PT1466398E

PT1466398E - Ondulador de potência

Info

Publication number: PT1466398E
Application number: PT02796603T
Authority: PT
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 2001-12-13
Filing date: 2002-12-11
Publication date: 2007-01-31
Also published as: JP2005517372A; CA2470129A1; NO324910B1; ATE346418T1; JP4153875B2; PL368990A1; AR037820A1; AU2002361386B2; WO2003050938A3; ES2275020T3; CN1602578A; MXPA04005547A; MA26254A1; PL219079B1; NZ533522A; DE50208811D1; CY1107581T1; DE10161178A1; KR20040068218A; US20050122692A1

Description

DESCRIÇÃO "ONDULADOR DE POTÊNCIA" A presente invenção refere-se a um ondulador de potência (conversor de potência) para a conversão de uma corrente continua numa corrente alternada. Tais onduladores de potência são conhecidos desde há longa data e têm múltiplas aplicações, contando-se de entre elas a aplicação em instalações de energia eólica. Para tal os modernos onduladores de potência utilizam elementos de comutação à base de semi-condutores, como por exemplo os IGBT's, cujo disparo se faz de maneira adequada para assim obter uma corrente alternada. É certo que estes elementos de comutação à base de semi-condutores são globalmente bastante fiáveis, não sendo no entanto de excluir que ocorram avarias.

Pelo documento US 6160696 ficou a ser conhecido um ondulador de potência com as caracteristicas do conceito genérico da reivindicação 1. Pelo documento GB-A-2214731 ficou a ser conhecido um conversor com um circuito intermédio de corrente continua.

Num ondulador de potência de construção convencional, no caso de se verificar uma falha de um tal elemento de comutação à base de semi-condutores, efectua-se uma substituição do mesmo no local de instalação. Durante essa operação podem ocorrer a acumulação de impurezas e/ou a danificação e/ou erros de montagem inadvertidos e indesejáveis, que passam desapercebidos e que passado pouco tempo conduzem a uma (nova) inutilização do 1 elemento de comutação à base de semi-condutores. A reparação em virtude disso necessária requer um dispêndio de meios que teria sido evitável.

Por esse motivo o objectivo da presente invenção é o de revelar um ondulador de potência que minimiza ou que evita estes inconvenientes.

De acordo com a invenção este objectivo atinge-se pela adopção de um ondulador de potência com as caracteristicas enunciadas na reivindicação 1. Aperfeiçoamentos vantajosos encontram-se descritos nas reivindicações secundárias. A invenção baseia-se no conhecimento de que uma reparação no local de instalação é por natureza mais susceptivel de produzir erros do que uma reparação numa oficina especialmente equipada para o efeito. Por esse motivo a reparação no local de instalação resume-se à identificação do módulo que está defeituoso, à sua desmontagem e à sua substituição por um módulo em perfeitas condições. A par da menor propensão em haver erros durante a operação de reparação, consegue-se mediante uma adequada configuração dos módulos efectuar mais depressa uma substituição do que uma reparação, de modo que o ondulador de potência pode mais rapidamente entrar de novo em serviço.

De acordo com uma forma de realização preferida da invenção a modularização orienta-se pela função dos módulos, de modo que ao ocorrer uma falha se pode desde logo concluir a partir do tipo de falha da necessidade de ter ainda de verificar um determinado módulo ou pelo menos um número reduzido de módulos. 2

De acordo com a reivindicação 1 da invenção o ondulador de potência abrange além disso um acumulador intermédio formado por vários condensadores, aos quais está ligada pelo menos uma parte dos módulos. Se estes módulos ligados ao acumulador intermédio forem os módulos de elementos de comutação à base de semicondutores, o acumulador intermédio está em condições de compensar oscilações que são a consequência das operações de comutação dos elementos de comutação à base de semi-condutores, permitindo assim um funcionamento estável desses elementos de comutação à base de semi-condutores.

De acordo com a reivindicação 1 da invenção a ligação entre o acumulador intermédio e pelo menos uma parte dos módulos é do género capacitivo. Devido a esta configuração capacitiva da ligação é possível reduzir a um mínimo as influências parasitas das indutâncias, que são inevitáveis nos condutores de ligação. Deste modo é também possível evitar falhas de funcionamento que têm a sua origem no efeito de tais indutâncias.

Para eliminar na medida do possível as influências indutivas, a ligação capacitiva abrange num ondulador de potência de acordo com a reivindicação 1 da invenção pelo menos um condensador de placas, estando os módulos mecanicamente ligados às placas deste condensador.

De acordo com a reivindicação 1 da invenção as placas do condensador formam uma ligação mecânica e eléctrica entre o acumulador intermédio formado por vários condensadores e os módulos a ele ligados. Deste modo torna-se possível reduzir ao mínimo a influência das indutâncias. 3

De acordo com um aperfeiçoamento especialmente vantajoso da invenção o afastamento entre os bornes de saida dos elementos de comutação à base de semi-condutores de um módulo não ultrapassa uma medida pré-estabelecida. Em consequência disso também os condutores ligados a esses bornes apresentam um correspondente afastamento. Deste modo condutores vizinhos uns dos outros podem ser conduzidos através de um transformador de medida comum, o que permite limitar os recursos inerentes à medição da corrente que passa pelos condutores.

Aperfeiçoamentos vantajosos da invenção encontram-se revelados nas reivindicações secundárias. A seguir explica-se mais em pormenor, mediante as figuras, uma forma de realização da invenção:

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6

Figura 7 uma representação simplificada de um ondulador de potência de acordo com a invenção; uma selecção de módulos da figura 1; um pormenor ampliado da figura 2; uma representação simplificada de um módulo semi condutor; uma vista lateral de uma placa de condensador; uma vista de mais outra placa de condensador; um pormenor de uma placa de condensador; e 4

Figura 8 uma forma de realização alternativa em relação à da fig. 2. A figura 1 mostra uma representação simplificada de um ondulador de potência de acordo com a invenção. Nesta figura componentes do tipo de reactâncias, contactores, protecções por fusivel e componentes similares, como também cabos, não se encontram representados por motivo de maior clareza. Este ondulador de potência está alojado num armário 1 e comporta vários módulos. Estes módulos têm funções distintas. Assim, os módulos 2, 3 e 4 são módulos semi-condutores gue a partir de uma corrente continua criam uma corrente alternada. Para esse efeito está previsto para cada fase um módulo próprio 2, 3 e 4. Mais outro módulo 5 está previsto para o comando de todos os módulos do ondulador de potência de acordo com a invenção. 0 módulo 6 é um módulo de equilíbrio de tensão. Além disso podem estar previstos mais módulos 7. Estes podem assumir a função de um chopper, de um chopper de amplificação ou de um componente similar.

Estes módulos 2, 3, 4, 5, 6, 7 estão montados num armário 1 que de uma maneira especial está já preparado para a montagem de módulos. Entre os módulos 2, 3, 4, 5, 6, 7 há ligações por cabos (não representadas) que de um modo preferido ligam entre si, por meio de ligações do tipo macho-fêmea, os diversos módulos. Os módulos 2, 3, 4, 5, 6, 7 propriamente ditos estão fixados de maneira amovivel no armário 1, por exemplo por meio de parafusos.

Para substituir um módulo 2, 3, 4, 5, 6 ou 7 torna-se portanto unicamente necessário desligar os cabos deste módulo e soltar as ligações roscadas do módulo. Deste modo cada um dos 5 módulos individuais 2, 3, 4, 5, 6, 7 pode ser substituído separadamente. Em caso de avaria o técnico de assistência terá de montar portanto unicamente um módulo de substituição adequado no lugar do módulo que se detectou estar defeituoso, podendo o ondulador de potência ser colocado de novo em funcionamento após um curto tempo de reparação.

Na figura 2 mostra-se nomeadamente a ligação dos módulos 2, 3, 4 e 7 com o circuito de corrente contínua do ondulador de potência. Em relação à figura 1 já se explicou que os módulos 2, 3 e 4 são módulos de semi-condutores, cada um dos quais cria para uma determinada fase uma corrente alternada a partir de uma corrente contínua. Para servirem de elementos de comutação podem utilizar-se por exemplo tiristores ou IGBT's ou ainda outros componentes semi-condutores. Para alimentar estes módulos 2, 3, 4, 7 com corrente contínua estão previstas as placas de ligação 12, 13, 16, 17 às quais os módulos 2, 3, 4, 7 estão ligados.

Esta ligação efectua-se por meio das barras 10, 11, 14, 15 que por meio de parafusos 21 estão fixadas por um lado às placas 12, 13, 16, 17 de ligação e por outro lado aos módulos 2, 3, 4, 7. As barras 10, 11, 14, 15, tal como as placas 12, 13, 16, 17 de ligação, estão separadas umas das outras em conformidade com o seu potencial. No presente exemplo de realização, por exemplo, as placas 12 e 16 podem ser ânodos, apresentando assim um potencial positivo, e as placas 13 e 17 podem ser cátodos, apresentando portanto um potencial negativo ou também um potencial de massa. Em correspondência com o que se acaba de referir também as barras 12 e 14 terão naturalmente um potencial positivo e as barras 11 e 15 um potencial negativo ou um potencial de massa. 6

Pela utilização das barras 10, 11, 14, 15 para alimentar os módulos 2, 3, 4, 7 com energia eléctrica torna-se possivel fazer circular intensidades de corrente correspondentemente elevadas, uma vez que a secção das barras pode ser dimensionada para valores adequadamente altos. Para melhorar o manuseamento as barras 10, 11, 14, 15 podem estar divididas, de modo que há barras separadas 10, 11, 14, 15, cada uma das quais se estende de uma placa de ligação até um dos módulos 2, 3, 4, 7.

Como se reconhece na figura 2, encontram-se localizadas atrás das placas 12, 13, 16, 17 de ligação outras placas 18, 19, paralelas entre si. A disposição e o efeito destas placas 18, 19 são explicados mais em pormenor mediante a figura 3. Para tal a figura 3 mostra uma representação ampliada do pormenor que na figura 2 está envolvido por um circulo.

Na figura 3 encontra-se representada uma estrutura de três camadas. Esta estrutura de três camadas é formada por duas placas 18, 19 de condensador e por um dieléctrico 20. Esta estrutura constitui portanto um condensador de placas. Para esse efeito as placas 18, 19 deste condensador podem por exemplo ser feitas de aluminio e ter uma espessura de vários milimetros. O dieléctrico 20 pode ser formado por uma pelicula de matéria sintética e ter uma espessura de alguns décimos de milímetro. Nesta disposição uma das placas 18, 19 é forçosamente a placa de ânodo e a outra placa é então inevitavelmente a placa de cátodo. As placas 18, 19 do condensador são utilizadas para alimentar os módulos 2, 3, 4, 7 com corrente contínua. Devido ao facto de esta alimentação ser realizada sob a forma de um condensador de placas, a dita alimentação é puramente capacitiva, sendo suprimido o efeito indesejável de indutâncias porventura existentes. Se a placa 18 de condensador for a placa de ânodo, 7 as placas 13 e 17 de ligação estão ligadas a esta placa 18 de condensador. De modo correspondente as placas 12 e 16 de ligação estão ligadas à placa 19 de condensador, que age como uma placa de ânodo. A figura 4 mostra um módulo 2, 3, 4 de semi-condutores numa representação simplificada, isto é, mostram-se os elementos 22 de comutação à base de semi-condutores. Estes elementos 22 de comutação à base de semi-condutores, para os quais são por exemplo utilizados IGBT's, são comandados de maneira apropriada e já bem conhecida no estado actual da técnica para criar a corrente alternada pretendida, que é escoada através dos cabos 25. 0 modo de funcionamento de um tal módulo de semi-condutores consta por exemplo do documento de patente com o número DE 197 48 479 Cl.

Para limitar o afastamento entre os cabos 25 providos de terminais 24 de cabo e deste modo naturalmente também o afastamento entre os cabos 25 para uma medida pré-estabelecida podem estar previstos elementos 22 de comutação à base de semicondutores que estão dotados das correspondentes ligações. Alternativamente estão previstas barras 23 que se estendem dos terminais de saida dos módulos 22 à base de semi-condutores até aos terminais 24 para cabo, barras essas que conduzem a corrente de saida do elemento 22 à base de semi-condutores ao correspondente cabo 25. Estas barras 23 estão fixadas por meio de parafusos 26, que no presente caso se encontram representados sob a forma de parafusos de sextavado interior, na ligação de saida do módulo 22 à base de semi-condutores, enquanto que os cabos 25 estão por sua vez fixados nas barras 23 por meio de terminais 24 de cabo e de parafusos 26 que se encontram representados sob a forma de parafusos Philips. Esta disposição faz com que se torne possível conduzir em comum os dois cabos 25, por exemplo por meio de um transdutor de medida, do género de um anel de ferrite de um transformador de medida de corrente, para monitorizar a corrente que circula nos cabos 25.

De acordo com a invenção o ondulador dispõe de um acumulador intermédio que é formado por uma multiplicidade de condensadores. Este acumulador intermédio tem, entre outras coisas, a função de alisar a corrente contínua ligada aos módulos à base de semi-condutores e a de compensar oscilações de tensão devidas às operações de comutação dos elementos 22 de comutação à base de semi-condutores. Para esse efeito este acumulador intermédio (não representado nas figuras) é ligado com os módulos através do condensador 18, 19, 20 de placas. As placas 18, 19 do condensador de placas encontram-se representadas nas figuras 5 e 6. Destas a figura 5 mostra a placa de ânodo e a figura 6 mostra a placa de cátodo. Estas placas 18, 19 apresentam furações 28 e rebaixos 29 que se estendem em torno dessas furações. Esta disposição encontra-se representada detalhadamente no exemplo de uma furação/rebaixo que a figura 7 mostra em corte transversal.

Esta disposição faz com que por um lado se torne possível ligar mediante ligações roscadas os condensadores que formam o acumulador intermédio, mas que não se encontram representadas nas figuras, com as placas 18, 19, de modo que em caso de necessidade é também possível substituir condensadores individuais e se torna ainda possível, pela montagem rebaixada das cabeças de parafuso nos rebaixos 29, dispor as placas separadamente e frente a frente, com um afastamento entre si que não é maior do que a espessura do dieléctrico (índice de referência 20 da figura 3). Uma comparação com as placas 9 representadas nas figuras 5 e 6 mostra desde logo que as placas 12, 13, 16, 17 de ligação para as barras de ligação estão desalinhadas entre si em altura, de modo que se obtém o escalonamento já representado na figura 2. A figura 8 mostra uma disposição alternativa em relação às barras 10, 11, 14, 15 de ligação que se encontram representadas na figura 2. Para esse efeito as barras são alargadas de maneira a cobrirem as placas 12, 13 de ligação. Estas barras, que nesta figura se encontram igualmente representadas com a forma de placas, são designadas pelos indices de referência 31 e 32. Para tornar nitido que essas placas estão sobrepostas, as mesmas encontram-se representadas com desacerto reciproco. No local de instalação essas placas encontram-se montadas no essencial numa posição sobreposta.

Nesta disposição uma das placas está ligada com o ânodo 12 e a outra placa com o cátodo 13. Por acção de um dieléctrico inserido entre as placas 31, 32, que não se encontra no entanto representado na figura em questão, também estas placas 31, 32 formam um condensador. De acordo com o representado nesta figura a placa 32 é a placa de ânodo e a placa 31 é a placa de cátodo. Evidentemente estas placas estão por sua vez ligadas adequadamente com os módulos à base de semi-condutores, também não representados na presente figura, para efectuar a alimentação desses módulos com a necessária corrente continua. Dado que assim também a ligação das placas 12, 13 de ligação com os módulos à base de semi-condutores se efectua por intermédio de um condensador de placas, também nesta secção da ligação eléctrica se consegue impedir uma influência indutiva. 10

Deste modo obtém-se uma ligação capacitiva acumulador intermédio até aos terminais de entrada dos base de semi-condutores.

Lisboa, 13 de Dezembro de 2006 desde ο módulos à 11

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Ondulador de potência com uma estrutura pelo menos parcialmente modular, com módulos (2, 3, 4) montados de maneira amovivel, com ligações fixadas de maneira amovível nos módulos (2, 3, 4), sendo cada módulo um módulo à base de semi-condutores, que cria para cada uma das fases uma corrente alternada a partir de uma corrente contínua, e com um acumulador intermédio formado por vários condensadores, caracterizado por pelo menos uma parte dos módulos (2, 3, 4, 5, 6, 7) estar ligada ao acumulador intermédio por meio de uma ligação capacitiva, a ligação capacitiva abranger pelo menos um condensador (18, 19, 20, 31, 32) de placas e por os módulos (2, 3, 4, 5, 6, 7) estarem ligados mecânica e electricamente com as placas do condensador (18, 19; 31, 32) de placas.
2. Ondulador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por se prever uma modularização que se orienta pela função de cada módulo (2, 3, 4, 5, 6, 7).
3. Ondulador de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por se preverem condensadores ligados de maneira amovível com as placas (18, 19; 31, 32) de condensador.
4. Ondulador de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, caracterizado por o afastamento dos terminais de saída dos elementos (22) de comutação à base de semicondutores de um módulo (2, 3, 4, 5, 6, 7) não exceder uma determinada medida pré-estabelecida. 1
5. Instalação de energia eólica, caracterizada por nela prever pelo menos um ondulador de potência de acordo qualquer das reivindicações anteriores. se com Lisboa, 13 de Dezembro de 2006 2