BRPI0811050B1 - Dispositivo para influenciar a transmissão de energia elétrica de uma linha de tensão de ca tendo uma pluralidade de fases - Google Patents

Dispositivo para influenciar a transmissão de energia elétrica de uma linha de tensão de ca tendo uma pluralidade de fases Download PDF

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Mike Dommaschk
Jörg Dorn
Ingo Euler
Franz Karlecik-Maier
Jörg Lang
John-William Strauss
Quoc-Buu Tu
Carsten Wittstock
Klaus Würflinger
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Abstract

"dispositivo para influenciar a transmissão de energia elétrica de uma linha de tensão de ca tendo uma pluralidade de fases". a presente invenção refere-se a um dispositivo (1) econômico para influenciar a transmissão de energia elétrica de uma linha de tensão alternada (2) tendo uma pluralidade de fases com módulos de fase (5a, 5b, e 5c), que têm um terminal de tensão alternada (6a, 6b, 6c) para conexão em uma fase respectiva da linha de tensão alternada (2) e dois terminais de conexão (7p, 7n), em que um ramo de módulo de fase (8ap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn, 8cn) se estende entre cada terminal de conexão (7p, 7n) e cada terminal de tensão alternada (6a, 6b, 6c), que é feito de uma conexão em série de submódulos (9), cada um tendo um circuito semicondutor de potência e um acumulador de energia (15) conectado em paralelo com o circuito semicondutor de potência, e em que os terminais de conexão (7p, 7n) são conectados um no outro, é proposto equipar o circuito semicondutor de potência com semicondutores de potência (13) que podem ser desligados e são conectados um com o outro em uma meia-ponte.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para DISPOSITIVO PARA INFLUENCIAR A TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA DE UMA LINHA DE TENSÃO DE CA TENDO UMA PLURALIDADE DE FASES”.
[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para influenciar a transmissão de energia elétrica de uma linha de tensão de CA tendo uma pluralidade de fases com módulos de fase, que têm um terminal de tensão de CA para conexão em uma fase respectiva da linha de tensão de CA e dois terminais de conexão, em que um ramo de módulo de fase se estende entre cada terminal de conexão e cada terminal de tensão de CA, o dito ramo de módulo de fase compreendendo um circuito em série formado por submódulos, cada um tendo um circuito semicondutor de potência e um acumulador de energia conectado em paralelo com o circuito semicondutor de potência, e em que os terminais de conexão são conectados um no outro.
[002] Tal dispositivo já é conhecido em US 6.075.350, que descreve um assim chamado conversor de múltiplos níveis que é fornecido para filtrar harmônicos da frequência de fonte de alimentação de uma linha de tensão de CA e para a correção de fator de potência. O conversor previamente conhecido tem um módulo de fase para cada fase do fonte de alimentação de tensão de CA, o dito módulo de fase tendo um terminal de tensão de CA, por meio do qual cada módulo de fase é conectado a uma fase respectiva da linha de tensão de CA. Neste caso, cada módulo de fase tem um circuito em série compreendendo submódulos configurados como redes de dois terminais, em que cada submódulo tem um capacitor e, conectado em paralelo com o capacitor, um circuito de ponte completa compreendendo semicondutores de potência. Cada um destes semicondutores de potência de desligamento tem um diodo de roda livre conectado em paralelo com eles no sentido oposto. Exemplos de semicondutores de potência de
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2/9 desligamento apropriados incluem IGBTs, GTOs ou similares. Com a ajuda do circuito de ponte completa, dado acionamento prático dos semicondutores de potência de desligamento, é possível imprimir a tensão de capacitor, uma tensão zero ou então a tensão de capacitor invertida nos terminais de cada submódulo. Em sua extremidade remota do terminal de tensão de CA, os módulos de fase são interconectados um com o outro para formaruma estrela. Ligando e desligando os submódulos com a ajuda do circuito de semicondutor de potência, é possível aproximar uma tensão senoidal em maneira escalonada. Neste caso, o circuito de ponte completa permite a maior flexibilidade possível no circuito. No entanto, o circuito de ponte completa necessita de uma multiplicidade de módulos de semicondutor de potência, onde os custos de tal dispositivo são aumentados.
[003] É um objetivo da invenção, portanto, fornecer um dispositivo do tipo mencionado na introdução, que é econômico.
[004] A invenção atinge este objetivo em virtude do fato que o circuito de semicondutor de potência tem semicondutores de potência de desligamento interconectados um com o outro em uma meia-ponte. [005] A invenção fornece um filtro ativo tendo uma topologia de múltiplos níveis. Em outras palavras, um módulo de fase é fornecido para cada fase ou alternativamente, no caso de uma aplicação do filtro ativo em um circuito intermediário de tensão de CD, para cada polo, o dito módulo de fase compreende um circuito em série formado por submódulos. Os submódulos são redes bipolares e têm dois terminais de conexão. Neste caso, cada submódulo tem um acumulador de energia, por exemplo um capacitor, com o qual um circuito de semicondutor de potência é conectado em paralelo. Dependendo do acionamento dos semicondutores de potência do circuito de semicondutor de potência, a queda de tensão através do acumulador de energia pode ser produzida nos terminais de conexão, ou então uma tensão zero.
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Em contraste com o filtro ativo de múltiplos níveis de acordo com a técnica anterior, um circuito de meia-ponte é fornecido de acordo com a invenção. Tais topologias foram previamente descritas somente em conexão com transmissão de corrente contínua de alta tensão. O uso de um circuito de ponte completa em conexão com a transmissão de corrente contínua de alta tensão falha desde que a energia não pode ser alimentada em um circuito intermediário de tensão de CD devido a um circuito de ponte completa. A invenção é baseada no conceito que uma interconexão de semicondutores de potência, que é conhecida somente a partir de transmissão de energia, pode também ser usada por um filtro ativo. A supressão de harmônicos em um fonte de alimentação de tensão de CA ou em um circuito intermediário de tensão de CD é também possível de acordo com a invenção por meio de um circuito de meia-ponte que, em contraste com a técnica anterior, não pode gerar uma tensão de acumulador de energia invertida em seus terminais de conexão. A vantagem maior do circuito de meia-ponte sobre o circuito de ponte completa pode ser vista nos custos, desde que, devido ao circuito de meia-ponte, somente metade dos muitos módulos de semicondutor de potência têm que ser usados no filtro ativo.
[006] Em uma primeira configuração prática do circuito de meiaponte, cada submódulo tem um primeiro terminal de conexão, um segundo terminal de conexão, um acumulador de energia e um ramo de semicondutor de potência conectado em paralelo com o acumulador de energia, o dito ramo de semicondutor de potência tendo dois semicondutores de potência de desligamento conectados em série, em que um diodo de roda livre, que é conectado no sentido oposto, é conectado em paralelo com cada semicondutor de potência de desligamento e o ponto de junção do emissor de um primeiro semicondutor de potência de desligamento do ramo de semicondutor de potência, e o anodo do diodo de roda livre que é conectado no sentido oposto e é
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4/9 designado ao primeiro semicondutor de potência de desligamento, forma o primeiro terminal de conexão e o ponto de junção do semicondutor de potência de desligamento do ramo de semicondutor de potência e o diodo de roda livre forma o segundo terminal de conexão. [007] Em uma configuração que desvia do mesmo, cada módulo tem um primeiro terminal de conexão, e um segundo terminal de conexão, em que o circuito de semicondutor de potência tem um ramo de semicondutor de potência conectado em paralelo com o acumulador de energia, o dito ramo de semicondutor de potência tendo dois semicondutores de potência de desligamento conectados em série, em que um diodo que é conectado no sentido oposto, é conectado em paralelo com cada semicondutor de potência de desligamento, e o ponto de junção do coletor do primeiro semicondutor de potência de desligamento do ramo de semicondutor de potência e o catodo do diodo de roda livre é conectado no sentido oposto e é designado para o primeiro semicondutor de potência de desligamento forma o primeiro terminal de conexão, e o ponto de junção dos semicondutores de potência de desligamento do ramo de semicondutor de potência e o diodo de roda livre, forma o segundo terminal de conexão.
[008] De acordo com um desenvolvimento adicional prático da invenção, é fornecido um módulo de fase adicional, que tem um terminal de aterramento conectado ao potencial de terra e dois terminais de conexão, em que um ramo de módulo de fase respectivo se estende entre cada terminal de conexão e o terminal de aterramento, o dito ramo de módulo de fase compreendendo um circuito em série formado por submódulos, em que cada terminal de conexão está conectado ao terminal de conexão dos módulos de fase restantes. De acordo com este desenvolvimento adicional vantajoso, não somente está amortecendo o sistema de sequência de fase negativa fornecido; em vez disto, o aterramento também permite o fluxo longe de correntes de siste
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5/9 ma de sequência de fase zero, assim também permitindo a supressão das mesmas na linha de tensão de CA.
[009] De acordo com uma configuração preferida da invenção, é fornecido um módulo de capacitor tendo um terminal de aterramento e dois terminais de conexão, em que um ramo de capacitor respectivo é formado entre o terminal de aterramento e cada terminal de conexão, o dito ramo de capacitor compreendendo um ou uma pluralidade de capacitores conectados em série um com o outro, em que cada terminal de conexão é conectado a um terminal de conexão dos ramos de módulo de fase. O fluxo longe de correntes de sistema de sequência de fase zero também se torna possível por meio do terminal de aterramento do módulo de capacitor. O módulo de capacitor pode assim ser equipado com um terminal de aterramento em adição ao módulo de fase descrito adicionalmente acima, ou de fato fornecido em vez disto. No caso do módulo de fase aterrado e no caso do módulo de capacitor, uma disposição central do terminal de aterramento e, portanto, uma configuração simétrica do módulo de capacitor é prática. Os ramos de módulo de fase de um módulo de fase que se estendem respectivamente entre o terminal de conexão e o terminal de aterramento são, portanto, idênticos. O mesmo se aplica de modo correspondente ao circuito em série compreendendo capacitores ou aos dois capacitores que estão respectivamente dispostos em um ramo entre o terminal de aterramento e o terminal de conexão. Devido a esta configuração, também, um alto grau de simetria pode ser fornecido na transmissão.
[0010] Configurações vantajosas adicionais e vantagens da invenção são o tema da descrição seguinte de modalidades exemplares da invenção, com referência às figuras do desenho, em que símbolos de referência idênticos atuam de modo idêntico em partes componentes e em que:
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6/9 a figura 1 mostra uma modalidade exemplar do dispositivo de acordo com a invenção em uma ilustração de circuito equivalente, a figura 2 mostra uma modalidade exemplar adicional do dispositivo de acordo com a invenção, e a figura 3 mostra uma modalidade exemplar adicional do dispositivo de acordo com a invenção.
[0011] A figura 1 mostra uma modalidade exemplar do dispositivo 1 de acordo com a invenção, este dispositivo sendo conectado a uma linha de tensão de CA 2 com as fases 2a, 2b e 2c. Neste caso, a linha de tensão 2 se estende entre um sistema de suprimento 3 que alimenta energia elétrica e uma carga 4 que carrega o sistema de suprimento 3 ou a linha de tensão de CA 2 assimetricamente, e, ao mesmo tempo, harmônicos da frequência nominal da tensão de CA da linha de tensão de CA 2 são produzidos aqui. O dispositivo 1 é fornecido para compensar as assimetrias e, em particular, para suprimir os ditos harmônicos.
[0012] O dispositivo 1 ilustrado na figura 1 compreende três módulos de fase 5a, 5b e 5c, que têm um terminal de tensão de CA 6a, 6b e 6C, que são respectivamente conectados a uma fase 2a, 2b, 2c da linha de tensão de CA 2. Além do mais, cada módulo de fase 5a, 5b e 5c em cada caso tem dois terminais de conexão 7p e 7n, em que um ramo de módulo de fase respectivo 8ap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn, e 8cn se estende entre cada terminal de tensão de CA 6a, 6b e 6c e cada um dos terminais 7p e 7n, respectivamente. Cada um destes seis ramos de módulo de fase compreende um circuito em série formado pelos submódulos 9.
[0013] Os submódulos 9 são configurados como redes de dois terminais e têm um primeiro terminal de conexão 10 e um segundo terminal de conexão 11. Além do mais, cada submódulo 9 tem um ramo de semicondutor de potência 12 tendo dois semicondutores de poPetição 870180128907, de 11/09/2018, pág. 10/21
7/9 tência de desligamento 13, tais como IGBTs, por exemplo, conectados em série um com o outro. Cada semicondutor de potência de desligamento 13 tem um diodo de roda livre 14 conectado em paralelo com ele no sentido oposto. O ramo de semicondutor de potência 12 é conectado em paralelo com um capacitor 15 como acumulador de energia. O emissor do semicondutor de potência de desligamento 13 ilustrado no fundo da figura 1 e o anodo do diodo de roda livre 14 conectado em paralelo com o dito semicondutor de potência de desligamento 13 estão no potencial do primeiro terminal de conexão 10 do submódulo. O segundo terminal de conexão está no potencial dos pontos de junção entre os dois semicondutores de potência de desligamento 13 e, assim, no potencial do ponto de junção entre os dois diodos de roda livre 14 conectados em série.
[0014] Dependendo do acionamento dos semicondutores de potência de desligamento 13, tanto a tensão como capacitor ou uma tensão zero cai através dos terminais de conexão 10 e 11. No entanto, isto pode também ser obtido com alguma outra interconexão dos componentes determinados, como mencionado acima.
[0015] Os capacitores 15 de cada submódulo 9 são carregados por meio de um acionamento prático (não-mostrado na figura 1) dos semicondutores de potência de desligamento. No entanto, a unidade de controle e regulagem, além disso, também compreende um procedimento pelo qual os harmônicos de corrente alternada que fluem na linha de tensão de CA são identificados. Os ditos harmônicos têm uma frequência que é um múltiplo inteiro da frequência nominal da tensão na linha de tensão de CA. Através de acionamento prático dos semicondutores de potência de desligamento 13, devido aos capacitores carregados 9, é gerada uma tensão que aciona uma corrente de compensação ou corrente de filtro, que é acoplada na linha de tensão de CA 1 e assegura que os harmônicos e também as assimetrias da corPetição 870180128907, de 11/09/2018, pág. 11/21
8/9 rente na linha de tensão de CA 2 sejam suprimidos.
[0016] A figura 2 mostra um exemplo adicional do dispositivo 1 de acordo com a invenção com os módulos de fase 5a, 5b e 5c cada um tendo dois ramos de módulo de fase 8ap, 8an, 8bp, 8bn, 8cp e 8cn, respectivamente. A fim de permitir que as correntes do sistema de sequência de fase zero flua, um módulo de fase adicional 5d é fornecido, que novamente tem dois terminais de conexão 7p e 7n, que são conectados nos terminais de conexão 7p e 7n, respectivamente, dos módulos de fase 5a, 5b, e 5c por meio de uma linha de conexão. Em contraste com os módulos de fase 5a, 5b e 5c, no entanto, o módulo de fase 5d não tem um terminal de tensão de CA, mas, em vez disto, um terminal de aterramento 16, por meio do qual correntes do sistema de sequência de fase zero podem fluir, dado o acionamento prático dos semicondutores de potência de desligamento dos submódulos 9 dos ramos de módulo de fase 8dp e 8dn. A supressão de assimetrias devido a correntes de sistema de sequência de fase zero é assim também tornada possível de acordo com esta configuração vantajosa da invenção.
[0017] A figura 3 mostra uma modalidade exemplar da invenção em que, no entanto, os terminais de conexão 7p e 7n dos módulos de fase 5a, 5b e 5c são conectados nos terminais de conexão 7p e 7n, respectivamente, de um módulo de capacitor 17. O módulo de capacitor 17 tem um terminal de aterramento 16, em que um capacitor respectivo 18 é conectado entre o terminal de aterramento 16 e cada terminal de conexão 7p e 7n, respectivamente. Subentende-se que uma pluralidade de capacitores 18 conectados em série pode também ser fornecida entre o terminal de aterramento 16 e cada terminal de conexão 7p e 7n, respectivamente, do módulo de capacitor 17. Um fluxo de correntes de sistema de sequência de fase zero se torna novamente possível por meio do terminal de aterramento 16.
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9/9 [0018] Além do mais, o acoplamento de uma energia reativa capacitiva dentro da linha de tensão de CA se torna possível pelo acionamento prático dos semicondutores de potência de desligamento dos módulos de fase 5a, 5b e 5c. Consequentemente, a correção de fator de potência é também fornecida por este desenvolvimento adicional do dispositivo 1 de acordo com a invenção. Subentende-se que um módulo de fase centralmente aterrado, que é designado por 5d na figura 2, pode também ser usado junto com um módulo de capacitor 16 e também os três módulos de fase 5a, 5b e 5c no contexto da invenção, em que os terminais de conexão 7p e 7n, respectivamente, são colocados em um potencial comum por meio de uma linha de conexão.

Claims (3)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Dispositivo (1) para influenciar a transmissão de energia elétrica de uma linha de tensão de CA (2) tendo uma pluralidade de fases (2a, 2b, 2c) com módulos de fase (5a, 5b, e 5c), que têm um terminal de tensão de CA (6a, 6b, 6c) para conexão em uma fase respectiva da linha de tensão de CA (2) e dois terminais de conexão (7p, 7n), em que um ramo de módulo de fase (8ap, 8bp, 8cp, 8an, 8bn, 8cn) se estende entre cada terminal de conexão (7p, 7n) e cada terminal de tensão de CA (6a, 6b, 6c), o dito ramo de módulo de fase compreendendo um circuito em série formado por submódulos (9) cada um tendo um circuito semicondutor de potência e um acumulador de energia (15) conectado em paralelo com o circuito semicondutor de potência, e em que os terminais de conexão (7p, 7n) são conectados um no outro, sendo que o circuito semicondutor de potência tem semicondutores de potência de desligamento (13) interconectados um com o outro em uma meia-ponte, caracterizado pelo fato de que:
    um módulo de fase adicional (8d), que tem um terminal de aterramento (16) conectado ao potencial de terra e dois terminais de conexão (7p, 7n), em que um ramo de módulo de fase respectivo (8dp, 8dn) se estende entre cada terminal de conexão (7p, 7n) e o terminal de aterramento (16), o dito ramo de módulo de fase compreendendo um circuito em série formado por submódulos (9), em que cada terminal de conexão (7p, 7n) está conectado ao terminal de conexão (7p, 7n) dos módulos de fase restantes (5a, 5b, 5c); ou um módulo de capacitor (17) tem um terminal de aterramento (16) e dois terminais de conexão (7p, 7n), em que um ramo de capacitor respectivo é formado entre o terminal de aterramento (16) e cada terminal de conexão (7p, 7n), o dito ramo de capacitor compreendendo um ou uma pluralidade de capacitores (18) conectados em série um com o outro, em que cada terminal de conexão (7p, 7n) é
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  2. 2/3 conectado a um terminal de conexão dos ramos de módulo de fase (5a, 5b, 5c).
    2. Dispositivo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:
    cada submódulo (9) tem um primeiro terminal de conexão (10) , um segundo terminal de conexão (11), um acumulador de energia (15) e um ramo de semicondutor de potência (12) conectado em paralelo com o acumulador de energia (15), o dito ramo de semicondutor de potência tendo dois semicondutores de potência de desligamento (13) conectados em série, em que um diodo de roda livre (14), que é conectado no sentido oposto, é conectado em paralelo com cada semicondutor de potência de desligamento (13) e o ponto de junção do emissor de um primeiro semicondutor de potência de desligamento (13) do ramo de semicondutor de potência, e o anodo do diodo de roda livre (14), que é conectado no sentido oposto e é designado ao primeiro semicondutor de potência de desligamento, forma o primeiro terminal de conexão (10), e o ponto de junção do semicondutor de potência de desligamento (13) do ramo de semicondutor de potência (12) e o diodo de roda livre (14) forma o segundo terminal de conexão (11) .
  3. 3. Dispositivo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que:
    cada módulo (9) tem um primeiro terminal de conexão, e um segundo terminal de conexão, em que o circuito de semicondutor de potência tem um ramo de semicondutor de potência conectado em paralelo com o acumulador de energia, o dito ramo de semicondutor de potência tendo dois semicondutores de potência de desligamento conectados em série, em que um diodo que é conectado no sentido oposto, é conectado em paralelo com cada semicondutor de potência de desligamento, e o ponto de junção do coletor do primeiro semicon
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    3/3 dutor de potência de desligamento do ramo de semicondutor de potência e do catodo do diodo de roda livre, é conectado no sentido oposto e é designado para o primeiro semicondutor de potência de desligamento, forma o primeiro terminal de conexão, e o ponto de junção dos semicondutores de potência de desligamento do ramo de semicondutor de potência e do diodo de roda livre forma o segundo terminal de conexão.
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