BR102015015041A2 - System and method for suppressing electricity. - Google Patents
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Abstract
trata-se de um sistema para suprir potência elétrica a uma carga que inclui um gerador assíncrono (2) que inclui um rotor de gaiola de esquilo destinado a ser acionado por meios de motor e um retificador (4) adaptado para retificar a voltagem fornecida pelo gerador. o retificador é um retificador que emprega componentes eletrônicos unidirecionais. o sistema de fonte de alimentação inclui, adicionalmente, uma fonte de alimentação reativa (6) para magnetizar o gerador assíncrono.
Description
“SISTEMA E MÉTODO PARA SUPRIR ENERGIA ELÉTRICA” [001] A presente invenção refere-se ao suprimento de potência elétrica a uma carga e, em um pedido de patente particularmente interessante que não se limita à invenção, está relacionada a um sistema de abastecimento de potência elétrica destinado a fornecer um abastecimento de potência contínua a uma rede de fonte de alimentação de um barco.
[002] Na técnica anterior, os sistemas de fonte de alimentação elétrica podem ser com base em uma máquina elétrica síncrona que inclui um rotor bobinado e um circuito elétrico para excitar a máquina síncrona.
[003] Geradores assíncronos, ou de indução, que incluem, notavelmente, um rotor de gaiola de esquilo, são perceptivelmente vantajosos em termos de confiabilidade, simplicidade mecânica e de custo e também constituem uma solução vantajosa para implantar uma fonte de abastecimento de potência elétrica.
[004] Os geradores de indução incluem, geralmente na saída, um circuito retificador destinado a converter a voltagem CA fornecida pelo gerador em uma voltagem CC.
[005] Um retificador com base em transistores bipolares de portas isoladas (IGBT) é usado de modo convencional para isso.
[006] Tais retificadores tornam possível fornecer a função de magnetizar o gerador de modo eficaz. No entanto, os mesmos têm diversas desvantagens, claramente no que se refere ao fato de que os retificadores são relativamente dispendiosos e complexos.
[007] Adicionalmente, os retificadores IGBT não são adequados para sustentar uma corrente alta. Consequentemente, um retificador IGBT não é, em geral, apropriado para liberar uma alta corrente de curto circuito se um curto circuito ocorre em uma rede de distribuição à qual o retificador está conectado, sem uma especificação excessiva do retificador, isto é, sem o uso de diversos transistores IGBT dispendiosos.
[008] O objetivo da invenção é, portanto, superar essa desvantagem e reduzir, notavelmente, a classificação de um sistema de fonte de alimentação que inclui um gerador assíncrono, ao mesmo tempo que possibilita uma magnetização do gerador.
[009] Outro objetivo da invenção é propor um sistema de abastecimento de elétrica que inclui um gerador assíncrono de tamanho total pequeno, que tem a capacidade de suportar altas correntes de curto circuito.
[010] Em um primeiro aspecto, a invenção consiste, portanto, em um sistema para suprir potência elétrica a uma carga, incluindo um gerador assíncrono que inclui um rotor de gaiola de esquilo destinado a ser acionado por meios de motor e um retificador adaptado para retificar a voltagem fornecida pelo gerador.
[011] De acordo com um recurso geral desse sistema de fonte de alimentação, o retificador é um retificador que emprega componentes eletrônicos unidirecionais. Adicionalmente, o sistema de abastecimento de potência elétrico inclui uma fonte de potência reativa para magnetizar o gerador assíncrono.
[012] De acordo com outro recurso da invenção, a fonte de alimentação reativa inclui uma fonte de alimentação reativa variável.
[013] De acordo com um recurso adicional da invenção, a fonte de alimentação reativa variável constitui meios para controlar a voltagem de saída do retificador.
[014] Em uma realização, a fonte de alimentação reativa variável inclui um inversor de voltagem que emprega transistores bipolares de portas isoladas e pelo menos um capacitor.
[015] De acordo com um recurso adicional do sistema de abastecimento de potência de acordo com a invenção, o abastecimento de potência reativa inclui, adicionalmente, uma fonte de alimentação reativa fixa.
[016] A fonte de alimentação reativa fixa inclui, vantajosamente, um circuito RLC.
[017] A fonte de alimentação reativa fixa consiste, preferencialmente em meios para filtrar correntes harmônicas que provêm da fonte de alimentação reativa variável.
[018] A fonte de alimentação reativa pode consistir, vantajosamente, em meios para filtrar correntes harmônicas que provêm do retificador.
[019] Em uma realização, o sistema de abastecimento de potência inclui um circuito para carregar, gradualmente, os capacitores da fonte de alimentação reativa variável associados a um conjunto de comutadores para suprir potência elétrica a uma barra de voltagem CC.
[020] O sistema de abastecimento de potência pode incluir, adicionalmente, um conjunto de capacitores de filtro conectado à saída do retificador.
[021] Por exemplo, os componentes elétricos unidirecionais são diodos ou tiristores.
[022] Em um segundo aspecto, a invenção consiste, também, em um método para suprir potência elétrica a uma carga por meios de um sistema de abastecimento de potência elétrico que inclui um gerador assíncrono que inclui um rotor de gaiola de esquilo acionado por meios de motor e um retificador que emprega componentes eletrônicos unidirecionais adaptados para retificar a voltagem fornecida pelo gerador, em que o gerador assíncrono é magnetizado por uma fonte de alimentação reativa.
[023] Em uma realização, a dita fonte de alimentação reativa inclui uma fonte de alimentação reativa variável que inclui um inversor de voltagem, sendo que o dito inversor de voltagem aciona, em rotação, uma haste que acopla o gerador e os meios de motor até uma velocidade de avanço paulatino do gerador assíncrono para ao dar a partida ou desacelerar o sistema de abastecimento de potência.
[024] Outros objetivos, recursos e vantagens da invenção se tornarão evidentes na leitura da descrição a seguir, dada apenas com propósitos exemplificativos não limitantes e com referência aos desenhos anexos, em que: A Figura 1 é um diagrama em bloco que mostra a arquitetura de um sistema de fonte de alimentação elétrico, de acordo com a invenção; A Figura 2 mostra o sistema da Figura 1 durante a partida; A Figura 3 mostra o sistema da Figura 1 durante uma fase posterior da partida; A Figura 4 mostra o fluxo de potência ativa, potência reativa e potência de deformação durante um funcionamento nominal do sistema do abastecimento de potência da Figura 1; A Figura 5 mostra as formas de onda das voltagens e correntes em pontos característicos do sistema da Figura 1 durante a magnetização do gerador assíncrono; e A Figura 6 mostra a forma de onda das voltagens em pontos característicos do sistema de abastecimento de potência elétrico, de acordo com a invenção, durante uma filtração ativa.
[025] Referindo-se primeiro à Figura 1, a qual mostra a arquitetura geral de um sistema 1 para suprir uma carga com potência elétrica de corrente direta.
[026] Na realização prevista, esse sistema de abastecimento de potência 1 é destinado a ser instalado em um barco para constituir uma fonte de voltagem CC. Claramente, abastecer potência a qualquer outro tipo de carga está dentro do escopo da invenção.
[027] O sistema de fonte de abastecimento de potência 1 inclui, essencialmente, um gerador de indução trifásico 2 acionado em rotação por meios de motor 3, por exemplo, motor a diesel ou uma turbina a vapor ou uma turbina a gás, e um retificador 4 para converter a voltagem CA fornecida pelo gerador em uma voltagem CC.
[028] Conforme mostrado, o gerador 2 e os meios de motor 3 são conectados por uma haste comum A, a combinação constituindo um motor alternador.
[029] O gerador de indução 2 é um gerador assíncrono de gaiola de esquilo e, portanto, tem uma estrutura que é mecanicamente simples, confiável e relativamente de baixo custo.
[030] Para essa parte, o retificador 4 inclui componentes eletrônicos unidirecionais. Esses componentes eletrônicos unidirecionais podem ser do tipo controlado. Os elementos retificadores do retificador 4, portanto, consistem, vantajosamente, em diodos ou tiristores, em oposição à técnica anterior que usa uma ponte de retificador com base em transistores IGBT.
[031] Se o retificador 4 é com base nos tiristores, um circuito de controle 5 controla os tiristores, e, notavelmente, o disparo de cada tiristor, para retificar a corrente alternada fornecida pelo gerador 2.
[032] Além disso, o sistema de fonte de alimentação 1 inclui uma fonte de alimentação reativa 6 para magnetizar o circuito magnético do gerador 2.
[033] A fonte de alimentação reativa inclui, primeiramente, uma fonte de alimentação reativa variável 7 que inclui um conjunto de capacitores 8 e um circuito inversor 9 conectado por derivação entre o gerador 2 e o retificador 4 através de uma indutância 10.
[034] No presente documento, o circuito inversor está com base nos transistores IGBT controlados pelo circuito de controle 5, por exemplo, com o uso de modulação por amplitude de pulso (PWM).
[035] Conforme indicado doravante, essa fonte de alimentação reativa variável 7 constitui um filtro ativo para filtrar correntes harmônicas que provêm do retificador 4 e regula, também, a voltagem CC fornecida na saída do retificador 4 controlando-se a magnetização do gerador 2.
[036] Em segundo lugar, a fonte de alimentação reativa 6 inclui uma fonte de alimentação reativa fixa 11 que consiste, aqui, em um circuito RLC conectado por derivação entre o gerador 2 e o retificador 4.
[037] Essa fonte fixa 11 inclui um ou mais capacitores 12 conectados a uma resistência 13 e a uma indutância 14 que são conectadas paralelamente.
[038] A fonte de alimentação reativa fixa 11 constitui um filtro passivo para filtrar correntes harmônicas que provêm do retificador 4 e filtram, de modo passivo, as correntes harmônicas que provêm do filtro ativo 7 e, também, participa da magnetização de uma porção do gerador 2.
[039] Os transistores IGBT no inversor 9 abastecem, essencialmente, a potência reativa necessária para magnetizar o gerador 2. Em virtude da conexão por derivação do inversor, não desempenham papel algum na retificação da voltagem fornecida pelo gerador e, então, os transistores IGBT podem ser classificados apropriadamente para fornecer essa magnetização, o que torna possível uma redução das restrições na classificação desses transistores.
[040] A classificação desses transistores pode ser reduzida, adicionalmente, devido à presença da fonte de alimentação reativa fixa 11, que também participa da magnetização do gerador. No entanto, será observado que essa fonte fixa 11 é opcional e poderia ser omitida se o número de transistores IGBT no inversor 9 permanecesse aceitável. Isso é vantajoso, no entanto, já que constitui um filtro passivo que filtra o conteúdo harmônico gerado quando o inversor está em operação.
[041] Além do mais, a fonte de alimentação reativa variável 7 e a fonte de alimentação reativa fixa 11, que são conectadas paralelamente e conectadas por derivação em relação ao gerador 2 e o retificador 4, fornecem uma filtração eficaz da distorção harmônica gerada pelo retificador 4, de modo que as correntes harmônicas geradas pelo retificador 4 sejam filtradas pelos filtros ativo e passivo sem que atinja o gerador de indução 2, o qual também pode ser, portanto, apropriadamente classificado.
[042] A referência, agora, é à Figura 2, a qual mostra o sistema de abastecimento de potência da figura 1 durante uma fase de partida.
[043] Durante essa fase, os capacitores na fonte de alimentação reativa 6 são carregados progressivamente a fim de evitar um aumento repentino na corrente gerada, causado pela presença desses capacitores.
[044] Conforme a Figura 2 mostra, em uma primeira realização, essa pré-carga pode ser efetuada por meio de uma fonte de corrente direta 15 conectada, através de um comutador 16 e uma resistência 17, à fonte de alimentação reativa 6.
[045] A fonte 15 consiste em baterias, por exemplo.
[046] É igualmente possível efetuar essa pré-carga em vez de uma fonte de corrente alternada 18 conectada por um comutador 19 a um transformador de combinação de voltagem 20, um diodo retificador 21 que converte a corrente que provêm da fonte 18 em uma corrente direta e uma resistência 22 conectadas à fonte de alimentação reativa 6.
[047] Durante a pré-carga, os capacitores 8 associados ao inversor 9 são carregados progressivamente. Quando a fonte de alimentação reativa variável 7 se torna operacional, a mesma, por sua vez, pré-carrega gradualmente os capacitores 12 do filtro passivo 11.
[048] Além do mais, durante essa fase de partida, o inversor 9 é controlado pelo circuito de controle 5 para carregar os capacitores de filtro 23 na saída do retificador 4 e para magnetizar o gerador 2 vagarosamente, levando a um aumento gradual consequente na voltagem de saída do retificador. Quando um nível de voltagem nominal é atingido na saída do retificador, a unidade de controle 5 fecha um disjuntor 24 para suprir potência para uma barra de voltagem CC B (Figura 3).
[049] Conforme a Figura 4 mostra, durante uma operação nominal do sistema de fonte de alimentação, o gerador 2 liberando potência ativa P ao retificador 4, o qual converte a voltagem CA, fornecida na saída do gerador, em uma voltagem CC.
[050] Além do mais, conforme indicado previamente, a potência reativa Q necessária para magnetizar o gerador 2 é suprida, por um lado, pela fonte variável 7 e, por outro lado, pela fonte fixa 11.
[051] O nível de voltagem fornecida na saída do sistema do abastecimento de potência é controlado através do inversor 9. Consequentemente, uma proporção fixa da potência reativa é suprida pela fonte fixa 11, o restante é suprido, de maneira controlada, pela fonte variável 7 para controlar o nível de voltagem de saída, e o número de transistores IGBT necessário para magnetizar o gerador 2 pode, então, ser reduzido.
[052] Além do mais, a potência de deformação D que contém correntes harmônicas que provêm do retificador 4, por um lado, e do inversor 9, por outro lado, é filtrada na fonte de alimentação reativa 6.
[053] Conforme mostrado na Figura 5, a qual mostra a evolução da voltagem e da corrente em pontos característicos do circuito do sistema de abastecimento de potência, a voltagem de saída do sistema de fonte de alimentação na saída do retificador 4 evolui, vagarosamente, até o valor nominal durante a sequência de partida.
[054] A corrente que flui em direção aos filtros e, notavelmente, em direção ao filtro ativo, tem um nível relativamente alto de distorção harmônica (curva C2). Por outro lado, a voltagem na saída do gerador 2 tem um nível baixo de distorção harmônica devido à filtração efetuada na fonte de alimentação reativa.
[055] De fato, referindo-se à Figura 6, a curva C4 mostra que é possível obter, na saída do gerador 2, uma corrente sem conteúdo harmônico se um componente C5, complementar ao de um sinal ideal livre de distorção, for injetado no sinal C6 que provém do retificador.
[056] Será observado que a invenção que foi descrita e, notavelmente, o filtro ativo 7, podem ser usados para dar a partida abruptamente o motor alternador a fim de limitar os efeitos ligados às tensões termomecânicas na linha de haste A, mantendo-se a velocidade do motor alternador na velocidade de avanço paulatino durante a desaceleração ou o acionamento do motor alternador até a velocidade de avanço paulatino durante a aceleração na partida do motor alternador.
[057] Nesse modo de operação, o filtro ativo que é usado como um inversor de voltagem com base em IGBT é responsável pelo abastecimento de potência ao gerador 2 para operá-lo como um motor. Portanto, na partida do motor alternador, o inversor do filtro ativo supre o torque necessário para dar a partida à haste A, e então, aciona o gerador assíncrono até à velocidade de avanço paulatino. Após a velocidade de avanço paulatino ter sido atingida, os meios de motor 3 assumem para manter a rotação e a aceleração da linha de haste A.
[058] De modo similar, ao parar o sistema, quando os meios de motor 3 desaceleraram e estão em marcha de roda livre, e quando a linha de haste atingiu a velocidade de avanço paulatino, o inversor 9 assume e aciona o gerador assíncrono para manter a velocidade de avanço paulatino.
Reivindicações
Claims (14)
1. SISTEMA PARA SUPRIR ENERGIA ELÉTRICA, a uma carga incluindo um gerador assíncrono (2) que inclui um rotor de gaiola de esquilo destinado a ser acionado por meios de motor (3) e um retificador (4) adaptado para retificar a voltagem fornecida pelo gerador, sendo que o sistema é caracterizado pelo fato de que o retificador é um retificador que emprega componentes eletrônicos unidirecionais e de que o mesmo inclui uma fonte de alimentação reativa (6) para magnetizar o gerador assíncrono.
2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que o rotor é um rotor de gaiola de esquilo.
3. SISTEMA, de acordo com uma das reivindicações 1 ou 2, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação reativa inclui uma fonte de alimentação reativa variável (7) .
4. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 3, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação reativa variável (7) constitui meios para controlar a voltagem de saída do retificador.
5. SISTEMA, de acordo com uma das reivindicações 3 e 4, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação reativa variável (7) inclui um inversor de voltagem (9) que emprega transistores bipolares de portas isoladas e pelo menos um capacitor (8) .
6. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação reativa inclui, adicionalmente, uma fonte de alimentação reativa fixa (11).
7. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 6, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação reativa fixa inclui um circuito RLC (12, 13, 14).
8. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 e 7, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação reativa fixa (11) constitui meios para filtrar correntes harmônicas que provêm da fonte de alimentação reativa variável (7).
9. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 8, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a fonte de alimentação reativa (6) constitui meios para filtrar correntes harmônicas que provêm do retificador (4).
10. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que o mesmo inclui um circuito (15; 18) para carregar, gradualmente, capacitores da fonte de alimentação reativa variável associados a um conjunto de comutadores (24) para suprir potência elétrica a uma barra de voltagem CC (B).
11. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que o mesmo inclui um conjunto de capacitores de filtro (23) conectados à saída do retificador (4).
12. SISTEMA, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que os componentes elétricos unidirecionais são diodos ou tiristores.
13. MÉTODO PARA SUPRIR ENERGIA ELÉTRICA, a uma carga por meio de um sistema de fonte de alimentação elétrico que inclui um gerador assíncrono (2) incluindo um rotor de gaiola de esquilo acionado por meios de motor (3) e um retificador que emprega componentes eletrônicos unidirecionais adaptados para retificar a voltagem fornecida pelo gerador, sendo que o método é caracterizado pelo fato de que o gerador assíncrono é magnetizado por uma fonte de alimentação reativa (6).
14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 13, para suprir potência elétrica a uma carga, caracterizado pelo fato de que a dita fonte de alimentação reativa inclui uma fonte de alimentação reativa variável (7) que inclui um inversor de voltagem (9) e o dito inversor de voltagem aciona, em rotação, uma haste (A) acoplada ao gerador e os meios de motor até a uma velocidade de avanço paulatino do gerador assíncrono para dar a partida ou desacelerar o sistema de fonte de alimentação.
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