BRPI0610827A2 - filtro ativo em múltiplos nìveis - Google Patents

Abstract

FILTRO ATIVO EM MúLTIPLOS NìVEIS. A presente invenção refere-se a um filtro ativo em múltiplas fases que inclui um grupo de células de energia eletricamente conectadas em uma configuração trifásica, um circuito de pré-carregamento e um controlador que controla a tensão distribuída à pluralidade de células de energia. Cada célula de energia inclui um inversor dotado de um par de terminais de corrente direta (CC), ao menos um capacitor eletricamente conectado em paralelo ao inversor, e um circuito de dissipação de energia que é eletricamente conectado em paralelo ao inversor, O circuito de dissipação de energia de cada célula de energia auto-regula a tensão CC dentro da célula.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção para "FILTRO ATIVO EM MÚLTIPLOS NÍVEIS".

Referência Cruzada aos Pedidos Relacionados

Este pedido reivindica a prioridade ao Pedido de Patente Provi-sório Pendente U.S. N2 60/681.621, intitulado "Multi-level active filter for mé-dium voltage applications", depositado em 17 de maio de 2005, e o incorporaa título de referência em sua totalidade.Antecedentes da Invenção

Um filtro ativo é um dispositivo que modifica as característicasde amplitude e/ou de fase de um sinal em relação à freqüência, e que incluium dispositivo de amplificação que serve para amplificar o sinal em freqüên-cias relativamente baixas. Um filtro ativo pode ser eletricamente posicionadoentre uma fonte de energia e uma carga, e pode ajudar a suavizar os pro-blemas da qualidade de energia introduzidos por correntes harmônicas efator de potência baixa.

Atualmente, as soluções de filtro ativo para aplicações industriaisestão disponíveis em tensões nominais baixas (isto é, menor que, ou igual a,690 volts). No entanto, as soluções existentes para filtros ativos em níveis detensão abaixo dos 1000 volts apresentam desvantagens singulares. Por exem-plo, as tentativas para proporcionar um filtro ativo híbrido, que inclua um in-versor que seja proporcional a uma pequena fração da tensão da rede, exigi-ram capacitores maiores e componentes magnéticos dispendiosos, e taissistemas absorvem um nível fixo de potência reativa fundamental (VARs), oque resulta em fator de potência pobre a cargas moderadas e leves.

O uso de inversores conectados em cascata ou em série paracompensação da potência reativa fundamental (ou VARs) é conhecido. Noentanto, os circuitos propostos até esta data têm rede limitada. Outras tenta-tivas na utilização de inversores conectados em série sugeriram um modo deoperação em onda quadrada, com a finalidade de reduzir as perdas nos in-versores. No entanto, em tais sistemas, o número de harmônicos que podemser compensados é limitado pelo número de inversores conectados em sé-rie, já que os harmônicos requerem um número maior de inversores.Conseqüentemente, é desejável proporcionar um filtro aprimora-do para aplicações de tensão média.

Sumário da Invenção

Em uma modalidade, um filtro ativo em múltiplas fases inclui aomenos três fases. Cada fase inclui um grupo de células de energia eletrica-mente conectadas em série. Cada fase tem uma primeira extremidade euma segunda extremidade. As primeiras extremidades de cada fase são ele-tricameníe acopladas umas às outras, e as segundas extremidades de cadafase são posicionadas de modo a serem eletricamente conectadas entreuma fonte de energia e uma carga em um ponto comum de acoplamento.Cada célula de energia inclui um inversor dotado de um par de terminais decorrente contínua (CC) e de um circuito de dissipação de energia que é ele-tricamente conectado através dos terminais CC do inversor. As células deenergia podem filtrar a corrente harmônica e reativa geradas pela carga.

Em algumas modalidades, cada inversor é um inversor em pon-te-H ou um inversor monofásico com ponto neutro grampeado. Cada inver-sor pode incluir, também, ao menos um capacitor eletricamente conectadoem paralelo com o inversor. Um controlador central pode garantir um com-partilhamento de tensão CC em cada inversor regulando-se o fluxo de po-tência, de tal modo que cada célula de energia auto-regule sua tensão CCutilizando seu circuito de dissipação de energia.

Em algumas modalidades, o filtro pode incluir um circuito de pré-carregamento. O pré-carregamento pode incluir um primeiro contactor, umprimeiro indutor e um segundo indutor eletricamente conectado em série, detal modo que o primeiro indutor fique entre o primeiro indutor e o segundoindutor. O circuito de pré-carregamento pode incluir, também, um segundocontactor eletricamente conectado em paralelo através do primeiro contactore do primeiro indutor. O primeiro contactor se fecha para energizar as célu-las de energia, o segundo contactor se fecha quando as células de energiaforem carregadas até uma tensão CC nominal, e o primeiro contactor se a-bre depois que o segundo contactor estiver fechado.

Em algumas modalidades, o filtro inclui uma unidade controlado-ra que monitora a tensão de cada célula de energia e ativa ou desativa oprimeiro contactor e o segundo contactor com base nos dados que o mesmorecebeu do monitoramento. Em algumas modalidades, o circuito de dissipa-ção de energia inclui um transistor e um resistor, sendo que o transistor cau-sa um curto-circuito no inversor através do resistor para provocar dissipaçãode energia através do resistor. Cada célula pode ter um circuito de controleque ative o transistor da célula e auto-regule a tensão na célula.

Em uma modalidade alternada, um filtro ativo em múltiplas fasesinclui ao menos três fases, sendo que cada fase inclui uma pluralidade decélulas de energia eletricamente conectadas em série. Cada fase tem umaprimeira extremidade e uma segunda extremidade, as primeiras extremida-des de cada fase são eletricamente acopladas umas às outras, e as segun-das extremidades de cada fase são posicionadas de modo a serem eletri-camente conectadas entre uma fonte de energia e uma carga em um pontocomum de acoplamento. Cada célula de energia inclui um inversor dotadode um par de terminais CC, de um retificador eletricamente conectado atra-vés dos terminais CC e de um capacitar que seja eletricamente conectadoatravés dos terminais CC. Cada retificador recebe energia de um conjuntode enrolamentos secundários trifásicos dedicados de um transformador. Otransformador é externo ao filtro e pode ter uma classificação volt-ampèreque seja menor que uma classificação volt-ampère do filtro. Um controladorcentral pode comandar o fluxo de potência fora do filtro ativo.

Breve Descrição dos Desenhos

Os aspectos, características, benefícios e vantagens da presen-te invenção ficarão evidentes levando em consideração a descrição e os de-senhos em anexo, em que:

A figura 1 é um diagrama de circuito de um inversor em ponte-Hexemplar.

A figura 2 é um diagrama de circuito de um circuito de filtro ativoexemplar eletricamente conectado entre uma fonte de energia e uma carga.

A figura 3 é um diagrama de circuito de uma célula de energiaexemplar.A figura 4 é um diagrama de circuito de uma aplicação exemplarde um filtro ativo da presente descrição.

A figura 5 é um diagrama de circuito de um circuito de pré-carregamento exemplar.

A figura 6 é uma ilustração de uma corrente nominal, corrente decarga e corrente de filtro ativo de uma implementação exemplar de um filtroativo.

A figura 7 ilustra as formas de onda da figura 6 com um compo-nente de comutação.

A figura 8 ilustra um filtro ativo alternado que inclui um transfor-mador de entrada.

A figura 9 ilustra uma configuração de célula de energia alterna-da para o filtro ativo da figura 8.

Descrição Detalhada

Antes que os presentes métodos, sistemas e materiais sejamdescritos, deve-se entender que esta descrição não é limitada a metodologi-as, sistemas e materiais particulares descritos, já que estes podem variar.Deve-se entender, também, que a terminologia usada na descrição servepara o propósito de descrever apenas as versões ou modalidades particula-res, e sem se ater ao escopo. Por exemplo, para uso na presente invenção enas reivindicações em anexo, as formas singulares "um", "uma", "o" e "a"incluem as referências no plural exceto onde o contexto indique claramenteem contrário. Exceto onde definido em contrário, todos os termos técnicos ecientíficos usados na presente invenção têm o mesmo significado conformecomumente entendido por aqueles versados na técnica. Ademais, pretende-se que os termos a seguir tenham as seguintes definições na presente in-venção:

filtro ativo - dispositivo que modifica as características de ampli-tude e/ou de fase de um sinal em relação à freqüência, e que inclui um dis-positivo de amplificação que serve para amplificar o sinal em freqüênciasrelativamente baixas;

compreendendo - incluindo, porém não se limitando;contador - um dispositivo que faz uma conexão elétrica quandoativado, e que interrompe um circuito ou, de outra forma, não faz conexãoelétrica quando desativado;

eletricamente conectado ou eletricamente acoplado - conectadode forma que seja adaptado para transferir energia elétrica;

extremidade - em um elemento de um circuito elétrico, um pontono qual o circuito termina ou se acopla a outro elemento;

circuito de dissipação de energia - um dispositivo ou uma com-binação de dispositivos, como, porém não limitado a, um transistor e um re-sistor conectados em série, que possa ser ativado para causar um curto-circuito em um inversor ou em outro dispositivo, e dissipar energia atravésde um elemento resistivo do curto circuito;

Inversor em ponte-H- um circuito para fluxo controlado de ener-gia entre os circuitos CA e CC dotado de quatro transistores e quatro diodos.

Reportando-se à Figura 1, genericamente, um inversor em ponte-H incluiuma primeira perna condutora de fase 111 e uma segunda perna condutorade fase 112. Cada perna é eletricamente conectada em paralelo através deuma fonte de energia 122. Cada perna condutora de fase inclui duas combi-nações de transistor/diodo (como, 113/114 e 115/116) conectadas em série.

Em cada combinação, o diodo 114 é eletricamente acoplado através da basee emissor do transistor. Uma carga 121 é eletricamente acoplada a cadaperna entre cada uma das combinações de transistor/diodo da perna;

distorção harmônica - um sinal de potência CA, a razão de umasoma das potências de todas as freqüências harmônicas acima e/ou abaixode uma freqüência de corrente fundamental com a potência da freqüência Ifundamental;

indutor - um dispositivo que se torna eletricamente carregadoquando posicionado próximo a um corpo carregado;

inversor - um dispositivo que converte potência CC em potênciaCA ou potência CA em potência CC;

tensão média - uma tensão nominal maior que 690 volts (V) emenor que 69 quilovolts (kV). Em algumas modalidades, a tensão média po-de ter uma tensão entre cerca de 1000 V e cerca 69 kV;

em paralelo - um arranjo de dispositivos elétricos onde todos ospólos positivos, eletrodos e terminais são eletricamente acoplados uns aosoutros, e todos os pólos negativos, eletrodos e terminais são, de preferência,acoplados uns aos outros;

fase - uma porção de um circuito que exibe características elé-tricas que são distinguíveis em relação a outra porção do circuito;

ponto dè acoplamento comum - um local ou área, onde umapluralidade de dispositivos são eletricamente acoplados uns aos outros;

potência nominal - para um motor, a potência elétrica aplicadaao motor para sua operação normal em velocidade nominal, tipicamente,descrita em unidades de watts; para um transformador, retificador ou inver-sor, uma classificação de capacidade expressa em termos de potência reati-va, como volts x amps (VA);

corrente reativa - uma medida de um componente vetorial e/ouimaginário de uma corrente alternada não adaptada para realizar a tarefa;

enrolamento secundário - uma bobina de fios compreendida emum transformador adaptada para receber energia transferida induzida a par-tir de uma corrente alternada conduzida através de um enrolamento primáriocompreendido no transformador;

auto-regulação - para um inversor ou célula de energia, com acapacidade de se ligar ou se desligar para regular a tensão interna usandoum controle local;

em série - um arranjo dos elementos de um circuito elétrico, pormeio desse, toda a corrente passa através de cada elemento sem se ramificar;

substancialmente - até uma extensão ou grau maior.

Em diversas modalidades, um filtro ativo usa uma topologia demodulação de largura de pulsos (PWM) com tensão média para suavizar osproblemas de qualidade de energia introduzidos por correntes harmônicasou fator de potência baixa. Na figura 2, uma fonte de energia CA 230, comouma utilidade elétrica ou outra fonte de energia, distribui potência com ten-são média trifásica para uma carga 240 através das linhas de saída 231, 232e 233.

Cada linha de saída é eletricamente acoplada a uma fase dacarga 240 em um ponto de acoplamento 210, 211 e 212. Uma das três fasesdas células de energia conectadas em série também é conectada a cadalinha de saída. Por exemplo, a linha de saída de fase 231 pode ser conecta-da em série às células de energia 241, 244, 247 e 250. De forma semelhan-te, a linha de saída de fase 232 pode ser conectada em série às células deenergia 242, 245, 248 e 251. Similarmente, a linha de saída de fase 233 po-de ser conectada em série às células de energia 243, 246, 249 e 252. Napresente modalidade, é preferencial que as linhas de saída e as ramifica-ções de alimentação das células 231, 232 e 233 sejam unidas por uma co-nexão WYE 234 com um neutro flutuante.

Deve-se notar que o número de células por fase descrito na figu-ra 2 é exemplar, e podem ser possíveis mais ou menos quatro células porfase em diversas modalidades. Por exemplo, em uma modalidade que podeser aplicada a cargas indutivas motores de 2300 volts CA (VAC), três célulasde energia podem ser usadas para cada uma das três linhas de saída defase. Em outra modalidade, que pode ser aplicada a uma carga indutiva demotor de 4160 VAC, cinco células de energia podem ser usadas para cadauma das três linhas de saída de fase. Tal modalidade pode ter onze estadosde tensão, que podem incluir aproximadamente +/-3000 volts CC (VDC), +/-2400 VDC, +/-1800 VDC, +/-1200 VDC, +/-600 VDC e zero VDC.

Pode-se conectar uma carga não-linear trifásica 240 às ramifica-ções de alimentação ou de saída 231, 232 e 233. Mediante a conexão dacarga 240 desta forma, a carga é conectada à saída do inversor em umaextremidade de cada série de células de energia, enquanto a outra extremi-dade de cada série de células de energia funciona como o neutro flutuantena WYE 254. A carga não-linear 240 pode funcionar como uma fonte de cor-rente harmônica sob condições não-filtradas. Uma vez configuradas, as célu-las de energia 241 até 249 podem filtrar ativamente os componentes harmô-nicos distribuídos a partir da fonte 230 até a carga 240.Um diagrama esquemático de uma célula de energia exemplar éilustrado na figura 3. Reportando-se à Figura 3, cada célula de energia 300pode incluir um inversor em ponte-H 310 compreendendo quatro combina-ções de transistor/diodo para gerar uma tensão de saída CA. Em outras mo-dalidades, outros inversores podem ser usados ao invés do inversor em pon-te-H, como um inversor monofásico com ponto neutro grampeado (NPC) ououtro inversor monofásico CC em CA. Cada célula também pode incluir umcapacitor ou um banco de capacitor 320 eletricamente conectado em parale-lo ao (isto é, através dos terminais CC do) inversor 310 para proporcionarfiltragem dos componentes de alta freqüência e armazenamento de energia.

Além disso, cada célula pode incluir um circuito de dissipação de energia330 eletricamente conectado em paralelo ao inversor em ponte-H. O circuitode dissipação de energia 330 pode incluir um transistor 331, como um tran-sistor bipolar de porta isolada (IGBT), um transistor de efeito de campo demetal-óxido (MOSFET) ou um tiristor comutado por porta integrada (IGCT) eum resistor 332, com o propósito de ajudar a regular a tensão de barramentoCC na célula de energia. O circuito de dissipação de energia 330, como umfreio ou outro dispositivo, pode ser ativado para dissipar energia através doelemento resistivo 332. Um circuito de controle local 340 para cada célularecebe comandos de um sistema de controle central 340 através de umaconexão de fibra óptica, linha de comunicações, comunicação sem fio ouquaisquer redes de comunicação, ou dispositivo 345 para fornecer sinais decomutação aos dispositivos do inversor. O transistor 331 do circuito de dissi-pação de energia é controlado pelo circuito de controle local 340 que tentamanter a tensão CC através do capacitor 320 em um valor predeterminado.

O circuito de controle local 340 pode ser qualquer circuito com a capacidadede ativar e desativar o circuito de dissipação de energia, como uma combi-nação de diodo/resistor Zener. No entanto, o circuito de controle local 340não se limita a esta função ou combinação, outras funções e elementos decircuito são possíveis.

Referindo-se mais uma vez à Figura 2, o filtro ativo tem um sis-tema de controle central que fornece comandos a cada célula de energiaatravés de controladores locais. O sistema de controle central usa a correntede carga e a tensão medidas no ponto de acoplamento comum (PCC) paradeterminar os comandos de comutação dos dispositivos do inversor. A figura4 ilustra um circuito exemplar em que um filtro ativo da presente descriçãopode ser implementado junto a um sistema de controle. Reportando-se àFigura 4, um filtro ativo 220 é conectado entre uma fonte de energia CA 230e uma carga 240. Na figura 4, a carga exemplar inclui um retificador de 6pulsos com um capacitor CC e uma fonte de corrente CC. Um pequeno indu-tor linear 410 está presente para controlar as harmônicas de controle na cor-rente de carga ii_. O circuito de controle 400 é descrito mais adiante. Outroscircuitos de controle podem ser usados.

O objetivo no exemplo da figura 4 é controlar a corrente do filtroativo (if) para cancelar todos, ou substancialmente todos, os componentesharmônicos da corrente de carga (= ii_,har). Portanto, a tensão gerada pelofiltro ativo é dada por:

<formula>formula see original document page 45</formula>

em que,

<formula>formula see original document page 45</formula>

Nas equações anteriores, Zf é a impedância da indução do filtroativo, iu é o componente fundamental da corrente de carga e vcc é a tensãono ponto de acoplamento comum 415 (correspondente às referências numé-ricas 210, 211 e 212 na figura 2). O controle para o filtro ativo é baseado naequação (1). O circuito de controle exige a medição da corrente de aciona-mento (iL), da corrente do filtro ativo (if) e da tensão no ponto de acoplamen-to comum (vcc). Um filtro de cavidade 420 remove o componente fundamen-tal da corrente de carga medida. Adiciona-se um componente de correntefundamental defasado em 180° em relação à tensão no PCC utilizando-se odispositivo 422 para a saída do filtro de cavidade. Este componente funda-mental representa a pequena quantidade de potência que precisa ser absor-vida para garantir que a tensão CC em cada célula de energia esteja em umnível predeterminado ou acima deste. A soma destes dois sinais, da saídado filtro de cavidade e do componente fundamental, é comparada através deum comparador 425 junto à corrente do filtro ativo para se obter um erro decorrente que forma uma entrada para um regulador proporcional + derivativo(PD) 430. A alimentação ao controle do filtro ativo 450 é fornecida medianteo uso (a) de um ou mais dispositivos 440 para escalonar e filtrar a tensãoPCC, e (b) de um ou mais dispositivos 445 para diferenciar o sinal de corren-te harmônica de carga e escalonar com o valor conhecido da indução dofiltro (Lf). A soma da saída do regulador 430 junto aos sinais de alimentaçãoforma um sinal referencial de tensão aos comparadores de modulação porlargura de pulso (PWM) do sistema de controle 450. Os controladores dePWM convertem os comandos de tensão trifásica em sinais de comutaçãopor deslocamento de fase para cada célula de energia resultando em umasaída de tensão que tem múltiplos níveis de saída.

O controle central exemplar descrito na presente invenção obri-ga que uma pequena quantidade de potência real seja absorvida pelas célu-las de energia, para ajudá-lo na tarefa pesada de controlar a tensão CC den-tro de cada célula de energia. Ao contrário, o sistema de controle central re-gula o fluxo de energia dentro do filtro ativo, garantindo que a tensão CCseja compartilhada entre as células de energia/inversores. A potência realabsorvida por cada célula de energia obriga que a tensão CC aumente aci-ma do nível de tensão predeterminado, que é captado pelos controladoresda célula locais individuais. Estes controladores locais então controlam otransistor do circuito de dissipação de energia para reduzir a tensão CC,desse modo, mantendo um valor constante próximo. Portanto, o sistema decontrole central precisa enviar somente os comandos de comutação paratodos os dispositivos do inversor para as células de energia.

Reportando-se de volta à Figura 2, o filtro ativo pode incluir umou mais indutores opcionais 255, 256 e 257 em cada fase e um circuito depré-carregamento 260 na lateral de saída do inversor 220. O circuito de pré-carregamento 260 pode ajudar a limitar o pico de corrente durante a energi-zação. A figura 5 ilustra um circuito de pré-carregamento exemplar que podeestar presente em cada fase. Referindo-se à Figura 5, o circuito de pré-carregamento pode incluir um primeiro indutor 255 para servir como um filtroe um segundo indutor 510 conectado em série ao primeiro indutor 255. Oprimeiro contactor 520 é eletricamente conectado em série ao segundo indu-tor 510, e o segundo contactor 530 é eletricamente conectado em paralelo àcombinação do segundo indutor/primeiro contactor.

O segundo indutor 510 pode limitar a corrente de pré-carrega-mento e é, em geral, maior em indução, em algumas modalidades até diver-sas vezes maior, do que o primeiro indutor 555. Em algumas modalidadesonde as limitações de espaço são desejáveis, o primeiro indutor 555 e o se-gundo indutor 510 podem incluir um único núcleo, sendo que o primeiro in-dutor 255 tem menos curvas que o segundo indutor 510. Além disso, emalgumas modalidades, o segundo indutor 510 pode usar uma medida de fiopara suas curvas menor que o primeiro indutor 255, já que o segundo indutor510 pode ser usado por períodos de tempo relativamente curtos.

Uma seqüência para operar o circuito de pré-carregamento podeincluir: (1) fechar o primeiro contactor 520; (2) quando se estabelece umatensão máxima nos terminais do inversor e todas as células de energia fo-rem carregadas até uma tensão CC nominal, fechar o segundo contactor530; (3) depois da confirmação de que o segundo contactor 530 se encontrafechado, abrir o primeiro contactor 520; e (4) após a confirmação de que oprimeiro contactor se encontra aberto, a seqüência de pré-carregamento écompletada.

Um sistema de controle pode monitorar as tensões da célula deenergia e ativar os contatores de acordo com a seqüência mencionada ante-riormente. O sistema de controle pode ser local com relação ao inversor, oupode ser remoto a partir do inversor, com dispositivos de monitoramento lo-cal comunicando-se com o equipamento de controle através de uma rede decomunicações.

Exemplos

Como um exemplo, um filtro ativo pode incluir um total de novecélulas (três por fase), cada uma com tensão de barramento de 1150V CC.

Em tal configuração, a capacidade total de tensão CA do filtro pode ser de4,88kV. A figura 6 mostra as formas de onda da corrente nominal exemplar610, da corrente de carga 620 e da corrente do filtro ativo 630. A distorçãoharmônica total (THD) da corrente da rede é de 4,6%, e a corrente do filtroativo RMS é de 109A neste exemplo. A distorção de carga a 62% representaa distorção de carga máxima que este filtro ativo exemplar pode compensarenquanto mantém uma THD de 5% ou menor na corrente da rede. A figura 7mostra as formas de onda da tensão de saída do filtro ativo 710 e da tensãodo indutor 720 para este exemplo.

Em uma modalidade alternativa, conforme ilustrado na figura 8,uma configuração similar à configuração da figura 2 inclui, também, umtransformador 800 com um enrolamento primário 801, mostrado em umaconfiguração em estrela, porém, opcionalmente em uma configuração delta,e uma pluralidade de enrolamentos secundários 805 a 816. O filtro ativo teráuma classificação de sua capacidade para conduzir potência reativa, ex-pressa em termos como uma classificação volt-ampère (VA). Nas modalida-des aqui descritas, a classificação do transformador 800 VA não precisa sercompatível à classificação do filtro ativo, e, de fato, esta pode ser relativa-mente pequena quando comparada ao filtro ativo. Em algumas modalidades,o transformador pode ter uma classificação VA que seja menor que 100% daclassificação do filtro ativo. Por exemplo, a classificação do transformadorpode ser menor que 75%, menor que 50% ou menor que 40% da classifica-ção do filtro ativo. Para se reduzir os custos, a classificação do transforma-dor pode ser relativamente pequena quando comparada à classificação dofiltro ativo. Por exemplo, a classificação do transformador pode ser menorque 20% da classificação do filtro ativo, menor que 10% da classificação dofiltro ativo, ou entre cerca de 1% e cerca de 5% da classificação do filtro ati-vo. No entanto, não há uma condição de que a classificação do transforma-dor seja menor que a classificação do filtro em todas as modalidades.

Cada enrolamento secundário do transformador é eletricamenteconectado a uma célula de energia, sendo que a última configuração do in-versor é similar à configuração da figura 2, exceto pelo fato de um pré-carre-gador não ser necessária conforme descrito em maiores detalhes mais adi-ante. Diversas opções para tal configuração são descritas, por exemplo, nascolunas 4 a 6 da Patente U.S N2 5.625.545, a descrição da mesma está aquiincorporada a título de referência. Em tal configuração, com referência à Fi-gura 9, cada célula de energia 900 pode incluir um inversor em ponte-H 902,um capacitor ou banco de capacitor 904 conectado em paralelo ao (isto é,através dos terminais CC do) inversor em ponte-H 902, e um retificador deentrada 906 com uma classificação relativamente baixa, como uma classifi-cação similar à classificação do transformador. Nesta modalidade, o trans-formador 800 com uma classificação VA baixa pode funcionar como um dis-positivo de pré-carregamento para as células de energia, desse modo, evi-tando a necessidade por componentes adicionais para realizar a pré-carga.

Cada célula de energia é eletricamente conectada a um conjunto de enrola-mentos secundários trifásicos do transformador para receber potência emuma entrada 910 da célula de energia. Em algumas modalidades, as classi-ficações de potência dos retificadores dentro de cada célula podem sersubstancialmente baixas para satisfazer as condições das perdas do sistemado filtro ativo e as condições de compartilhamento de tensão. Por exemplo,um retificador pode ter uma classificação VA que seja menor que 100% daclassificação de sua célula de energia correspondente. Por exemplo, um reti-ficador pode ter uma classificação que possa ser menor que 75%, menorque 50%, ou menor que 40% da classificação de sua célula. Opcionalmente,a classificação de um retificador pode ser menor que 20%, menor que 10%,ou entre cerca de 1% a cerca de 5% da classificação de sua célula de ener-gia correspondente. No entanto, não há uma condição de que a classificaçãodo transformador seja menor que a classificação do filtro em todas as moda-lidades.

O controle de tal arranjo pode ser semelhante àquele mostradona figura 4, com uma diferença no deslocamento de fase do componente decorrente fundamental que precisa ser fornecido pelo filtro ativo. O compo-nente de corrente fundamental do dispositivo 422 pode ser de tal forma quea potência real será produzida a partir de cada inversor forçando os retifica-dores de diodo em cada célula de energia para conduzir e, portanto, mantertensões CC substancialmente iguais. Desta forma, mesmo nessa segundamodalidade, o sistema de controle central (850 na figura 8) pode não exigirque se mantenha as tensões individuais da célula, porém, pode controlarindiretamente as células através do fluxo de potência de cada inversor.

Deve-se entender que diversas variações, modificações e moda-lidades adicionais são possíveis e, conseqüentemente, todas essas varia-ções, modificações e modalidades devem ser levadas em consideração noespírito e escopo deste pedido. Por exemplo, independente do conteúdo dequalquer parte deste pedido, exceto onde claramente especificado em con-trário, como através de uma definição explícita, não há condições para a in-clusão em qualquer reivindicação da presente invenção de nenhuma carac-terística particular descrita ou ilustrada.

Claims (20)

1. Filtro ativo em múltiplas fases, que compreende:uma pluralidade de fases, sendo que cada fase compreende umapluralidade de células de energia eletricamente conectada em série;em que cada fase tem uma primeira extremidade e uma segun-da extremidade, sendo que as primeiras extremidades de cada fase são ele-tricamente acopladas umas às outras, e as segundas extremidades de cadafase são posicionadas de modo a serem eletricamente conectadas entreuma fonte de energia e uma carga em um ponto comum de acoplamento;em que cada célula de energia compreende um inversor dotadode um par de terminais de corrente direta (CC) e de um circuito de dissipa-ção de energia que é eletricamente conectado através dos terminais CC doinversor.

2. Filtro de acordo com a reivindicação 1, em que as células deenergia filtram a corrente harmônica gerada pela carga.

3. Filtro de acordo com a reivindicação 1, em que cada inversorcompreende um inversor em ponte-H ou um inversor monofasico com pontoneutro grampeado.

4. Filtro de acordo com a reivindicação 1, onde cada célula com-preende, também, ao menos um capacitor eletricamente conectado em para-lelo com o inversor.

5. Filtro de acordo com a reivindicação 1, que compreende, ain-da, um controlador central que garante um compartilhamento de tensão CCem cada inversor regulando-se o fluxo de potência, onde cada célula de e-nergia auto-regula sua tensão CC utilizando seu circuito de dissipação deenergia.

6. Filtro de acordo com a reivindicação 1, que compreende, ain-da, um circuito de pré-carregamento.

7. Filtro de acordo com a reivindicação 6, em que cada circuitode pré-carregamento compreende:um primeiro contactor, um primeiro indutor e um segundo indutoreletricamente conectados em série, de tal modo que o primeiro indutor fiqueentre o primeiro indutor e o segundo indutor;um segundo contactor eletricamente conectado em paralelo a-través do primeiro contactor e do primeiro indutor;em que o primeiro contactor se fecha para energizar as célulasde energia, o segundo contactor se fecha quando as células de energia fo-rem carregadas até uma tensão CC nominal, e o primeiro contactor se abredepois que o segundo contactor estiver fechado.

8. Filtro de acordo com a reivindicação 6, que compreende, ain-da, uma unidade controladora que monitora a tensão de cada célula de e-nergia e ativa ou desativa o primeiro contactor e o segundo contactor combase nos dados que o mesmo recebeu do monitoramento.

9. Filtro de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito dedissipação de energia compreende um transistor e um resistor, e em que otransistor causa um curto-circuito no inversor através do resistor para provo-car dissipação de energia através do resistor.

10. Filtro de acordo com a reivindicação 9, que compreende, a-inda, um circuito de controle para cada célula que ative o transistor da célulae auto-regule a tensão na célula.

11. Filtro ativo em múltiplas fases, que compreende:uma pluralidade de fases, sendo que cada fase compreendeuma pluralidade de células de energia eletricamente conectadas em série;em que cada fase tem uma primeira extremidade e uma segun-da extremidade, sendo que as primeiras extremidades de cada fase são ele-tricamente acopladas umas às outras, e as segundas extremidades de cadafase são posicionadas de modo a serem eletricamente conectadas entreuma fonte de energia e uma carga em um ponto comum de acoplamento;em que cada célula de energia compreende um inversor dotadode um par de terminais CC, um retificador eletricamente conectado atravésdos terminais CC, e um capacitor que é eletricamente conectado através dosterminais CC;em que cada retificador recebe potência de um conjunto de en-rolamentos secundários trifásicos dedicados de um transformador.

12. Filtro de acordo com a reivindicação 11, em que o transfor-mador é externo ao filtro e tem uma classificação volt-ampère que é menorque uma classificação volt-ampère do filtro.

13. Filtro de acordo com a reivindicação 12, em que a classifica-ção do transformador é de cerca de 5 por cento ou menor que a classifica-ção volt-ampère do filtro.

14. Filtro de acordo com a reivindicação 11, que compreende,ainda, um controlador central que comanda o fluxo de potência fora do filtroativo.

15. Filtro ativo em múltiplas fases, que compreende:uma pluralidade de células de energia eletricamente conectadasem uma configuração trifásica;um circuito de pré-carregamento; eum controlador que controla a tensão distribuída à pluralidade decélulas de energia;em que cada célula de energia compreende um inversor dotadode um par de terminais de corrente direta (CC), ao menos um capacitor ele-tricamente conectado em paralelo ao inversor, e um circuito de dissipaçaode energia que é eletricamente conectado em paralelo ao inversor;em que o circuito de dissipaçao de energia de cada célula deenergia auto-regula a tensão CC dentro da célula.

16. Filtro de acordo com a reivindicação 15, emque as células deenergia filtram a corrente harmônica gerada por uma carga.

17. Filtro de acordo com a reivindicação 15, em que cada inver-sor compreende um inversor em ponte-H e um inversor monofasico componto neutro grampeado.

18. Filtro de acordo com a reivindicação 15, que compreende,ainda, um ponto comum de acoplamento que conecta eletricamente umasaída do circuito de pré-carregamento, uma fonte de potência e uma carga.

19. Filtro de acordo com a reivindicação 15, em que o circuito depré-carregamento compreende:um primeiro contactor, um primeiro indutor e um segundo indutoreletricamente conectados em série, de tal modo que o primeiro indutor fiqueentre o primeiro indutor e o segundo indutor; eum segundo contactor eletricamente conectado em paralelo a-través do primeiro contactor e do primeiro indutor;em que o primeiro contactor se fecha para energizar as célulasde energia, o segundo contactor se fecha quando as células de energia fo-rem carregadas até uma tensão CC nominal, e o primeiro contactor se abredepois que o segundo contactor estiver fechado.

20. Filtro de acordo com a reivindicação 19, que compreende,ainda, um controlador que monitora a tensão de cada célula de energia eativa ou desativa o primeiro contactor e o segundo contactor com base nosdados que o mesmo recebeu do monitoramento.