BRPI1002707A2 - módulo comutador de energia ca - Google Patents
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Abstract
MóDULO COMUTADOR DE ENERGIA CA Módulo de comutação de energia CA compreendendo: meios de entrada e de saída de corrente CA; meio de comutação localizado entre os ditos meios de entrada e de saída para bloquear ou passar seletivamente a dita corrente CA; uma controladora do comutador disposta para fornecer um sinal de saída para o meio de comutação para controlar o estadodo meio de comutação; um controle primário para estabelecer a saída da controladora do comutador; e um controle secundário para estabelecer a saída dacontroladora do comutador, em que o dito controle secundário compreende um circuito dependente da corrente dependente da corrente CA.
Description
MÓDULO COMUTADOR DE ENERGIA CA
Esta invenção relaciona-se a um módulo comutador de energia CA ou relê CA de estado sólido. Em particular, mas a invenção não é a ela limitada, esse módulo poderá ser empregado beneficamente dentro de uma instalação subaquática como a instalação de hidrocarbonetos subaquática, em que a manutenção é custosa e difícil.
Atualmente, poços subaquáticos são tipicamente fornecidos com energia elétrica através de um cabo umbilical conectado entre uma plataforma de controle localizada acima da linha d'água (ou "na superfície"), por exemplo, no litoral, em uma plataforma ou um navio, e a instalação de poço subaquático, onde ela termina em um conjunto de terminação umbilical (UTA). A energia é então alimentada do UTA para um módulo de controle subaquático (SCM) montado na árvore do poço. O UTA poderá alimentar um número de poços dentro de um complexo de poços. Além disso, SCMs também são às vezes obrigadas a fornecer energia elétrica a dispositivos subaquáticos externos à árvore. Em todos esses casos, ê prudente proteger a multiplicidade de alimentações de energias paralelas de uma falha por curto circuito em uma delas, pois essa falha poderá causar a desativação da energia para as demais. Atualmente, essa proteção é atingida pela utilização de dispositivos resistivos térmicos de coeficiente de temperatura positiva, comumente conhecidos como PTCs. Se ocorrer um curto circuito, o aumento substancial resultante na corrente causa a geração de calor no dispositivo devido a sua resistência. A temperatura do dispositivo, portanto, é aumentada, assim aumentando a resistência do dispositivo. Isso, por sua vez, limita o fluxo de corrente de curto- circuito a um nível que a fonte de energia pode manter, enquanto também continua a entregar energia para o resto do sistema.
No entanto, a utilização desses dispositivos PCTs produz problemas associados. Por exemplo, no evento de uma falha por curto circuito, PTCs são esbanjadores de energia. Além disso, eles possuem um número limitado de operações e, assim, o projeto cuidadoso de sua instalação é essencial para permitir a dissipação do calor produzido para alcançar uma confiabilidade aceitável. Outros métodos dependem da utilização de um fusível externo ou disjuntor, por exemplo.
É importante que, como o equipamento poderá estar localizado abaixo d'água sendo, portanto, relativamente inacessível, qualquer circuito de proteção precisa ser auto-re1igado.
É a finalidade da presente invenção resolver os problemas acima. Esta meta é atingida ao fornecer um relê de estado sólido com proteção de corrente eletrônico integral, assim eliminando a necessidade de PTCs, fusíveis externos ou disjuntores, enquanto mantém a proteção contra a falha por curto circuito.
Desta forma, a invenção fornece capacidade de proteção da sobrecarga de corrente para relês de energia CA, como aqueles utilizados para comutar energia em sistemas de poços subaquáticos.
De acordo com a presente invenção, é fornecido um módulo de comutação de energia CA, que compreende: meios de entrada e de saída de corrente CA;
meio comutador localizado entre os ditos meios de entrada e de saída para bloquear ou deixar passar seletivamente a dita corrente CA;
uma controladora de comutador disposta para fornecer um sinal de saída para o meio comutador para controlar o estado do meio comutador;
um controle primário para estabelecer a saída da controladora do comutador; e
um controle secundário para estabelecer a saída da controladora do comutador, em que o dito controle secundário compreende um circuito dependente da corrente, dependente da corrente CA.
A invenção fornece várias vantagens sobre a tecnologia anterior, tais como:
i) Proteção de corrente de alta velocidade para linhas de energia CA.
ii) A energia retorna para próximo de zero na sobrecarga.
iii) O sistema se restabelece automaticamente e a energia integral é continuada quando a sobrecarga for removida.
A invenção será descrita agora com referência aos desenhos acompanhantes, em que:
A Figura 1 mostra esquematicamente um módulo de comutação de energia de relê CA de acordo com uma primeira versão da presente invenção. E
A Figura 2 mostra esquematicamente um módulo de comutação de energia de relê CA de acordo com uma segunda versão da presente invenção.
A Figura 1 é um diagrama esquemático de um módulo de comutação de energia de relê CA de acordo com uma primeira versão da invenção. Esse módulo de comutação de energia age para comutar, ligando e desligando, a energia CA sob o controle primário de uma linha de controle opticamente isolada. De acordo com a presente invenção, o módulo destaca sensibilidade de corrente a bordo tal que se a carga na saída CA do módulo superar um limite de corrente fixado, a energia CA para a saída é desligada dentro de um ciclo de linha.
0 módulo compreende uma placa de circuito impressa com meio de comutação que compreende quatro elementos de comutação de energia controlado por retificador (SCR) tiristor/semicondutor (também conhecido por silicone) 6. Os tiristores 6 são em pares de modo que dois tiristores são fornecidos na linha CA L1 entre a entrada e a saída CA, e dois tiristores são fornecidos na linha CA L2 entre a entrada e a saída, cada par sendo esconsado em direções opostas. Como é bem conhecido, esses elementos agem para passar a corrente apenas em uma direção, e então apenas se um sinal pulsado for recebido em seu portal de entrada - caso contrário a corrente é bloqueada em ambas as direções. Neste caso, o meio de comutação também compreende um gerador de pulso 5 para produzir a saída de sinal pulsado. Como é descrito em maior detalhe abaixo, a operação dos tiristores 6 é controlada quer ao permitir ou desativar o gerador de pulso 5. Para fazê-lo, um sinal, quer "ativar" ou "desativar" é enviado para o gerador de pulso 5 pela controladora do comutador, aqui compreendendo um componente de lógica de controle 9 com três entradas de controle, respectivamente, de um detector de cruzamento hi-lo (alto- baixo) (também conhecido como detector de cruzamento de voltagem zero CA) 4, de um opto-isolante 9, e de um circuito dependente da corrente, descrito em maior detalhe abaixo. O componente de lógica de controle 9 contém um flip-flop do tipo D, de modo que os estados de sinal de saída ativar e desativar estão estáveis. Como um recurso de segurança, o funcionamento normal da lógica de controle 9 é desativar o gerador de pulso 5.
O componente de lógica de controle 9 recebe uma entrada de controle primária de um opto-isolante 7 e uma entrada de controle secundário de um circuito dependente da corrente CA que compreende uma resistência "monitoradora de corrente" 1, um comparador 2 e um mono-estável 3, como será descrito em detalhe abaixo. A eletrônica do módulo de comutação de energia é acionada por uma unidade de fornecimento de energia de baixa voltagem 8.
A resistência 1 é monitorada ao pulsá-la com energia aproximadamente a cada segundo por não mais do que um ciclo de energia até a sobrecarga ser removida, após o que energia contínua e integral é restaurada.
O detector de cruzamento 4 age para sincronizar o comutador SCR 6 ligado com a voltagem CA zero. Isso é para minimizar os picos e distorção de corrente, assim fornecendo comutação de compatibilidade eletromagnética (EMC) baixa, de baixo ruído.
O circuito limitador de corrente opera em detalhe conforme segue:
Na operação normal livre de falhas, se uma entrada de sinal de controle primário "ativar" for recebido pelo componente de lógica de controle 9 do opto-isolante 7, ao gerador de pulso 5 é enviado um sinal "ativar" do componente de lógica de controle 9, fazendo com que o gerador de pulso 5 gere pulsos e assim comute ligado os tiristores 6. A função deste trem de pulso contínuo é o de assegurar a comutação confiável dos SCRs 6 caso a forma de onda da corrente ficar atrasada da forma de onda da voltagem devido ao carregamento indutivo.
A resistência 1 gera uma voltagem através das entradas para o comparador de voltagem 2 na dependência de um nível de carregamento de saída CA. A corrente CA poderá, na prática, ser monitorada ao mensurar a queda da voltagem através da resistência 1. Quando a corrente de linha CA, e assim a voltagem para o comparador 2, superar ura valor limite de referência predeterminado, a saída do comparador de voltagem 2 muda. Isso dispara o mono-estável 3, que restabelece o componente de lógica de controle 9. Isso, por sua vez, faz com que o componente de lógica de controle 9 produza uma saída "desativar" para o gerador de pulso 5, que remove o acionador de saída de portal pulsado para os tiristores 6. Como resultado, os tiristores 6 desligam e a energia CA é desligada dentro de um ciclo da linha. O mono- estável 3 é fixado para reverter para seu estado estável após aproximadamente um segundo assim segurando desligada a energia por este período, após o que o componente de lógica de controle 9 é mandado enviar um sinal "ativar" para o gerador de pulso 5 para restaurar o acionamento de portal pulsado para os tiristores 6. Se a sobrecarga permanecer, o circuito dependente de corrente desativará de imediato o acionador mais uma vez. Como foi mencionado acima, a função normal da lógica de controle 9 é desativar o gerador de pulso 5. O flip flop do tipo D da lógica de controle 9 é cronometrado quando uma entrada de controle primária "ativar" do opto-isolante 7 for recebida e a voltagem CA caiu para zero, conforme determinado pelo detector cruzado 4. Isso produz uma entrada "ativar" para o gerador de pulso até ser desativado por uma sobrecarga de corrente o pela entrada de controle primária. 0 disparo confiável dos tiristores 6 é, assim, fornecido, independentemente do relacionamento de fase entre a corrente da linha CA e a voltagem, que poderá variar com cargas indutivas ou capacitivas.
A Figura 2 mostra esquematicamente uma segunda versão da presente invenção. Esta versão tem muitas similaridades com a primeira versão descrita acima, e os componentes permanecem com a mesma rotulagem que a da Figura 1.
Entretanto, com esta configuração, a lógica de controle do componente 9' é modificada ligeiramente, de modo que não hã exigência de um mono-estável. Nesta versão, o módulo de comutação de energia está disposto para disparar o desligamento permanentemente quando de uma sobrecarga.
No evento de uma sobrecarga da corrente, o comparador 2 envia um sinal de desativar diretamente para o componente de lógica de controle 9'. Isso, por sua vez, faz com que um sinal "desativar" seja enviado para o gerador de pulso 5. 0 componente de lógica de controle 9' só pode ser restabelecido ao ligar/desligar o sinal de controle primário através do opto-isolante 7, assim restabelecendo o liga/desliga.
As versões descritas acima são apenas exemplares, e várias alternativas dentro do escopo das revelações serão aparentes para aqueles habilitados na tecnologia.
Claims (19)
1. Módulo de comutação de energia CA, caracterizado pelo fato de compreender: meios de entrada e de saída de corrente CA; meio de comutação localizado entre os ditos meios de entrada e de salda para bloquear ou passar seletivamente a dita corrente CA; uma controladora do comutador disposta para fornecer um sinal de saída para o meio de comutação para controlar o estado do meio de comutação; um controle primário para estabelecer a saída da controladora do comutador; e um controle secundário para estabelecer a saída da controladora do comutador, em que o dito controle secundário compreende um circuito dependente da corrente dependente da corrente CA.
2. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o meio de comutação compreender um tiristor.
3. Módulo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de o tiristor compreender um retificador controlado por semicondutor.
4. Módulo, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de o meio de comutação ainda compreender um gerador de pulso conectado ao portal do tiristor, para emitir uma saída pulsada para o tiristor quando obrigado a fazê-lo pela controladora do comutador, a saída pulsada permitindo ao tiristor passar a corrente CA através dele.
5. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado pelo fato de ò- controle secundário ser operado para fazer com que a controladora do comutador envia um sinal de saída para o meio de comutação para fazer com que o meio de comutação bloqueie a corrente CA através dele.
6. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de o circuito dependente da corrente compreender um comparador para fazer com que a controladora do comutador produza uma saída "desativar", desligando o meio de comutação, quando a corrente CA superar um valor limite predeterminado.
7. Módulo, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de o comparador estar conectado à corrente CA através de uma resistência.
8. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações anterior, caracterizado pelo fato de o circuito dependente da corrente compreender um mono-estável para conectar ao meio de comutação, tal que uma mudança no estado do mono-estável faz com que o meio de comutação mude seu sinal de saída.
9. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de a controladora do comutador ser induzida para operar de modo que quando ela foi induzida a produzir um sinal de saída que desliga o meio de comutação, a controladora do comutador permanecerá nesse estado até que seja instruída a operar pelo controle primário.
10. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de o controle primário compreender um opto- isolante.
11. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de a controladora do comutador compreender um componente de lógica de controle.
12. Módulo, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o componente de lógica de controle compreender um flip flop.
13. Módulo, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, caracterizado pelo fato de o componente de lógica de controle ser fixado por predefinição para produzir um sinal de saída para fazer com que o meio de comutação bloqueie a corrente CA.
14. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de a saída do detector cruzado ser dependente da voltagem CA.
15. Módulo, de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de o componente de lógica de controle ser cronometrado quando ambas as condições sejam satisfeitas: i) a voltagem CA ser zero; e ii) um controle de ativar for recebido pelo componente de lógica de controle do controle primário.
16. Módulo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, -14 ou 15, caracterizado pelo fato de a controladora do comutador compreender um detector cruzado hi-lo.
17. Módulo de controle subaquático, caracterizado pelo fato de compreender um módulo de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, -14, 15 OU 16.
18. Conjunto de terminação umbilical caracterizado pelo fato de compreender um módulo de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, -14, 15 ou 16.
19. Instalação de poço subaquático caracterizado pelo fato de compreender um módulo de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, -14, 15 ou 16.
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