BR102015029792A2 - circuito elétrico e sistema de potência elétrica - Google Patents

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Abstract

resumo “circuito elétrico e sistema de potência elétrica” a presente invenção refere-se a um circuito elétrico (160; 300; 500) de um conversor de potência (106;108;110) que inclui um primeiro dispositivo de comutação (132;582) próximo a uma fonte ac 9104). o circuito também inclui um dispositivo de medição de tensão (154) próximo a um elo dc (112;312) e se estende entre a fonte ac e o elo dc. o circuito inclui adicionalmente uma fonte de tensão dc (152) e um primeiro dispositivo capacitivo (134;584). o primeiro dispositivo capacitivo fica posicionado entre o primeiro dispositivo de comutação e o dispositivo de medição de tensão. o circuito inclui adicionalmente um segundo dispositivo de comutação (132;582) posicionado entre o primeiro dispositivo capacitivo e o dispositivo de medição de tensão. o circuito também inclui um controlador (120) operativamente acoplado à fonte de tensão dc, ao dispositivo de medição de tensão, e aos dispositivos de comutação. o controlador é configurado para abrir o segundo dispositivo de comutação quando um sinal de tensão medido gerado pelo dispositivo de medição de tensão for substancialmente representativo de um valor de tensão de referência.

Description

“CIRCUITO ELÉTRICO E SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA” Antecedentes [001] O campo revelação refere-se, de modo geral, a um equipamento conversor de potência elétrica, mais particularmente, a um sistema e método para a operação de conversores multiníveis.
[002] Muitos conversores de potência de múltiplos níveis conhecidos estão em uso em várias indústrias e para uma variedade de propósitos para a conversão de potência elétrica. Especificamente, o termo “conversor multinível” se refere a um conversor que podem operar em um modo inversor e em um modo retificador. Um setor técnico onde conversores de potência multiníveis conhecidos são usados é a indústria de transmissão de velocidade variável (VSD) de média tensão (MV), em que MV VSDs são comumente implantadas em muitas instalações de processamento variadas, por exemplo, indústrias como a indústria de geração de potência elétrica. MV VSD’s facilitam o controle de processo rápido e preciso com consumo de energia inferior, ambos os resultados tipicamente não obteníveis através de dispositivos como motores de transmissão de velocidade constante.
[003] Outro setor técnico em que conversores de potência multiníveis conhecidos são usados é a indústria de transmissão e distribuição de potência elétrica. Pelo menos algumas das instalações de transmissão e distribuição de potência elétrica conhecidas são fisicamente posicionadas em uma região geográfica remota ou em uma área onde o acesso físico é difícil. Um exemplo inclui instalações de transmissão e distribuição de potência elétrica geograficamente localizadas em terreno irregular e/ou remoto, por exemplo, encostas montanhosas, longas distâncias de redes de energia elétrica, e submersas, por exemplo, instalações de exploração e recuperação de petróleo e gás ao largo da costa. Muitas dessas instalações de transmissão e distribuição de potência elétrica incluem uma montagem de conversão de potência separada, ou sistema, eletricamente acoplado a uma fonte de potência de corrente alternada (AC), por exemplo, uma rede elétrica. Tais montagens de conversão de potência conhecidas incluem uma porção de retificador que converte a AC transmitida pela rede elétrica em corrente contínua (DC) e uma porção de inversor que converte a DC em AC de uma frequência e amplitude de tensão predeterminadas. A porção de retificador e a porção de inversor utilizam conversores de potência multiníveis que podem se deslocar entre operar como um retificador e operar como um inversor. A maioria dos conversores multiníveis conhecidos inclui dispositivos de comutação baseados em semicondutor, por exemplo, tiristores, que incluem transistores bipolares com porta isolada (IGBTs). As porções de retificador e inversor são tipicamente eletricamente acopladas através de um elo DC de média tensão (MVDC) ou um elo DC de alta tensão (HVDC).
[004] Várias topologias de conversores multiníveis conhecidas estão em serviço o estão disponíveis para serviço. Muitos elos DC de conversores multiníveis conhecidos incluem capacitores para facilitar o nivelamento de tensão DC dentro do elo DC para estabilizar a transmissão de potência entre os conversores multiníveis. Esses capacitores são referidos como “capacitores flutuantes” no presente documento. As tensões dos capacitores flutuantes variam ao longo da operação dos conversores multiníveis associados visto que a operação dos dispositivos de comutação no conversor varia. Também, o padrão de tensão de saída e a tensão de bloqueio de cada dispositivo de comutação são determinados pelas tensões de capacitor flutuante. Para obter a saída de multinível apropriada com baixa distorção harmônica e impedir que os dispositivos alcancem condições de sobretensão, as tensões de capacitor flutuante são mantidas em ou próximas a determinados níveis de tensão, que são normalmente definidos como referências, ou tensões de referência para os capacitores flutuantes através de todos os modos de operação dos conversores multiníveis, inclusive inicialização. Entretanto, os valores de tensão dos capacitores flutuantes antes de colocar os conversores multiníveis em serviço são relativamente baixos comparado com as tensões de operação, e podem ser tão baixos quanto zero volt.
[005] Com isso, as tensões de capacitor flutuante são pré-carregadas nas referências ou referências próximas, primeiramente, antes de os conversores multiníveis começarem a ser comutados. De outro modo, a vida útil dos dispositivos de comutação pode ser reduzida mediante exposição a condições de sobretensão. Tradicionalmente, o procedimento de pré-carregamento exige um sensor de tensão em cada capacitor flutuante. À medida que as taxas dos níveis de tensão associados a dispositivos de comutação de conversor multinível aumentam com as potências dos conversores, o número de capacitores flutuantes também aumenta apropriadamente. Portanto, mais sensores de tensão são necessários, isso aumenta os custos de montagem e manutenção dos conversores multiníveis e recursos de canais de entrada adicionais associados ao controlador aumentam ainda mais o custo.
Breve Descrição [006] Em um aspecto, proporciona-se um circuito elétrico de um conversor de potência. O circuito elétrico inclui um elemento eletricamente condutivo e um primeiro dispositivo de comutação acoplado ao elemento eletricamente condutivo próximo a uma fonte de corrente alternada (AC). O circuito elétrico também inclui um dispositivo de medição de tensão acoplado ao elemento eletricamente condutivo próximo a um elo de corrente contínua (DC). O circuito elétrico se estende entre a fonte AC e o elo de DC. O circuito elétrico inclui adicionalmente uma fonte de tensão DC acoplada ao elemento eletricamente condutivo. O circuito elétrico também inclui um primeiro dispositivo capacitivo acoplado ao elemento eletricamente condutivo. O primeiro dispositivo capacitivo fica posicionado entre o primeiro dispositivo de comutação e o dispositivo de medição de tensão. O circuito elétrico inclui adicionalmente um segundo dispositivo de comutação acoplado ao elemento eletricamente condutivo. O segundo dispositivo de comutação fica posicionado entre o primeiro dispositivo capacitivo e o dispositivo de medição de tensão. O circuito elétrico também inclui um controlador operativamente acoplado à fonte de tensão DC, ao dispositivo de medição de tensão, ao primeiro dispositivo de comutação e ao segundo dispositivo de comutação. O controlador é configurado para abrir o segundo dispositivo de comutação quando um sinal de tensão medido gerado pelo dispositivo de medição de tensão for substancialmente representativo de um valor de tensão de referência.
[007] Em um aspecto adicional, proporciona-se um método para operar um conversor de potência que inclui circuito elétrico. O circuito elétrico inclui uma primeira porção próxima a uma fonte de corrente alternada (AC) e uma segunda porção próxima a um elo de corrente contínua (DC). O método inclui abrir um primeiro dispositivo de comutação próximo à primeira porção, desse modo, substancialmente isolando eletricamente o circuito elétrico da fonte AC. O método também inclui induzir uma tensão DC próximo à segunda porção e carregar um primeiro dispositivo capacitivo em um primeiro valor de tensão predeterminado. O primeiro dispositivo capacitivo fica posicionado entre o primeiro dispositivo de comutação e um segundo dispositivo de comutação. O método inclui adicionalmente medir a tensão próxima à segunda porção e abrir o segundo dispositivo de comutação quando a tensão medida induzida na segunda porção for substancialmente igual a um primeiro valor de tensão de referência.
[008] Em outro aspecto, proporciona-se um sistema de potência elétrica. O sistema de potência elétrica inclui uma fonte de corrente alternada (AC), um elo de corrente contínua (DC), e um primeiro conversor de potência que compreende um circuito elétrico que se estende entre a fonte AC e o elo DC. O circuito elétrico inclui um elemento eletricamente condutivo e um primeiro dispositivo de comutação acoplado ao elemento eletricamente condutivo próximo à fonte AC. O circuito elétrico também inclui um dispositivo de medição de tensão acoplado ao elemento eletricamente condutivo próximo ao elo DC. O circuito elétrico se estende entre a fonte AC e o elo DC. O circuito elétrico inclui adicionalmente uma fonte de tensão DC acoplada ao elemento eletricamente condutivo e um primeiro dispositivo capacitivo acoplado ao elemento eletricamente condutivo. O primeiro dispositivo capacitivo fica posicionado entre o primeiro dispositivo de comutação e o dispositivo de medição de tensão. O circuito elétrico também inclui um segundo dispositivo de comutação acoplado ao elemento eletricamente condutivo. O segundo dispositivo de comutação fica posicionado entre o primeiro dispositivo capacitivo e o dispositivo de medição de tensão. O circuito elétrico inclui adicionalmente um controlador operativamente acoplado à fonte de tensão DC, ao dispositivo de medição de tensão, ao primeiro dispositivo de comutação, e ao segundo dispositivo de comutação. O controlador é configurado para abrir o segundo dispositivo de comutação quando um sinal de tensão medido gerado pelo dispositivo de medição de tensão for substancialmente representativo de um valor de tensão de referência.
Desenhos [009] Essas e outras características, aspectos e vantagens da presente revelação se tornarão melhor entendidos quando a seguinte descrição detalhada for lida com referência aos desenhos anexos em que caracteres similares representam partes similares ao longo dos desenhos, em que: A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema de potência elétrica exemplifícativo; A Figura 2 é uma vista modular esquemática de uma porção de um conversor de potência multinível exemplificativo que pode ser usada com o sistema de potência elétrica mostrado na Figura 1; A Figura 3 é uma vista modular esquemática de um circuito elétrico exemplificativo que inclui um ramo de fase e um elo DC do conversor de potência multinível mostrado na Figura 2; A Figura 4 é um fluxograma de um método exemplificativo de operar o circuito elétrico mostrado na Figura 3; A Figura 5 é uma vista gráfica de uma mudança na tensão do elo DC mostrado na Figura 3 como uma função de tempo à medida que o método mostrado na Figura 4 progride; A Figura 6A é uma vista modular esquemática de um circuito elétrico alternativo que inclui um ramo de fase do conversor de potência multinível mostrado na Figura 2; A Figura 6B é uma continuação da Figura 6A; A Figura 7 é um fluxograma de um método exemplificativo de operar o circuito elétrico mostrado nas Figuras 6A e 6B; A Figura 8 é uma vista esquemática modular de outro circuito elétrico alternativo que inclui um ramo de fase do conversor de potência multinível mostrado na Figura 2; e A Figura 9 é um fluxograma de um método exemplificativo de operar o circuito elétrico mostrado na Figura 8.
[010] Exceto onde indicado em contrário, os desenhos fornecidos no presente documento pretendem ilustrar características de realizações dessa revelação. Acredita-se que essas características sejam aplicáveis em uma ampla variedade de sistemas que compreendem uma ou mais realizações dessa revelação. Com isso, os desenhos não pretendem incluir todas as características convencionais conhecidas pelos elementos versados na técnica conforme exigido para a prática das realizações descritas no presente documento.
Descrição Detalhada [011] No seguinte relatório descritivo e nas reivindicações, será feita referência a inúmeros termos, que devem ser definidos como tendo os seguintes significados.
[012] As formas no singular “um”, “uma” e “o” incluem referências no plural exceto onde o contexto indicar claramente em contrário.
[013] Opcional” ou “opcionalmente” significa que o evento ou circunstância subsequentemente descrito pode ou não ocorrer, e que a descrição inclui casos onde o evento ocorre e casos onde o mesmo não ocorre.
[014] A linguagem de aproximação, conforme usado ao longo do relatório descritivo e reivindicações, pode ser aplicada para modificar qualquer representação quantitativa que poderia variar aceitavelmente sem resultar em uma mudança na função básica à qual estão relacionados. Consequentemente, um valor modificado por um termo ou termos, como “cerca de”, “aproximadamente” e “substancialmente”, não deve ser limitado ao valor preciso especificado. Em pelo menos alguns casos, a linguagem de aproximação pode corresponder à precisão de um instrumento para medir o valor. Aqui e ao longo do relatório descritivo e reivindicações, limitações de faixa podem ser combinadas e/ou intercambiadas, tais faixas são identificadas e incluem todas as subfaixas contidas nos mesmos, exceto onde o contexto ou linguagem indicar em contrário.
[015] Conforme usado no presente documento, os termos “processador” e “computador” e termos relacionados, por exemplo, “dispositivo de processamento”, “dispositivo de computação”, e “controlador” não são limitado apenas àqueles circuitos integrados referidos na técnica como um computador, porém se referem amplamente a um microcontrolador, um microcomputador, um controlador lógico programável (PLC), um circuito integrado de aplicação específica, e outros circuitos programáveis, e esses termos são usados de maneira intercambiável no presente documento. Nas realizações descritas no presente documento, memória pode incluir, porém não se limita a, um meio legível por computador, como uma memória de acesso aleatório (RAM) e um meio não volátil legível por computador, como memória flash. Alternativamente, um disquete, um disco compacto - memória de leitura (CD-ROM), um disco magneto-óptico (MOD), e/ou um disco versátil digital (DVD) também podem ser usados. Também, nas realizações descritas no presente documento, canais de entrada adicionais podem ser, mas não se limitam a, periféricos de computador associados a uma interface de operador como um mouse e um teclado. Alternativamente, outros periféricos de computador que também podem ser usados podem incluir, por exemplo, mas não se limitam a, um scanner. Ademais, na realização exemplificativa, canais de saída adicionais podem incluir, mas não se limitam a, um monitor de interface com o operador.
[016] Ademais, conforme usado no presente documento, os termos “software” e “firmware” são intercambiáveis, e incluem qualquer programa de computador armazenado em memória para execução por computadores pessoais, estações de trabalho, clientes e servidores.
[017] Conforme usado no presente documento, o termo “meio legível por computador não temporário” pretende ser representativo de qualquer dispositivo baseado em computador tangível implementado em qualquer método ou tecnologia para armazenamento de informações de curto prazo e longo prazo, como, instruções legíveis por computador, estruturas de dados, módulos e submódulos de programa, ou outros dados em qualquer dispositivo. Portanto, os métodos descritos no presente documento podem ser codificados como instruções executáveis incorporadas em um meio legível por computador tangível não temporário que incluem, sem limitação, um dispositivo de armazenamento e/ou um dispositivo de memória. Tais instruções, quando executadas por um processador, fazem com que o processador realize pelo menos uma porção dos métodos descritos no presente documento. Ademais, conforme usado no presente documento, o termo “meio legível por computador não temporário” inclui todos os meios legíveis por computador tangíveis, inclusive, sem limitação, dispositivos de armazenamento de computador não temporários, inclusive, sem limitação, meios voláteis e não voláteis e meios removíveis e não removíveis como um firmware, armazenamento físico e virtual, CD-ROMs, DVDs, e qualquer outra fonte digital como uma rede ou a Internet, bem como meios digitais que ainda serão desenvolvidos, com a única exceção sendo um sinal de propagação temporário.
[018] Ademais, conforme usado no presente documento, o termo “tempo real” se refere a pelo menos uma parte do tempo de ocorrência dos eventos associados, o tempo de medição e coleta de dados predeterminados, o tempo para processar os dados e o tempo de uma resposta de sistema aos eventos e ao ambiente. Nas realizações descritas no presente documento, essas atividades e eventos ocorrem substancialmente de maneira instantânea.
[019] Os conversores de potência multiníveis descritos no presente documento proporcionam a redução do número de sensores de tensão exigido para monitorar a operação de capacitores flutuantes durante operações de pré-carregamento quando coloca-se os conversores multiníveis associados em serviço. Também, como as realizações exemplificativas nessa descrição indicam, os sistemas e métodos descritos no presente documento não são limitados a uma única topologia de conversor multinível. Por exemplo, os sistemas e métodos revelados no presente documento podem ser usados com topologias multicellular converter (MC), topologias stacked multicell converter (SMC), topologias active neutra! point clamped converter (ANPC), e topologias de conversor neutral point piloted. Com isso, o número de sensores de tensão para os capacitores flutuantes é reduzido e o número de canais de entrada/safda (1/0) para os controladores associados é reduzido, assim, reduzindo o cabeamento e a fiação associados. Com isso, os custos de configuração e recursos de processamento associados são reduzidos. Portanto, os custos de montagem de conversores multiníveis são reduzidos.
[020] A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema de potência elétrica exemplificativo 100. O sistema de potência elétrica 100 inclui uma primeira fonte de corrente alternada (AC) 102, uma segunda fonte de corrente alternada (AC) 104 e um conversor multinível 106 acoplado entre as mesmas. Em algumas realizações alternativas, a fonte AC 104 é substituída por uma carga, ou um sistema de cargas. O conversor multinível 106 inclui um retificador multinível 108, um inversor multinível 110, e um elo de corrente contínua (DC) 112 entre os mesmos e acoplado ao retificador 108 e inversor 110. Na realização exemplificativa, o retificador multinível 108 e inversor multinível 110 são substancialmente conversores de potência multiníveis similares e são configurados para comutação a partir de operação de retificação para operação de inversão e o reverso. Portanto, a conversão de potência elétrica entre AC e DC e a transmissão de potência elétrica associada é bidirecional como indicado pelas setas 114. O retificador multinível 108, inversor multinível 110, e o elo DC 112 são construídos com quaisquer componentes com qualquer configuração que permita a operação de sistema de potência elétrica 100 e conversor multinível 106 como descrito no presente documento. Na realização exemplificativa, o sistema de potência elétrica 100 é um sistema de três fases com a fase A, fase B e fase C mostradas. Alternatívamente, o sistema de potência elétrica 100 tem qualquer configuração que permite a operação como descrito no presente documento, inclusive, e sem limitação, única fase e múltiplas fases (mais fases ou menos fases que uma configuração de três fases).
[021] O conversor multinível 106 também inclui um controlador 120. O controlador 120 inclui um dispositivo de memória 122 e um processador 124 operativamente acoplado ao dispositivo de memória 122 para executar instruções. Em algumas realizações, as instruções executáveis são armazenadas no dispositivo de memória 122. O controlador 120 é configurável para realizar uma ou mais operações descritas no presente documento ao programar o processador 124. Por exemplo, o processador 124 pode ser programado ao codificar uma operação como uma ou mais instruções executáveis e fornecer as instruções executáveis no dispositivo de memória 122. Na realização exemplificativa, o dispositivo de memória 122 é um ou mais dispositivos que permitem o armazenamento e recuperação de informações como instruções executáveis e/ou outros dados. O dispositivo de memória 122 pode incluir um ou mais meios legíveis por computador. O dispositivo de memória 122 pode ser configurado para armazenar medições operacionais associadas ao sistema de potência elétrica 100 inclusive, sem limitação, valores de tensão em tempo real e históricos, e/ou quaisquer outros tipos de dados. Também, o dispositivo de memória 122 inclui, sem limitação, dados, algoritmos e comandos suficientes para facilitar a operação de conversor multinível 106 como descrito no presente documento. Em alguma realização, o controlador 120 inclui um circuito comparador 126 (descrito adicionalmente abaixo).
[022] A Figura 2 é uma vista modular esquemática de uma porção de conversor de potência multinível 106 que pode ser usada com o sistema de potência elétrica 100 (mostrado na Figura 1) e tomada na área 2 (mostrada na Figura 1). Especificamente, uma porção de inversor multinível 110 e uma porção de elo DC 112 são mostradas. O elo DC 112 inclui um dispositivo de elo DC 130 que inclui pelo menos um dentre, sem limitação, um ou mais capacitores em um banco de capacitores e um dispositivo de bateria (não mostrado). Na realização exemplificativa, o elo DC 112 também inclui um trilho DC positivo 129 e um trilho DC negativo 131 paralelos um ao outro. Alternativamente, o elo DC 112 inclui qualquer número de trilhos que permita a operação de conversor de potência multinível 106 e de sistema de potência elétrica 100 conforme descrito no presente documento, inclusive, sem limitação, três trilhos, isto é, trilho positivo 129, trilho negativo 131 e um trilho neutro (tal configuração discutida adicionalmente abaixo).
[023] O inversor multinível 110 inclui uma pluralidade de dispositivos de comutação, isto é, células de comutação 132 e uma pluralidade de dispositivos capacitivos, isto é, células de capacitor 134. As células de comutação 132 incluem qualquer número e qualquer tipo de dispositivos de comutação baseados em semicondutor, inclusive, sem limitação, transistores bipolares com porta isolada (IGBTs). As células de capacitor 134 incluem capacitores flutuantes. As células de comutação 132 e células de capacitor 134 são mostradas em uma configuração aninhada, isto é, na realização exemplificativa, uma configuração em série para simplicidade que define três, substancialmente ramos de fase similares 136, 138 e 140 para a fase A, fase B, e fase C, respectivamente. Entretanto, as células 132 e 134 têm qualquer configuração que permita a operação de conversor de potência multinível 106, por exemplo, e sem limitação, uma configuração aninhada que inclui células paralelas.
[024] O conversor de potência multinível 106 também inclui um sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 150 que inclui um dispositivo de tensão DC, isto é, um pré-carregador DC 152 e um dispositivo de medição de tensão 154. O pré-carregador DC 152 é acoplado a ramos de fase 136, 138 e 140 através de uma pluralidade de elementos eletricamente condutores 156. Portanto, o pré-carregador DC 152 é configurado para energizar e carregar todos os capacitores flutuantes em células de capacitor 134 para todos os três ramos de fase 136, 138 e 140 e o dispositivo de elo DC 130 no elo DC 112, substancialmente de maneira simultânea. O dispositivo de medição de tensão 154 é acoplado ao dispositivo de elo DC 130 em uma configuração que facilita a medição da tensão total através do dispositivo de elo DC 130 que se estende entre o trilho DC positivo 129 e o trilho DC negativo 131 no elo DC 112. O dispositivo de medição de tensão 154 é qualquer instrumento que permite a operação de conversor de potência multinível 106 e sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 150 como descrito no presente documento, inclusive, sem limitação, um transdutor de tensão. O sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 150 também inclui pelo menos uma porção de controlador 120.
[025] A Figura 3 é uma vista modular esquemática de um circuito elétrico 160 que inclui o ramo de fase 136 e elo DC 112 com uma topologia de conversor multicelular (MC). O ramo de fase 136 e a porção de elo DC 112 mostradas formam o circuito elétrico 160. Os ramos de fase 138 e 140 (ambas mostradas na Figura 2) são substancialmente similares. Portanto, os circuitos elétricos associados também são substancialmente similares. O circuito elétrico 160 inclui um primeiro elemento eletricamente condutivo 162 acoplado ao trilho DC positivo 129 e um segundo elemento eletricamente condutivo 164 acoplado ao trilho DC negativo 131. O primeiro elemento eletricamente condutivo 162 e o segundo elemento eletricamente condutivo 164 são paralelos um ao outro, assim, definindo um circuito de dois níveis com o primeiro elemento eletricamente condutivo 162 positivamente carregado e o segundo elemento eletricamente condutivo 164 negativamente carregado.
[026] Cada célula de comutação 132 (mostrada como “célula S”) fica posicionada ao longo de elementos 162 e 164 para facilitar o isolamento de uma célula de capacitor associada 134 (mostrada como “Célula C) ao abrir e interromper uma porção de elementos 162 e 164. Na realização exemplificativa, há um total de “n” células S 132 e um total de “n-1” Células C 134, onde n é um número inteiro positivo começando em 1. Uma primeira célula de comutação 132, isto é, Célula S 1 (n=1) fica posicionada próxima, isto é, mais próxima à fase A de segunda fonte de corrente alternada 104 em uma primeira porção 166 e é configurada para isolar todos os componentes no ramo de fase 136 da fonte 104. A Célula S 1 é representada por dois comutadores Si. Uma segunda porção 168 de circuito elétrico 160 é definida pelo dispositivo de elo DC 130.
[027] Também, na realização exemplificativa, uma primeira célula de capacitor 134, isto é, Célula C 1 fica posicionada entre a Célula S 1 e o dispositivo de medição de tensão 154 de modo que a Célula S 1 na posição aberta, o pré-carregador DC 152 e a fase A de fonte 104 sejam eletricamente isolados uns dos outros. O restante de Células S de 2 a n é fechado, assim, as mesmas são controladas para serem condutoras. A Célula C 1 é representada por um capacitor Ci. Também, quando a Célula C 1 estiver sendo carregada pelo pré-carregador DC 152, o dispositivo de medição de tensão 154 gera um sinal de tensão substancialmente representativo de uma tensão na Célula C 1 carregada e transmite o sinal ao controlador 120. Mais especificamente, o dispositivo de medição de tensão 154 gera um sinal de tensão substancialmente representativo de uma tensão sobre o dispositivo de elo DC 130 que é representativo da tensão sobre a Célula C 1 carregada como determinado pelo controlador 120 com base nas propriedades elétricas conhecidas do ramo de fase 136 entre a Célula C 1 e o dispositivo de medição de tensão 154.
[028] Um segundo dispositivo de comutação, isto é, Célula S 2 fica posicionado entre a Célula C 1 e o dispositivo de medição de tensão 154 de modo que uma vez que a Célula C 1 é apropriadamente carregada, isto é, obtém uma tensão de referência predeterminada, a Célula S 2 seja configurada para abrir e isolar a Célula C 1 do pré-carregador DC 152. A célula S 2 é representada por um par de comutadores S2. O controlador 120 gera os sinais de controle para operar as células de comutação 132 como uma função de sinais recebidos do dispositivo de medição de tensão 154. A Célula C 2 fica posicionada entre a Célula S 2 e uma Célula S 3. Tal posicionamento alternado e em série de Células S 132 e Células C 134 continua até a Célula S n+1 que sucede a Célula C n.
[029] A Figura 4 é um fluxograma de um método exemplificativo 200 de operar o circuito elétrico 160, inclusive o ramo de fase 136, dispositivo de elo DC 130, e sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 150 (todos mostrados na Figura 3).
[030] Com referência às Figuras 3 e 4, o método 200 inclui uma primeira etapa de inicialização 202 de sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 150. A inicialização 202 inclui ajustar o dispositivo de comutação Si de Célula S 1 para zero, isto é, desligar a Célula S 1 para um estado não condutor similar a um circuito aberto e ajustar os dispositivos de comutação S2 de Célula S 2 através de dispositivos de comutação Sn de Célula S n para um, isto é, um estado condutor similar a um interruptor fechado. O método 200 também inclui energizar 204 o pré-carregador DC 150 e medir a tensão sobre o dispositivo de elo DC 130 pelo dispositivo de medição de tensão 154, enviar o sinal de tensão para o controlador 120, e determinar a tensão sobre o dispositivo capacitivo carregado Ci de Célula C 1 através do controlador 120. O método 200 inclui adicionalmente ajustar 206 i igual a 2 (i = 2). Ademais, o método 200 inclui determinar 208, através do controlador 120, que a tensão de pré-carregamento sobre a Célula C 1 como medido sobre o dispositivo de elo DC 130 pelo dispositivo de medição de tensão 154 como descrito acima, isto é, VDc é maior ou igual à tensão de referência predeterminada para a Célula C 1, isto é, Vref,i, onde cada célula de capacitor ou célula 134 tem uma tensão de referência diferente Vref,j, isto é, VDc ^ Vrefj- se essa condição não for satisfeita, o controlador 120 retorna para a etapa de método 208 após um período temporal predeterminado até a condição ser satisfeita.
[031] Uma vez que a condição descrita na etapa de método 208 é satisfeita, o método 200 inclui deslocar 210 os dispositivos de comutação S2 de Célula S 2 a partir do estado condutor (1) para o estado não condutor (0) (desse modo, isolando eletricamente a Célula C 1) e aumentar i em um, isto é, i = i+1. Então, o método 200 inclui determinar 212 i < n. Desde que i seja menor que n, a comparação de tensão é feita e as Células S são abertas sequencialmente movendo-se a partir da direita para a esquerda até i = n. Uma vez que i = n, isto é, a Célula S n é aberta, o método 200 prossegue para determinar 214 VDc ^ Vref,DC, isto é, o valor de tensão de referência para o dispositivo de elo carregado DC 130 para colocar o ramo de fase 136 em serviço ao fechar a Célula S 1. Tal carregamento de dispositivo 130 pelo pré-carregador DC 152 continua até as condições de etapa de método 214 não serem mais satisfeitas, isto é, Vref,Dc > VDc- Uma vez que o dispositivo 130 está totalmente carregado, o pré-carregador DC 152 é desenergizado 216.
[032] A Figura 5 é uma vista gráfica, isto é, gráfico 250 da mudança em tensão de elo DC como uma função de tempo à medida que o método 200 progride. O gráfico 250 inclui um eixo geométrico y 252 representativo da tensão medida no elo DC 112 como medido pelo dispositivo de medição de tensão 154 (ambos mostrados na Figura 3), onde o eixo geométrico y 252 é sem unidade. O gráfico 250 também inclui um eixo geométrico x 254 representativo de tempo e o eixo geométrico x 254 é sem unidade. Visto que as Células C 134 a partir de i=1 a i = n são carregadas nas tensões predeterminadas associadas, e à medida que a tensão medida no elo DC 112 como medido pelo dispositivo de medição de tensão 154 aumenta constantemente, os dispositivos de comutação associados S a partir de i= 1 ai = n+1 são deslocados a partir do estado condutor (1) para o estado não condutor (0).
[033] A Figura 6A é uma vista modular esquemática de um circuito elétrico alternativo 300 que inclui um ramo de fase alternativo 336, com uma topologia de conversor (ANPC) active neutral point clamped, de conversor de potência multinível 106 (mostrado na Figura 2) e um sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante alternativo 350. A Figura 6B é uma continuação da Figura 6B. O ramo de fase 336 e um elo DC alternativo 312 de circuito elétrico 300. Outros ramos de fase (não mostrados) são substancialmente similares. Portanto, os circuitos elétricos associados também são substancialmente similares. Além de uma primeira porção alternativa 366 próxima à fase A de segunda fonte AC 104 e uma segunda porção alternativa 368 próxima ao dispositivo de elo DC 130, o circuito elétrico 300 inclui um primeiro subcircuito 370 e um segundo subcircuito 372 acoplado ao primeiro subcircuito 370. A primeira porção 366 é substancialmente similar à primeira porção 166 (mostrada na Figura 3). A segunda porção 368 e o elo DC 312 incluem um trilho DC positivo alternativo 329, um trilho DC negativo alternativo 331 e um trilho DC neutro 333. Com isso, o elo DC 312 e a segunda porção 368 definem um sistema de três níveis e o dispositivo de elo DC 330 é mostrado como dois dispositivos substancialmente similares DDc com uma diferença de tensão total de VDc sobre ambos DDcs. Um primeiro dispositivo DDc se estende entre o trilho DC positivo 329 e o trilho DC neutro 333 e um segundo dispositivo DDc se estende entre o trilho DC negativo 331 e o trilho DC neutro 333. Alternativamente, qualquer número de dispositivos DDc é usado com o dispositivo de elo DC 330.
[034] O primeiro subcircuito 370 é similar ao ramo de fase 136 (mostrada na Figura 3). O primeiro subcircuito 370 inclui um primeiro elemento eletricamente condutivo 362 e um segundo elemento eletricamente condutivo 364. O primeiro elemento eletricamente condutivo 362 e o segundo elemento eletricamente condutivo 364 são paralelos um ao outro. Cada célula de comutação 132 (mostrada como “célula S”) fica posicionada ao longo de elementos 362 e 364 para facilitar o isolamento de uma célula de capacitor associada 134 (mostrada como “Célula C”) ao abrir e interromper uma porção de elementos 362 e 364. Na realização exemplificativa, há um total de “n” células S 132 e um total de “n” Células C 134, onde n é um número inteiro positivo começando em 1. Uma primeira célula de comutação 132, isto é, Célula S 1 (n=1) fica posicionada próxima, isto é, mais próxima à fase A da segunda fonte de corrente alternada 104 na primeira porção 366 e é configurada para isolar todos os componentes no ramo de fase 336 da fonte 104. Uma característica distintiva é que após a Célula C η, o primeiro subcircuito 370 não inclui a Célula S n+1. Entretanto, a Célula S n+1 fica posicionada dentro do segundo subcircuito 372.
[035] O segundo subcircuito 372 é um circuito de três níveis, ao contrário do primeiro subcircuito 370 que é um circuito de dois níveis. O segundo subcircuito inclui quatro elementos eletricamente condutores, isto é, terceiro elemento eletricamente condutivo 374, quarto elemento eletricamente condutivo 376, quinto elemento eletricamente condutivo 378, sexto elemento eletricamente condutivo 380. Na realização exemplificativa, o terceiro elemento eletricamente condutivo 374 é positivamente acoplado, o sexto elemento eletricamente condutivo 380 é negativamente acoplado, e o quarto e o quinto elementos eletricamente condutores 376 e 378, respectivamente, são acoplados de maneira neutra. Ademais, o terceiro elemento eletricamente condutivo 374 é acoplado ao trilho DC positivo 329, o sexto elemento eletricamente condutivo 380 é acoplado ao trilho DC negativo 331, e o quarto e quinto elementos eletricamente condutores 376 e 378, respectivamente, são acoplados ao trilho DC neutro 333. Ademais, o terceiro elemento eletricamente condutivo 374, quarto elemento eletricamente condutivo 376, quinto elemento eletricamente condutivo 378, sexto elemento eletricamente condutivo 380 são paralelos uns aos outros.
[036] Também, na realização exemplificativa, uma célula de comutação 382, isto é, célula S n+1 fica posicionada adjacente à Célula C η. A célula de comutação 382 é mostrada em ambas as Figuras 6A e 6B para fornecer uma referência. A Célula S n+1 inclui o dispositivo de comutação Sn+i,2 posicionado adjacente à Célula C de tal modo que o dispositivo de comutação Sn+1,2 é configurado para isolar eletricamente o primeiro subcircuito 370 do segundo subcircuito 372 quando aberto. A segunda subscrição inclui um 2 que indica que os dispositivos de comutação associados não são neutros, onde um 1 indica que os mesmos são neutros. A Célula S n+1 também inclui dois dispositivos de comutação Sn+i,2 acoplados ao terceiro e sexto elementos eletricamente condutores 374 e 380, respectivamente. A Célula S n+1 inclui adicionalmente dois dispositivos de comutação Sn+i,i acoplados ao quarto e quinto elementos eletricamente condutores 376 e 378, respectivamente.
[037] Ademais, na realização exemplificativa, uma célula capacitiva 384, isto é, Célula C n+1 fica posicionada entre a Célula S n+1 e o dispositivo de medição de tensão 154 de tal modo que com a Célula S n+1 na posição aberta, o pré-carregador DC 152 e a fase A de fonte 104 são eletricamente isolados um do outro. Na realização exemplificativa, o dispositivo de medição de tensão 154 se estende entre o trilho DC positivo 329 e o trilho DC negativo 331. Alternativamente, uma pluralidade de dispositivos de medição de tensão 154 é usada para medir a tensão sobre a pluralidade de Ddcs, onde as medições de tensão são somadas no controlador 120. A Célula C 1 é representada por dois capacitores Cn+i, onde um primeiro capacitor Cn+i se estende entre o terceiro e quarto elementos 382 e 384, respectivamente. Similarmente, um segundo capacitor Cn+i se estende entre o quinto e sexto elementos 386 e 388, respectivamente. Um dispositivo de comutação 386, isto é, Célula S n+2 fica posicionado entre a Célula C n+1 e o dispositivo de medição de tensão 154 de tal modo que uma vez que a Célula C n+1 é apropriadamente carregada, isto é, obtém uma tensão de referência predeterminada, a Célula S n+2 é configurada para abrir de moda o isolar a Célula C n+1 do pré-carregador DC 152. A célula S 2 é representada por interruptores S n+2,2 e Sn+2,i de maneira similar aos dispositivos de comutação Sn+i,2 e dispositivos de comutação Sn+i,i associados à Célula S n+1. O controlador 120 gera os sinais de controle para operar células de comutação 382 e 386 como uma função de sinais recebidos do dispositivo de medição de tensão 154. Uma Célula C n+2 fica posicionada entre a Célula S n+2 e uma Célula S n+3. Tal posicionamento alternado e em série de Células S 386 e Células C 384 continua até a Célula S n+m+1 que sucede a Célula C n+m.
[038] A Figura 7 é um fluxograma de um método exemplificativo 400 de operação de circuito elétrico 300, inclusive o ramo de fase 336, dispositivo de elo DC 330, e sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 350 (todos mostrados na Figura 6B). Com referência às Figuras 6A, 6B e 7, o método 400 inclui uma primeira etapa de inicialização 402 de sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 350. A inicialização 402 inclui ajustar os dispositivos de comutação Si na Célula S 1 de primeiro subcircuito 370 para zero, isto é, desligar a Célula S 1 para um estado não condutor similar a um circuito aberto. Similarmente, os dispositivos de comutação Sn+i,i na Célula S n+1 de segundo subcircuito 372 são abertos. Também, os dispositivos de comutação S2 de Célula S 2 através de dispositivos de comutação Sn na Célula S n (não mostrados) de primeiro subcircuito 370 são ajustados para um, isto é, um estado condutor similar a um interruptor fechado. Similarmente, os dispositivos de comutação Sn+i,2 de Célula S n+1 através de dispositivos de comutação Sn+m+i,2 de Célula S n+m+1 de segundo subcircuito 372 são fechados. Ademais, similarmente, os dispositivos de comutação Sn+2,i de Célula S n+2 através de dispositivos de comutação Sn+m+i,i de Célula S n+m+1 de segundo subcircuito 372 são fechados.
[039] O método 400 também inclui energizar 404 o pré-carregador DC 150 e medir a tensão sobre o dispositivo de elo DC 330 pelo dispositivo de medição de tensão 154, enviar o sinal de tensão para o controlador 120, e determinar a tensão sobre a Célula carregada C 1 através do controlador 120. O método 400 inclui adicionalmente ajustar 406 i igual a 2 (i = 2). Ademais, o método 400 inclui determinar 408, através do controlador 120, Vdc ^ Vrefj. A determinação 408 inclui fazer uma determinação que a tensão de pré-carregamento sobre a Célula C 1, isto é, VDc como medido sobre o dispositivo de elo DC 330 pelo dispositivo de medição de tensão 154 como descrito acima, é maior ou igual à tensão de referência predeterminada de Célula C 1, isto é, Vref,i, onde cada célula de capacitor 134 tem uma tensão de referência diferente Vref,j. Se essa condição não for satisfeita, o controlador 120 retorna para a etapa de método 408 após um período de tempo predeterminado até a condição ser satisfeita.
[040] Uma vez que a condição descrita na etapa do método 408 é satisfeita, o método 400 inclui deslocar 410 a Célula S 2 a partir do estado condutor (1) para o estado não condutor (0) (desse modo, isolando eletricamente a Célula C 1) e aumentar i em um, isto é, i = i+1. Então, o método 400 inclui determinar 412 i < n. Desde que i seja menor que n, a comparação de tensão é feita e as Células S são abertas sequencialmente movendo-se a partir da direita para a esquerda até i = n. Uma vez que i = n, isto é, a Célula S n é aberta, o método 400 retorna para a etapa de método 410 e gera i = i + 1 de tal modo quando i é aumentado para n+1 ,as exigências de etapa de método 410 não são mais cumpridas. Entretanto, todos os quatro dispositivos de comutação Sn+i,i de Célula S n+1 (como mostrado nas Figuras 6A e 6B) são abertos, desse modo, isolando eletricamente a Célula C n com o pré-carregamento predeterminado. Os dispositivos de comutação Sn=i,i estavam se abrindo na etapa de método 402 acima. Com isso, nesse ponto no método 400, todas as Células C no primeiro subcircuito 370 são carregadas e eletricamente isoladas e o método 400 prossegue para isolar as Células C no segundo subcircuito 372.
[041] O método 400 inclui adicionalmente determinar 414, através do controlador 120, 0,5*VDc ^ Vrefj- A determinação 414 inclui fazer uma determinação que a tensão de pré-carregamento sobre cada um dos dispositivos capacitivos Cn+i na Célula C n+1, isto é, 0.5*VDc como medido sobre o dispositivo de elo DC 330 pelo dispositivo de medição de tensão 154 como descrito acima, é maior ou igual à tensão de referência predeterminada de Célula C n+1, isto é, Vref,n+i· Se essa condição não for satisfeita, o controlador 120 retorna para a etapa de método 414 após um período de tempo predeterminado até a condição ser satisfeita.
[042] Uma vez que a condição descrita na etapa de método 414 é satisfeita, o método 400 inclui deslocar 416 a Célula S n+2 a partir do estado condutor (1) para o estado não condutor (0) (desse modo, isolando eletricamente a Célula C n+1) e aumentar i em um, isto é, i = i+1. Então, o método 400 inclui determinar 412 i < n. Desde que i seja menor que n, a comparação de tensão é feita e as Células S são abertas sequencialmente movendo-se a partir da direita para a esquerda até i = n + m + 1. Uma vez que i = n + m +1, isto é, a Célula S n+m+1 é aberta, o método 400 retorna para a etapa de método 410 e gera i = i + 1 de tal que modo quando i é aumentado para n+m+2, as exigências da etapa do método 418 não são mais satisfeitas. Com isso, nesse ponto no método 400, todas as Células C no segundo subcircuito 372 são carregadas e eletricamente isoladas e o método 400 prossegue para determinar 420 VDc ^ Vref,Dc, isto é, o valor de tensão de referência de dispositivo de elo carregado DC 330 para colocar o ramo de fase 336 em serviço ao fechar a Célula S 1. Tal carregamento de dispositivo 330 pelo pré-carregador DC 152 continua até as condições da etapa do método 420 não serem mais satisfeitas, isto é, Vref,DC > VDc- Uma vez que o dispositivo 330 é totalmente carregado, o pré-carregador DC 152 é desenergizado 422.
[043] A Figura 8 é uma vista modular esquemática de outro circuito elétrico alternativo 500 que inclui um ramo de fase alternativo 536, com uma topologia neutral point piloted (NPP), de conversor de potência multinível 106 (mostrado na Figura 2) e um sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante alternativo 550. O ramo de fase 536 e elo DC 312 formam o circuito elétrico 500. Outros ramos de fase (não mostrados) são substancialmente similares. Portanto, os circuitos elétricos associados também são substancialmente similares. O circuito elétrico 500 inclui uma primeira porção alternativa 566 próxima à fase A de segunda fonte AC 104 e uma segunda porção alternativa 568 próxima ao dispositivo de elo DC 130. O circuito elétrico 500 é um circuito de três níveis e inclui três elementos eletricamente condutores, isto é, primeiro elemento eletricamente condutivo 574, segundo elemento eletricamente condutivo 576 e terceiro elemento eletricamente condutivo 578. Na realização exemplificativa, o primeiro elemento eletricamente condutivo 574 é positivamente carregado, o terceiro elemento eletricamente condutivo 578 é negativamente carregado e o segundo elemento eletricamente condutivo 576 é neutro. Ademais, o primeiro elemento eletricamente condutivo 574 é acoplado ao trilho DC positivo 329, o terceiro elemento eletricamente condutivo 578 é acoplado ao trilho DC negativo 331 e o segundo elemento eletricamente condutor 576 é acoplado ao trilho DC neutro 333. Ademais, o primeiro elemento eletricamente condutivo 574, o segundo elemento eletricamente condutivo 576 e o terceiro elemento eletricamente condutivo 578 são paralelos uns aos outros.
[044] Na realização exemplificativa, o circuito elétrico 500 também inclui uma pluralidade de células de comutação substancialmente similares 582 (mostradas como “Célula S”) e uma pluralidade de células de capacitor substancialmente similares 584 (mostradas como “Célula C’). Cada célula de comutação 582 fica posicionada ao longo de elementos 574, 576, e 578 para facilitar o isolamento de uma célula de capacitor associada 584 ao abrir e interromper uma porção de elementos 574, 576, e 578. Na realização exemplificativa, há um total de “n+1” células S 582 e um total de “n” Células C 584, onde n é um número inteiro positivo começando em 1. Uma primeira célula de comutação 582 , isto é, Célula S 1 (n=1) fica posicionada próxima, isto é, mais próxima à fase A de segunda fonte de corrente alternada 104 em uma primeira porção 566 e é configurada para isolar todos os componentes no ramo de fase 536 da fonte 104.
[045] Também, na realização exemplificativa, cada célula de comutação 582 inclui um dispositivo de comutação Sj,i acoplado ao primeiro elemento 574, um dispositivo de comutação Sj,i acoplado ao terceiro 578, e um par de dispositivos de comutação em série Sj,2 acoplado ao segundo elemento 576. A segunda subscrição inclui um 2 que indica que os dispositivos de comutação associados são neutros, onde um 1 indica que os mesmos não são neutros. Uma primeira célula de comutação 582, isto é, Célula S 1 (n=1) fica posicionada próxima, isto é, mais próxima à fase A de segunda fonte de corrente alternada 104 na primeira porção 566 e é configurada para isolar todos os componentes no ramo de fase 536 da fonte 104.
[046] Ademais, na realização exemplificativa, uma primeira célula capacitiva 584, isto é, a Célula C 1 fica posicionada entre a Célula S 1 e o dispositivo de medição de tensão 154 de tal modo que com a Célula S 1 na posição aberta, o pré-carregador DC 152 e a fase A de fonte 104 são eletricamente isolados um do outro. A Célula C 1 é representada por dois capacitores Ci, onde um primeiro capacitor Ci se estende entre o primeiro e segundo elementos 574 e 576, respectivamente. Similarmente, um segundo capacitor Ci se estende entre o segundo e terceiro elementos 576 e 578, respectivamente. Um segundo dispositivo de comutação 586, isto é, a Célula S 2 fica posicionado entre a Célula C 1 e o dispositivo de medição de tensão 154 de tal modo que uma vez a Célula C 1 é apropriadamente carregada, isto é, obtém uma tensão de referência predeterminada, a Célula S 2 é configurada para abrir de modo a isolar a Célula C 1 do pré-carregador DC 152. Tal posicionamento alternado e em série de Células S 582 e Células C 584 continua até a Célula S n+1 que sucede a Célula C η. O controlador 120 gera os sinais de controle para operar as células de comutação 582 como uma função de sinais recebidos do dispositivo de medição de tensão 154.
[047] A Figura 9 é um fluxograma de um método exemplificativo 600 de operação de circuito elétrico 500, que inclui o ramo de fase 536, dispositivo de elo DC 530, e sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 550 (todos mostrados na Figura 8). Com referência às Figuras 8 e 9, o método 600 inclui uma primeira etapa de inicialização 602 de sistema de pré-carregamento de capacitor flutuante 550. A inicialização 602 inclui ajustar os dispositivos de comutação e S-i,2 na Célula S 1 para zero, isto é, desligar a Célula S 1 para um estado não condutor similar a um circuito aberto. Também, os dispositivos de comutação S2,i de Célula S 2 através de dispositivos de comutação Sn+-i,i na Célula S n+1 são ajustados para um, isto é, um estado condutor similar a um interruptor fechado. Ademais, os dispositivos de comutação S2,2 de Célula S 2 através de dispositivos de comutação Sn+i,2 na Célula S n+1 são ajustados para zero.
[048] O método 600 também inclui energizar 604 o pré- carregador DC 150 e medir a tensão sobre o dispositivo de elo DC 530 pelo dispositivo de medição de tensão 154, enviar o sinal de tensão para o controlador 120 e determinar a tensão sobre a Célula C 1 carregada através do controlador 120. O método 600 inclui adicionalmente ajustar 606 i igual a 2 (i = 2). Ademais, o método 600 inclui adicionalmente determinar 608, através do controlador 120, 0.5*VDc ^ Vrefj- Se essa condição não for satisfeita, o controlador 120 retorna a etapa de método 608 após um período de tempo predeterminado até a condição ser satisfeita.
[049] Uma vez que a condição descrita na etapa de método 6008 é satisfeita, o método 600 inclui deslocar 610 a Célula S 2 a partir do estado condutor (1) para o estado não condutor (0) (desse modo, isolando eletricamente a Célula C 1) e aumentar i em um, isto é, i = i+1. Então, o método 600 inclui determinar 612 i < n. Desde que i seja menor que n, a comparação de tensão é feita e as Células S são abertas sequencialmente movendo-se a partir da direita para a esquerda até i = n + m + 1. Uma vez que i = n + 1, isto é, a Célula S n +1 é aberta, o método 600 retorna para a etapa de método 610 e gera i = i + 1 de tal que modo quando i é aumentado para n +2, as exigências da etapa do método 610 não são mais satisfeitas. Com isso, nesse ponto no método 600, todas as Células C no ramo de fase 536 são carregadas e eletricamente isoladas e o método 600 prossegue para determinar 614 VDc ^ Vref.Dc, isto é, o valor de tensão de referência de dispositivo de elo carregado DC 530 para colocar o ramo de fase 536 em serviço ao fechar a Célula S n+1. Tal carregamento de dispositivo 530 pelo pré-carregador DC 152 continua até as condições da etapa do método 614 não serem mais satisfeitas, isto é, Vref,Dc > VDc- Uma vez que o dispositivo 530 é totalmente carregado, o pré-carregador DC 152 é desenergizado 616.
[050] Os conversores de potência multiníveis descritos acima proporcionam a redução do número de sensores de tensão exigido para monitorar a operação de capacitores flutuantes durante as operações de pré-carregamento quando os conversores multiníveis associados são colocados em serviço. Também, conforme as realizações exemplificativas nessa revelação indicam, os sistemas e método descritos no presente documento não são limitados a uma única topologia de conversor multinível. Por exemplo, os sistemas e métodos revelados no presente documento podem ser usados com topologias multicellular converter (MC), topologias stacked multicelular converter (SMC), topologias de conversor active neutral point clamped (ANPC), e topologias de conversor neutral point piioted (NPP). Com isso, o número de sensores de tensão para os capacitores flutuantes é reduzido e o número de canais de entrada/saída (l/O) para os controladores associados é reduzido, assim, reduzindo o cabeamento e fiação associados. Com isso, os custos de configuração e recursos de processamento associados são reduzidos. Portanto, os custos de montagem de conversores multiníveis são reduzidos.
[051] Um efeito técnico exemplificativo dos métodos, sistemas e aparelho descritos no presente documento inclui pelo menos um dentre: (a) reduzir o número de sensores de tensão usados em conversores multiníveis; (b) pré-carregar sequencialmente e, então, isolar eletricamente os capacitores flutuantes em cada ramo de fase de conversores multiníveis a um nível de tensão predeterminado utilizando um dispositivo de medição de tensão em um elo DC como a única indicação de tensão para cada capacitor flutuante; (c) reduzir o número de canais l/O e os esforços de cabeamento e configuração de controlador associados; e (d) reduzir o número de componentes que exigem manutenção preventiva e corretiva.
[052] As realizações exemplificativas de métodos, sistemas e aparelho para operar os sistemas de conversão de potência elétrica não são limitadas às realizações específicas descritas no presente documento, porém em vez disso, os componentes de sistemas e/ou etapas dos métodos podem ser utilizados de maneira independente e separada de outros componentes e/ou etapas descritos no presente documento. Por exemplo, os métodos, sistemas e aparelho também podem ser usados em combinação com outros sistemas que exigem operações de pré-carregamento antes de os conversores de potência serem colocados em serviço, e os métodos associados, e não são limitados à pratica com apenas os sistemas e métodos como descrito no presente documento. Em vez disso, a realização exemplificativa pode ser implementada e utilizada em conjunto com muitas outras aplicações, equipamento e sistemas que podem se beneficiar de capacitores de pré-carregamento sem dispositivos de medição de tensão para cada capacitor, por exemplo, e sem exceção, transmissões de velocidade variáveis (VSDs).
[053] Embora as características específicas de várias realizações da revelação possam ser mostradas em alguns desenhos e não em outros, isso serve apenas para conveniência. De acordo com os princípios da revelação, qualquer característica de um desenho pode ser referida e/ou reivindicada em combinação com qualquer característica de qualquer outro desenho.
[054] Algumas realizações envolvem o uso de um ou mais dispositivo eletrônicos ou de computação. Tais dispositivos incluem tipicamente um processador ou controlador, como uma unidade de processamento central de uso geral (CPU), uma unidade de processamento de gráficos (GPU), um microcontrolador, um processador de computador com um conjunto reduzido de instruções (RISC), um circuito integrado de aplicação específicos (ASIC), um circuito logico programável (PLC), e/ou qualquer outro circuito ou processador capaz de executar as funções descritas no presente documento. Os métodos descritos no presente documento podem ser codificados como instruções executáveis incorporadas em um meio legível por computador, inclusive, sem limitação, um dispositivo de armazenamento e/ou um dispositivo de memória. Tais instruções, quando executadas por um processador, fazem com que o processador realize pelo menos uma parte dos métodos descritos no presente documento. Os exemplos acima são apenas exemplificativos e, desse modo, não pretendem limitar de forma alguma a definição e/ou significado do termo processador.
[055] Essa descrição escrita utiliza exemplos para revelar as realizações, inclusive o melhor modo e também para permitir que qualquer elemento versado na técnica pratique as realizações, inclusive produzir e utilizar quaisquer dispositivos ou sistemas e realizar quaisquer métodos incorporados. O escopo patenteável da revelação é definido pelas reivindicações e pode incluir outros exemplos que ocorrem para os elementos versados na técnica. Tais outros exemplos se destinam a estarem dentro do escopo das reivindicações se os mesmos tiverem elementos estruturais que não se diferem da linguagem literal das reivindicações, ou se os mesmos incluírem elementos estruturais equivalentes com diferenças insubstanciais da linguagem literal das reivindicações.
Lista de Partes 100 Sistema de Potência Elétrica 102 Primeira Fonte de Corrente Alternada (AC) 104 Segunda Fonte AC 106Conversor Multinível 108 Retificador Multinível (Conversor de Potência) 110 Inversor Multinível (Conversor de Potência) 112 Elo de Corrente Contínua (DC) 114 Setas 120 Controlador 122 Dispositivo de Memória 124 Processador 126 Circuito Comparador 129 Trilho DC Positivo 130 Dispositivo de Elo DC 131 Trilho DC Negativo 132 Células de Comutação (Dispositivos de Comutação) (Célula S) 134 Células de Capacitor (Dispositivos Capacitivos) (Célula C) 136 Ramo de Fase 138 Ramo de Fase 140 Ramo de Fase 150 Sistema de Pré-carregamento de Capacitor Flutuante 152 Pré-carregador DC 154 Dispositivo de Medição de Tensão 156 Elemento Eletricamente Condutor 160 Circuito Elétrico 162 Primeiro Elemento Eletricamente Condutor 164 Segundo Elemento Eletricamente Condutor 166 Primeira Porção de Circuito Elétrico 168 Segunda Porção de Circuito Elétrico 200 Método 202 Inicialização 204 Energizar pré-carregador DC 206 Ajustar i=2 208 Determinar VDc ^ Vref,i 210 Deslocar... 212 Determinar i < n 214 Determinar VDc ^ Vref,i 216 Desenergizar pré-carregador DC
250 Gráfico 252 Eixo geométrico Y 254 Eixo geométrico X 300 Circuito Elétrico 312 Elo DC 329 Trilho DC Positivo 330 Dispositivo de Elo DC 331 Trilho DC Negativo 333 Trilho DC Neutro 336 Ramo de Fase 350 Sistema de Pré-carregamento de Capacitor Flutuante Reivindicações

Claims (15)

1. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de um conversor de potência (106;108;110), caracterizado pelo fato de que o dito circuito elétrico compreende: um elemento eletricamente condutivo (162,164;362,364,374,376,378,380; 574,576,578); um primeiro dispositivo de comutação (132;582) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo próximo a uma fonte de corrente alternada (AC) (104); um dispositivo de medição de tensão (154) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo próximo a um elo de corrente contínua (DC) (112;312), em que o dito circuito elétrico se estende entre a fonte AC e o elo DC; uma fonte de tensão DC (152) acoplada ao dito elemento eletricamente condutivo; um primeiro dispositivo capacitivo (134;584) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo, sedo que o dito primeiro dispositivo capacitivo fica posicionado entre o dito primeiro dispositivo de comutação e o dito dispositivo de medição de tensão; um segundo dispositivo de comutação (132;582) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo, o dito segundo dispositivo de comutação fica posicionado entre o dito primeiro dispositivo capacitivo e o dito dispositivo de medição de tensão; e um controlador (120) operativamente acoplado à dita fonte de tensão DC, dito dispositivo de medição de tensão, dito primeiro dispositivo de comutação, e dito segundo dispositivo de comutação, dito controlador configurado para abrir o dito segundo dispositivo de comutação quando um sinal de tensão medido gerado pelo dito dispositivo de medição de tensão for substancialmente representativo de um valor de tensão de referência.
2. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito elemento eletricamente condutivo (162,164;362,364,374,376,378,380; 574,576,578) compreende um primeiro elemento eletricamente condutivo (162;362;574) acoplado a pelo menos um trilho DC positivo (129;329) e um segundo elemento eletricamente condutivo (164;364;576) acoplado a pelo menos um trilho DC negativo (131 ;331), o dito dispositivo de medição de tensão é configurado para medir a tensão em pelo menos um dispositivo de elo DC que se estende entre o dito trilho DC positivo e o dito trilho DC negativo.
3. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro dispositivo de comutação (132;582) é configurado para isolar o dito circuito elétrico da fonte AC (104).
4. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita fonte de tensão DC (152) é um pré-carregador DC (152) configurado para energizar o dito circuito elétrico com um valor de tensão predeterminado.
5. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um segundo dispositivo capacitivo (134;584) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo (162,164;362,364,374,376,378,380;574,576,578); e um terceiro dispositivo de comutação (132;382;386;582) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo, sendo que o dito segundo dispositivo capacitivo (134;584) fica posicionado entre o dito segundo dispositivo de comutação (132;582) e o dito terceiro dispositivo de comutação, e o dito terceiro dispositivo de comutação fica posicionado entre o dito segundo dispositivo capacitivo e o dito dispositivo de medição de tensão (154).
6. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro dispositivo capacitivo (134;584), o dito segundo dispositivo de comutação (132;582), o dito segundo dispositivo capacitivo (134;584), e o dito terceiro dispositivo de comutação (132;382;386;582) definem uma pluralidade de ditos dispositivos de comutação (132;382;386;582) e uma pluralidade de ditos dispositivos capacitivos (134;384;584) que se alternam em uma configuração aninhada.
7. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de ditos dispositivos de comutação (132;382;386;582) e dita pluralidade de ditos dispositivos capacitivos (134;384;584) que se alternam em uma configuração aninhada são configurados para energizar sequencialmente cada um dos ditos dispositivos capacitivos da dita pluralidade de dispositivos capacitivos a uma tensão predeterminada associada.
8. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito controlador (120) compreende um dispositivo comparador (126).
9. CIRCUITO ELÉTRICO (160;300;500), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dito controlador (120) compreende um computador que compreende um processador (124) e um dispositivo de memória (122) acoplado ao dito processador.
10. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA (100), caracterizado pelo fato de que compreende: uma fonte de corrente alternada (AC) (104); um elo de corrente contínua (DC) (112;312); e um primeiro conversor de potência (108,110) que compreende um circuito elétrico (160;300;500) que se estende entre a dita fonte AC e o dito elo DC, sendo que o dito circuito elétrico compreende: um elemento eletricamente condutivo (162,164;362,364,374,376, 378,380;574,576,578); um primeiro dispositivo de comutação (132;582) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo próximo à dita fonte AC; um dispositivo de medição de tensão (154) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo próximo ao dito elo DC, em que o dito circuito elétrico se estende entre a dita fonte AC e o dito elo DC; uma fonte de tensão DC (152) acoplada ao dito elemento eletricamente condutivo; um primeiro dispositivo capacitivo (134;584) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo, o dito primeiro dispositivo capacitivo fica posicionado entre o dito primeiro dispositivo de comutação e o dito dispositivo de medição de tensão; um segundo dispositivo de comutação (132;582) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo, o dito segundo dispositivo de comutação fica posicionado entre o dito primeiro dispositivo capacitivo e o dito dispositivo de medição de tensão; e um controlador (120) operativamente acoplado à dita fonte de tensão DC, dito dispositivo de medição de tensão, dito primeiro dispositivo de comutação e dito segundo dispositivo de comutação, o dito controlador é configurado para abrir o dito segundo dispositivo de comutação quando um sinal de tensão medido gerado pelo dito dispositivo de medição de tensão for substancialmente representativo de um valor de tensão de referência.
11. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um segundo conversor de potência (108,110) acoplado ao dito elo DC (112;312), dito segundo conversor de potência substancialmente similar ao dito primeiro conversor de potência (108,110).
12. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro conversor de potência (108) e o dito segundo conversor de potência (110) são conversores de potência multiníveis.
13. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA (100), de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente: um segundo dispositivo capacitivo (134;584) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo (162,164;362,364,374,376,378,380;574,576,578); e um terceiro dispositivo de comutação (132;382;386;582) acoplado ao dito elemento eletricamente condutivo, o dito segundo dispositivo capacitivo (134;584) fica posicionado entre o dito segundo dispositivo de comutação (132;582) e o dito terceiro dispositivo de comutação, e o dito terceiro dispositivo de comutação fica posicionado entre o dito segundo dispositivo capacitivo e o dito dispositivo de medição de tensão (154).
14. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA (100), de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o dito primeiro dispositivo capacitivo (134;584), dito segundo dispositivo de comutação (132;582), dito segundo dispositivo capacitivo (134;584) e terceiro dispositivo de comutação (132;382;386;582) definem uma pluralidade de ditos dispositivos de comutação (132;382;386;582) e uma pluralidade de ditos dispositivos capacitivos (134;384;584) que se alternam em uma configuração aninhada.
15. SISTEMA DE POTÊNCIA ELÉTRICA (100), de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que a dita pluralidade de ditos dispositivos de comutação (132;382;386;582) e a dita pluralidade de ditos dispositivos capacitivos (134;384;584) que se alternam em uma configuração aninhada são configurados para energizar sequencialmente cada um dos ditos dispositivos capacitivos da dita pluralidade de dispositivos capacitivos a uma tensão predeterminada associada.
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