BR112012019308B1

BR112012019308B1 - dispositivo para limitar e/ou interromper corrente elétrica que flui através de uma linha de distribuição ou transmissão de energia

Info

Publication number: BR112012019308B1
Application number: BR112012019308A
Authority: BR
Inventors: Biljenga Bo; Häfner Jürgen; Lundnerg Peter; Siljeström Roland; Schlapbach Ulrich
Original assignee: Abb Technology Ag
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2010-02-03
Publication date: 2019-08-27
Also published as: AU2010344989A1; DK2532081T3; KR20120112734A; HK1179769A1; NZ601067A; CN102823121A; AU2010344989B2; KR101403070B1; PT2532081E; CA2788751A1; US9065326B2; RU2012137261A; BR112012019308B8; TN2012000380A1; EP2532081A2; MX2012009019A; EP2532081B1; CN102823121B; CA2788751C; RU2548167C2

Abstract

módulo de comutação para uso em um dispositivo para limitar e/ou interromper a corrente de uma linha de transmissão ou distribuição de energia. a presente invenção refere-se a um módulo e comutação (38) para ser usado em um disjuntor cc ou limitador de corrente cc compreende pelo menos um elemento de comutação semicondutor de energia (1,2), uma unidade de porta (31) arranjada para ligar ou desligar o elemento de comutação semicondutor, respectivamente, de acordo com um sinal de controle de comutação, e um capacitor de armazenamento de energia (25) arranjado para prover energia a uma entrada de fonte de energia (29) da unidade de porta. o módulo de comutação adicionalmente compreende um meio de transformação de energia (20) arranjado para receber um sinal de energia ótia e transformar o sinal de energia ótica em sinal de energia elétrica, e prover o sinal de energia elétrica ao capacitor de armazenamento de energia (25).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para DISPOSITIVO PARA LIMITAR E/OU INTERROMPER CORRENTE ELÉTRICA QUE FLUI ATRAVÉS DE UMA LINHA DE DISTRIBUIÇÃO OU TRANSMISSÃO DE ENERGIA.

[001] A presente invenção refere-se a um módulo de comutação arranjado para ser usado em um dispositivo para limitar e/ou interromper a corrente elétrica que passa através de uma linha de distribuição ou transmissão de energia, onde o módulo de comutação compreende pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência, uma unidade de porta arranjada para ligar ou desligar a chave semicondutora, pelo menos uma chave semicondutora, respectivamente, de acordo com um sinal de controle de comutação, e um capacitor de armazenamento de energia arranjado para armazenar energia, que é arranjado para prover energia a uma entrada de alimentação de energia da unidade de porta.

[002] A presente invenção originariamente relaciona-se ao campo de disjuntores e limitadores de corrente contínua de alta tensão (HVDC), isto é, a dispositivos de comutação capazes de limitar e/ou interromper o fluxo de corrente contínua (CC) em uma linha de transmissão de energia, onde a linha tem um nível de tensão acima de 50 kV. No entanto, a invenção também é aplicável a disjuntores para distribuição de energia CC de média tensão, isto é, para uma faixa de tensão CC entre cerca de 1 kV a 50 kV, e configurações bidirecionais da invenção ainda são aplicáveis a disjuntores para transmissão e distribuição de energia de corrente alternada (CA) em qualquer nível de tensão.

[003] Na EP 0867998 B1, um disjuntor CC de estado sólido é descrito, compreendendo uma conexão paralela de pelo menos uma chave semicondutora de energia principal e um resistor não linear trabalhando como para-raios Quando o disjuntor CC é operado para in

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2/27 terromper uma corrente CC em uma linha de transmissão ou distribuição CC, a pelo menos uma chave semicondutora de energia principal comuta a corrente CC para o resistor não linear, que, então, reduz a corrente CC, dissipando a energia acumulada na linha CC. Na PCT EP2009/ 065233, outro disjuntor CC é apresentado, que em paralelo com a conexão paralela da chave semicondutora de energia principal e para-raios, contém uma conexão série de uma chave mecânica de alta velocidade e de pelo menos uma chave semicondutora de energia auxiliar.

[004] Na prática, tais disjuntores CC, para serem aplicáveis ao nível de tensão de sistemas de transmissão ou distribuição de energia, precisam incluir um considerável número de chaves semicondutoras de energia principal, conectadas em série, uma vez que uma única chave semicondutora de energia tem uma tensão nominal relativamente pequena. O número de chaves semicondutoras de energia principal, conectadas em série, pode facilmente chegar a centenas, no caso de um nível de tensão HVDC de diversas centenas de kV.

[005] Com respeito à presente invenção, ambas chaves semicondutoras de energia principal, assim como, possivelmente, chaves semicondutoras de energia auxiliar possivelmente presentes em um disjuntor CC ou limitador de corrente CC, cada uma delas representa um módulo de comutação, isto é, compreende além de um ou diversos elementos de comutação semicondutores de potência, uma unidade de porta e capacitor de armazenamento de energia. Tais módulos de comutação estão descritos em detalhes, por exemplo, na EP 0 868 014 B1, onde o capacitor de armazenamento de energia é conectado via conversor CC/ CC a uma entrada de alimentação de energia da unidade de porta. A energia armazenada no capacitor é transformada via conversor CC/CC em tensão de alimentação CC, que é requerida pela unidade de porta para ligar e desligar o elemento de comutação

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3/27 semicondutor de potência. O capacitor de armazenamento de energia é conectado ao chamado circuito primário de alta tensão, isto é, é conectado ao mesmo circuito e, portanto, ao mesmo nível de alta tensão que de pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência daquele particular módulo de comutação. Sempre que o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência estiver no estado de comutação bloqueado - isto é, não condutor - o capacitor de armazenamento de energia é carregado.

[006] Com respeito a disjuntores CC e limitadores de corrente CC contendo chaves semicondutoras de energia principal ou auxiliar, este modo conhecido de alimentação das unidades de porta parece ser problemático, porque, em condições normais de operação, supõe-se que o disjuntor CC ou limitador de corrente CC conduzam por longos períodos, preferivelmente por um ano ou mais, sem requerer nenhuma operação de comutação. Portanto, pelo menos parte dos elementos de comutação semicondutores de potência é permanentemente condutora, daí não provê o estado de bloqueio, que permita a requerida recarga dos correspondentes capacitores de armazenamento de energia. Isto torna difícil garantir que uma quantidade de energia suficiente seja suprida à unidade de porta dos elementos de comutação semicondutores de potência a serem operados. Em adição, a colocação de um disjuntor CC em operação usualmente faz a correspondente linha de transmissão ou distribuição de energia ser desconectada da rede CC, que deixa o circuito primário em tensão zero. Portanto, a carga ou recarga de capacitores de armazenamento de energia dos módulos de comutação de um disjuntor CC será somente possível em raros e breves períodos, quando o disjuntor estiver aberto. Se não for garantido um carregamento não repetido e regular dos capacitores de armazenamento de energia, então, por conseguinte, a confiabilidade do correspondente disjuntor CC ou limitador de corrente CC será consideraPetição 870190045114, de 14/05/2019, pág. 6/39

4/27 velmente reduzida.

[007] Uma solução diferente, para prover energia às unidades de porta das chaves semicondutoras de energia, é conhecida a partir de aplicações de conversor de média tensão, onde uma fonte de energia remota é usada via transformadores, isto é, a fonte de energia trabalha independente do circuito primário. No entanto, esta solução não pode ser aplicável a um alto nível de tensão por razões de projeto e custo, uma vez que a isolação de cada transformador de pulso precisa suportar pelo menos a tensão nominal CC, que em aplicações de alta tensão significa centenas de kV. No caso de disjuntores CC de alta tensão, a tensão de sobretensão durante uma ação de abertura, requer um nível de isolação quase duas vezes a tensão CC.

[008] Trata-se de um objetivo da presente invenção trazer uma solução para um módulo de comutação para uso em um disjuntor CC ou limitador de corrente CC, em particular, para aplicações HVDC, com a qual a confiabilidade do módulo de comutação e, portanto, do disjuntor CC e limitador de corrente CC, deve ser aumentada.

[009] Este objetivo é alcançado com um módulo de comutação que compreende adicionalmente um meio de transformação de energia arranjado para receber energia via um sinal de energia ótico, e transformar o sinal de energia ótico em sinal de energia elétrica, e prover o sinal de energia elétrica ao capacitor de armazenamento de energia.

[0010] De acordo com a invenção, a fonte de energia da unidade de porta é provida independente das condições de tensão no circuito primário, provendo uma fonte de energia ótica ao capacitor de armazenamento de energia. Com que, carga e descarga do capacitor de armazenamento de energia podem ocorrer regularmente em predeterminados períodos, garantindo sempre haver energia suficiente para a unidade de porta operar o correspondente elemento de comutação

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5/27 semicondutor de potência, sempre que requerido. A operabilidade e confiabilidade do disjuntor CC e limitador de corrente CC com tal módulo de comutação, assim, aumenta substancialmente. Como um sinal de energia ótica é usado, isto é, luz, via cabo de fibra ótica, em vez do sinal de energia elétrica, o problema de isolação da solução transformador de pulso, acima descrita, pode ser superado.

[0011] Em uma configuração preferida da invenção, o sinal de energia ótica é um sinal de baixa potência - menor que 1 Watt. Como um equipamento de baixa potência usualmente tem confiabilidade mais alta que um equipamento de alta potência, o uso de uma fonte de energia ótica de baixa potência ajuda a aumentar a confiabilidade do módulo de comutação ainda mais.

[0012] Se uma fonte de energia ótica de baixa potência for usada, certas medidas devem ser tomadas para ajudar a manter a demanda de energia interna da unidade de porta em um nível baixo. Um meio preferido para isto, é reduzir o número de funções realizadas pela unidade de porta a um nível mínimo.

[0013] Como mencionado na introdução, os atuais disjuntores CC ou limitadores de corrente CC, que são aplicáveis a níveis de tensão média e alta de sistemas de distribuição e transmissão de energia CC, precisam conter um considerável número de módulos de comutação conectados em série. Nas conexões em série, a questão de uma distribuição de tensão igual durante processos dinâmicos e transientes é importante para evitar tensões de tensão indesejadas em alguns dos módulos de comutação, devido às diferentes características de comutação dos elementos de comutação semicondutores de potência de diferentes módulos de comutação.

[0014] Uma das funções que unidades de porta conhecidas realizam em válvulas conversoras de alta tensão, onde nas válvulas diversas chaves semicondutoras de energia são conectadas em série, e

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6/27 cada chave semicondutora de energia é equipada com sua própria unidade de porta, para garantir uma distribuição de tensão igual entre as chaves conectadas em série, durante processos dinâmicos e transientes.

[0015] Esta função, de acordo com uma configuração preferida da invenção, não é realizada pela unidade de porta, mas, ao invés, por um circuito supressor RCD, no módulo de comutação, e conectado em paralelo a pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência. O circuito supressor RCD compreende pelo menos um resistor, pelo menos um capacitor, e pelo menos um diodo. Supressores RCD são conhecidos na técnica e, por exemplo, estão descritos em WO 96/27230. Supressores RCD podem ser arranjados para ambos módulos de comutação, unidirecional e bidirecional (vide abaixo), onde o supressor RCD unidirecional compreende uma conexão série de um diodo e capacitor para uma direção de corrente, com um resistor em paralelo com o diodo, e o supressor RCD bidirecional compreende, em adição, uma conexão série de um diodo e capacitor para a outra direção de corrente, de novo, com um resistor em paralelo com o diodo.

[0016] Durante o desligamento do elemento de comutação semicondutor de potência, a corrente, que passa através do elemento de comutação, é acumulada via um dos diodos de supressor que corresponde à direção da corrente, para o pelo menos um capacitor supressor. Como descrito na introdução, um disjuntor CC tipicamente contém um grupo de diversos módulos de comutação conectados em série que juntos estão conectados em paralelo com um resistor não linear trabalhando como para-raios. Um limitador de corrente CC contém diversos destes grupos. Quando um disjuntor CC ou limitador de corrente CC é operado, os módulos de comutação destes grupos são desligados simultaneamente. Por conseguinte, a mesma comutação da corrente no circuito supressor ocorre para todos dos módulos de co

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7/27 mutação conectados em série por grupo. Em consequência, os capacitores supressores de cada grupo são carregados até a soma das voltagens do amortecedor por grupo ser suficientemente alta para o supressor daquele grupo captar a corrente. Quando os grupos de módulos de comutação ligam de novo, os capacitores amortecedores são descarregados via correspondentes resistores amortecedores, produzindo perdas, que, no entanto, não são relevantes para aplicações de disjuntor CC e limitador de corrente CC, devido às raras ocasiões de uma ação de operação.

[0017] Além da distribuição de tensão dinâmica igual, o supressor RCD tem algumas vantagens adicionais. Devido à presença de pelo menos um capacitor no supressor RCD, a taxa de subida da tensão no correspondente elemento de comutação semicondutor de potência é limitada. Em consequência, características de comutação individuais, tais como, por exemplo, atrasos de desligamento individuais dos elementos de comutação semicondutores de potência, que podem ser diferentes entre módulos de comutação conectados em série, não são mais preocupantes.

[0018] Em adição, a taxa de subida limitada da tensão traz vantagens junto com a conexão paralela, descrita abaixo para os módulos IGBT ou BIGT, uma vez que, de novo, diferentes atrasos de comutação deixam de ser problema, daí, eliminando o risco de ocorrer oscilações prejudiciais de alta frequência entre os módulos. Em geral, pode ser estabelecido que, devido ao supressor RCD, é possível conectar módulos IGBT ou BIGT em série ou em paralelo, sem que ao mesmo tempo seja preciso prover uma unidade de porta complexa, que requer um nível apreciável de energia para administrar uma distribuição igual de tensão e possíveis oscilações de alta frequência.

[0019] Uma vantagem adicional do supressor RCD é que, quando o elemento de comutação está desligado, o capacitor amortecedor faz

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8/27 a tensão começar em zero, isto é, a comutação é feita em zero de tensão. Em consequência, será gerada uma quantidade menor de perdas instantâneas durante o desligamento, por conseguinte, durante a operação do disjuntor CC e/ou limitador de corrente CC. As perdas reduzidas permitem que uma corrente de desligamento mais alta e/ou um número maior de eventos de comutação sejam repetidos antes de o limite térmico do elemento de comutação semicondutor de potência ser alcançado.

[0020] Em uma configuração adicional da presente invenção, a unidade de porta é conectada à porta do elemento de comutação semicondutor de potência por uma ponte H, que produz e emite a tensão CC bipolar requerida para acionar a porta do pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência, onde a ponte H é alimentada por uma tensão CC unipolar e emite uma tensão CC dipolar simétrica, por exemplo ±15 Volts. De acordo com esta configuração, a unidade de porta pode operar internamente com tensão CC unipolar, oposta à unidade de porta, como mostrada na EP 0868 014 B1, que opera internamente com voltagens CC dipolares, e, desta forma, a partir de duas fontes de energia internas. Usando a tensão CC unipolar, a demanda de energia interna da unidade de porta é reduzida ainda mais, e fica mais adequada para ser usada com um nível de alimentação de energia baixo. Quando são utilizadas duas fontes de energia interna, ao invés de uma ponte H, as voltagens CC não simétricas podem ser produzidas pela unidade de porta, por exemplo, + 18 e - 5 Volts.

[0021] De acordo com outra configuração adicional da presente invenção, o módulo de comutação compreende adicionalmente um detector de sinal de controle, que é arranjado para separar do sinal de energia elétrica recebido um sinal de controle elétrico, e prover o sinal de controle elétrico à unidade de porta. Em outras palavras, um sinal de controle, que compreende, em particular, o sinal de controle de co

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9/27 mutação para iniciar a unidade de porta para ligar ou desligar o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência, é incorporado no mesmo sinal ótico, que também contém o sinal de energia, e ainda se mantém no sinal de energia elétrica depois da transformação de sinal pelo meio de transformação de sinal. Desta forma, a necessidade de um cabo de fibra ótica pode ser eliminada.

[0022] De acordo com uma configuração adicional da invenção, a unidade de porta do módulo de comutação é arranjada para gerar informação de status com respeito à funcionalidade de pelo menos um dos elementos do módulo de comutação, e o módulo de comutação compreende um meio adicional de comutação de sinal, arranjado para transformar a informação de status em sinal de informação ótica, e enviar o sinal de informação ótica a uma unidade de controle central. A informação de status é enviada oticamente, porque os módulos de comutação estão em uma aplicação de disjuntor CC e limitador de corrente CC com um nível alto de tensão (até diversas centenas de kV). O uso de comunicação ótica simplifica o projeto, e aumenta a confiabilidade do sistema de comunicação.

[0023] Prover informação de status a uma unidade de controle central permite que a unidade de controle central administre cada módulo de comutação conectado individualmente, por exemplo, retornando um sinal de controle para iniciar uma rotina de teste específica, no caso de um status suspeito ser reportado, que requeira uma investigação adicional. A unidade de controle central gera, ao mesmo tempo, o sinal de controle, acima mencionado, que inicia ligação e desligamento do pelo menos um dispositivo de comutação semicondutor de potência. Nas aplicações de disjuntor CC e limitador de corrente CC, a comutação dos módulos de comutação pode ser atrasado até dezenas de micro-segundos, até um número suficiente de módulos de comutação ficar pronto para comutar, porque a operação efetiva do dis

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10/27 juntor CC e limitador de corrente CC precisa ocorrer menos instantaneamente, por exemplo, que em uma aplicação de conversor. Em consequência, pode se garantir que os módulos de comutação sejam ligados ou desligados tão simultaneamente quanto possível. Em outras palavras, trocando informações de status com a unidade de controle, é possível implementar um protocolo de intercâmbio entre a unidade de controle central e os módulos de comutação do disjuntor CC e limitador de corrente CC, onde protocolos de de intercâmbio armam e sincronizam as unidades de porta, e enviam um sinal de controle para ligar ou desligar, apenas quando todos ou - em caso de redundância - um número suficiente de módulos estiver pronto.

[0024] O pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência do módulo de comutação pode ser de um tipo ou projeto diferente, dependendo de requisitos de operação e custo do disjuntor CC e limitador de corrente CC, onde o módulo de comutação deve ser usado. A seguir, alguns tipos preferidos serão resumidamente descritos, adequados para uso quer em disjuntor CC e limitador de corrente CC, quer unidirecional e bidirecional. Para aplicação em um disjuntor CC ou limitador de corrente CC bidirecional, os elementos de comutação semicondutor de potência unidirecionais precisam ser arranjados na direção de corrente oposta, isto é, para uma direção antiparalela ou antisserial ao elemento de comutação semicondutor de potência original.

[0025] Em um tipo unidirecional do pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência, o elemento de comutação compreende um primeiro módulo transmitindo um primeiro IGBT ou uma primeira conexão de diversos IGBT, assim como um primeiro diodo ou uma primeira conexão paralela de diversos diodos, onde o diodo ou diodos são conectados em antiparalelo com IGBT ou conexão paralela de IGBT. Se um dos diversos IGBT e diodos conectados em paralelo

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11/27 forem usados, dependendo do nível de corrente a ser alcançado com o elemento de comutação semicondutor de potência, isto é, quanto maior o número de IGBT e diodos conectados em paralelo, maior será a corrente nominal, onde todos IGBT conectados em paralelo são controlados com a mesma unidade de porta.

[0026] Um elemento de comutação semicondutor de potência bidirecional pode ser conseguido, conectando um número adequado de módulos em conexão antiparalelo ou antisserial, onde é possível uma conexão antiparalela para o caso em que o IGBT tem uma capacidade de bloqueio reverso. Em outras palavras, o módulo de comutação, então, adicionalmente, compreende pelo menos um segundo módulo conectado em antiparalelo ou antisserial com o primeiro módulo, o segundo módulo contendo um segundo IGBT ou uma segunda conexão de diversos IGBT e um segundo diodo ou uma segunda conexão paralela de diversos diodos, onde o diodo ou diodos é ou são de novo conectado(s) em antiparalelo com IGBT ou conexão paralela de IGBT.

[0027] Os primeiro e segundo módulos podem ser na prática baseados em diferentes conceitos de arranjo dos chips de IGBT e diodos. Cada módulo corresponde a um único conjunto com integração de IGBT e correspondente diodos antiparalelos ou todos IGBT paralelos, conectados na mesma direção de corrente, são integrados em um conjunto, e todos diodos paralelos conectados na mesma direção de corrente são integrados em outro conjunto. Este último desenho supera o problema que pode ocorrer em conexão com o primeiro desenho. No primeiro desenho, os diodos de diferentes conjuntos podem provir de diferentes ciclos de produção, e portanto, podem diferir ligeiramente em características, tal como queda de tensão direta. Como os diodos têm um coeficiente de temperatura negativo, diferentes quedas de tensão direta podem produzir indesejáveis fluxos de corrente entre os diodos, que produzir o chamado disparo de temperatura dos chips de

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12/27 diodo, isto é, um aumento de temperatura devido ao fluxo de corrente, que aumenta ainda mais o fluxo de energia e corrente. Quando todos os diodos paralelos da mesma direção de corrente do elemento de comutação semicondutor de potência são integrados no mesmo conjunto, como proposto no segundo desenho, se garante que suas características coincidam tão proximamente quanto possível, daí minimizando o risco de disparo de temperatura.

[0028] Em uma configuração especial do tipo acima descrito de elemento de comutação semicondutor de potência, os diodos são diodos comutados por linha. Usualmente, os chamados diodos de recuperação rápida são usados como diodos antiparalelos para IGBT, uma vez que estes diodos são especialmente adequados para aplicações de comutação rápida, para as quais os IGBT usualmente se destinam. No entanto, para o caso de disjuntores CC e limitadores de corrente CC, não são requeridas ações de comutação rápida, de modo que diodos comutados por linha, como conhecidos a partir de aplicações de retificador de 50 Hz padrão, podem ser usados, ao invés. Como os diodos comutados por linha apresentam uma queda de tensão menor que de diodos de recuperação rápida, as perdas dos primeiro e segundo módulos acima descritos podem ser reduzidas. Em adição, os diodos comutados por linha são menos caros.

[0029] Em um tipo alternativo unidirecional de elemento de comutação semicondutor de potência, o elemento de comutação compreende um primeiro módulo com um primeiro IGBT de condução reversa ou uma primeira conexão paralela de diversos IGBT de condução reversa. Em um IGBT de condução reversa, a função de IGBT e diodo antiparalelo é diretamente integrada em um chip comum. Os IGBT de condução reversa estão descritos, por exemplo, no Pedido de Patente Europeu 059000.1 - Transistor de Porta Isolada Bi-Modo (BIGT). Como mencionado acima, conexão paralela (ou diversos BIGT) provê

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13/27 uma corrente nominal mais alta para o elemento de comutação semicondutor.

[0030] Um elemento de comutação semicondutor de potência bidirecional pode ser conseguido conectando dois ou mais módulos BIGT em conexão antisserial. Por conseguinte, é sugerido que o elemento de comutação semicondutor de potência acima adicionalmente compreenda um segundo módulo em conexão antisserial com o primeiro módulo, o segundo módulo contendo um segundo IGBT de condução reversa ou uma segunda conexão paralela de diversos IGBT de condução reversa.

[0031] O uso do BIGT, em vez de um IGBT e diodos antiparalelos separados, provê diversas vantagens.

[0032] Uma vantagem se refere ao fato de a queda de tensão direta do diodo integrado apresentar um coeficiente de temperatura positivo, de forma que o problema de um possível disparo de temperatura é evitado.

[0033] No caso de uma configuração especial de um disjuntor CC bidirecional baseado em BIGT, o elemento de comutação semicondutor de potência compreende, cada um, conexão antisserial de dois BIGT, onde os dois BIGT são integrados verticalmente, em um e no mesmo conjunto. Em uma aplicação típica de disjuntor CC bidirecional, a corrente flui em uma e na mesma direção por um período de tempo consideravelmente longo, que no caso de um IGBT com diodos separados significa que a área de silício dos elementos de comutação semicondutores de potência do disjuntor CC bidirecional é usada apenas em parte. Em oposição a isto, devido à integração vertical, a área de silício do conjunto BIGT bidirecional pode ser totalmente utilizada, resultando quer em um número mínimo de chips para a corrente nominal ou aumento da capacidade de corrente para um dado número de chips por conjunto.

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14/27 [0034] Uma terceira vantagem se refere ao fato de a funcionalidade do diodo poder ser mais facilmente monitorada para o caso de um BIGT que para o caso de IGBT e diodo separados.

[0035] Em geral, é vantajoso prover o módulo de comutação com um meio adicional de monitoramento de diodo, que é arranjado para realizar um teste de funcionalidade de bloqueio do diodo ou diodos antiparalelos, para indicar, desta forma, se o correspondente IGBT no elemento de comutação semicondutor de potência está disponível ou não para operação normal. Isto é recomendado, uma vez que, em raras ocasiões, pode acontecer que o diodo ou diodos antiparalelos rompam com o correspondente IGBT no estado desligado ou não condutor, que pode provocar sérias consequências. Em aplicações de comutação rápida, é possível testar a funcionalidade de bloqueio dos diodos frequentemente, quando os correspondentes IGBT estão no estado não condutor, e nenhuma corrente passa no diodo. No entanto, em um disjuntor CC ou limitador de corrente CC, ao qual pelo menos parte do IGBT está ligada continuamente, isto não é possível para os correspondentes diodos. Não obstante, é importante obter a informação de diodos defeituosos, antes de abrir um disjuntor CC, ou colocar em operação um limitador de corrente CC, uma vez que de tais diodos defeituosos podem produzir um dano fatal.

[0036] Portanto, para os módulos de comutação contendo IGBT e diodos separados, é sugerido prover um meio de monitoramento adaptado para monitorar a funcionalidade de bloqueio do diodo ou diodos sempre que o correspondente IGBT está desligado, e nenhuma corrente principal passa pelo diodo ou diodos a serem monitorados. Em outras palavras, um teste é realizado tão frequentemente quanto possível, sendo que para algumas configurações de disjuntor CC isto significa que um teste pode ser realizado somente durante manutenção, enquanto em outras configurações, tal como para o disjuntor CC, des

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15/27 crito em PCT/ EP 20009/ 065233, o teste pode ser realizado continuamente para aqueles módulos de comutação que não recebem a corrente primária. O teste inclui simplesmente aplicar uma tensão de teste mínima possível para direção direta do IGBT desligado, e verificar se esta tensão é mantida, ou se esta tensão diminui, e possivelmente cessa devido à falha do diodo. Se interrompida, uma informação de falha pode ser gerada, por exemplo, pela unidade de porta, e um sinal de informação ótico ser enviado a uma unidade de porta. Em conexão com o supressor RCD acima descrito, um modo adicional de testar a funcionalidade de diodos antiparalelos se torna possível: em um disjuntor CC ou limitador de corrente CC contendo diversos módulos de comutação em uma conexão série, este teste adicional é realizado com disjuntor CC ou limitador de corrente CC ligado, e a corrente flui na direção direta através do IGBT conectado em série. Para testar a funcionalidade dos diodos, um dos diversos IGBT conectados em série, agora pode ser ativamente desligado por um período de tempo muito curto, preferivelmente um par de microssegundos, até a corrente que flui através da IGBT desligado comece a comutar para o correspondente circuito supressor RCD, até a tensão no supressor RCD iniciar a subir ligeiramente. Assim que a subida for detectada, aquele ou diversos IGBT são ligados de novo, sendo que a subida da tensão pode ser detectada de modo simples, verificando se um limite de tensão predefinido foi excedido, onde a limite de tensão fica em nível de tensão relativamente baixo preferivelmente de um par de centenas de Volts ou poucos kV apenas. Se nenhuma subida de tensão for detectada, será gerada uma informação de falha. Desta forma, o teste de diodos nos módulos de comutação se torna possível, sem interferir com a operação do disjuntor CC ou limitador de corrente CC.

[0037] Como ficou aparente a partir do descrito acima, é geralmente difícil gerar informações confiáveis com respeito à capacidade de

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16/27 bloqueio de diodos em uma configuração de módulo de comutação com IGBT e diodos separados. Em oposição, é possível detectar uma falha de função de diodo integrado em BIGT, durante ambos estados, desligado e ligado do correspondente IGBT. A detecção possível de função de diodo defeituoso em um BIGT durante praticamente todos os estados de operação do BIGT em aplicações de disjuntor CC se deve ao fato de a função de diodo integrado defeituoso poder ser observada por uma clara deterioração ou mesmo interrupção da tensão da porta emissora do correspondente IGBT. Portanto, uma corrente de vazamento aumentada da porta emissora pode ser usada para indicar ou monitorar um dano irreversível de quer uma função de diodo ou IGBT de BIGT. Portanto, o meio de monitoramento de diodo sugerido para um módulo de comutação com BIGT é adaptado para monitorar a funcionalidade de bloqueio da função de diodo ou funções de diodo do IGBT de condução reversa, gerando uma informação de falha quando interrompe a tensão da porta emissora através do IGBT de condução reversa no estado ligado ou desligado. Devido à possibilidade de realizar o teste do BIGT em ambos estados - ligado e desligado - existem muito mais chances de obter informações com respeito à capacidade de bloqueio da função do diodo no BIGT em comparação com a solução de IGBT e diodo separados, daí, aumentando consideravelmente confiabilidade do disjuntor CC e limitador de corrente CC.

[0038] Além da distribuição de tensão dinâmica, discutida acima em conexão com supressor RCD, também é vantajoso, se a distribuição de tensão em estado estável de módulos de comutação conectados em série for mantido tão igual quanto possível, para evitar uma tensão de tensão em alguns módulos. De acordo com uma configuração adicional da invenção, é sugerido que um resistor de limitação de tensão não linear seja conectado em paralelo com o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência. Este resistor limi

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17/27 tador de tensão não linear, não apenas garante uma distribuição de tensão de estado estável igual, mas, em adição, limita a sobretensão, quando o supressor de um grupo de módulos de comutação conectados em série capta a corrente dos circuitos amortecedores daquele grupo. O supressor de um grupo de módulos de comutação conectados em série, como a seguir, também pode ser chamado supressor principal. Vantagens adicionais do resistor limitador de tensão não linear em um módulo de comutação permitem uma redução de tamanho do capacitor supressor daquele módulo, admitindo maiores tolerâncias de capacitor entre os diferentes módulos, o que simplifica o projeto mecânico da trajetória de comutação de corrente para o retentor principal.

[0039] A presente invenção e suas configurações serão agora explicadas com referência aos desenhos anexos, nos quais:

[0040] a figura 1 mostra um primeiro elemento base, contendo elementos de comutação semicondutores de potência arranjados para aplicação unidirecional;

[0041] a figura 2 mostra um segundo elemento base contendo elementos de comutação semicondutores de potência bidirecional arranjados para aplicações bidirecionais;

[0042] a figura 3 mostra um terceiro elemento base, contendo elementos de comutação semicondutor de potência arranjados para aplicações bidirecionais;

[0043] a figura 4 mostra um quarto elemento base, contendo elementos de comutação semicondutores de potência arranjados para aplicações bidirecionais;

[0044] a figura 5 mostra um primeiro exemplo de disjuntor CC;

[0045] a figura 6 mostra um segundo exemplo de disjuntor CC ;

[0046] A figura 7 mostra um exemplo de limitador de corrente CC;

[0047] a figura 8 mostra uma primeira configuração de um módulo

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18/27 de comutação;

[0048] a figura 9 mostra uma segunda configuração de um módulo de comutação;

[0049] a figura 10 mostra uma terceira configuração de um módulo de comutação;

[0050] a figura 11 mostra uma quarta configuração de um módulo de comutação;

[0051] a figura 12 mostram um arranjo de uma unidade de controle central e módulos de comutação de um disjuntor CC; e [0052] a figura 13 mostra um arranjo de elementos de comutação semicondutores de potência de um módulo de comutação.

[0053] a figura 1 mostra um primeiro elemento base 6a contendo elementos de comutação semicondutores de potência, arranjados para aplicações unidirecionais. Os elementos de comutação semicondutores de potência estão em um IGBT 1 de uma primeira direção de corrente 4, e um diodo de retorno 2 conectado em antiparalelo ao IGBT 1. [0054] Na figura 2, um segundo elemento base 6b pode ser visto, que compreende uma conexão paralela do IGBT 1 na primeira direção de corrente 4 e um IGBT 3 de uma segunda direção de corrente oposta 5. Por conseguinte, o segundo elemento base 6b é adequado para aplicações bidirecionais.

[0055] Na figura 3, um terceiro elemento base 6c pode ser visto, que compreende uma conexão série do IGBT 1 da primeira direção de corrente e IGBT 3 de uma segunda direção de corrente oposta, que, em outras palavras, é uma conexão antisserial de dois IGBT. Cada IGBT tem diodo de retorno 2 e 7 respectivamente conectados em antiparalelo. O elemento base 6c é adequado para aplicações bidirecionais.

[0056] Um quarto elemento base 6d é mostrado na figura 4 compreendendo um elemento de comutação semicondutor de potência,

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19/27 um IGBT de condução reversa na primeira direção de corrente também chamado BIGT 8 (Transistor de Porta Isolada Bi-Modo), em série com BIGT 8 um IGBT de condução reversa da segunda direção de corrente chamado BIGT 9. Os BIGT 8 e 9 são conectados de maneira antisserial, que significa que o quarto elemento base 6d também é adequado para aplicações bidirecionais.

[0057] Os elementos base 6a-6d podem ser usados em um disjuntor CC 14, de acordo com o exemplo representado na figura 5. O disjuntor CC 14 é adequado para aplicações de média e alta tensão, e conectado em série a uma linha de distribuição ou transmissão de energia 13. No caso em que a corrente primária na linha 13 precisa ser interrompida em apenas uma direção, elementos base 13 podem ser usados, enquanto no caso em que a corrente primária na linha 13 precisa ser interrompida em ambas direções, os elementos base 6b ou 6c ou 6d devem ser usados. O disjuntor CC 14 compreende um disjuntor principal 10, contendo uma conexão série de diversas dezenas, até diversas centenas de elementos base 6, dependendo do nível de tensão, assim como um resistor não linear, que também é chamado retentor principal 11, e conectado em paralelo com o disjuntor principal 10. Disposto em série com o disjuntor CC 14, o reator 12 é arranjado para limitar a taxa de corrente na linha 13. Em condições normais de operação de linha 13, todos IGBT ou BIGT nos elementos base 6 são ligados, isto é, o disjuntor CC 14 conduz a corrente primária da linha 13. No caso em que a corrente primária deve ser interrompida, por exemplo, se houver falha na linha 13, todos IGBT ou BIGT devem ser desligados simultaneamente, para a corrente primária comutar para o retentor principal 11, então reduzindo a corrente a zero.

[0058] Outro exemplo de supressor CC 17, no qual os elementos base 6a-6d podem ser usados, está mostrado na figura 6. Em adição, ao disjuntor principal 10 o retentor principal 11, provê-se uma conexão

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20/27 série de uma chave de alta velocidade 15, e disjuntor auxiliar 16 conectado em paralelo com o disjuntor principal 10 e retentor principal 11.0 disjuntor auxiliar 16 contém apenas um elemento base 6. A chave de alta velocidade 15 é uma chave mecânica. Em série com o disjuntor CC 17 um reator 12 é colocado para limitar a taxa de corrente.

[0059] Deve ser notado que, se o elemento base 6 é usado em configurações de disjuntor CC, esta configuração também é adequada para uso com disjuntores CA em linhas de distribuição ou transmissão de energia CA.

[0060] Na figura 7, é mostrado um exemplo de limitador de corrente 18, onde o limitador de corrente 18 compreende uma conexão série de múltiplos disjuntores CC 14. Em outras palavras, o limitador de corrente CC 18 contém múltiplos grupos de elementos base conectados em série 6, onde cada grupo compreende um retentor principal 11 em paralelo com os elementos base 6. O limite de corrente 18 é conectado em série com um reator limitador de taxa de corrente 12 e linha de distribuição ou transmissão de energia 13. No caso em que a corrente primária na linha 13 deva ser limitada ou reduzida, um número adequado de disjuntores CC 15 é aberto, de modo que os correspondentes resistores não lineares possam dissipar a quantidade de energia indesejada de energia. Na forma mais reduzida, um limitador de corrente contém dois disjuntores 14 - primeiro e segundo disjuntores. O nível protetivo do retentor principal do primeiro disjuntor corresponde ao nível de tensão CC nominal da linha 13. O nível protetivo do retentor principal do segundo disjuntor pode ser ajustado em um valor abaixo da tensão CC nominal da linha 13, por exemplo, 50%. Depois de o primeiro disjuntor ter sido aberto, o segundo disjuntor pode ser usado para interromper a corrente na linha 13, abrindo o segundo disjuntor da mesma forma.

[0061] A invenção agora será explicada com respeito às figuras 8

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21/27 a 12. Para operar os elementos base 6 no disjuntor CC ou limitador de corrente CC, são requeridas as chamadas unidades de porta, que fazem IGBT e BIGT ser ligados ou desligados, de acordo com o sinal de controle, gerado por uma unidade de controle, em função do status da linha 13. Por conseguinte, os elementos base 6 dos disjuntores CC 14 ou 17 ou limitador de corrente CC 13 efetivamente contêm mais que apenas elementos de comutação semicondutores de potência. Na verdade, cada elemento base 6 pode ser substituído por um módulo de comutação 38, sendo que o módulo de comutação compreende, entre outros, uma unidade de porta 31. Diferentes configurações de módulo de comutação 38 compreendem, entre outros, uma unidade de porta 31. Diferentes configurações do módulo de comutação 38 serão agora descritas, sendo que para cada configuração, elementos de comutação semicondutores de potência efetivamente mostrados poderão ser substituídos por elementos de comutação semicondutores de potência pertencentes a um outro elemento adequado dentre os elementos base 6a-6d, e também por combinações deles, como será explicado mais adiante.

[0062] Uma primeira configuração 38a do módulo de comutação está representada na figura 8, e compreende além de IGBT 1 e diodo antiparalelo 2, uma primeira configuração 30a de um módulo de acionamento de porta, conectado à porta do IGBT 1. O módulo de acionamento de porta 30a compreende um meio de transformação de energia em forma de fotodiodo 20, conversor CC/CC 22, capacitor de armazenamento de energia 25, e unidade de porta 31. O fotodiodo 20 é arranjado para receber um sinal de energia ótica para transformar o sinal de energia ótica em sinal de energia elétrica e prover um sinal de energia elétrica via conversor CC/CC 22 para o capacitor de armazenamento de energia 25, daí carregando/ recarregando o capacitor de armazenamento de energia 25 a partir de uma fonte de energia, inde

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22/27 pendente do status ou condição de comutação do circuito, também chamado circuito primário, do qual IGBT 1 ou diodo 2 fazem parte. Sendo que o sinal de energia elétrica é um sinal de baixa potência menor que 1 Watt.

[0063] O capacitor de armazenamento de energia 25 é conectado a uma entrada de alimentação de energia 29 da unidade de porta 31 para suprir um módulo de supervisão e acionador de porta 28 da energia requerida para acionar a porta do IGBT 1. A unidade de porta contém, além do módulo de supervisão e acionador de porta 28, um módulo de unidade de controle de porta 27. O módulo de controle de unidade de porta 27 recebe um sinal de controle elétrico do detector de sinal de controle 23, sendo que o detector de sinal de controle 23 é arranjado para separar o sinal de controle do sinal de energia, emitido pelo fotodiodo 20. Portanto, o sinal de energia ótica recebido pelo fotodiodo 20 também contém um sinal de informação ótica, que mesmo depois de transformado em sinal elétrico continua presente. O fotodiodo 20 é conectado via um primeiro cabo de fibra ótica 51a uma unidade de controle central 50 (vide figura 12).

[0064] O módulo de controle de unidade de porta 27 processa o sinal de controle elétrico e emite um sinal liga-desliga ao módulo de supervisão e acionador de porta 28, que liga ou desliga IGBT 1. O módulo de controle de unidade de porta 27 adicionalmente recebe diferentes informações, tais como informações fornecidas pelo módulo de supervisão e acionador de porta 28, com respeito ao status do IGBT 1 e informação fornecida por uma unidade de supervisão de energia 26, com respeito ao status dos elementos envolvidos na alimentação de energia do módulo de supervisão e acionador de porta 28, isto é, informações com respeito ao status do capacitor de armazenamento de energia 25 e conversor CC/CC 22. As diferentes informações são processadas pelo módulo de controle de unidade de porta 27 e providas

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23/27 como informações de status, via um módulo transmissor de sinal 24 a um meio de transformação de sinal, que, neste exemplo, é um diodo emissor de luz 21. O diodo emissor de luz 21 é conectado via um segundo cabo de fibra ótica 52 à unidade de controle central 50 (vide figura 12) que, em resposta às informações de status recebidas, adapta o sinal de controle enviado via sinal de energia ótica ao fotodiodo 20.

[0065] Uma segunda configuração 38b do módulo de comutação é mostrada na figura 9, onde a segunda configuração 38b contém o mesmo módulo de acionamento de porta 30a da primeira configuração 38a. Um detalhe do módulo de supervisão e acionador de porta mostrado nesta, não é mostrado na figura 8. Na figura 9 pode ser visto o módulo de supervisão e acionador de porta 28, com que a unidade de porta 31 é conectada via ponte H à porta do pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência, aqui um IGBT 1, com um diodo semiparalelo 2, onde a ponte H é suprida de uma tensão CC unipolar de 15 Volts, e emite uma tensão bipolar CC de ± 15 Volts. Portanto, a demanda de energia interna da unidade de porta 13 é reduzida em uma certa extensão.

[0066] Em adição à primeira configuração 38a, a segunda configuração 38b do módulo de comutação contém um resistor limitador de tensão não linear 32 em paralelo com pelo menos um dos elementos de comutação semicondutores de potência, assim como um circuito supressor RCD, que é uma conexão série de diodo 33 e capacitor 34, assim como um resistor 35 em paralelo com o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência. A orientação do diodo 33 é a mesma orientação do IGBT 1. O circuito supressor RCD é principalmente responsável por uma distribuição de tensão dinâmica igual na conexão série de diversos módulos de comutação 38, como, por exemplo, seria aplicável a disjuntores CC 14 e 17 ou limitador de corrente CC 18, quando os elementos base 6 são substituídos com módu

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24/27 los de comutação 38. O resistor limitador de tensão não linear 32 garante principalmente uma distribuição de tensão estável igual em tal conexão série de módulos de comutação 38.

[0067] Na terceira configuração 38c do módulo de comutação, de acordo com a figura 10, em adição a um IGBT 1 de um diodo 2 da primeira e segunda configurações 38a e 38b, respectivamente, que juntos formam um primeiro módulo que recebe a letra a, e um segundo módulo que recebe a letra b, contendo um segundo IGBT 1, e o segundo diodo antiparalelo 2 é conectado antisserial com o primeiro módulo. Por conseguinte, o módulo de comutação 38c pode ser aplicado a um disjuntor CC bidirecional ou limitador de corrente CC bidirecional. [0068] Como descrito acima, combinações adicionais e alternativas de IGBT e diodos são possíveis. Um exemplo é mostrado na figura 13, onde ambos primeiro e segundo módulos compreendem não apenas um, mas dois IGBT conectados em paralelo 1a e 1b, e correspondentes diodos antiparalelo 2a e 2b, respectivamente. O arranjo físico dos dois módulos pode estar quer na forma de um primeiro conjunto para cada par de IGBT e correspondente diodo, ou de um primeiro conjunto com todos IGBT 1a da primeira direção de corrente e um segundo conjunto com todos diodos 2a, 2b respectivamente, também de acordo com sua direção de corrente. Este último tipo de arranjo provê uma considerável redução de risco de disparo de temperatura, como descrito acima, representado na figura 13 por linhas tracejadas.

[0069] A terceira configuração 38c do módulo de comutação compreende além dos primeiro e segundo módulos de IGBT e diodos, uma segunda configuração 30b do módulo de acionamento de porta, onde a segunda configuração 30b compreende duas unidades adicionais não contidas na primeira configuração 30a. Uma destas unidades adicionais é um meio de monitoramento de diodo 37, cuja tarefa é monitorar a funcionalidade de bloqueio dos diodos 2 no primeiro módulo. O

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25/27 monitoramento é feito aplicando uma tensão de teste na direção direta ao IGBT 1a ou 1b, respectivamente, sempre que ligados ou desligados, e quando não estiver passando uma corrente principal através dos correspondentes diodos. Verificando se a tensão de teste se mantém ou não, pode se verificar se um diodo 2a ou 2b falhou, respectivamente. Através deste exemplo de disjuntor CC 17, o monitoramento de diodo pode ser feito para os diodos no disjuntor principal 10 em operação normal, desde que a corrente principal ou primária flua, durante este período, através do disjuntor auxiliar 16 e chave de alta velocidade 15.

[0070] A outra unidade adicional da segunda configuração 30b da unidade de acionamento de porta é um circuito de recarga auxiliar 36, que, em adição à fonte de energia ótica, provê energia ao capacitor de armazenamento de energia 25, sempre que possível, e obtém sua energia a partir do circuito primário, aos quais IGBT 1 e diodos 2 são conectados. No entanto, como descrito, são muito raras as ocasiões de recarga a partir do circuito primário, isto é, ocasiões em que IGBT estão desligados, em uma aplicação de disjuntor CC ou limitador de corrente CC. Ambos, monitoramento e recarga são iniciados por um correspondente sinal de início, enviado e módulo de supervisão e acionador de porta 28 para o meio de monitoramento de diodo 37 e circuito de recarga auxiliar 36, respectivamente. Estes sinais de início podem ser gerados quer internamente no módulo de comutação, pelo módulo de controle de unidade de porta 27, ou pelo próprio circuito de recarga auxiliar 36, no caso de o circuito de recarga auxiliar 36 ser suficientemente inteligente para se adaptar às condições no circuito primário, ou os sinais de início podem ser enviados na forma de correspondentes sinais de controle via primeiro cabo de fibra ótica 51 da unidade de sinal de controle 50 (vide figura 12) para o módulo de comutação, e, então, transmitidos, via detector de sinal de controle 23, do

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26/27 módulo de controle de unidade de porta 27 e módulo de supervisão e acionador de porta 28 para o meio de monitoramento de diodo 37 e circuito de recarga auxiliar 36, respectivamente.

[0071] Uma quarta configuração do módulo de comutação está representada na figura 11, onde pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência é uma conexão antisserial de dois IGBT de condução reversa, de acordo com quarto elemento base 6d, ou, em outras palavras, uma conexão serial de um BIGT 8 de uma primeira direção de corrente. Em consequência, o módulo de comutação é adequado para aplicações bidirecionais. Em paralelo com BIGT não linear 8 e 9, de novo, um resistor limitador de tensão não linear 32 é arranjado, e, em paralelo com resistor 32, um circuito supressor RCD bidirecional é conectado. O circuito supressor RCD bidirecional contém uma primeira conexão paralela de um primeiro diodo 42 e um primeiro resistor 40, onde o primeiro diodo 42 está na primeira direção de corrente, uma segunda conexão paralela de um segundo diodo 45 e um segundo resistor 41, onde o segundo diodo 45 é da segunda direção de corrente, um capacitor comum 46 é conectado em série e entre as primeira e segunda conexões paralelas, um terceiro diodo 44 conectado entre e tendo a direção do catodo do segundo diodo 45 para o catodo do primeiro diodo 42, e um quarto diodo conectado entre e tendo a direção do anodo do segundo diodo 45 para o anodo do primeiro diodo 42. O módulo de acionamento de porta da quarta configuração 38d do módulo de comutação é de uma terceira configuração 30c, e contém basicamente os mesmos elementos da segunda configuração 30b, mas a função do meio de monitoramento de diodo difere do meio de monitoramento de diodo 37 da figura 10 pelo fato de a funcionalidade de bloqueio das funções integradas de diodo de BIGT 8 e 9 ser monitorada junto com o monitoramento da funcionalidade de IGBT de BIGT 8 e 9, respectivamente. O monitoramento é realizado

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27/27 em ambos estados- ligado e desligado - do IGBT do respectivo BIGT, independente da corrente primária ou principal. Se a tensão da porta emissora do IGBT de condução reversa (ligado ou desligado), deteriorar ou interromper, que é detectada detectando um aumento de corrente de vazamento da porta emissora, uma informação de falha será gerada.

[0072] O arranjo de uma unidade de controle central 50 e diversos módulos de comutação de um disjuntor CC, onde os módulos de comutação consistem em uma unidade de acionamento de porta 30, IGBT 1 e diodo antiparalelo 2, como mencionado acima. O disjuntor CC compreende adicionalmente um retentor principal 11. Os módulos de comutação do disjuntor CC podem ser, efetivamente, qualquer de quatro tipos 38a a 38d, como descrito acima, ou ter qualquer outra combinação dentre possíveis configurações de elementos principais de um módulo de comutação, onde os elementos principais são o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência, unidade de acionamento de porta, circuito supressor RCD opcional, e resistor de limitador de tensão não linear. Como pode ser visto na figura 12, dois cabos de fibra ótica 51 e 52 são arranjados entre a unidade de controle de central 50 e cada unidade de acionamento de porta 30, onde o primeiro cabo de fibra ótica 50 é usado para transmitir um sinal de energia ótica, da unidade de controle central 50 para a respectiva unidade de acionamento de porta 30, e onde o sinal de energia ótica, em adição, contém um ou diversos sinais de controle, e o segundo cabo de fibra ótica 52 é usado para transmitir informações de status em forma de sinal de informação ótica, da unidade de acionamento de porta 30 para a unidade de controle central 50.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo (14,17,18) para limitar e/ou interromper corrente elétrica que flui através de uma linha de distribuição ou transmissão de energia (13), o dispositivo (14,17,18) compreende pelo menos um módulo de comutação compreendendo:

- pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9);

- uma unidade de porta (31) arranjada para ligar e desligar o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9), respectivamente, conforme um sinal de controle de comutação; e

- um capacitor para armazenar energia (25), arranjado para prover energia a uma entrada de fonte de energia (29) da unidade de porta, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente

- um meio de transformação de energia (20) arranjado para receber um sinal de energia ótica, transformar o sinal de energia ótica em sinal de energia elétrica e prover o sinal de energia elétrica ao capacitor de armazenamento de energia (25), sendo que

- o módulo de comutação é arranjado para separar do sinal de energia ótica um sinal de controle elétrico e prover o sinal de controle elétrico à unidade de porta (31), sendo que o sinal de controle elétrico compreende o dito sinal de controle de comutação.
2. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sinal de energia ótica é um sinal de baixa potência de menos que 1 Watt.
3. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de porta (31) é arranjada para gerar uma informação de status com respeito à funcionalidade de pelo menos um dos elementos do módulo de comutação e onde o módulo

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2/4 de comutação compreende adicionalmente um meio de transformação de sinal (21), arranjado para transformar a informação de status em sinal de informação ótica e enviar o sinal de informação ótica a uma unidade de controle central (50).
4. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que compreende como o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9) um primeiro módulo contendo um primeiro IGBT (1) ou uma primeira conexão paralela de diversos IGBT (1a) e um primeiro diodo (2) ou uma primeira conexão paralela (1 b) de diversos diodos, onde o diodo ou diodos é/são conectado(s) em antiparalelo ao IGBT (1) ou conexão paralela de IGBT.
5. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o módulo de comutação compreende adicionalmente um segundo módulo conectado em antiparalelo ou em uma conexão antisserial ao primeiro módulo, o segundo módulo contendo um segundo IGBT ou uma segunda conexão paralela (1b) de diversos IGBT, e um segundo diodo (45) ou uma segunda conexão paralela (2b) de diversos diodos, onde o diodo ou diodos é/são conectado(s) em antiparalelo ao IGBT ou à conexão paralela (1b) de IGBT.
6. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que os diodos são diodos comutados por linha.
7. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que compreende como o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9), um primeiro módulo contendo um primeiro IGBT de condução inversa (8) ou uma primeira conexão paralela de diversos IGBT de condução reversa.
8. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um segundo módu

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3/4

Io conectado a uma conexão antisserial com o primeiro módulo, o segundo módulo contendo um segundo condutor reverso IGBT (9) ou uma segunda conexão paralela de diversos IGBT de condução reversa (8).
9. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os primeiro e segundo módulos são integrados em um único conjunto semicondutor, e onde este conjunto é provido de um terminal de porta comum e terminal emissor comum, os terminais sendo conectados às portas e emissores, respectivamente, de todos IGBT (8) de condução reversa no conjunto.
10. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o módulo de comutação compreende adicionalmente um resistor limitador de tensão não linear (32) em paralelo com o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9).
11. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o módulo de comutação compreende adicionalmente um circuito de recarga auxiliar (36) adaptado para receber energia elétrica do circuito primário, onde o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9) é conectado ao e provê energia elétrica ao capacitor de armazenamento de energia (25).
12. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um circuito amortecedor RCD conectado em paralelo com o pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9), onde o circuito amortecedor RCD compreende pelo menos um resistor (35; 40, 41), pelo menos um capacitor (34; 46), e pelo menos um diodo (33; 42, 45), com o diodo e o capacitor sendo conectados em série entre si e o resistor (35, 42, 45) sendo conectado em paralelo

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4/4 com o diodo (33, 42, 45).
13. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a unidade de porta (31) é conectada à porta do pelo menos um elemento de comutação semicondutor de potência (1, 2; 8, 9) via uma ponte H, onde a ponte H é suprida com tensão CC unipolar e emite uma tensão CC bipolar.
14. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 13, caracterizado pelo fato de que o módulo de comutação é adicionalmente arranjado para separar do sinal de energia ótica um sinal de controle elétrico e prover o sinal de controle elétrico à unidade de porta (31).
15. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um meio de monitoramento de diodo (37) adaptado para monitorar a funcionalidade de bloqueio da função de diodos ou diodo, respectivamente, nos primeiro e/ou segundo módulos.
16. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9 ou 15, caracterizado pelo fato de que o meio de monitoramento de diodo (37) é adaptado para monitorar a funcionalidade de bloqueio da função diodo ou funções de diodo do IGBT de condução reversa (8, 9) junto com monitoramento da funcionalidade do próprio correspondente IGBT, gerando uma informação de falha no caso de a tensão de porta emissora no IGBT de condução reversa, desligado ou ligado, se deteriorar ou interromper.
17. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que a deterioração ou interrupção da tensão de porta emissora é detectada detectando uma corrente de vazamento aumentada de porta emissora do IGBT de condução reversa (8, 9).