control (9); caracterizado por que el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') comprende además:
- varios fusibles (FT...FN) conectados en serie respectivamente con cada una de las válvulas de las varias válvulas; y - una línea de derivación adicional sobredimensionada (VX);
en donde la línea de derivación adicional sobredimensionada (VX) comprende:
- un tercer borne (aX) para conectar el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') a la fuente de tensión (2);
- un cuarto borne (bX) para conectar el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') a una sección de derivación de un devanado del transformador (4); y
- una válvula sobredimensionada (VX);
en donde la válvula sobredimensionada (VX) comprende:
- un par de tiristores o transistores (SCRX);
- un dispositivo supresor de tensión (13) protegido térmicamente;
- un circuito de activación por sobretensión (11);
- un circuito de activación (8'); y
- un receptor de señales de control (9');
en donde el circuito de activación por sobretensión (11) se conecta en paralelo entre los bornes tercero (aX) y cuarto (bX);
en donde el circuito de activación por sobretensión (11) se conecta en paralelo con el par de tiristores o transistores (SCRX) de la válvula sobredimensionada (VX);
en donde el par de tiristores (SCRX) de la válvula sobredimensionada (VX) se conectan en antiparalelo entre sí y en paralelo con el dispositivo supresor de tensión con protección térmica (13);
en donde el par de tiristores o transistores (SCRX) de la válvula sobredimensionada (VX) se adapta para conectarse con el controlador (7) a través de su circuito de activación (8') y receptor de señales de control (9'); y
en donde la válvula de gran tamaño se homologa para la corriente de cortocircuito, mientras que cada válvula de cada línea de derivación de las varias líneas de derivación se homologa para la corriente nominal.
2. Un módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el circuito de activación por sobretensión (11) tiene un dispositivo MOV (12) o diodos TVS y un par de diodos con polaridad inversa.
3. Un módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') de acuerdo con las reivindicaciones 1-2, caracterizado por que el dispositivo supresor de tensión (13) protegido térmicamente es un dispositivo MOV protegido térmicamente o diodos TVS.
4. Un módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que las válvulas (V1'-VN') se equipan con un dispositivo supresor de transitorios (10) protegido térmicamente.
5. Un cambiador de derivación electrónico de potencia que comprende el módulo cambiador de derivación electrónico de potencia (1') de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4.
6. Un cambiador de derivación electrónico de potencia de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende el transformador (4), en donde el transformador (4) incluye un devanado primario (3), caracterizado por que la válvula sobredimensionada (VX) se conecta directamente al devanado primario (3).
7. Un cambiador de derivación electrónico de potencia de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, que comprende una fuente de tensión (2), caracterizado por que las válvulas (V1'-VN') y la válvula (VX) se conectan directamente a la fuente de tensión (2).
8. Un cambiador de derivación electrónico de potencia de acuerdo con la reivindicación 5, que comprende una fuente de tensión (2) y el transformador (4), en donde el transformador (4) incluye un devanado primario (3), caracterizado por que las válvulas (V1'-VN') y la válvula sobredimensionada (VX) se conectan a la fuente de tensión (2) a través de una parte del devanado primario (3).
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