BR102012004428B1 - circuitos de regulação de tensão e potência de linha ca de duas portas - Google Patents

Abstract

CONDICIONADOR E CONTROLADOR DE TENSÃO DE LINHA AC. Um dispositivo de condicionamento e controle de tensão ou energia pode ser usado na linha com uma fonte de energia de linha AC (11,12) e uma carga reativa (13) tal como um motor de indução de fase única. O dispositivo opera para absorver alguma energia reflettida pela carga AC e gera uma onda de energia sintética para suplementar e corrigir a energia aplicada em nível e fase. O dispositivo emprega um par de capacitores de potência (C1,C2) e um par de dispositivos eletrônicos de comutação (Q1, Q2), cada um com um diodo (D1,D2) em paralelo. Sinais de chaveamento ou de comando (FIGs. 2A,2B,2C) são gerados com base na tensão e sincronização da linha, por exemplo, passagens por zero. A fase ou sincronização dos sinais de comando é selecionada quanto a um modo normal ou sem elevação, um modo de elevação de tensão, ou um modo de redução de tensão. Os capacitores são considerados em série com a carga, e aprimoram o fator de potência da carga. Uma variação desse dispositivo pode ser usada em conjunto com um painel solar ou outra fonte de energia local.

Description

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se a dispositivos que regulam, condicionam e controlam a energia CA que é fornecida a uma carga CA, tal como um motor de indução. A invenção é mais especificamente direcionada a um dispositivo de condicionamento de energia CA que pode ajustar a forma de onda e nível de tensão da energia CA aplicada a uma carga CA, bem como o fator de potência e frequência, para compensar a deterioração na qualidade da energia de linha CA. O dispositivo de condicionamento de energia desta invenção pode ser usado com motores de cavalos de energia fracionados a vários cavalos de energia ou acima, e onde a carga de torsão no motor pode variar dependendo de fatores externos, e em situações onde a qualidade da energia de linha pode cair, isto é, de 117 VAC nominal (na América do Norte) para abaixo de 100 VAC. Também, o dispositivo pode ser empregado para controlar o fator de potência para uma carga CA ou indutiva que pode variar durante o uso, tal como um motor de indução CA de fase única, que pode ser usado para acionar um compressor em uma aplicação HVAC ou em um refrigerador.

Fundamentos da Invenção

Para qualquer motor CA, o torque do motor disponível pode depender da condição ou da qualidade da energia de linha CA. O torque de saída é proporcional ao quadrado da tensão de entrada. Durante muitos momentos de demanda de pico, a qualidade da energia de linha CA pode variar muito, com mudanças na tensão e na frequência da linha. Uma queda na tensão da linha de 117 VAC para 100 VAC (uma queda de aproximadamente 14,5%) resulta em uma redução no torque de aproximadamente 27%. Tipicamente, o projetista do motor é forçado a superdimensionar o motor de modo a satisfazer as exigências de carga para acima de uma faixa esperada de condições de entrada. A armadura do motor, que é basicamente uma carga indutiva, pode ter de enfrentar um fator de potência desfavorável, o que significa que a tensão real aplicada, isto é, o componente real da tensão CA complexa, pode se tornar inaceitavelmente baixo. Consequentemente, é desejável ajustar o valor RMS da tensão da linha de modo que o motor opere de forma ideal, mesmo sob condições de linha adversas.

É também a prática para qualquer dada aplicação usar um motor que suporta uma dada faixa de tensão de ± 10%. Isso significa que o sistema tem que ser superdimensionado para alcançar todas as exigências de carga em baixa tensão. De outra forma, para um dado motor de indução CA, se a tensão de entrada é 10% baixa, isto é, V = 90% Vnormal, então o torque de saída T cai para T = 81% Tnormal. Isso significa que, de acordo com a prática convencional, o motor tem que ser superdimensionado por ao menos 19%. Consequentemente, em condições normais ou altas de linha, mais de 20% da energia elétrica é gasta ou refletida de volta para a estação de energia.

Uma abordagem para o controle do motor tem sido uma unidade de frequência variável (VFD) empregando um inversor controlado por pulso, destinado ao controle sobre a velocidade do motor. Na VFD, a energia CA de chegada é retificada para produzir níveis “de saída” CC constantes, e então um inversor converte a energia CC em uma onda de acionamento CA usando modulação por largura de pulso (PWM). Essa técnica modifica as bordas dianteira e traseira de uma onda quadrada produzida pelo inversor ligando e desligando a energia em taxa muito alta de modo que a onda de corrente média possa se aproximar de uma onda senoidal. Essas VFDs superam algumas das dificuldades dos motores de indução em operação diretamente na tensão da linha, e permitem uma faixa de controle de velocidade. Entretanto, o uso de PWM pode levar a outros problemas, incluindo falha de isolamento de enrolamento na armadura do motor, e altas perdas de comutação. Ademais, os dispositivos VFD PWM, por si mesmos, não elevam a tensão.

Em muitos casos, o que é necessário é simplesmente elevar (ou regular) a tensão RMS efetiva. Isso pode permitir o uso de um motor de menor capacidade do que seria recomendado onde a energia de linha não modificada é aplicada diretamente ao motor.

Um exemplo de um circuito controlador de fator de potência de detecção de fase, que aborda alguns desses problemas, é discutido na Patente US 4.459.528 de Nola. Nesta, um conversor de fator de potência ativo é discutido, o que reduz a energia efetiva aplicada pelo uso de um tiristor (triac) e ligando e desligando o tiristor em vários ângulos de fase de modo a mudar a forma da onda de potência aplicada e a otimizar o ângulo de fase ou o fator de potência. Outro controlador de fator de potência é discutido no Pedido Publicado No. US 2003/0122433 de Bach. O dispositivo descrito é um controlador de fator de potência ativo com correção de fator de potência e também com um recurso de partida suave para aplicar uma tensão gradualmente crescente à carga CA no ligamento. Isso é executado comutando- se a energia aplicada para regular a quantidade de energia CA de entrada que passa para a carga. Isso pode reduzir a tensão efetiva aplicada, mas não eleva a energia (isto é, a tensão) aplicada à carga.

A correção do fator de potência (ângulo de fase) é um problema para tanto consumidores de energia CA quanto provedores comerciais. A prática comum é localizar um ou mais capacitores em paralelo com a carga (no caso de um dispositivo indutivo tal como uma armadura de motor). O tamanho do capacitor tem que ser selecionado para alcançar a im- pedância do motor, que pode mudar com as condições da linha e da carga. Isso significa que um número de capacitores tem que ser colocado em paralelo e ligados ou desligados do circuito à medida que as condições mudam. Essa técnica exige dispositivos CA de alta capacidade, que são muito grandes e dispendiosos.

O que é necessário onde a energia de linha pode ser muito baixa ou muito alta é um simples condicionador de energia confiável que seja capaz de aumentar a tensão CA ou diminuir a tensão CA aplicada, quando necessário, para otimizar a operação do motor de indução ou outro dispositivo de carga CA. É também desejável evitar as altas taxas de comutação de componentes de comutação de energia, como discutido acima, o que pode resultar em danos ao motor e pode produzir energia RF significativa.

Esforços anteriores na proteção contra queda excessiva de tensão (isto é, para proteger o motor de indução CA contra explosão em situações de linha de baixa tensão) envolveram tipicamente simplesmente cortar a energia do motor para impedir danos. Enquanto isso economiza o motor, pode causar problemas graves para o sistema que o motor é projetado para acionar. Por exemplo, em uma aplicação de refrigeração comercial, um sistema de congelador pode ser usado para armazenamento de um produto alimentício congelado, por exemplo, carne congelada, sorvete, ou outro produto alimentício. Durante a então chamada queda excessiva de tensão, quando a tensão operacional da linha cai abaixo de um limite seguro (por exemplo, reduzida de 120 volts RMS para abaixo de 95 volts RMS), então o motor do compressor é simplesmente desligado, e nenhuma refrigeração acontece. Se a queda excessiva de tensão dura por um período de uma hora ou mais, a carne pode começar a estragar, ou o sorvete pode derreter. Seria mais desejável continuar a operar o sistema de refrigeração durante quedas excessivas de tensão, isto é, modificar a energia CA de modo que ela seja suficiente para funcionar o equipamento, mesmo se em uma velocidade parcial. Entretanto, isso não foi possível com os circuitos de controle de energia existentes.

Há regiões onde a energia comercial não é particularmente confiável, e onde a energia de linha pode variar significativamente para cima e para baixo durante o dia. Em tais áreas, as abordagens convencionais envolveram o uso de um transformador variável para elevar a tensão, e/ou um motor para trabalho extrapesado que é superdimensionado para energia confiável, mas que é capaz de suportar quedas significativas na tensão da linha CA sem falhas. Essas abordagens gastam uma quantidade significativa de energia.

Sumário da Invenção

É um objetivo desta invenção fornecer energia a uma carga CA, tal como uma armadura de motor, e regular e controlar a forma de onda e tensão de acionamento de uma forma que evite as desvantagens da técnica anterior, como mencionado acima.

É um objetivo desta invenção otimizar a energia aplicada, através de correção do fator de potência, para evitar o gasto de energia elétrica.

É outro objetivo fornecer um dispositivo de condicionamento de energia para alcançar a operação eficaz de um motor de compressor ou outra carga reativa ou não linear através da regulação de tensão sob condições onde a qualidade da tensão na linha pode variar significativamente.

Um objetivo adicional é fornecer um dispositivo de condicionamento de energia CA tendo recursos ou capacidades para partida suave, partida dura, regulação de tensão de ± 30% ou mais, e correção do fator de potência.

É outro objetivo fornecer capacidades para partida suave, bem como partida dura (aprimoramento de torque) em combinação com a regulação de tensão para operações ideais do motor sob uma variedade de condições.

É ainda um objetivo adicional desta invenção expandir a faixa operacional de tensão de equipamentos novos ou existentes para acima ou abaixo da tensão nominal da linha CA.

É ainda outro objetivo desta invenção fornecer um circuito de baixa contagem de componentes, baixa perda e um projeto de baixo custo.

Outros objetivos incluem impedância de fonte e/ou carga correspondendo para alcançar máxima transferência de energia, capacidade para medição de volts, amperes, energia, fator de potência, e watt-horas para alcançar economia de operação, facilitação de sistema de gerenciamento de energia programável, bem como capacidades de controle de motor para corrigir ou ajustar a perda de fase, rotação de fase ou correção de fase (em um sistema trifásico), correção de desequilíbrio de tensão, proteção sobtensão e sobretensão, proteção de sobrecarga programável, e comunicação com provedor de energia, por exemplo, para diferenciais de preço fora do pico.

Objetivos adicionais incluem o controle da velocidade do motor através de controle de tensão variável e de frequência variável (frequência da linha e frequência de energia aplicada não precisam ser as mesmas).

Outro objetivo é fornecer capacidades do inversor para uso com uma fonte de energia CC, prendendo-o a um painel solar ou outra fonte de energia (para substituir o então chamado inversor “grid-tie”) e para fornecer um “sistema de energia verde”.

Ainda, objetivos adicionais são capacidades de interrupção de arco e interrupção de falhas de aterramento.

De acordo com um aspecto da invenção, o fator de potência pode ser corrigido com o uso de uma capacitância para aumentar ou reduzir a tensão do motor aplicada, sem o corte drástico da onda de potência , e sem a radiação RF associada que é característica de sistemas atuais.

Sinais de comando são aplicados aos respectivos componentes de comutação, que podem ser IGBTs, MOSFETs, transistores de energia ou similares. Outros possíveis componentes de comutação podem ser SCRs, Triacs, ou Comutadores Bilaterais de Silício. Os sinais de comando podem vir de componentes lógicos (por exemplo, op-amps, amps diferenciais, etc.) ou um microprocessador, e esses podem ser comunicados direta ou indiretamente (por exemplo, com um opto-isolador) aos componentes de comutação de energia associados. Em alguns componentes, uma porta pode não ser exigida.

De acordo com uma modalidade da invenção, um dispositivo de circuito de regulação de tensão de linha é capaz de responder a mudanças na qualidade de uma energia de linha de entrada CA de fase única que é aplicada, em um nível de tensão CA ajustado, a um motor de indução de fase única de dois terminais ou outro dispositivo de carga CA. O circuito de regulação de tensão tem um dispositivo para conectar a uma fonte de tal energia de linha CA de fase única, tendo um primeiro condutor de energia CA e um segundo condutor de energia CA. Um regulador de tensão de linha de duas entradas tem primeiro e segundo terminais de energia CA, o primeiro terminal de energia CA está conectado ao primeiro condutor de energia CA e o segundo terminal de energia CA está conectado a um primeiro terminal de energia CA da carga, com o segundo terminal CA da carga estando conectado ao segundo condutor de energia CA. Um gerador de sinal de controle associado pode ter uma ou mais entradas de sensor acopladas com a fonte de energia CA, e tem dispositivos para detectar o nível de tensão CA da energia de linha de entrada CA e para detectar as passagens por zero e a polaridade da energia de linha CA, e tem saídas para fornecer primeiro e segundo sinais de comando ao regulador de tensão de linha. Esses sinais de comando são empregados para a ativação de porta (gating) sincronizada de componentes de comutação de energia. O regulador de tensão de duas linhas inclui favoravelmente primeiro e segundo capacitores de potência, cada um tendo um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, com o primeiro eletrodo do primeiro capacitor de potência e o segundo eletrodo do segundo capacitor de potência estando conectados ao primeiro terminal de energia CA do regulador de tensão. Cada um dentre o primeiro e o segundo dispositivo eletrônico de comutação tem um primeiro eletrodo de energia, um segundo eletrodo de energia, e uma porta, com cada um dentre o primeiro eletrodo de energia do primeiro dispositivo de comutação e o segundo eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação estando conectado ao segundo terminal de energia CA do regulador de tensão. O segundo eletrodo do primeiro capacitor de potência é conectado ao segundo eletrodo de energia do primeiro dispositivo de comutação e o primeiro eletrodo do segundo capacitor de potência é conectado ao primeiro eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação. A primeira e a segunda saída do gerador de sinal de controle são acopladas às portas do primeiro e do segundo dispositivos eletrônicos de comutação, respectivamente. Esse pode ser um acoplamento transformador, um aco-plamento óptico, ou outros meios adequados de ativação de porta dos dispositivos. Os diodos de energia são conectados favoravelmente em paralelo com o primeiro e o segundo dispositivo eletrônico de comutação. Cada um dentre os diodos de energia pode ter um anodo conectado ao primeiro eletrodo de energia do dispositivo de comutação associado e um catodo conectado ao segundo eletrodo de energia do dispositivo de comutação associado.

Os capacitores de potência são considerados como estando em série com a carga, que é mais frequentemente uma carga indutiva, isto é, um enrolamento de motor. Isto é, um capacitor está em relação de circuito em série com a carga (enrolamento de motor) durante meio ciclo positivo e o outro capacitor durante o meio ciclo negativo. Esse arranjo tende a corrigir o atraso de fase inerente ao motor e aprimora o fator de potência de circuito. Como os dispositivos de comutação (por exemplo, transistores) associados com o circuito de regulação controlam o carregamento e descarregamento sincronizado desses capacitores, a quantidade de correção de ângulo de energia variará automaticamente com as mudanças na carga para otimizar a correção de fator de potência em todos os momentos durante a operação.

As modalidades ilustradas são empregadas em um sistema de fase única, mas vários desses arranjos podem ser empregados com as respectivas fases de sistemas de energia CA polifásicos (por exemplo, trifásicos). No caso de uma configuração delta, pode ser suficiente ter esses dispositivos em somente duas das três fases.

Dependendo da condição de energia de linha, o gerador de sinal de controle é eficaz para fornecer o primeiro e o segundo sinais de controle em um modo normal, no qual o primeiro e o segundo sinais de comando estão alternativamente ON para ângulos de fases, como um exemplo, de 0 a π (180°) e de π a 2π (360°), ou em um modo de aumento de tensão onde o primeiro e o segundo sinais de controle estão alternadamente ON começando com um atraso de fase entre 0 e π/2 (90°) e um atraso de fase entre π e 3π/2 (270°), respectivamente. Em um modo preferencial, os sinais de comando ligariam o primeiro comutador (por exemplo, Q1) de 0 a 90° (0 a π/2) e para OFF de 90° a 180° (π/2 a π). O segundo comutador (por exemplo, Q2) seria ligado (ON) de 180° a 270° (π a 3π/2) e desligado (OFF) de 270° a 360° (3π/2 a 2π). Os sinais de comando para os comutadores Q1 e Q2 poderiam fornecer múltiplos sinais ON e OFF em cada um dos respectivos meios ciclos, ao invés de somente um pulso de controle por meio ciclo. Os tempos ON e OFF para os sinais de comando podem ser adaptados para condições de linha e de carga para alcançar o desempenho ótimo do motor. Isto é, o intervalo das bordas dianteira e traseira dos sinais de comando pode ser controlado, em relação à fase da onda de potência de entrada, para criar a forma de onda desejada.

Adicionalmente, o gerador de sinal de controle é eficaz em fornecer os sinais de comando em um modo de redução de tensão no qual o primeiro e o segundo sinais de comando estão ON alternadamente, começando com um atraso de fase entre aproximadamente π/2 e π e entre aproximadamente 3π/2 e 2π, respectivamente. Esse elemento de circuito pode ter um recurso de partida suave, com a tensão reduzida sendo aplicada por um curto período de tempo no começo da operação do motor.

Ademais, uma tensão elevada com um ângulo de fase reduzido permitirá partida suave com torque aumentado, para compensar a perda de tensão devido ao ângulo de fase retardado.

Em um arranjo alternativo, um circuito de regulação de tensão é capaz de responder às mudanças na qualidade de uma energia de linha de entrada CA de fase única, e é também eficaz em condicionar a energia para ajustar o nível de tensão CA aplicada ao dispositivo de carga CA que é ou pode ser fundamentalmente resistivo. O regulador de tensão de linha tem primeiro e segundo terminais de energia CA. O primeiro terminal de energia CA é conectado ao primeiro conduto de energia CA da fonte de linha CA, o segundo terminal de energia CA é conectado ao primeiro terminal de energia CA da carga, e o segundo terminal CA da carga é conectado ao segundo condutor de energia CA. Como na modalidade anterior, o gerador de sinal de controle tem entradas com sensores acoplados à fonte de energia CA, e é eficaz em detectar o nível de tensão CA da energia de linha de entrada CA, e em detectar as passagens por zero da energia de linha CA (ou passagens por tensão zero ou por corrente zero). O gerador de sinal de controle fornece o primeiro e o segundo sinal de controle.

Nesta modalidade, o regulador de tensão tem primeiro e segundo capacitores de potência, cada um com um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, com cada um dentre o primeiro eletrodo do primeiro capacitor de potência e o segundo eletrodo do segundo capacitor de potência estando conectado ao primeiro terminal de energia CA do regulador de tensão. Há primeiro e segundo dispositivos eletrônicos de comutação, cada um tendo um primeiro eletrodo de energia, um segundo eletrodo de energia, e uma porta, com cada um dentre o primeiro eletrodo de energia do primeiro dispositivo de comutação e o segundo eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação estando conectado ao segundo terminal de energia CA do regulador de tensão. Há também terceiro e quarto dispositivos eletrônicos de comutação, cada um com um primeiro eletrodo de energia, um segundo eletrodo de energia, e uma porta, com cada um dentre o primeiro eletrodo de energia do terceiro dispositivo de comutação e o segundo eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação estando conectado ao segundo condutor de energia CA. O segundo eletrodo do primeiro capacitor de potência é conectado aos segundos eletrodos de energia do primeiro dispositivo de comutação e do terceiro dispositivo de comutação; e o primeiro eletrodo do segundo capacitor de potência é conectado ao primeiro eletrodo de energia do segundo dispositi-vo de comutação e do quarto dispositivo de comutação. O gerador de sinal de controle é acoplado às portas do primeiro e quarto dispositivos eletrônicos de comutação e às portas do segundo e terceiro dispositivos eletrônicos de comutação, respectivamente.

O primeiro e o segundo diodos podem estar conectados em paralelo com o primeiro e o segundo dispositivos eletrônicos de comutação, e o terceiro e o quarto diodos podem estar conectados em paralelo com o terceiro e o quarto dispositivos eletrônicos de comutação, respectivamente.

De acordo com outra modalidade, o arranjo de circuito de regulação de tensão desta invenção pode ser usado em conectar a corrente de linha CA não somente com a carga, mas também com uma fonte de energia suplementar, por exemplo, um gerador ou um sistema de painéis solares, para elevar e suplementar a corrente de linha CA. Isso pode ser útil em reduzir o número de watt-horas da energia de linha CA que são realmente consumidos pelo usuário, reduzindo assim a conta de energia do consumidor. Em adição, o excesso de energia pode ser localizado na rede de energia ou de grade, em fase e apropriadamente condicionado.

O condicionador de linha tem primeiro e segundo terminais de energia CA, o primeiro terminal de energia CA está conectado ao primeiro condutor de energia CA, o segundo terminal de energia CA está conectado ao primeiro terminal de energia CA da carga, e o segundo terminal CA da carga está conectado ao segundo condutor de energia CA. Há a primeira e a segunda entrada de energia CC conectadas às fontes CC, tal como painéis solares. O gerador de sinal de controle tem entradas com sensores acoplados à fonte de energia CA, e é eficaz em detectar o nível de tensão CA e as passagens por zero da energia de linha CA, e fornece primeiro e segundo sinais de comando ao regulador de tensão de linha. Nesse caso, o regulador de tensão inclui primeiro e segundo capacitores de potência, cada um tendo um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo; cada um dentre o primeiro eletrodo do primeiro capacitor de potência e o segundo eletrodo do segundo capacitor de potência está conectado ao primeiro terminal de energia CA do regulador de tensão. O primeiro e o segundo dispositivos eletrônicos de comutação têm um primeiro eletrodo de energia, um segundo eletrodo de energia, e uma porta (opcional em algumas implementações), com cada um dentre o primeiro eletrodo de energia do primeiro dispositivo de comutação e o segundo eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação estando conectado ao segundo terminal de energia CA do condicionador de tensão. Cada um dentre o terceiro e o quarto dispositivos eletrônicos de comutação tem um primeiro eletrodo de energia, um segundo eletrodo de energia, e uma porta (opcional em algumas implementações), com cada um dentre o primeiro eletrodo de energia do terceiro dispositivo de comutação e o segundo eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação estando conectado ao segundo condutor de energia CA. O segundo eletrodo do primeiro capacitor de potência é conectado aos segundos eletrodos de energia do primeiro dispositivo de comutação e do terceiro dispositivo de comutação; e o primeiro eletrodo do segundo capacitor de potência é conectado ao primeiro eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação e do quarto dispositivo de comutação.

Cada uma dentre a primeira e a segunda entradas de energia CC tem um primeiro terminal de energia e um segundo terminal de energia. O primeiro terminal de energia da primeira entrada CC e o segundo terminal de energia da segunda entrada de energia CC se conectam com o primeiro terminal de energia CC. Cada um dentre o quinto e o sexto comutadores eletrônicos tem um par de terminais de energia e uma porta (opcional), com os terminais de energia do quinto comutador eletrônico conectando ao primeiro capacitor de potência e à primeira fonte de energia CC, e os terminais de energia do sexto comutador eletrônico conectando o segundo capacitor de potência e a segunda fonte de energia CC. Qualquer um de ambos os comutadores eletrônicos poderia ser posicionado em várias localizações na linha com a fonte de energia CC e o capacitor de potência associado. Alternativamente, o isolamento galvânico pode ser empregado em uma dada implementação, quando necessário.

O circuito de regulação de energia ou tensão desta invenção pode ser considerado como tendo o primeiro e o segundo capacitor de potência tendo uma de suas placas ou eletrodos acoplada a um terminal de energia CA e um segundo eletrodo, e a outra placa ou eletrodo preso a um lado positivo ou negativo de uma ponte comutada. A ponte comutada tem primeiro, segundo, terceiro e quarto transistores eletrônicos de comutação, com cada um dentre o primeiro e o segundo transistores tendo um primeiro eletrodo de energia (isto é, anodo ou catodo, fonte ou dreno) conectado ao outro terminal de energia CA e um segundo eletrodo de energia, e cada um dentre o terceiro e o quarto dispositivos de comutação (por exemplo, transistores) tendo um primeiro eletrodo de energia conectado à segunda placa ou eletrodo de um respectivo capacitor dentre o dito primeiro e segundo capacitores de potência. Os segundos eletrodos de energia do primeiro e do terceiro transistores são unidos ao primeiro terminal de carga CA, e os segundos eletrodos do segundo e do quarto transistores são unidos ao segundo terminal de carga CA. A fonte ou fontes de energia CC (isto é, painel fotovoltaico, turbina a vento, etc.) tem ao menos uma saída CC positiva e uma saída CC negativa, e na modalidade ilustrada, tem um terminal neutro ou terra entre as saídas positivas e negativas. O circuito de regulação ainda emprega um quinto dispositivo eletrônico de comutação interposto entre a saída CC positiva e o segundo eletrodo do quinto capacitor de potência, e um sexto dispositivo eletrônico de comutação interposto entre a saída CC negativa e o segundo eletrodo do segundo capacitor de potência. O quinto e o sexto dispositivo podem ser favoravelmente implementados como FETs e ativados por porta (gated) pelos respectivos sinais de comando a partir do gerador de sinal de controle. Entretanto, em alguns casos, os diodos poderiam servir para a função de carregar os respectivos capacitores de potência próximo do momento de passagem por tensão zero da onda de potência CA.

O terminal CC neutro pode ser acoplado aos primeiros eletrodos dos dois capacito- res de potência.

Esse arranjo serve como um mecanismo para sobrepor meios ciclos positivos da energia de linha CA no nível de saída CC positiva, e sobrepor os meio ciclos negativos da energia de linha CA no dito nível de saída CC negativa. Assim, esse arranjo pode elevar a tensão total e energia total da onda de potência CA localizando um nível CC, em cada meio ciclo, na base da onda de potência . Durante momento quando a qualidade da linha é baixa, isto é, condições de baixa tensão, isso, de fato, eleva a energia para a tensão apropriada antes de ser aplicada à carga. Quando há baixa demanda da carga, a energia em excesso sendo gerada na fonte CC (isto é, painel solar ou gerador eólico), a onda de potência elevada pode realmente ser alimentada de volta a montante na linha de entrada CA. Em qualquer caso, isso permite que o arranjo substitua o inversor “grid-tie” usual, de modo que a mesma função seja executada sem ter que empregar um inversor “grid-tie”, que é equipamento complexo e dispendioso.

Os sinais de comando são fornecidos a partir do gerador de sinal de controle às portas (ou equivalentes) dos primeiro e quarto dispositivos eletrônicos de comutação e ao segundo e terceiro dispositivos eletrônicos de comutação, respectivamente; e os sinais de saída sincronizados podem ser acoplados às portas do quinto e do sexto dispositivos de comutação.

Os sinais de comando para os respectivos componentes de comutação de energia podem ser fornecidos a partir de qualquer de uma variedade de fontes, isto é, portas lógicas a controles de microprocessador. Muitos projetos são possíveis para o gerador de sinal de controle. Esse pode ser alimentado a partir da energia de linha de entrada ou a partir de uma fonte além da energia de linha. Pode haver uma interface de usuário para permitir o ajustamento pelo usuário da corrente de acionamento CA de saída, e pode haver uma tela visual, por exemplo, de volts, amperes, energia consumida, watts, fator de potência, e frequência aplicada. A tela pode também mostrar uma indicação de energia economizada em um modo de energia corrigida versus o uso de energia de linha direta. As medições de tensão, energia, fase, etc. podem estar disponíveis e relatadas via qualquer protocolo de comunicações adequado, incluindo sem fio, de modo que a informação pode ser comunicada a um sistema de gerenciamento de carga de automação de edifício.

O circuito de controle desta invenção pode ser de um modelo simples e direto, sa-tisfazendo as exigências de ser inerentemente compacto, confiável e relativamente não dis-pendioso, e ao mesmo tempo evitar desperdício de energia.

O termo “comutador eletrônico” ou “dispositivo eletrônico de comutação” é destinado a cobrir uma ampla faixa de dispositivos capazes de manipular os níveis de tensão e corrente que podem ser encontrados, e o termo “porta”, como usado nesta descrição e nas reivindicações, é destinado a se referir a qualquer eletrodo de controle ou entrada de controle (por exemplo, incluindo uma entrada fotossensível no caso de um dispositivo óptico). “Diodo” pode incluir qualquer dispositivo unidirecional, incluindo uma ponte retificadora de onda completa, ou pode incluir MOSFET, IGBT, SCR, Triac, SIDAC, etc.

O circuito de regulação de tensão/energia é um dispositivo de correção de fator de potência eficaz se usado com um dispositivo de carga reativa, isto é, indutivo tal como um enrolamento de motor. O dispositivo de regulação coloca o par de capacitores em uma relação em série com a linha e a carga, e a capacitância efetiva, isto é, a quantidade de correção de fase, corresponde ao intervalo dos sinais de comando que são aplicados aos dispositivos eletrônicos de comutação associados. O dispositivo desta invenção corrige automaticamente o fator de potência em resposta às mudanças de carga ou mudanças na tensão da linha. Em adição, como os dois capacitores são dispostos em antiparalelo com o fluxo de corrente unidirecional (isto é, um capacitor positivo, um negativo), capacitores CC menos dispendiosos e menores podem ser empregados com sucesso.

Os objetivos, recursos e vantagens acima desta descrição e muitos outros estarão claros a partir da seguinte descrição de uma modalidade preferencial, que deveria ser lida em conjunto com os desenhos em anexo.

Breve Descrição dos Desenhos

A FIG. 1A é um diagrama de circuito esquemático de um circuito regulador de tensão CA de acordo com uma modalidade preferencial, e associado com uma carga CA indutiva, tal como a armadura de um motor de indução de fase única, aqui mostrado como empregado em um modo normal ou sem elevação.

As FIGs. 1B e 1C são diagramas de circuito do circuito regulador desta modalidade, aqui mostrado como empregado em um modo de elevação de tensão.

A FIG. 1D é um diagrama de circuito do circuito regulador desta modalidade, aqui mostrado como empregado em um modo de redução de tensão.

As FIGs. 2A, 2B, e 2C são diagramas de forma de onda de sinais de ativação de porta ou sinais de comando empregados com esta modalidade no modo normal, modo de elevação, e modo de redução, respectivamente.

A FIG. 3 é um diagrama de uma forma de onda associada de tensão aplicada à carga CA, para explicar a operação desta invenção no modo normal.

As FIGs. 4A e 4B são diagramas de forma de onda da tensão da carga aplicada à carga CA, para explicar a operação desta invenção no modo de elevação de tensão e no modo de redução de tensão, respectivamente.

As FIGs. 5A, 5B e 5C são diagramas de circuito esquemáticos de um circuito regulador de tensão CA de acordo com uma modalidade alternativa.

A FIG. 6 é um gráfico que mostra as formas de onda da tensão de entrada e os sinais de ativação de porta ou de comando empregados com as modalidades das FIGs. 5B e/ou 5C.

A FIG. 7 é um diagrama de circuito esquemático de um circuito regulador de tensão CA de acordo com uma modalidade preferencial adicional, mostrando tanto uma carga CA quanto uma fonte de energia CC, tal como uma bateria ou painel de células solares.

As FIGs. 8A e 8B são gráficos de forma de onda de tensão da tensão na linha, sinal de comando, e tensão na carga aplicada à carga CA, em relação à modalidade das FIGs. 1B e 1C.

A FIG. 9 é um diagrama de circuito de blocos de um componente de circuito gerador de sinal de controle, como pode ser empregado nas modalidades da presente invenção.

A FIG. 10 é um diagrama simplificado de outra modalidade. A FIG. 11 ilustra ainda outra modalidade. A FIG. 12 ilustra uma modalidade alternativa. A FIG. 12A é um diagrama de forma de onda para explicar a operação da modalidade da FIG. 12. A FIG. 13 ilustra uma modalidade polifásica. As FIGs. 14 e 15 são diagramas esquemáticos para explicar o conceito desta invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

Com relação aos desenhos, a FIG. 1A é uma vista esquemática básica de uma modalidade de um circuito de regulação de tensão de motor 10 empregando os conceitos gerais desta invenção, e adaptado para receber energia comercial de linha CA de fase única a partir de uma fonte e então condicioná-la e aplica-la a uma carga. Aqui, o circuito de regulação de tensão 10 tem entradas de energia CA 11 e 12. A entrada de energia 11 é considerada a entrada “quente” ou de fio preto e a entrada de energia 12 é considerada o terminal “neutro” ou de fio branco, e é ilustrada aqui como estando em potencial de terra. Elas estão conectadas a uma fonte de energia de linha CA, representada aqui por um símbolo de onda. A fonte pode ser uma fonte de 117 VAC nominal na América do Norte ou 220 VAC na América do Norte ou Europa. Um dispositivo de carga CA 13, por exemplo, um motor de indução de fase única, tem um par de fios 14 e 15, com um fio 14 conectado ao terminal de energia CA 12. O outro fio 15 é conectado a um terminal 16 do circuito de regulação 10. A entrada de energia “quente” 11 é conectada a outro terminal de energia 17. Como mostrado, o terminal de energia 17 é conectado a fios do primeiro e do segundo capacitores de potência C1 e C2. No lado esquerdo do diagrama, há o primeiro e o segundo dispositivo eletrônico de comutação Q1 e Q2. Cada um desses tem um eletrodo de energia conectado ao terminal 16, e outro eletrodo de energia conectado aos respectivos fios externos dos capacitores C1 e C2. Cada dispositivo de comutação tem um diodo D1, D2 conectado ao anodo em um eletrodo de energia e ao catodo no outro eletrodo de energia do dispositivo de comutação associado Q1, Q2. Cada dispositivo Q1, Q2 tem uma porta, que pode ser um terminal de porta com fio ou, como aqui, um terminal óptico responsivo a um sinal óptico (por exemplo, infravermelho) a partir de um opto-isolador associado A, B. Os últimos dispositivos são iluminados a partir de sinais de comando gerados por um circuito gerador de sinal de controle, a ser discutido posteriormente, e que pode ser de qualquer de uma ampla variedade de modelos.

Em um modo normal, isto é, quando não há ajustamento feito à onda de potência CA, e a tensão na linha CA está na tensão nominal da linha ou próxima a ela, os sinais de controle a e b podem ser fornecidos como mostrado na FIG. 2A. O primeiro sinal de comando a e o segundo sinal de comando b aparecem alternadamente, com o primeiro sinal de comando a estando ON por aproximadamente metade de um ciclo de onda de potência (mostrado como aparecendo a partir da fase 0 até a fase π (isto é, 0o a 180°) e o segundo sinal de comando b estando ON pela segunda metade do ciclo de onda de potência , isto é, da fase π até a fase 2π (isto é, 180° a 360°). Pode haver um breve período próximo de 0, π, 2π, etc. onde ambos os sinais de comando estão OFF, para evitar conflitos. O intervalo pode ser controlado percebendo o momento das passagens por zero e a polaridade ou da onda de tensão ou da onda de corrente.

No modo normal (sem elevação), pelo primeiro meio ciclo, o dispositivo de comutação Q1 é ligado, e a corrente de linha CA flui através do capacitor C1 e o dispositivo de comutação Q1 flui para a armadura do motor ou outro dispositivo de carga 13. Então, no segundo meio ciclo, o dispositivo de comutação Q1 desliga e o dispositivo de comutação Q2 é ligado. A corrente de linha CA então flui a partir do dispositivo de carga, através do dispositivo de comutação Q2 e o capacitor C2 até o terminal CA 11. No modo normal, a onda de potência que é aplicada à carga é substancialmente a mesma da onda de energia de linha, e essa é mostrada na FIG. 3. Há uma elevação modesta fornecida à voltagem na carga durante a execução, mas uma grande elevação na partida como explicado posteriormente.

O modo de elevação de energia é ilustrado com relação às FIGs. 1B e 1C. A FIG. 2B associada mostra a forma de onda dos sinais de comando a e b que são aplicados para ativação de porta dos dispositivos de comutação Q1 e Q2, respectivamente, em momentos quando a tensão de linha CA é baixa, e a elevação de tensão é necessária para operar o dispositivo de carga 13 em sua tensão de projeto. Esse modo pode também fornecer uma elevação de tensão na partida, quando a carga parece predominantemente resistiva devido à baixa força contra-eletromotriz.

No modo de elevação, como mostrado na FIG. 2B, durante o meio ciclo positivo, o sinal de comando a está ON e então mantido OFF por um período a um momento ou fase θ (aqui mostrado como entre 90° e 180° ou π/2 e π), e o dispositivo de comutação Q1 é assim ligado pelo período indicado, durante o meio ciclo positivo, o sinal de comando b está OFF. Como ilustrado na FIG. 1B, durante a parte do meio ciclo positivo de 0 a θ, quando o dispositivo Q1 é mantido ON, a corrente flui para a carga 13 tanto através do capacitor C1 quando através do dispositivo Q1. Então após θ, quando o sinal de comando a desce, o dispositivo de comutação Q1 para de conduzir e a energia flui através do capacitor C2 e do diodo D2 pelo restante do meio ciclo, carregando o capacitor C2 através da carga 13. Aqui, o sinal a é mostrado como um pulso por meio ciclo CA, mas poderia haver múltiplas comutações ON e OFF, para modelar a forma de onda de saída.

No próximo meio ciclo ou meio ciclo negativo, por sinal de comando b na FIG. 2B, e como ilustrado na FIG. 1C, por um período inicial ON até uma fase θ de π a π+θ, o dispositivo de comutação Q2 é mantido ON, e então na fase θ, ambos os dispositivos de comutação Q1 e Q2 estão OFF, e a corrente flui fora do dispositivo 13 e através do diodo D1 e do capacitor C1 para o terminal 11 (carregando o capacitor C1 através da carga 13).

O fluxo de corrente através dos capacitores e diodos durante os períodos OFF 0 a θ e de π a π+θ serve para pré-carregar o capacitor C2 no meio ciclo positivo e pré-carregar o capacitor C1 durante o meio ciclo negativo. A duração desse período, e a localização do momento OFF θ durante o meio ciclo positivo ou negativo, determina a tensão de pré-carga Δ que permanece em cada um desses capacitores quando o dispositivo de comutação Q1, Q2 conduz no subsequente meio ciclo. Isso então eleva a tensão CA aplicada por essa quantidade, isto é, de tensão CA V à tensão CA V+Δ. Essa característica permite que os capacitores C1 e C2 carreguem até um nível mais alto de Δ durante momentos de alta carga mecânica (correspondendo a uma grande quantidade do deslizamento do rotor). Se o deslizamento do rotor é alto, isto é, na partida, a carga de baixa impedância 13 parece predominantemente resistiva, isto é, há muito pouco EMF reverso. Isso permite que o capacitor C2 carregue rapidamente durante o meio ciclo positivo e permite que o outro capacitor C1 carregue rapidamente durante o subsequente meio ciclo negativo. Então, quando o sinal de comando a é alto e o dispositivo de comutação superior Q1 está ON, a corrente segue o caminho superior através de C1 e Q1, deixando o capacitor C2 carregado, pelo próximo meio ciclo. No subsequente meio ciclo, a corrente do motor segue o caminho inferior através do capacitor C2 e do dispositivo de comutação Q2. Isso eleva a tensão aplicada pelo meio ciclo negativo, como mostrado na FIG. 4A. Então, no subsequente meio ciclo positivo, o capacitor C1 terá sido pré-carregado, e a tensão CA aplicada irá para a tensão aplicada elevada V + Δ. O intervalo dos sinais a e b pode ser variado para alcançar uma tensão aplicada CA alvo, dependendo das condições, por exemplo, qualidade da tensão da linha. A elevação de tensão/energia nessa configuração é dependente da contribuição de carga indutiva ou reativa. Os capacitores de potência C1 e C2 carregam através da carga 13. Se o rotor é lento, o deslizamento é alto, a impedância é baixa, e força contra-eletromotriz é baixo, os capa- citores carregam mais rapidamente, e isso produz uma maior elevação de tensão. Se o rotor é rápido, o deslizamento é baixo, e a impedância é alta, e força contra-eletromotriz é alto. Então, os capacitores C1 e C2 carregam somente até um valor mais baixo de Δ, isto é, carregam mais lentamente e fornecem menos elevação.

Um modo de redução de energia pode ser alcançado com esse mesmo circuito de regulação de tensão e energia 10 como explicado com relação à FIG. 1D com relação ao gráfico de onda do sinal de comando da FIG. 2C e à forma de onda de tensão aplicada como mostrado na FIG. 4B. Como mostrado na FIG. 2C, os sinais de comando a e b aparecem após um ângulo de fase entre 90° e 180° subsequente à passagem por zero associada (isto é, entre π/2 e π e entre 3π/2 e 2π, respectivamente). Os sinais de comando a e b ligam os dispositivos de comutação Q1 e Q2 por uma parte final da última parte do respectivo meio ciclo. Durante o tempo em que os sinais de comando estão desligados, os respectivos capacitores C1 e C2 carregam parcialmente até uma tensão bem abaixo da tensão de pico. Então, quando o dispositivo de comutação associado Q1 ou Q2 é ligado para conduzir, a tensão sobe da tensão de pré-carga à tensão na linha, isto é, como mostrado no gráfico da FIG. 4B. Dever-se-ia apreciar que isso efetua uma tensão aplicada RMS reduzida e assim um nível de energia inferior. O modo de redução pode ser empregado, por exemplo, na partida do motor para efetuar uma partida suave, para limitar os choques mecânicos e para limitar a oscilação de energia. Também, se comparado com uma redução de energia de modo de comutação puro (no qual um tiristor ou dispositivo de comutação similar meramente corta a energia em algum ângulo de fase após a passagem por zero), a borda dianteira da onda de potência cria um dV/dt muito menor na carga indutiva, à medida que a tensão aplicada sobe a partir de uma tensão de pré-carga, ao invés de subir a partir de um nível zero. O circuito de controle que é adaptado para chamar por um modo de redução e para gerar os sinais de comando a e b para o modo de redução, e que pode variar sua fase e largura por um período de partida, pode estar na forma de um circuito microprocessador, e seu modelo estaria dentro da capacidade de pessoas versadas na técnica.

Uma primeira modificação do circuito de regulação de tensão e energia é mostrada na FIG. 5A, na qual elementos que são similares aos da primeira modalidade são identificados com os mesmos caracteres de referência. Nessa modalidade, os capacitores de potência C1, C2 e os elementos eletrônicos de comutação Q1, Q2 são fornecidos, como anteriormente, como são os diodos D1 e D2 que são conectados em paralelo com os eletrodos de energia dos elementos de comutação Q1 e Q2, respectivamente. Essa modalidade adiciona mais dois diodos D3 e D4 arranjados com o anodo do diodo D3 e o catodo do diodo D4 conectados juntos ao terminal neutro 12, o catodo do diodo D3 acoplado ao terminal superior do capacitor C1 e o anodo do diodo D4 acoplado ao terminal inferior do capacitor C2. Esse arranjo efetua um modo de superelevação. No meio ciclo positivo de cada onda de potência de entrada, o capacitor D2 carrega através do diodo D4 bem como através do diodo D2 e da carga; no meio ciclo negativo, o capacitor C1 carrega através do diodo D3 bem como carrega através do diodo D1 e da carga. Em cada caso, os caminhos através do diodo D3 e através do diodo D4 dominam, à medida que eles são os caminhos de baixa impedância. Esses permitem que os capacitores C1 e C2 sejam carregados até o pico nos meios ciclos opostos.

Uma modalidade modificada relacionada é mostrada na FIG. 5B, onde os elementos que são os mesmos dos da primeira modalidade são identificados com os mesmos caracteres de referência, e uma descrição geral desses pode ser omitida aqui. Em lugar de mais dois diodos D3 e D4 da modalidade já descrita, esse arranjo emprega tiristores, isto é, SCRs Q3 e Q4 que são respectivamente conectados entre a placa superior do capacitor C1 e o terminal neutro 12, e entre o terminal 12 e a placa inferior do capacitor C2. Nesse caso, os capacitores C1, C2 podem ser carregados menos do que a tensão de pico nos meios ciclos reversos. Disparando o tiristor Q3 de 3π/2 a 2π, e disparando o tiristor Q4 de π/2 a π, a quantidade de pré-carga pode ser controlada, a quantidade de elevação de tensão pode ser regulada.

Uma modalidade adicional é ilustrada na FIG. 5C, onde elementos que são os mesmos ou similares aos da modalidade(s) anterior(es) são identificados com os mesmos números de referência. Nesse caso, FETs ou tipos similares de transistores Q3’ e Q4’ são empregados em lugar dos tiristores (SCRs) Q3, Q4. Se for desejado o carregamento controlado dos capacitores C1 e C2, múltiplos pulsos de carga podem ser realizados aplicando-se um sinal de comando pulsado c ou d às portas dos transistores Q3’ e Q4’. Em cada caso, os respectivos transistores têm um diodo em série D5, D6, onde os diodos protetores opcionais D3 e D4 são conectados através dos eletrodos de energia do respectivo transistor. Esse arranjo operará com cargas capacitivas, resistivas ou indutivas. A tensão de carga aplicada pode ser regulada, isto é, aumentada ou diminuída, controlando-se a quantidade de pré- carga dos capacitores C1 e C2.

Os sinais de comando a, b, c e d aplicados às portas dos transistores Q1, Q2, Q3’ e Q4’ podem aparecer como mostrado no gráfico da FIG. 6, onde a onda de tensão da linha VLine é também mostrada com propósitos de referência. Os sinais de comando a e b aparecem como sinais de pulso único (ou de múltiplos pulsos) em meios ciclos alternados, como descrito em relação às modalidades anteriores. Os sinais de comando c e d aparecem como pulso único ou como múltiplos pulsos ou cortados durante meios ciclos alternados. O ciclo de trabalho relativo pode ser ajustado para alcançar a pré-carga desejada dos capacitores C1 e C2.

A FIG. 7 mostra uma modalidade do circuito de regulação de energia desta invenção, construído geralmente como na FIG. 5, mas aqui arranjado para controlar a aplicação de uma fonte de energia auxiliar através de uma carga CA 13, e que é também capaz de comutar quantidades em excesso da energia auxiliar para a fonte de corrente da linha. Nessa modalidade, há duas fontes de energia CC, ou seja, painéis solares fotoelétricos 23 e 24 com o terminal positivo do painel 23 aplicado a um alto terminal 21, um terminal negativo do outro painel 24 aplicado a um baixo terminal 22, e o terminal positivo do painel 24 conectado ao terminal negativo do painel 23 em uma tensão intermediária, e esse é acoplado ao termi- nal quente ou preto 17 que alimenta a junção central dos dois capacitores C1 e C2. Mais elementos eletrônicos de comutação Q7 e Q8 são interpostos entre os terminais 21, 22 e as placas externas dos respectivos capacitores C1 e C2. Aqui, os elementos de comutação Q7 e Q8 são ligados nas passagens por zero ou próximo a elas da onda de potência CA de entrada principal durante meios ciclos opostos, e a tensão dos painéis solares 23, 24 é usada para pré-carregar os capacitores C1 e C2. A energia do painel solar, junto com a energia de linha CA, é então ativada pela porta à carga 13 através dos dispositivos de comutação Q1, Q2, Q3’, Q4’. Em um arranjo alternativo, um ou ambos os elementos de comutação Q7 e Q8 poderiam ser interpostos entre os respectivos painéis solares 23, 24 e o terminal 17. Também, esse circuito poderia ser facilmente modificado pelos versados na técnica para impor a energia gerada localmente (pelos painéis solares) em energia de fase única ou trifá- sica. Esse arranjo pode ser empregado com outros dispositivos de fonte de energia, e também pode extrair energia do ambiente neutro (eólica, água, solar, etc.), incluindo turbinas eólicas, turbinas a água, geradores de energia geotérmica dos quais o painel solar seria um exemplo.

A FIG. 8A é um traço de osciloscópio da tensão de carga aplicada quando a onda de acionamento é desenvolvida de acordo com esta invenção e é aplicada ao enrolamento de campo de um motor de indução CA, em um modo de elevação como discutido em conjunto com as FIGs. 1B e 1C. Esse traço é típico de cada ciclo após a partida, onde os capa- citores C1 e C2 foram pré-carregados no meio ciclo oposto. A FIG. 8A mostra tanto a onda de energia de linha CA LINE quanto a carga ou forma de onda aplicada LOAD. Por referência, um traço do sinal de comando a é mostrado também, que tem um período ON de ângulo de fase (0 a π/2 ou 0 a 90°) durante cada meio ciclo positivo, seguido de um período OFF θ pelo restante do meio ciclo. O sinal de comando a permanece OFF durante o meio ciclo negativo oposto. O outro sinal de comando b (não mostrado aqui) tem uma forma similar, mas atrasado por 180° (ou π). A onda de potência CA aplicada resultante LOAD, como mostrada aqui, tem uma forma de onda geralmente senoidal. No exemplo da FIG. 8A, a tensão da linha tem um valor RMS de 155 volts, e a tensão aplicada LOAD tem um valor RMS de 180 volts. Isso representa uma elevação de tensão de 25 volts CA. Uma possível implementação disso poderia ser um motor CA levemente carregado.

A FIG. 8B mostra um gráfico similar de uma tensão na linha LINE e uma tensão na carga LOAD com os sinais de comando a (mostrado) e b (não mostrado) ajustados para tensão de saída aumentada. Aqui, a forma de onda de tensão de linha tem um valor RMS de 154 volts CA, e a forma de onde de saída ou aplicada LOAD tem um valor RMS elevado de 191 volts CA, isto é, uma elevação de 37 volts CA, por exemplo, para um motor CA pesadamente carregado.

Em cada caso, isto é, a FIG. 8A e a FIG. 8B, ao menos alguma energia refletida pe- la carga reativa é capturada pelos capacitores C1 e C2, criando um nível de suporte pelo pré-carregamento dos capacitores C1 e C2, e isso é controlado pelos sinais de comando a e b. Essa energia capturada é então aplicada no subsequente meio ciclo. Os sinais de co-mando são gerados em resposta à realimentação do motor (ou outra carga reativa) para otimizar o desempenho do motor sob as condições de linha e carga existentes. A forma de onda, isto é, o ciclo de trabalho e a fase dos sinais de comando a e b podem ser variados para alcançar a elevação desejada na tensão, dentro de uma faixa útil muito ampla. Tam-bém, nota-se que a onda aplicada LOAD leva a onda de entrada LINE em fase por alguns graus.

Com essa invenção, dimensionando-se os capacitores C1, C2 para a carga e controlando-se a fase e o ciclo de trabalho dos sinais de comando a e b, entre as condições sem carga e de carga total, uma onda senoidal quase perfeita pode ser entregue à carga. Quando o sinal de comando é mantido constante, e a carga varia, isso resulta em uma maior elevação para a carga mais pesada. A simples arquitetura deste sistema, isto é, com somente dois elementos reativos C1 e C2 em série com a carga, e um simples sistema de controle para efetuar a comutação, o circuito desta invenção pode controlar dinamicamente a tensão e a energia do motor em resposta a condições de carga variáveis e a condições de linha variáveis. Para o controle de motores ao longo de uma faixa de energia maior, por exemplo, até cinco quilowatts, os elementos reativos deveriam ser dimensionados de acordo com a maior carga esperada, e então para cargas menores, o número, fase e ciclos de trabalho dos pulsos de comando seriam selecionados para produzir a onda de potência de carga senoidal. É claro, em algumas aplicações, uma onda de potência não senoidal pode ser mais apropriada, por exemplo, para uma carga não linear na qual as exigências de torque de meio ciclo são variáveis (tal como um compressor alternativo). Em tal caso, um esquema de controle mais elaborado pode ser exigido de modo a adaptar a onda de potência aplicada às exigências de carga e ao mesmo tempo melhorar a eficiência local e de grade.

Também, por causa da natureza indutiva do dispositivo de carga, quando a carga é uma armadura de motor, o nível de tensão da tensão aplicada LOAD se autoajustará se a carga mecânica imposta muda. Isto é, se a carga mecânica aumenta mediante o rotor do motor de indução CA, a carga elétrica começa a parecer mais resistiva e menos reativa, isto é, o ângulo de fase da carga aumenta e a força contra-eletromotriz cai. Isso faz com que mais corrente flua através da carga e dos capacitores durante a fase θ OFF, e como um resultado, os capacitores C1 e C2 pré-carregarão mais durante a fase θ OFF, aumentando a tensão aplicada LOAD consequentemente. Quando o motor alcança novamente a velocidade normal, a tensão aplicada LOAD será reduzida por uma quantidade similar.

Um exemplo de um circuito de controle para modalidades desta invenção é mostrado geralmente na FIG. 9. Um detector de passagem por zero 28 capta o intervalo de tensão zero (ou corrente zero) e a polaridade, e o detector de tensão de pico capta a tensão de pico ou máxima da linha CA. Cada um desses fornece um sinal de saída a um circuito microprocessador 30, que é adequadamente programado para fornecer os sinais de comando a e b, e para algumas modalidades, os sinais de comando c e d também. Um controle de interface de usuário é representado aqui como uma resistência variável 31, mas poderia, ao invés, ser uma entrada digital, que poderia ser fornecida, por exemplo, a partir de um dispositivo computador, dispositivo digital ou interface de usuário portátil.

O circuito de acionamento do motor desta invenção pode ser adaptado para acionar dispositivos com cargas indutivas significativas, tal como compressores condicionadores de ar.

A FIG. 10 representa uma expressão simplificada do conceito da modalidade da FIG. 7, por exemplo, na qual um arranjo de circuito de condicionamento e controle de tensão 40 é interposto entre uma fonte de energia de linha CA 11, 12 e uma carga CA 13 (por exemplo, um motor de indução), e no qual uma fonte de energia de bateria CC suplementar 23 (24) tal como painéis solares, pode ser conectada aos terminais de entrada ou saída CC do arranjo. Esse arranjo 40 pode inclui elementos capacitivos e comutados como mostrado e descrito, por exemplo, na FIG. 7.

Os requerentes também concluíram que a compensação de queda excessiva de tensão pode ser alcançada com um simples arranjo como mostrado esquematicamente na FIG. 11. Aqui, um capacitor CA de valor moderado 42 pode ser colocado em série em um dos condutores de energia 11, isto é, interposto entre a fonte de tensão de linha CA e a carga CA 13 (isto é, um motor de indução). Nesse caso, o capacitor é posicionado em série com a carga inteira, isto é, tanto o enrolamento de operação R quanto o enrolamento de partida S e o capacitor de partida C, de modo a afetar a onda de potência aplicada a cada um. Se a tensão da linha deve cair de 220 volts nominais para um nível de queda excessiva de tensão de 170 volts RMS, e se um capacitor CA de valor moderado, por exemplo, 40 μf, é usado como o capacitor 42, então após os primeiros poucos ciclos, a energia efetiva aplicada ao motor 13 estará entre aproximadamente 205 e 240 volts. Isso permitirá que o motor dê partida e opere normalmente. Nesse arranjo, alguma energia que normalmente seria refletida de volta a partir dos enrolamentos do motor, isto é, (geralmente expressa como o componente imaginário da energia complexa aplicada) é realmente armazenada no capacitor CA 42, e então é adicionada ao componente real da energia na onda subsequente. Um comutador ou derivador normalmente fechado 44 desvia a energia em torno do capacitor 42 contanto que a energia CA principal esteja em um nível limite ou acima dele, isto é, um nível de tensão mínima normal tal como 195 volts. Um detector de baixa tensão 46 é conectado aos condutores de energia de linha 11, 12 para abrir o comutador 44 quando a tensão da linha cai abaixo do nível limite. Esse arranjo é útil para equipamentos, tais como refrigerado- res e condicionadores de ar de janela, que podem, ao contrário, se tornar incapazes de dar partida se a qualidade da energia de linha cai devido ao uso pesado, ou devido à incapacidade do provedor de energia elétrica de entregar energia na tensão apropriada.

Uma modalidade alternativa do arranjo da FIG. 12 pode ser configurada geralmente como mostrada na FIG. 12. Nesse caso, um comutador eletrônico, por exemplo, um triac 48, é posicionado em série na energia de linha 11 com o capacitor 42 e a carga 13. Um circuito de controle 50, com entradas conectadas com a tensão de linha de entrada e a tensão de carga aplicada, gera um sinal de ativação de porta que é aplicado ao comutador eletrônico 49, com base na fase e no nível da tensão CA. Quando a tensão da linha está abaixo de um nível aceitável mínimo, por exemplo, 195 volts, o comutador é totalmente ativado pela porta, de modo que a onda de potência total é elevada, como discutido em conjunto com a modalidade anterior. Por outro lado, para a tensão da linha acima desse limite, ou dentro da faixa normal, o circuito de controle 50 desligará o comutador eletrônico 48 por alguma parte do ciclo, produzindo uma onda de potência de tensão aplicada como ilustrado na FIG. 12A, de modo que a tensão aplicada RMS fique dentro de uma faixa normal centralizada em aproximadamente 220 volts.

A FIG. 13 ilustra uma aplicação desse mesmo arranjo em uma aplicação de motor polifásico, isto é, trifásico. Aqui, a energia de linha está na forma de três componentes de fase A, B e C, e é aplicada a um enrolamento de motor 113, aqui em uma configuração delta. Dois dos três condutores de energia têm um capacitor 42A ou 42B e um comutador eletrônico 48A ou 48B de linha com sua conexão ao enrolamento de motor. Em uma configuração delta, não há necessidade de um capacitor similar no condutor de energia de terceira fase ou de fase C, embora um comutador ou capacitor pudesse opcionalmente ser instalado nesse condutor. Em uma configuração Y, um capacitor e um comutador eletrônico estariam presentes em três pernas. Um circuito de controle (não mostrado aqui) seria similar em função ao elemento na modalidade da FIG. 12.

Em algumas variações possíveis dos circuitos mostrados nas FIGs. 11 a 13, os ca- pacitores CC poderiam ser substituídos pelo capacitor CA 40. Nesse caso, haveria um conjunto de um capacitor CC e um diodo conduzindo em uma direção, e outro conjunto de um capacitor CC e um diodo conduzindo na direção oposta, isto é, em antiparalelo com o primeiro conjunto.

Quaisquer dos vários circuitos equivalentes podem ser alcançados executando-se os princípios básicos da invenção, que podem ser explicados com relação às FIGs. 14 e 15. A FIG. 14 é um esquema geral que mostra os fios 11 e 12 conectando uma fonte CA de tensão de linha CA a uma carga reativa complexa 13, tal como um motor de indução, que tem componentes resistivos, indutivos e capacitivos, e que refletirá ao menos alguma da energia CA de chegada que é aplicada a ele. O conceito de aprimoramento básico citado aqui é em- pregar uma fonte de onda CA sintética interveniente 52 de linha entre a fonte de linha e a carga 13, que gerará tensão CA suplementar que adiciona à forma de onda da linha para otimizar a fase e o nível de tensão. Um gerador de sinal de controle, por exemplo, o microprocessador 30 da FIG. 9, é acoplado aos condutores de linha 11, 12 e à carga 13, e forne- 5 ce sinais de comando para controlar a fonte CA interveniente 52. Nas modalidades descritas acima, a fonte CA sintética interveniente é implementada como um elemento reativo 521’, como mostrado na FIG. 15, que é ligado e desligado de acordo com os sinais de comando a partir do gerador de sinal de controle 30. A descrição dessas modalidades preferenciais não impede outras possibilidades na implementação da fonte CA sintética interveniente.

Enquanto a invenção foi descrita em detalhes com relação a certas modalidades preferenciais, dever-se-ia entender que a invenção não está limitada a essas modalidades precisas. De preferência, muitas modificações e variações se apresentariam aos versados na técnica sem abandonar o escopo e o espírito da invenção, como definido nas reivindicações em anexo.

Claims (7)

1. Circuito de regulação de tensão de linha de duas portas configurado para responder a mudanças na qualidade de uma energia de linha de entrada CA para aplicar um nível de tensão CA ajustado a um dispositivo de carga CA reativa, em que o dispositivo de carga CA reativa possui primeiro e segundo terminais CA (14, 15); o circuito de regulação de tensão possui uma conexão a uma fonte de energia de linha CA de fase única e inclui um primeiro condutor de energia CA (11) e um segundo condutor de energia CA (12); um regulador de tensão de linha de duas entradas (10) que possui primeiro e segundo terminais CA (16, 17); um gerador de sinal de controle (30) que inclui entradas de sensor (29, 30) acopladas aos ditos condutores de energia CA (11, 12) e inclui um detector de tensão de linha (29) para detectar o nível de tensão CA da dita energia de linha de entrada CA; e um detector de passagens por zero (28) para detectar as passagens por zero da dita energia de linha de entrada CA, e primeira e segunda saídas fornecendo primeiro e segundo sinais de controle (a, b) ao dito regulador de tensão de linha; e CARACTERIZADO pelo fato de que o dito primeiro terminal de energia CA (11) é conectado ao primeiro condutor de energia CA (17); o segundo terminal de energia CA (12) é conectado ao primeiro terminal de energia CA (14) do dito dispositivo de carga (13), e o segundo terminal CA do dispositivo de carga é conec-tado ao segundo condutor de energia CA (16); e adicionalmente em que o regulador de tensão de linha de duas entradas (30) é configurado de modo que quando a energia de linha CA de entrada está pelo menos em parte refletida pelo dito dispositivo de carga CA reativa (13), os primeiro e segundo sinais de comando (a, b) são selecionados com base na fase e no nível de tensão CA da energia de linha de entrada CA e momentos das ditas passagens por zero para gerar uma onda de potência sintética para suprir e corrigir a potência aplicada ao dito dispositivo de carga CA reativa em nível e fase.

2. Circuito de regulação de tensão de linha de duas portas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito regulador de tensão de linha de duas entradas inclui: primeiro e segundo capacitores de potência (C1, C2), tendo um primeiro eletrodo e um segundo eletrodo, com cada um dentre o primeiro eletrodo do primeiro capacitor de potência e o segundo eletrodo do segundo capacitor de potência sendo cada um conectado ao primeiro terminal de energia CA (17) do regulador de tensão; primeiro e segundo dispositivos eletrônicos de comutação (Q1, Q2), cada um tendo um primeiro eletrodo de energia, um segundo eletrodo de energia, e uma porta, com cada um dentre o primeiro eletrodo de energia do primeiro dispositivo de comutação e o segundo eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação sendo cada um conectado ao segundo terminal de energia CA (16) do regulador de tensão; com o segundo eletrodo do primeiro capacitor de potência (C1) sendo conectado ao segundo eletrodo de energia do primeiro dispositivo de comutação (Q1) e com o primeiro eletrodo do segundo capacitor de potência (C2) sendo conectado ao primeiro eletrodo de energia do segundo dispositivo de comutação (Q2); e meios para acoplar a primeira e a segunda saídas do gerador de sinal de controle (30) para as portas dos primeiro e segundo dispositivos eletrônicos de comutação, respectivamente.

3. Circuito de regulação de tensão de linha de duas portas, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que inclui primeiro e segundo diodos (D1, D2) conectados em paralelo com os ditos primeiro e segundo dispositivos eletrônicos de comutação (Q1, Q2).

4. Circuito de regulação de tensão de linha de duas portas, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que cada um dentre os ditos primeiro e segundo diodos (D1, D2) tem um anodo conectado ao primeiro eletrodo de energia do dispositivo de comutação (Q1, Q2) associado e um catodo conectado ao segundo eletrodo de energia do dispositivo de comutação (Q1,Q2) associado.

5. Circuito de regulação de tensão de linha de duas portas, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que um terceiro diodo (D3) é conectado entre o dito segundo condutor de energia CA e o segundo eletrodo do dito primeiro capacitor de potência, e um quarto diodo (D4) é conectado entre o dito segundo condutor de energia CA e o primeiro eletrodo do dito segundo capacitor de potência.

6. Circuito de regulação de tensão de linha de duas portas, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO adicionalmente pelo fato de que o dito gerador de sinal de controle (30) é operativo para fornecer os ditos primeiro e segundo sinais de controle (a, b) em um modo normal, no qual o primeiro e o segundo sinais de controle são alternadamente ON para ângulos de fase de 0 a π e de π a 2π; e em um modo de elevação de tensão onde os ditos primeiro e segundo sinais de controle têm uma fase OFF imposta por uma largura de fase entre π/2 e π e um atraso de fase entre π e 3π/2, respectivamente.

7. Circuito de regulação de tensão de linha de duas portas, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de que o dito gerador de sinal de controle é operativo para fornecer os ditos primeiro e segundo sinais de controle (a, b) em um modo de redução de tensão, no qual os ditos primeiro e segundo sinais de controle estão ON começando com um atraso de fase entre aproximadamente π/2 e π e entre aproximadamente 3π/2 e 2π, respectivamente

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