BR102014023837A2

BR102014023837A2 - sistema e método para acionar uma máquina elétrica

Info

Publication number: BR102014023837A2
Application number: BR102014023837A
Authority: BR
Inventors: Andrew Allen Rockkhill; Di Zhang; Luis José Garcés; Rixin Lai
Original assignee: Ge Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-05-24
Also published as: US9325273B2; US20150091488A1; CA2864566A1; EP2854271A2; CN104518686B; CN104518686A; EP2854271A3

Abstract

sistema e método para acionar uma máquina elétrica trata-se de um sistema para acionar uma máquina elétrica. o sistema inclui um conversor de potência acoplado a uma fonte de entrada e à máquina elétrica. o conversor de potência inclui uma perna que inclui uma primeira e segunda cadeias. a primeira cadeia inclui uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis, um primeiro e segundo nós de conexão. a primeira cadeia é acoplada, de modo operativo, através de um primeiro e segundo barramentos. a segunda cadeia é acoplada de modo operativo à primeira cadeia através do primeiro e segundo nós de conexão. a segunda cadeia compreende uma pluralidade de módulos comutadores. os módulos comutadores incluem comutadores semicondutores completamente controláveis e dispositivos de armazenamento de energia. adicionalmente, o sistema inclui um sistema controlador configurado para fornecer comandos de ativação para os comutadores semicondutores controláveis e para os módulos comutadores, de modo que a energia armazenada no dispositivo de armazenamento de energia seja fornecida para a máquina elétrica quando a máquina for ligada para operação.

Description

“SISTEMA E MÉTODO PARA ACIONAR UMA MÁQUINA ELÉTRICA” Antecedentes [001] A invenção refere-se geralmente a conversores de potência e, mais especificamente, a um sistema para acionar máquinas elétricas conectadas a conversores de potência.

[002] A utilidade e a importância da conversão de potência têm crescido, com vantagens sendo obtidas em aplicações como acionamentos de motor, sistemas de energia renovável e sistemas de corrente contínua de alta tensão (HVDC), por exemplo. O conversor multinível está surgindo como algo promissor na tecnologia de conversão de potência para várias aplicações de média e alta tensão.

[003] Os conversores multinível oferecem várias vantagens sobre os conversores convencionais, de dois níveis. Por exemplo, a qualidade e a eficiência de potência do conversor multinível são melhores que as do conversor com dois níveis. Também, os conversores multinível são ideais para se conectarem entre uma rede e fontes de energia renovável como células fotovoltaicas (PV), células de combustível e turbinas eólicas. Os conversores multinível sem transformador foram projetados com uso de uma estrutura modular. Tipicamente, esses conversores multinível incluem uma pluralidade de módulos de potência que são acoplados entre barramentos de CC. A estrutura modular dos conversores possibilita o empilhamento desses conversores a fim de fornecer níveis de potência e tensão diferentes.

[004] Tipicamente, os conversores de potência multinível incluem uma pluralidade de comutadores semicondutores e dispositivos de armazenamento de energia que são colocados entre os terminais de entrada e saída. Os comutadores semicondutores e os dispositivos de armazenamento de energia no conversor ajudam a fornecer potência de saída regulada nos terminais de saída. A potência de saída nos terminais de saída depende da ativação dos comutadores semicondutores e da energia presente nos dispositivos de armazenamento de energia.

[005] Alguns motores elétricos são acoplados a terminais de saída de um conversor de potência que é fornecido com potência de CA e usado para fornecer tensão de CC. Nos conversores de potência modulares convencionais, a energia armazenada em dispositivos de armazenamento de energia depende da tensão e da corrente no lado de CA do conversor. Essa dependência leva a um aumento nos requisitos de armazenamento de energia.

Breve Descrição [006] Uma topologia para um conversor de potência modular multinível é descrita geralmente no pedido designado ne US 13/629882, o qual é incorporado ao presente documento a título de referência. Os inventores revelaram que com uso do conversor de potência modular descrito no pedido anteriormente mencionado, denominado conversor de multivoltagem modular embutido (MEMC), pode ser fornecida energia para o motor conectado aos terminais de saída que podem correr a velocidades muito baixas ou até sob condições de velocidade zero. Adicionalmente, com o MEMC, a corrente harmônica e a taxa de mudança de tensão fornecida para o terminal de saída podem ser significativamente reduzidas em comparação com conversores com dois ou três níveis clássicos. Um método e sistema que configuram o MEMC para utilização em aplicações relacionadas a motor são descritos no presente documento.

[007] Em uma realização da presente invenção, obtém-se um sistema para acionar uma máquina elétrica. O sistema inclui um conversor de potência acoplado a uma fonte de entrada e à máquina elétrica. O conversor de potência inclui uma perna de conversor de potência que inclui uma primeira cadeia e uma segunda cadeia. A primeira cadeia inclui uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis, um primeiro nó de conexão e um segundo nó de conexão. A primeira cadeia é acoplada de modo operativo através de um barramento e de um segundo barramento. A segunda cadeia é acoplada de modo operativo à primeira cadeia através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão. A segunda cadeia compreende uma pluralidade de módulos comutadores. Os módulos comutadores incluem uma pluralidade de comutadores semicondutores completamente controláveis e pelo menos um dispositivo de armazenamento de energia. Adicionalmente, o sistema inclui um sistema controlador configurado para fornecer comandos de ativação para pelo menos alguns dos comutadores semicondutores controláveis da primeira cadeia e pelo menos alguns dos módulos comutadores da segunda cadeia, de modo que a energia armazenada no dispositivo de armazenamento de energia seja fornecida para a máquina elétrica quando a mesma for ligada para operação.

[008] Em outra realização da presente invenção, obtém-se um método para acionar uma máquina elétrica. O método inclui fornecer potência a partir de uma fonte de entrada para a máquina elétrica através de um conversor de potência. O conversor de potência inclui pelo menos uma perna que inclui uma primeira cadeia e uma segunda cadeia. A primeira cadeia inclui uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis, um primeiro nó de conexão e um segundo nó de conexão. A primeira cadeia é acoplada de modo operativo através de um barramento e de um segundo barramento. A segunda cadeia é acoplada de modo operativo à primeira cadeia através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão e inclui uma pluralidade de módulos comutadores. Os módulos comutadores incluem uma pluralidade de comutadores semicondutores compíetamente controláveis e pelo menos um dispositivo de armazenamento de energia. Adicionalmente, o método inclui gerar uma pluralidade de comandos de ativação para os comutadores semicondutores e para os módulos comutadores. Ademais, quando a máquina elétrica é ligada para operação, o método inclui ativar a pluralidade de comutadores semicondutores e módulos comutadores, de modo que a energia armazenada nos módulos comutadores seja fornecida para a máquina elétrica.

Figuras [009] Outras características e vantagens da presente revelação ficarão aparentes a partir da descrição mais detalhada a seguir da realização preferencial, tomada em conjunção com as Figuras anexas, as quais ilustram, a título de exemplo, os princípios de certos aspectos da revelação.

[010] A Figura 1 é uma representação diagramática de um sistema para conversão de potência;

[011] A Figura 2 é uma representação diagramática de uma perna de um conversor de potência;

[012] As Figuras 3 a 5 são uma representação diagramática de um padrão comutador exemplificativo de comutadores semicondutores s, controláveis na perna de conversor de potência da Figura 2, de acordo com aspectos da presente revelação;

[013] As Figuras 6 a 9 são uma representação diagramática de modos exemplificativos de operação da perna de conversor de potência da Figura 2, de acordo com aspectos da presente revelação;

[014] A Figura 10 é um fluxograma que representa um método exemplificativo para acionar uma máquina elétrica, de acordo com aspectos da presente revelação; e [015] A Figura 11 é uma representação diagramática de um sistema para acionar uma máquina elétrica, de acordo com aspectos da presente revelação.

Descrição Detalhada [016] A referência será feita abaixo em detalhes a realizações exemplificativas da invenção, cujos exemplos são ilustrados nas Figuras anexas. Quando possível, os mesmos números de referência usados por todas as Figuras farão referência às mesmas partes ou às partes iguais.

[017] Conforme será descrito em detalhes doravante, várias realizações de um método exemplificativo e sistema para acionar uma máquina elétrica são fornecidos. O termo conversor de potência multinível, conforme usado no presente documento, é usado para se referir a um conversor que inclui múltiplos níveis de comutadores conectados a fases diferentes de uma forma de tensão/corrente de entrada e que converte a tensão/corrente de entrada em outra forma de tensão/corrente de saída. O conversor de potência é acoplado a uma fonte de entrada em um terminal de entrada e a uma carga, como um motor elétrico, em um terminal de saída. O conversor de potência é configurado para distribuir potência ideal da fonte de entrada para o motor elétrico, de modo que o motor elétrico funcione de maneira eficiente. A fonte de entrada, de acordo com certas realizações, pode incluir fontes de potência de CA, como gás, vapor ou turbinas eólicas, por exemplo, ou fontes de potência de CC como baterias, outros dispositivos de armazenamento de energia ou sistemas de potência solar, por exemplo. O conversor de potência converte potência da fonte de entrada em uma forma apropriada que é adequada para ser utilizada pelo motor elétrico.

[018] A Figura 1 representa um sistema 100 que inclui uma fonte 102, um conversor de potência 104 e uma carga 106. O termo fonte, conforme usado no presente documento, pode compreender uma fonte de potência renovável, uma fonte de potência não renovável, um gerador ou uma rede, por exemplo. Em outra configuração possível, a fonte pode compreender outro conversor de potência. O termo carga, conforme usado no presente documento, pode ser usado para se referir a uma rede, uma máquina ou um aparelho elétrico, por exemplo. Em uma realização, a carga 106 é uma máquina elétrica que necessita de potência da fonte de entrada 102 para operações. O conversor de potência 104 compreende um conversor multinível configurado para converter potência de uma forma em outra. Em uma realização na qual a fonte 102 distribui potência de CA e a carga 106 necessita de potência de CC para operação, o conversor de potência 104 é configurado para converter a potência de CA da fonte 102 em potência de CC, conforme exigido pela carga 106. O conversor de potência 104 pode ser configurado, alternativamente, para converter potência de CC em potência de CA. Em algumas outras realizações, quando a fonte 102 pode estar localizada em uma localização remota em relação à carga 106, poderá ser desejável converter potência de CA distribuído pela fonte 102 em potência de CC e transmitir a potência de CC através de barramentos de CC (que experimentam perdas baixas) para a localização da carga 106. Na localização da carga 106, dependendo do tipo de potência necessária para a operação da carga 106, a potência de CC dos barramentos de CC pode ser convertida em potência de CA pelo conversor de potência 104 ou pode ser convertida em um nível de potência desejado com a ajuda do conversor de potência 104.

[019] O conversor de potência 104, de acordo com certas realizações, pode incluir pernas, como a perna mostrada na Figura 2, as quais são acopladas entre barramentos de ligação CC que são configurados para transmitir potência da fonte de entrada para a carga. As pernas do conversor de potência 104 são configuradas de modo que a potência regulada seja fornecida da fonte de entrada para a carga e as operações do conversor de potência 104 sejam controladas por um controlador 108.

[020] A título de exemplo, o controlador 108 pode ser configurado para controlar a operação do conversor de potência 104 mediante controle de comutação de uma pluralidade de comutadores semicondutores do conversor de potência 104. Ademais, em uma realização, o sistema 100 também pode incluir outros componentes de circuito (não mostrados) como um transformador, um disjuntor, um indutor, um compensador, um condensador, um retificador, um reator e um filtro, porém sem limitação aos mesmos.

[021] Na Figura 2, uma representação diagramática de uma perna 200 de um conversor de potência é mostrada. A perna 200 do conversor de potência inclui uma primeira cadeia 202 e uma segunda cadeia 204. Mais particularmente, a primeira cadeia 202 é acoplada, de modo operativo, à segunda cadeia 204 a fim de formar a perna 200. Ademais, a primeira cadeia 202 pode ser acoplada de modo operativo entre um primeiro barramento 206 e um segundo barramento 208. Em uma realização, o primeiro barramento 206 pode incluir um barramento de CC positiva e o segundo barramento 208 pode incluir um barramento de CC negativa. A primeira cadeia 202 pode ser acoplada, de modo operativo, à segunda cadeia 204 através de um primeiro nó de conexão 210 e de um segundo nó de conexão 212. Também, a primeira cadeia 202 pode incluir uma primeira ramificação 214 acoplada, de modo operativo, a uma segunda ramificação 216 através de um terceiro nó de conexão 218. De forma semelhante, a segunda cadeia 204 pode incluir um primeiro braço 220 acoplado, de modo operativo, a um segundo braço 222 através de uma fase de CA 224 e de um indutor 226. O terceiro nó de conexão 218 pode ser acoplado, de modo operativo, a um terceiro barramento 228. Na realização da Figura 2, o terceiro barramento 228 pode compreender um barramento de corrente contínua e, mais particularmente, um barramento de CC médio ou central que pode estar em um potencial negativo em relação ao primeiro barramento 206 e em um potencial positivo em relação ao segundo barramento 208.

[022] A primeira cadeia 202 pode incluir uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis Si, S2, S3, e S4 (230). No exemplo da Figura 2, a pluralidade de comutadores semicondutores controláveis 230 pode incluir comutadores semicondutores parcialmente controláveis. No entanto, em outra realização, a pluralidade de comutadores semicondutores controláveis pode incluir, alternativamente, comutadores semicondutores completamente controláveis. Ademais, a pluralidade de comutadores semicondutores controláveis pode incluir uma combinação de comutadores semicondutores parcialmente controláveis e comutadores semicondutores completamente controláveis. Ademais, em um exemplo, a primeira ramificação 214 da primeira cadeia 202 pode incluir dois comutadores semicondutores controláveis Si e S2. De forma semelhante, a segunda ramificação 216 da primeira cadeia 202 pode incluir dois comutadores semicondutores controláveis S3 e S4. Os comutadores semicondutores controláveis S-i, S2, S3, e S4 podem incluir um diodo de potência em combinação com um tiristor, um retificador controlado por silício, um tiristor com desligamento pela porta, ou um IGBT, por exemplo.

[023] O primeiro braço 220 e o segundo braço 222 da segunda cadeia 204 podem incluir uma pluralidade de módulos comutadores 234. O módulo comutador 234 pode ser uma combinação de uma pluralidade de comutadores semicondutores completamente controláveis 238 e pelo menos um dispositivo de armazenamento de energia 236. Os comutadores semicondutores completamente controláveis 238 podem incluir transistores bipolares de porta isolada (IGBTs), transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs), outros tipos de transistores de efeito de campo (FETs), tiristores com desligamento pela porta, tiristores isolados comutados pela porta (IGCTs), transistores bipolares de injeção melhorada (lEGTs) ou combinações dos mesmos. Os materiais desses comutadores podem compreender silício, carboneto de silício, nitreto de gálio ou arsenito de gálio, por exemplo. Os módulos comutadores 234 no primeiro braço 220 e no segundo braço 222 são selecionados, de modo que a taxa de tensão da perna 200 alcançada e um requisito do conversor de potência de etapa de tensão mínima seja cumprido.

[024] Cada um dos comutadores semicondutores completamente controláveis 238 também pode incluir um diodo de potência 240 que pode ser embutido e antiparalelo aos comutadores semicondutores completamente controláveis. Os diodos de potência embutidos 240 podem fornecer uma trajetória antiparalela. Esses diodos de potência 240 também podem ser denominados como diodos antiparalelos.

[025] Em um exemplo não limitante, o dispositivo de armazenamento de energia 236 pode incluir um capacitor, um ultracapacitor, uma serpentina supercondutora, uma bateria ou qualquer outro elemento de armazenamento. No exemplo da Figura 2, o comutador semicondutor completamente controlável 238 pode ser acoplado de modo operativo em série ao dispositivo de armazenamento de energia 236.

[026] A perna 200 pode ser empregada em um conversor de potência monofásico, em um conversor de potência bifásico, em um conversor de potência trifásico e em outros conversores de potência com múltiplas fases equivalentes CC para CA, CA para CC, CA para CA ou CC para CC. A comutação dos comutadores semicondutores na primeira cadeia 202 e na segunda cadeia 204 pode ser controlada com base no valor de referência para uma variável controlada necessária no terminai de saída. Por exemplo, os comutadores podem ser controlados para distribuir potência de saída necessária nos terminais de saída. Em algumas realizações, um conversor de potência com a perna 200 pode ser acoplado a outro conversor de potência com a perna 200 a fim de criar uma configuração de conversão de potência back to back.

[027] As Figuras 3 a 5 descrevem as representações diagramáticas 300, 400, e 500 de estados diferentes de uma perna de um conversor de potência, como a perna 200 da Figura 2. Referindo-se à Figura 3, uma representação diagramática de uma perna 302, como a perna 200 da Figura 2, em um primeiro estado de comutação dos comutadores semicondutores controláveis é apresentada. O primeiro estado também pode ser denominado como um estado positivo. A perna 302 pode incluir uma primeira cadeia 304 e uma segunda cadeia 306. Também, a perna 302 pode ser acoplada, de modo operativo, entre um primeiro barramento 308 e um segundo barramento 310. Conforme observado acima, o primeiro barramento 308 pode incluir um barramento de CC positiva e o segundo barramento 310 pode incluir um barramento de CC negativa. Ademais, a primeira cadeia 304 pode ser acoplada de modo operativo à segunda cadeia 306 através de um primeiro nó de conexão 312 e um segundo nó de conexão 314.

[028] Adicionalmente, um primeiro braço, como o primeiro braço 220 da Figura 2 da segunda cadeia 306, e um segundo braço, como o segundo braço 222 da Figura 2 da segunda cadeia 306, podem ser representados por fontes de tensão controláveis Vp 316 e Vn 318, respectivamente. Conforme observado acima, a segunda cadeia 306 pode incluir uma pluralidade de módulos comutadores (não mostrados). O primeiro braço da segunda cadeia 306 e o segundo braço da segunda cadeia 306 podem ser acoplados de modo operativo através do quarto barramento 320. Uma carga, como a carga 106, pode ser acoplada à perna 300 através do quarto barramento 320. Também, a primeira cadeia 304 pode incluir um terceiro nó de conexão 322 que pode ser acoplado de modo operativo a um terceiro barramento 324. Na configuração da Figura 2, a primeira cadeia 304 inclui quatro comutadores semicondutores controláveis representados como S2, S3 e S4. Adicionalmente, a tensão no primeiro barramento 308 pode ser representada por +Vdc, e a tensão no segundo barramento 310 pode ser representada por -Vdc. A título de exemplo, a tensão de +Vdc no primeiro barramento 308 e a tensão de -Vdc no segundo barramento 310 pode ser em relação a uma terra virtual. Na realização ilustrada, as tensões através do primeiro barramento 308 e do segundo barramento 310 são medidas em relação ao terceiro barramento 324. A tensão no terceiro barramento 324 pode ser representada por Vmid.

[029] Conforme representado na Figura 3, durante o primeiro estado de comutação, os comutadores semicondutores controláveis S-\ e S3 são ativados a fim de possibilitar que a corrente flua através deles, ao passo que os comutadores semicondutores controláveis S2 e S4 são mantidos em um estado desativado a fim de evitar que a corrente flua. A ativação de comutadores semicondutores controláveis Si e S3 fornece uma primeira trajetória de vazão de corrente 326 entre o primeiro barramento 308 e o terceiro barramento 324 através de uma segunda cadeia correspondente 306. Consequentemente, a segunda cadeia 306 pode ser acoplada de modo operativo entre o primeiro barramento 308 e o terceiro barramento 324 no estado positivo. Ademais, embora a primeira trajetória de vazão de corrente 326 seja estabelecida, a tensão através do primeiro barramento 308 e do terceiro barramento 324 pode depender da comutação dos comutadores semicondutores completamente controláveis correspondente à pluralidade de módulos comutadores na segunda cadeia 306, como os módulos comutadores 334 da Figura 3. A corrente que flui através da primeira trajetória de vazão de corrente 326 é representada por ldc· [030] De uma maneira semelhante, a Figura 4 é uma representação diagramática 328 de uma perna em um segundo estado de comutação dos comutadores semicondutores controláveis. O segundo estado de comutação dos comutadores semicondutores controláveis também pode ser denominado como um estado negativo. No segundo estado, os comutadores semicondutores controláveis S2 e S4 podem estar ativados, ao passo que os comutadores semicondutores controláveis Si e S3 estão desativados. A ativação dos comutadores semicondutores controláveis S2 e S4 resulta no fornecimento de uma segunda trajetória de vazão de corrente 330 entre o terceiro barramento 324 e o segundo barramento 310. Consequentemente, a segunda cadeia 306 pode ser acoplada de modo operativo entre o segundo barramento 310 e o terceiro barramento 324 no estado negativo.

[031] De forma semelhante, a Figura 5 é uma representação diagramática 332 de uma perna em um terceiro estado de comutação dos comutadores semicondutores controláveis. O terceiro estado de comutação dos comutadores semicondutores controláveis também pode ser denominado como um estado zero. No terceiro estado, os comutadores semicondutores controláveis S2 e S3 estão ativados, ao passo que os comutadores semicondutores controláveis Si, e S4 estão desativados. A ativação dos comutadores semicondutores controláveis S2 e S3 resulta no fornecimento de uma terceira trajetória de vazão de corrente 334. Essa terceira trajetória de vazão de corrente 334 também pode ser denominada como uma trajetória antiparalela. Adicionalmente, ambas as extremidades da segunda cadeia 306 podem ser acopladas de modo operativo entre si através dos comutadores semicondutores controláveis ativados S2 e S3 e do terceiro barramento 324. Embora as Figuras 3 a 5 representem os três estados de comutação com referência a uma única perna, esses três estados de comutação podem ser empregados simultaneamente por uma pluralidade de pernas em um conversor de potência bifásico, por um conversor de potência trifásico e similares.

[032] Conforme representado nas Figuras 3 a 5 em qualquer momento, a segunda cadeia 306 é acoplada, de modo operativo entre o primeiro barramento 308 e o terceiro barramento 324, entre o terceiro barramento 324 e o segundo barramento 310, ou ambas as extremidades da segunda cadeia 306 podem ser acopladas de modo operativo a um terceiro barramento 324. Dessa forma, a segunda cadeia 306 pode ter que suportar uma tensão máxima de valor Vdc· Consequentemente, para o controlo efetivo do conversor de potência, cada um dentre o primeiro braço da segunda cadeia 306 e o segundo braço da segunda cadeia 306 pode ter que suportar uma tensão máxima de Vdc.

[033] Ademais, a comutação da pluralidade de comutadores semicondutores controláveis Si, S2, S3l e S4 da primeira cadeia 304 pode operar em combinação com a comutação da pluralidade de módulos comutadores (não mostrados) na segunda cadeia 306. Também, conforme observado anteriormente, a comutação da pluralidade de módulos comutadores na segunda cadeia 306 pode incluir ativação e/ou desativação dos comutadores semicondutores completamente controláveis. Os módulos comutadores na segunda cadeia 306 e os comutadores na primeira cadeia 304 são controlados por um controlador 1108 (A Figura 11), de modo que a potência regulada seja fornecida no terminal de saída, enquanto se assegura que a energia armazenada no conversor de potência seja mantida em um nível constante.

[034] Em um conversor de potência trifásico, três pernas 200 são conectadas em paralelo entre o primeiro barramento 206 e o segundo barramento 208. As pernas 200 são conectadas de modo que a primeira cadeia 202 de cada perna seja acoplada ao primeiro barramento 206 em uma extremidade e ao segundo barramento 208 em outra extremidade. Ademais, a primeira cadeia 202 de cada perna 200 é acoplada ao terceiro barramento 228. A tensão do primeiro barramento 206 e do segundo barramento 208 é medida em relação ao terceiro barramento 228. O quarto barramento 320 de cada perna 200 é acoplado a fases da carga 106. Por exemplo, no caso de aplicação de acionamento de máquina elétrica através de um conversor trifásico, cada fase (perna 200) do conversor de potência é acoplada a uma fase respectiva das três fases da máquina elétrica.

[035] Na descrição acima, um conversor trifásico foi utilizado para explicar as operações do conversor de potência. Pode-se compreender que as operações do conversor de potência permanecem as mesmas para conversores monofásicos, bem como para conversor com múltiplas fases com duas pernas 200 ou mais do que três pernas 200.

[036] Com referência às Figuras 6 a 9, é mostrada uma representação diagramática 600, 700, 800, e 900 de diferentes modos de operação de um conversor de potência trifásico, de acordo com os aspectos da presente revelação. Fara facilitar a compreensão, as Figuras 6 a 9 serão descritas em relação às Figuras 3 a 5. Com base em uma entrada recebida pelas três pernas do conversor de potência, o conversor de potência pode estar operando em um dos três modos representados na Figura 6 a 8. Para fornecer potência para uma carga, como a máquina elétrica 110, o conversor de potência pode ser operado em um estado, conforme representado na Figura 9, de acordo com uma realização. Nas ilustrações das Figuras 6 a 9, presume-se que uma entrada de CA seja fornecida para o conversor de potência. Mais precisamente, cada uma das três fases de uma fonte de entrada de CA é conectada a uma respectiva perna do conversor de potência. Dependendo da entrada recebida da fonte de entrada de CA, cada perna do conversor de potência opera em pelo menos um modo ilustrado nas Figuras 6 a 9.

[037] Os modos de operação do conversor de potência dependem do padrão de comutação dos comutadores semicondutores e dos módulos comutadores. Os comutadores e os módulos comutadores são controlados por um controlador, por exemplo, o controlador 1108 (A Figura 11), de modo que o conversor de potência transite de um modo a outro de acordo com o sinal de entrada.

[038] Os modos de operação do conversor de potência são determinados pelo estado de cada perna do conversor de potência. Conforme ilustrado nas Figuras 3 a 5, cada perna do conversor de potência pode estar tanto em um estado positivo, um estado negativo como em um estado zero. Os modos fixos de operação do conversor de potência incluem um modo no qual uma ou mais pernas estão no estado positivo e as outras pernas estão em um estado negativo. Um modo fixo de operação também inclui um modo no qual uma perna está em um estado positivo, uma perna está em um estado negativo e uma perna está em um estado zero. Em comparação, um modo transitório envolve pelo menos uma perna do conversor de potência que está em um modo transitório. As Figuras 6 a 9 ilustram modos fixos, bem como modos transitórios de operação do conversor de potência.

[039] A Figura 6 ilustra um modo de operação 600 de um conversor quando duas pernas estão em um estado positivo e uma perna do conversor está em estado negativo. O modo de operação 600 pode ser designado como modo “a”. No modo a, para um conversor de potência trifásico, as pernas 602 e 604 são acopladas ao barramento positivo 606, ao passo que a perna 608 é acoplada ao barramento negativo 610. No modo “a”, os comutadores semicondutores Si e S3 das duas pernas 602 e 604 estão ligados e os comutadores semicondutores S3 e S4 estão ligados pela perna remanescente 608. As pernas 602 e 604 são acopladas de modo que uma extremidade seja acoplada ao barramento positivo 606 e a outra extremidade das pernas seja acoplada a um terceiro barramento 612. A perna 608 é acoplada ao terceiro barramento 612 em uma extremidade e ao barramento negativo 610 na outra extremidade.

[040] A Figura 7 ilustra um segundo modo 700 de operação do conversor de potência com três pernas 702, 704, e 708. No segundo modo de operação 700, também designado como modo “b”, duas pernas são acopladas a um barramento negativo 710 e a um terceiro barramento 712 e uma perna é acoplada ao barramento positivo 708. Na realização ilustrada, as pernas 704 e 708 são acopladas ao terceiro barramento 712 e ao barramento negativo 710, ao passo que a perna 702 é acoplada ao barramento positivo 706 e ao terceiro barramento 712.

[041] A Figura 8 ilustra um terceiro modo 800 de operação do conversor de potência com três pernas 802, 804, e 808. No terceiro modo de operação 800, também designado como modo “c”, uma perna é acoplada ao barramento positivo 806 e ao terceiro barramento 812, uma perna é acoplada ao terceiro barramento 812 e ao barramento negativo 810 e uma perna é acoplada em ambas as extremidades ao terceiro barramento 812. No exemplo ilustrado, a perna 802 é acoplada ao barramento positivo 806 e ao terceiro barramento 812. A perna 804 é acoplada ao terceiro barramento 812 em ambas as extremidades. Ao passo que, a perna 808 é acoplada ao terceiro barramento 812 e ao barramento negativo 810. O modo “c” pode ser considerado um modo transitório de operação para o conversor de potência.

[042] Os modos de operação ilustrados nas Figuras 6 a 7 são considerados modos fixos de operação do conversor de potência. Nos modos fixos de operação, os dispositivos de armazenamento de energia no conversor de potência são configurados para receber e armazenar energia da fonte de entrada. A energia armazenada nos dispositivos de armazenamento de energia das pernas do conversor de potência pode ser utilizada para fornecer potência regulada para a carga acoplada ao terminal de saída do conversor de potência. No modo transitório, conforme ilustrado na Figura 8, os dispositivos de armazenamento de energia nas pernas acopladas ao barramento positivo 806 e ao barramento negativo 810 continuam a receber e armazenar energia da fonte de entrada. No entanto, a perna em estado zero está temporariamente desacoplada da fonte de entrada.

[043] Durante uma operação de entrada de CA normal, os modos do conversor de potência mudam periodicamente do modo “a” para o “b” para o “c” e de volta para o “a”. A transição desses modos é executada com a ajuda de comutadores semicondutores S2, S3, e S4 de cada perna. Os quatro comutadores semicondutores de cada perna são utilizados para acoplar os módulos comutadores tanto ao barramento positivo, como ao barramento negativo e ao terceiro barramento. Por exemplo, quando o conversor de potência transita do modo “a” para o modo “b”, conforme ilustrado nas Figuras 6 e 7, respectivamente, a perna 602 transita de um estado positivo para um estado negativo (representado como 702 na Figura 7). No estado positivo, os comutadores S1 e S3 correspondentes à perna 602 estão ativados, ao passo que, no estado negativo, S2, e S4 estão desativados. Durante essa transição, os comutadores S1 e S3 precisam estar desativados e os comutadores S2 e S4 precisam estar ativados. Um controlador, como o controlador 1108 (a Figura 11), pode ser configurado para ativar S2, e S4 a fim de facilitar a entrada do conversor de potência no modo “b”.

[044] De forma semelhante, de acordo com a realização ilustrada, quando o conversor de potência transita de modo “b” para modo “c”, a perna 702 transita de um estado positivo para um estado zero (representado como 802, na Figura 8). Durante essa transição, o comutador S4 associado à perna 702 precisa estar desativado e um comutador S2 precisa estar ativado, de modo que S2 e S3 para a perna 702 permaneçam ativados e movimentem a perna 702 em um estado zero. O modo transitório de operação, ou modo “c”, é ativado durante o tempo destinado quando o conversor de potência transita do modo “a” para modo “b”.

[045] A Figura 9 ilustra um quarto modo 900 de operação do conversor de potência. O quarto modo 900 também pode ser designado como modo de operação “d” do conversor de potência. No quarto modo de operação, as pernas 902, 904, e 908 são acopladas ao terceiro barramento 912 em ambas as extremidades. Nesse modo, a energia armazenada em dispositivos de armazenamento de energia de cada perna 902, 904, e 908 é fornecida para a carga conectada ao terminal de saída do conversor de potência.

[046] Durante os funcionamentos do conversor de potência quando uma máquina elétrica que é acoplada aos terminais de saída é ligada para operação, os dispositivos de armazenamento de energia do conversor de potência são configurados para armazenar energia durante os modos “a”, “b”, e “c” de operação. No modo “d”, o conversor de potência é configurado para fornecer potência para a máquina elétrica acoplada aos terminais de saída. A potência fornecida pelo conversor de potência está disponível através da energia armazenada nos dispositivos de armazenamento de energia das pernas do conversor de potência. O controlador, como o controlador 1108 (A Figura 11), é configurado para ativar e desativar comutadores semicondutores apropriados (Si, S2, S3, S4) da primeira cadeia de cada perna 200, de modo que o conversor de potência transite tanto do modo “a”, como do modo “b” e do modo “c” para o modo “d”.

[047] O controlador 1108 (A Figura 11) pode ser configurado para equilibrar a energia armazenada no primeiro braço 220 e no segundo braço 222 de cada perna 200 no conversor de potência. O controlador 1108 é configurado para computar uma diferença entre a energia armazenada no primeiro braço 220 e no segundo braço 222 de cada perna para gerar uma tensão de referência de braço de fase. A tensão de referência de braço de fase é utilizada pelo controlador 1108 para acionar uma corrente na perna 200, de modo que a energia armazenada no primeiro braço 220 e no segundo braço 222 seja equilibrada.

[048] O controlador 1108 (A Figura 11) também pode ser configurado para comparar a energia armazenada nos dispositivos de armazenamento de energia com um valor de limiar predeterminado. O valor de limiar predeterminado é um indicador da energia mínima necessária para ser armazenada nos dispositivos de armazenamento de energia do conversor de potência. Quando a energia nos dispositivos de armazenamento de energia do conversor de potência está abaixo do valor de limiar predeterminado, o controlador é configurado para ativar e desativar os comutadores S1t S2, S3, S4 da primeira cadeia de cada perna 200, de modo que o conversor de potência transite do modo “d” para o modo “a” ou modo “b” ou modo “c”. A transição do modo “d” para outros modos de operação depende da entrada recebida nos terminais de entrada do conversor de potência.

[049] Um método para acionar uma máquina elétrica com um conversor de potência, como o conversor de potência 104 com uma perna 200, é descrito em conjunção com o fluxograma da Figura 10.

[050] Em 1002, o método inclui fornecer potência a partir de uma fonte de entrada para a máquina elétrica através de um conversor de potência. O conversor de potência, por exemplo, o conversor de potência 104, inclui uma perna 200 com uma primeira cadeia 202 e uma segunda cadeia 204. A primeira cadeia 202 inclui uma pluralidade de comutadores semicondutores (S^ S2, S3) e S4) e a segunda cadeia 204 inclui uma pluralidade de módulos comutadores 234. Os módulos comutadores 234 são configurados para fornecer potência regulada para a máquina elétrica acoplada ao terminal de saída do conversor de potência.

[051] Adicionalmente, na etapa 1004, um sistema controlador (por exemplo, o sistema controlador 108) é configurado para gerar uma pluralidade de comandos de ativação para os comutadores semicondutores e para os módulos comutadores 234. O sistema controlador é configurado para ativar comutadores semicondutores, de modo que o conversor de potência opere em qualquer um dos modos “a”, “b” ou “c”. Os módulos comutadores 234 que incluem dispositivos de armazenamento de energia, por exemplo, o elemento capacitor 236, são configurados para armazenar energia nos dispositivos de armazenamento de energia 236 nos modos “a”, “b” e “c”. Os requisitos de comutação para os modos “a”, “b” e “c” foram expíicados em conjunção com as Figuras 6 a 8.

[052] Em 1004, o sistema controlador 108 também é configurado para gerar comandos de ativação de modo que o conversor de potência seja transitado para o modo “d” de operação. No modo “d”, todas as pernas do conversor de potência são acopladas ao terceiro barramento 228. Nesse modo, o conversor de potência é configurado para utilizar energia armazenada nos dispositivos de armazenamento de energia 236.

[053] Na etapa 1006, quando a máquina elétrica é ligada para operação, o sistema controlador 108 é configurado para fornecer sinais de ativação para os comutadores semicondutores e para os módulos comutadores sob a forma de sinais de disparador de porta. Os sinais de ativação mudam o modo de operação do conversor de potência tanto do modo “a” como do modo “b” ou “c” para o modo “d”. Os requisitos de comutação para o modo “d” foram explicados em conjunção com a Figura 9.

[054] Quando o conversor de potência está operando no modo “d”, a energia armazenada nos dispositivos de armazenamento de energia 236 do conversor de potência é utilizada e fornecida para a máquina elétrica acoplada ao terminal de saída (por exemplo, através do quarto barramento 324). A energia fornecida a partir dos dispositivos de armazenamento de energia 236 abastece a máquina elétrica com torque substancialmente alto a velocidades substancialmente baixas de operação. Quando a energia dos dispositivos de armazenamento de energia é exaurida, o controlador 108 é configurado para transitar o conversor de potência do modo “d” tanto para o modo “a” como para o modo “b” ou “c". A transição de modo “d” também depende da energia de entrada recebida pelo conversor de potência.

[055] O sistema controlador também é configurado para determinar se a energia armazenada nos dispositivos de armazenamento de energia 236 está abaixo de um valor de limiar predeterminado. O controlador compara a energia armazenada em cada um dos dispositivos de armazenamento de energia 236 com o valor de limiar predeterminado. Quando a energia armazenada é inferior ao valor de limiar predeterminado, o método inclui o fornecimento de comandos de ativação para a pluralidade de comutadores semicondutores (Si a S4), de modo que o conversor de potência opere tanto no modo “a” como no modo “b” ou “c”. Os dispositivos de armazenamento de energia 236 fornecem energia nesses modos e estão disponíveis para utilização pela máquina elétrica quando a máquina é ligada subsequentemente para operação.

[056] A Figura 11 representa um sistema 1100 para acionar uma máquina elétrica 1106. Em uma realização, o sistema 1100 para acionar a máquina elétrica 1106 pode incluir uma fonte 1102, um conversor de potência 1104 e um sistema controlador 1108.

[057] A fonte 1102 é acoplada a um terminal de entrada do conversor de potência 1104. A fonte 1102 é configurada para fornecer potência para a máquina elétrica 1106 acoplada ao terminal de saída do conversor de potência 1104. O conversor de potência 1104 é configurado para converter ou regular a entrada fornecida pela fonte 1102 de acordo com os requisitos da máquina elétrica 1106. Em certas realizações, a fonte 1102 pode ser colocada em uma localização remota em relação à máquina elétrica 1106. Nessas realizações, a energia da fonte 1102 é fornecida para o conversor de potência 1104 através de barramentos que acoplam a fonte 1102 e o conversor de potência 1104. De forma semelhante, o conversor de potência 1104 e a máquina elétrica 1106 também podem ser acoplados através de barramentos de ligação.

[058] O conversor de potência 1104 inclui pelo menos uma perna. Um exemplo de uma perna é ilustrado na Figura 2. A perna 200 inclui uma primeira cadeia 202 e uma segunda cadeia 204. A primeira cadeia inclui comutadores semicondutores (Si a S4), ao passo que a segunda cadeia inclui módulos comutadores 234. A primeira cadeia 202 é acoplada ao primeiro barramento 206 e ao segundo barramento 208. A segunda cadeia 204, por outro lado, é acoplada à primeira cadeia 202 através do primeiro nó de conexão 210 e do segundo nó de conexão 212. Em uma configuração trífásica do conversor de potência 1104, três pernas 200 são acopladas em paralelo entre o primeiro barramento 206 e o segundo barramento 208. A máquina elétrica 1106 é acoplada à segunda cadeia 204 de cada perna 200. A primeira cadeia 202 de cada perna é acoplada ao terceiro barramento 228.

[059] O sistema controlador 1108, acoplado à pluralidade de comutadores semicondutores e aos módulos comutadores 234, é configurado para ativar os comutadores semicondutores (Si a S4), de modo que o conversor de potência 1104 opere nos modos “a”, “b” ou “c”. Quando a máquina elétrica 1106 é ligada para operação, o sistema controlador 1108 é configurado para transitar o conversor de potência 1104 dos modos “a”, “b”, ou “c” para o modo “d”. No modo “d”, os módulos comutadores 234 são configurados para fornecer energia armazenada para a máquina elétrica 1106 acoplada ao terceiro barramento 228.

[060] O sistema controlador 1108 inclui um módulo de ativação de modo “d” 1110 que é configurado para determinar um modo de operação de corrente do conversor de potência. Com base no modo de operação de corrente do conversor de potência, o módulo de ativação de modo “d” determina os comutadores semicondutores (Si a S4) que precisam ser ativados e desativados para transitar o modo de operação do conversor de potência para o modo “d”.

[061] O sistema controlador 1108 também é configurado para equilibrar a energia armazenada nos módulos comutadores 234 de cada perna. O sistema controlador 1108 computa a energia armazenada em cada módulo de comutação 234 de cada perna 200. Com base em uma diferença entre a energia armazenada em cada módulo de comutação 234, o sistema controlador 1108 aciona uma corrente através da perna 200, de modo que a diferença entre a energia armazenada nos módulos comutadores 234 seja reduzida a zero.

[062] O sistema para acionar uma máquina elétrica pode incluir filtros adicionais e pontes de dispositivo de comutação para satisfazer os requisitos harmônicos da fonte 1102 e da máquina elétrica 1106.

[063] Deve ser compreendido que a descrição acima se destina a ser ilustrativa, e não restritiva. Por exemplo, as realizações descritas acima (e/ou os aspectos das mesmas) podem ser usadas em combinação entre si. Adicionalmente, várias modificações podem ser feitas a fim de adaptar uma situação ou material particular aos ensinamentos da invenção sem que se afaste de seu escopo. Embora as dimensões e tipos de materiais descritos no presente documento sejam projetados para definir os parâmetros da invenção, não são de forma alguma limitantes e são realizações exemplificativas. Várias outras realizações ficarão claras para os versados na técnica após analisar a descrição acima. Portanto, o escopo da invenção deve ser determinado com referência às reivindicações anexas, juntamente com o escopo completo de equivalentes aos quais essas reivindicações são designadas. Nas reivindicações anexas, os termos “que inclui” e “no (a) qual” são usados como os equivalentes em inglês dos respectivos termos “que compreende” e “em que.” Ademais, nas reivindicações a seguir, os termos “primeiro”, “segundo”, etc. são usados meramente como rótulos e não se destinam a impor requisitos numéricos ou de posição em seus objetos. Adicionalmente, as limitações das reivindicações a seguir não são escritas em formato de função mais significado e não são projetadas para serem interpretadas com base em 35 U.S.C. § 112, sexto parágrafo, a menos e até que essas limitações de reivindicação usem expressamente a frase “significado para” seguida por uma declaração de função sem estrutura adicional.

[064] Esta descrição escrita usa exemplos para revelar várias realizações da invenção, incluindo o melhor modo e também para possibilitar que qualquer pessoa versada na técnica pratique as realizações da invenção, incluindo fazer e usar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteávei da invenção é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorram aos versados na técnica. Esses outros exemplos devem ser abrangidos pelo escopo das reivindicações, caso tenham elementos estruturais que não se diferenciem da linguagem literal das reivindicações, ou caso incluam elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações.

[065] Conforme usado no presente documento, um elemento ou uma etapa citada no singular e procedida pela palavra “um” ou “uma” deveria ser entendida como não excludente de plural dos ditos elementos ou etapas, a menos que essa exclusão seja estabelecida explicitamente. Ademais, as referências a “uma realização” da presente invenção não se destinam a ser interpretadas como excludentes da existência de realizações adicionais que também incorporem as características citadas. Ademais, a menos que estabelecido explicitamente de forma contrária, as realizações “que compreendem”, “que incluem” ou “que têm” um elemento ou uma pluralidade de elementos que tem uma propriedade particular podem incluir esses elementos adicionais que não têm essa propriedade.

[066] Visto que certas mudanças podem ser feitas no sistema descrito acima para acionar máquinas elétricas, sem que se afaste do espírito e escopo da invenção do presente documento, pretende-se que toda a matéria da descrição acima, ou mostrada nas Figuras anexas, devem ser interpretadas meramente como exemplos que ilustram o conceito inventivo no presente documento e não devem ser interpretadas como limitantes da invenção.

Claims

1. SISTEMA PARA ACIONAR UMA MÁQUINA ELÉTRICA, caracterizado pelo fato de que o sistema compreende: um conversor de potência acoplado a uma fonte de entrada e à máquina elétrica, em que o conversor de potência compreende: pelo menos uma perna de conversor de potência, em que cada perna compreende: uma primeira cadeia que compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis, um primeiro nó de conexão e um segundo nó de conexão, em que a primeira cadeia é acoplada de modo operativo através de um primeiro barramento e de um segundo barramento; e uma segunda cadeia acoplada de modo operativo à primeira cadeia através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que a segunda cadeia compreende uma pluralidade de módulos comutadores, em que cada um dentre a pluralidade de módulos comutadores compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores completamente controláveis e pelo menos um dispositivo de armazenamento de energia; e um sistema controlador configurado para fornecer comandos de ativação para pelo menos alguns dos comutadores semicondutores controláveis da primeira cadeia e pelo menos alguns dos módulos comutadores da segunda cadeia, de modo que a energia armazenada no dispositivo de armazenamento de energia seja fornecida para a máquina elétrica quando a máquina elétrica for ligada para operação.

2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a primeira cadeia compreende uma primeira ramificação e uma segunda ramificação que são acopladas de modo operativo através de um terceiro nó de conexão.

3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que os terceiros nós de conexão de cada uma das pernas são conectados a um terceiro barramento.

4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o sistema controlador é configurado para fornecer comandos de ativação, de modo que pelo menos uma perna do conversor de potência seja acoplada ao primeiro barramento e pelo menos uma perna do conversor de potência seja acoplada ao segundo barramento quando a energia no dispositivo de armazenamento de energia estiver abaixo de um valor de limiar predeterminado.

5. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o sistema controlador é configurado para fornecer comandos de ativação, de modo que cada perna do conversor de potência seja acoplada ao terceiro barramento quando a máquina elétrica for ativada.

6. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que cada um dos módulos comutadores compreende uma configuração de meia ponte.

7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a segunda cadeia compreende um primeiro braço acoplado de modo operativo a um segundo braço.

8. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o sistema controlador é configurado para equilibrar a energia armazenada no primeiro braço e no segundo braço.

9. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a máquina elétrica compreende um motor elétrico.

10. MÉTODO PARA ACIONAR UMA MÁQUINA ELÉTRICA, caracterizado pelo fato de que compreende: fornecer potência a partir de uma fonte de entrada para a máquina elétrica através de um conversor de potência, em que o conversor de potência compreende pelo menos uma perna que compreende: uma primeira cadeia que compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores controláveis, um primeiro nó de conexão e um segundo nó de conexão, em que a primeira cadeia é acoplada de modo operativo através de um barramento e de um segundo barramento, e uma segunda cadeia acoplada de modo operativo à primeira cadeia através do primeiro nó de conexão e do segundo nó de conexão, em que a segunda cadeia compreende uma pluralidade de módulos comutadores, em que cada um dentre a pluralidade de módulos comutadores compreende uma pluralidade de comutadores semicondutores completamente controláveis e pelo menos um dispositivo de armazenamento de energia; gerar uma pluralidade de comandos de ativação para os comutadores semicondutores e para os módulos comutadores; e quando a máquina elétrica for ligada para operação, ativar a pluralidade de comutadores semicondutores e de módulos comutadores, de modo que a energia armazenada nos módulos comutadores seja fornecida para a máquina elétrica.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente fornecer comandos de ativação para a pluralidade de comutadores semicondutores na primeira cadeia, de modo que pelo menos uma perna do conversor de potência seja acoplada ao primeiro barramento e pelo menos uma perna do conversor de potência seja acoplada ao segundo barramento quando a energia no dispositivo de armazenamento de energia estiver abaixo de um valor de limiar predeterminado.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente fornecer comandos de ativação para a pluralidade de comutadores semicondutores acoplar cada perna do conversor de potência ao terceiro barramento quando a máquina elétrica for ligada para operação,

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a segunda cadeia compreende um primeiro braço acoplado de modo operativo a um segundo braço.

14. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de compreende adicionalmente equilibrar a energia armazenada no primeiro braço e no segundo braço.