BR112012020836B1 - Transformador ferroressonante para utilização em fontes de energia ininterruptas, fonte de energia initerruptas para fornecer energia para uma carga e método de fornecimento de energia ininterrupta à carga - Google Patents

Transformador ferroressonante para utilização em fontes de energia ininterruptas, fonte de energia initerruptas para fornecer energia para uma carga e método de fornecimento de energia ininterrupta à carga Download PDF

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Abstract

transformador ferroressonante para uso em fontes de alimentação ininterrupta. um transformador ferroressonante compreende um núcleo, um desvio principal, primeiros enrolamentos, segundos enrolamentos, e terceiros enrolamentos. o desvio principal posicionado em relação ao núcleo para definir um lado primário e um lado secundário do transformador ferroresswonante. os primeirosw enrolamentos estão dispostos no lado primário do transformador ferroressonaqnte e estão operativamente conectados à fonte de alimentação primária. os segundos enrolamentos são dispostos no lado secundário do transformador ferroressonante e estão operativamente conectados à fonte de alimentação secundária. os terceiros enrolamentos de estão dispostos no lado secundário do transformador ferroressonante e estão operativamente conectados ao condensador de ressonância. quando um sinal primário está presente nos primeiros enrolamentos, um primeiro sinal de saída está presente em pelo menos uma parte dos terceiros enrolamentos. quando uma fonte de alimentação secundária está presente nos segundos enrolamentos, um segundo sinal de saída está presente em pelo menos uma parte dos terceiros enrolamentos.

Description

TRANSFORMADOR FERRORESSONANTE PARA UTILIZAÇÃO EM FONTES DE
ENERGIA ININTERRUPTAS, FONTE DE ENERGIA INITERRUPTAS PARA FORNECER ENERGIA PARA UMA CARGA E MÉTODO DE FORNECIMENTO DE ENERGIA ININTERRUPTA À CARGA
PEDIDOS RELACIONADOS
Este pedido reivindica a prioridade do Pedido de Patente No. US 12/803.787 depositado em 7 de julho de 2010 e do Pedido de Patente Provisório No. US 61/305.926 depositado em 18 fevereiro de 2010.
Os conteúdos de todos os pedidos relacionados listados acima são aqui incorporados por referência.
DOMÍNIO TÉCNICO
A presente invenção diz respeito à geração de um sinal de potência de reserva e, mais especificamente, a sistemas de fornecimento de energia ininterruptos e métodos utilizando transformadores ferroresonantes.
FUNDAMENTOS
Fontes de energia ininterruptas (UPSs) têm sido muito utilizadas para fornecer pelo menos temporariamente energia auxiliar para dispositivos eletrônicos. Tipicamente, uma UPS é configurada para alternar entre uma fonte de energia primária e uma fonte de energia de reserva como necessário para manter uma energia constante para uma carga.
Por exemplo, a fonte de energia primária pode ser uma fonte de energia de concessionária, e a fonte de energia de reserva pode ter a forma de um sistema de baterias. A UPS opera normalmente em um modo de linha, em que o sinal de energia de concessionária é passado para a carga quando o sinal de energia de concessionária está dentro dos parâmetros pré-definidos. No modo de linha, a UPS
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2/11 normalmente também carregará o sistema de bateria. Quando a energia de concessionária está fora dos parâmetros prédefinidos, a UPS comuta para o modo de reserva no qual um sinal AC é gerado a partir da energia armazenada no sistema de bateria.
Uma classe de UPS emprega um transformador ferroressonante. Um transformador ferroresonante é um transformador de saturação que emprega um circuito tanque formado por um enrolamento de ressonância e capacitores para produzir uma saída média quase constante, mesmo que a entrada para o transformador varie. Uma UPS típica que empregam um transformador ferroresonante tira vantagem das propriedades de regulação de tensão de um transformador ferroresonante tanto no modo em linha e de espera. No contexto de uma UPS, um transformador ferroresonante, portanto, fornece supressão de pico, isolamento, proteção de curto-circuito, e regulação de tensão, sem a utilização de componentes ativos.
Convencionalmente, um transformador ferroresonante configurado para ser utilizado em um sistema de UPS inclui um núcleo e um indutor posicionado em relação ao núcleo para definir: (a) um lado de entrada ou primário do transformador e (b) um lado de saída ou secundário do transformador. Um transformador ferroresonante convencional usado em uma UPS irá ainda compreender enrolamentos de entrada e enrolamentos de inversor (ressonante) dispostos no lado de entrada ou primário e enrolamentos de saída no lado de saída ou secundário.
Um objetivo da presente invenção é o de proporcionar transformadores ferroressonantes melhores para uso em
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3/11 sistemas de UPS.
SUMÁRIO
A presente invenção pode ser concretizada como um transformador ferroresonante compreendendo um núcleo, um desvio principal, primeiros enrolamentos, segundos enrolamentos e terceiros enrolamentos. O desvio principal posicionado em relação ao núcleo para definir um lado primário e um lado secundário do transformador ferroresonante. Os primeiros enrolamentos são dispostos no lado primário do transformador ferroresonante e são operativamente conectados à fonte de energia primária. Os segundos enrolamentos são dispostos no lado secundário do transformador ferroresonante e são operativamente conectados à fonte de energia secundária. Os terceiros enrolamentos são dispostos no lado secundário do transformador ferroresonante e são operativamente conectados ao capacitor de ressonância. Quando um sinal primário está presente nos primeiros enrolamentos, um primeiro sinal de saída está presente em pelo menos uma parte dos terceiros enrolamentos. Quando uma fonte de energia secundária está presente nos segundos enrolamentos, um segundo sinal de saída está presente em pelo menos uma parte dos terceiros enrolamentos.
A presente invenção pode também ser realizada como uma fonte de energia ininterrupta para fornecer energia a uma carga que compreende um transformador, um capacitor de ressonância, uma fonte de energia primária, e uma fonte de energia secundária. O transformador compreende um núcleo, um desvio principal posicionado em relação ao núcleo para definir um lado primário e um lado secundário do
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4/11 transformador, primeiros enrolamentos dispostos sobre o lado primário do transformador, segundos enrolamentos dispostos no lado secundário do transformador, e terceiros enrolamentos dispostos no lado secundário do transformador. O capacitor de ressonância é conectado operativamente aos terceiros enrolamentos. A fonte de energia primária é operativamente conectada aos primeiros enrolamentos. A fonte de energia secundária é operativamente conectada aos segundos enrolamentos. A carga é conectada a pelo menos uma parte dos terceiros enrolamentos. Em um modo de linha, a fonte de energia primária faz com que um sinal primário esteja presente nos primeiros enrolamentos de tal forma que um primeiro sinal de saída é fornecido à carga com base no sinal principal. Em um modo de espera, a fonte de energia secundária faz com que um sinal secundário esteja presente nos segundos enrolamentos tal que um segundo sinal de saída é fornecido à carga com base no sinal secundário.
A presente invenção pode também ser realizada como um método de fornecimento de energia ininterrupta para uma carga que compreende as seguintes etapas. Um desvio principal é posicionado em relação a um núcleo para definir um lado primário e um lado secundário. Primeiros enrolamentos são dispostos no lado primário, ao passo que, segundos e terceiros enrolamentos são dispostos no lado secundário. Um capacitor de ressonância é operativamente conectado aos terceiros enrolamentos. Uma fonte de energia primária é conectada operativamente aos primeiros enrolamentos. A fonte de energia secundária é operativamente conectada aos segundos enrolamentos. A carga é conectada operativamente a pelo menos uma parte dos
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5/11 terceiros enrolamentos. Quando se opera em um modo de linha, a fonte de energia primária faz com que um sinal primário esteja presente nos primeiros enrolamentos de tal forma que um primeiro sinal de saída é fornecido à carga. Quando se opera em um modo de espera, a fonte de energia secundária faz com que um sinal secundário esteja presente nos segundos enrolamentos tal que um segundo sinal de saída é fornecido para a carga.
DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
A Figura 1 é um diagrama de blocos simplificado de uma primeira modalidade de um sistema de fornecimento de energia ininterrupta utilizando um sistema de transformador ferroresonante construído de acordo com, e que incorporando, os princípios da presente invenção;
A Figura 2 é uma vista um pouco esquemática de um transformador ferroresonante formando uma parte do sistema de UPS representado na Figura 1;
A Figura 3 é uma vista em perspectiva do transformador ferroresonante representado na Figura 2;
A Figura 4 é uma vista em elevação lateral do
transformador ferroresonante representado nas Figuras 2 e
3, e
A Figura 5 é uma vista em secção tomada ao longo das
linhas 5-5 na Figura 4.
DESCRIÇÃO DETALHADA
Referindo inicialmente à Figura 1 do desenho, aqui representado é um primeiro exemplo de um sistema de fonte de energia ininterrupta (UPS) 20, construído de acordo com, e incorporando, os princípios da presente invenção.
O sistema de UPS de exemplo 20 fornece energia a uma
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6/11 carga 22 com base em um sinal de energia primário presente em uma linha de energia AC 24 (modo de linha) ou um sinal de energia secundário gerado por um conjunto de bateria 26 (modo de espera). Embora o sinal de energia secundário de exemplo seja gerado por um conjunto de baterias no sistema de UPS de exemplo 20, fontes de energia alternativas tais como geradores, células de combustível, células solares, e outras semelhantes podem ser utilizadas como a fonte de energia secundária.
O sistema de UPS de exemplo 20 compreende uma secção de entrada 30, uma secção de saída 32, uma secção de inversor 34, um conjunto de cabo 36, e um transformador ferroresonante 38.
A secção de entrada de exemplo 30 compreende um comutador principal 40 e primeiro e segundo comutadores de seleção 42 e 44. A secção de saída de exemplo 32 compreende
um capacitor de ressonância ou de saída 50 e,
opcionalmente, um comutador de seleção 52 e um capacitor de
filtro 54.
Quando o comutador de seleção 52 é fechado, o
capacitor de saída 50 forma um circuito ressonante ou
tanque com o transformador 38 como será descrito em maior detalhe abaixo. Quando o comutador de seleção 52 é aberto, o capacitor de saída 50 é removido do circuito formado pela secção de saída do transformador 32 e 38, e o capacitor de filtro 54 filtra a saída deste circuito.
A secção de inversor 34 compreende um circuito inversor 60. O circuito inversor 60 pode ser um circuito de ponte-H ou qualquer outro circuito capaz de produzir um sinal de energia AC apropriado com base em um sinal de
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7/11 energia DC obtido a partir do conjunto de baterias 26. Em particular, o circuito inversor 60 é modulado por largura de pulso, e a secção de inversor 34 funciona como uma fonte de energia de modo comutado quando o sistema de UPS opera em modo de espera. A secção de inversor 34, e o circuito inversor 60 são ou podem ser convencionais e não serão aqui descritos em maior detalhe.
Um controlador 62 pode ser opcionalmente incluído na secção de inversor 34. Se usado, o controlador 62 opera os comutadores 40 e 52 e controla o circuito inversor 60. O controlador 62 pode controlar adicionalmente a carga do conjunto de baterias 26, quando o sistema de UPS 20 opera em modo de linha com base na temperatura, tensão e/ou os sinais de corrente associados com o conjunto de baterias 26.
O transformador ferroresonante 38 compreende um núcleo 70, enrolamentos de entrada 72, indutor 74, enrolamentos de inversor 76, e enrolamentos de saída 78. O núcleo 70 é ou pode ser uma estrutura laminada convencional. Como mostrado na Figura 2, o indutor 74 define um lado primário 80 e um lado secundário 82 do transformador 38. No transformador de exemplo 38, apenas os enrolamentos de entrada 72 estão no lado primário 80 do transformador 38. Os enrolamentos de inversor 76 e enrolamentos de saída 78 estão no lado secundário 82 do transformador 38. Em particular, os
enrolamentos de saída 78 estão dispostos entre os
enrolamentos de inversor 76 e o indutor 74, e o indutor 74
é disposto entre os enrolamentos de saída 78 e os
enrolamentos de entrada 72.
Como talvez melhor ilustrado nas Figuras 3 e 5, o
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8/11 transformador 38 representado nas Figuras 1 e 2 define a seguinte disposição de enrolamentos e desvios: os enrolamentos de entrada 72, um desvio grande (ou principal) formado pelo indutor 74, enrolamentos de saída 78, e enrolamentos de inversor 76. As Figuras 3 e 5 ilustram melhor que, a exemplo do transformador 38, um desvio pequeno (ou menor) 90 está disposto entre os enrolamentos de saída 78 e os enrolamentos de inversor 76. O pequeno desvio 90 não afeta significativamente as propriedades electromagnéticas do transformador 38 no contexto do sistema de UPS global 20, mas é utilizado no exemplo do transformador 38 para permitir que o transformador 38 opere
como descrito aqui, no contexto do sistema de UPS 20.
No modo de linha, a linha de energia AC 24 constitui
uma fonte de energia primária, que faz com que um sinal
primário esteja presente nos enrolamentos de entrada 72. Os enrolamentos de entrada 72 são eletromagneticamente acoplados aos enrolamentos de saída 78 de modo que um primeiro sinal de saída é fornecido a uma ou ambas as cargas 22a e 22b quando o sistema de UPS 20 opera no modo de linha.
No modo de espera, o conjunto de baterias 26 e secção de inversor 34 forma uma fonte de energia secundária que faz com que um sinal secundário esteja presente nos enrolamentos de inversor 76. Os enrolamentos de inversor 76 são acoplados eletromagneticamente para os enrolamentos de saída 78 de forma que um segundo sinal de saída é fornecido a uma ou ambas as cargas 22a e 22b quando o sistema de UPS 20 opera em modo de espera.
Os detalhes da construção do transformador 38 não são
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9/11 críticos para os princípios gerais da presente invenção e irão depender de uma implementação particular do sistema de UPS 20, em que o transformador 38 é concebido para funcionar. O transformador de exemplo 38 tem as seguintes 5 características:
empilhamento 3 x 3 intercalados
altura de pilha aproximadamente 109,73 MM (4,32 )
desvios posicionados em núcleos de modo que não existe iguais saliências em ambos lados
detentor cortado de laminação E em ambas as extremidades da pilha; fita firmemente através detentor após compactação E-I para reduzir o ruído
laminação laminação E-I compacta, sem espaço de ar
acabamento acabamento de nylon usado com parafusos
calços usar calços de madeira para preencher as lacunas entre enrolamentos e núcleo
desvio pequeno aproximadamente 2,00 milímetros (0,075) de espessura (laminação de desvio de 4 pcs grau H50 ou 3 pcs M54); fita de poliéster
desvio grande aproximadamente 16 mm (0,625 ) de espessura (altura de pilha ajustada para atender a exigência de corrente de curtocircuito); fita de poliéster
núcleo laminação E-I; orientação de grão, como mostrada na Figura 3
verniz penetrar, pelo menos, 80% dos enrolamentos e estar completamente curado
O conjunto de cabo de exemplo 36 conecta a secção de
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10/11 saída 32 a uma da primeira e segunda carga de exemplo 22a ou 22b. Em particular, o conjunto de cabo 36 compreende primeiro e segundo conectores de enrolamento 120 e 122 conectados operativamente a uma primeira extremidade 124 dos enrolamentos de saída 78. A segunda extremidade 126 dos enrolamentos de saída 78 está conectada ao capacitor de saída 50. O conjunto de cabo 36 compreende ainda primeiro e segundo conector de torneira 130 e 132 operativamente conectados ao primeiro e segundo ponto intermediário 134 e 136, respectivamente, dos enrolamentos de saída 78. O conjunto de cabo de exemplo 36 compreende adicionalmente um cabo de seleção 140 compreendendo um conector de seleção 142 e primeiro e segundo conector de saída 144 e 146. A primeira carga 22a compreende primeiro e segundo conector de carga 150 e 152, enquanto que a segunda carga 22b compreende segundo e terceiro conector de carga 154 e 156.
Utilizando a montagem de cabo de exemplo 36, o conector de seleção 142 é conectado a um primeiro conector de torneira 130 ou o segundo conector de torneira 132, dependendo dos requisitos de tensão de cargas 22a e 22b. O primeiro e terceiro conector de carga 150 e 154 estão conectados ao primeiro e segundo conector de enrolamento 120 e 122, e o segundo e quarto conector de enrolamento 152 e 156 estão conectados ao primeiro e segundo conector de saída de 144 e 146, respectivamente. O conjunto de cabo 36 permite, assim, uma ou ambas as cargas 22a e 22b ser conectada à secção de saída 32 e os enrolamentos de saída 78 e, mais especificamente, a uma porção apropriada dos enrolamentos de saída 78, tal como determinado pelo primeiro e segundo conector de torneira 130 e 132. A
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11/11 seleção do conector da torneira apropriado 130 ou 132 é baseado nos requisitos de tensão de cargas 22a e 22b.
Dado o acima exposto, deve ser aparente que os princípios da presente invenção podem ser incorporados em 5 formas diferentes das descritas acima. O âmbito da presente invenção deve, assim, ser determinado pelas reivindicações a serem anexadas a este documento e não pela descrição detalhada anterior da invenção.

Claims (14)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Transformador ferroresonante (38) adaptado para ser conectado a um capacitor de ressonância, uma fonte de energia primária (24) que gera um sinal de energia primário, e uma fonte de energia secundária (26) que gera um sinal de energia secundário, o transformador ferroresonante compreendendo:
    um núcleo (70);
    um desvio principal (74) posicionado em relação ao núcleo (70) para definir um lado primário (80) e um lado secundário (82) do transformador ferroresonante;
    primeiros enrolamentos (72) dispostos no lado primário (80) do transformador ferroresonante, em que os primeiros enrolamentos (72) são conectados operativamente à fonte de energia primária (24);
    segundos enrolamentos (76) dispostos no lado secundário (82) do transformador ferroresonante, em que os segundos enrolamentos (76) são operativamente conectados à fonte de energia secundária (26), e terceiros enrolamentos (78), dispostos no lado secundário (82) do transformador ferroresonante, e o transformador ferroresonante caracterizado por
    compreender ainda: um comutador de seleção ( 52); pelo qual quando o sinal primário está presente nos primeiros enrolamentos (72), o comut ador de seleção (52) está
    configurado para conectar o capacitor ressonante (50) aos terceiros enrolamentos (78) para formar um circuito ressonante e um primeiro sinal de saída está presente em
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  2. 2/6 pelo menos uma parte dos terceiros enrolamentos (78); e quando a fonte de energia secundária está presente nos segundos enrolamentos (76), o comutador de seleção (52) está configurado para conectar o capacitor ressonante (50) aos terceiros enrolamentos (78) e um segundo sinal de saída está presente em pelo menos uma parte dos terceiros enrolamentos (78).
    2. Transformador ferroresonante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o desvio principal (74) é formado por um indutor.
  3. 3. Transformador ferroresonante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um desvio menor (90) disposto entre os segundos enrolamentos (76) e os terceiros enrolamentos (78).
  4. 4. Fonte de energia ininterrupta (20) para fornecer energia a uma carga (22), compreendendo:
    um transformador (38) que compreende um núcleo (70), um desvio principal (74) posicionado em relação ao núcleo (70) para definir um lado primário (80) e um lado secundário (82) do transformador,
    primeiros enrolamentos (72) dispostos sobre o lado primário ( 80) do transformador, segundos enrolamentos (76) dispostos no lado secundário (82) do transformador, e terceiros enrolamentos (78) dispostos no lado secundário (82) do transformador, um capacitor de ressonância (50) uma fonte de energia primária (24) operativamente
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    3/6 conectada aos primeiros enrolamentos (72); e uma fonte de energia secundária (26) conectada operativamente aos segundos enrolamentos (76); em que a carga (22) é conectada a pelo menos uma parte (52) dos terceiros enrolamentos (78);
    a fonte de energia ininterrupta (20) caracterizada por compreender ainda:
    um comutador de seleção (52) posicionado para permitir ao capacitor ressonante (50) se conectar e desconectar dos terceiros enrolamentos;
    em um modo de linha, o comutador de seleção (52) está configurado para se conectar ao capacitor ressonante (50) dos terceiros enrolamentos (78), e a fonte de energia primária (24) está configurada para produzir um sinal primário, que esteja presente nos primeiros enrolamentos (72) de tal forma que um primeiro sinal de saída é fornecido à carga (22) com base no sinal principal; e em um modo de espera, o comutador de seleção (52) está configurado para se desconectar do capacitor ressonante (50) dos terceiros enrolamentos (78), e a fonte de energia secundária (82) está configurada para produzir um sinal secundário, que esteja presente nos segundos enrolamentos tal que um segundo sinal de saída é fornecido à carga com base no sinal secundário.
  5. 5.
    Fonte de energia ininterrupta de acordo com a reivindicação
    4, caracterizado pelo fato de que o desvio principal (74) é formado por um indutor.
  6. 6. Fonte de energia ininterrupta de acordo com a reivindicação
    4, caracterizado pelo fato de que o transformador (38) compreende adicionalmente um desvio
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    4/6 menor (90) disposto entre os segundos enrolamentos (76) e os terceiros enrolamentos (78).
  7. 7. Fonte de energia ininterrupta, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a fonte de energia secundária (26) compreende um conjunto de baterias e um inversor (34).
  8. 8. Fonte de energia ininterrupta, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a fonte de energia secundária (26) é uma fonte de fornecimento de energia de modo de comutação.
  9. 9. Fonte de energia ininterrupta, de acordo com a reivindicação 7, caracterizada pelo fato de que o circuito de inversor compreende uma ponte-H.
  10. 10. Método de fornecimento de energia ininterrupta à carga (22), caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:
    fornecer um núcleo (70);
    arranjar um desvio principal (74) em relação ao núcleo (70) para definir um lado primário (80) e um lado secundário (82);
    arranjar primeiros enrolamentos (72) dispostos sobre o lado primário (80);
    arranjar segundos enrolamentos (76) no lado secundário (82);
    arranjar terceiros enrolamentos (78) no lado secundário (82);
    arranjar um comutador de seleção (52) para se conectar ao capacitor ressonante (50) e para desconectar o capacitor ressonante (50) dos terceiros enrolamentos (78);
    operativamente conectar uma fonte de energia primária
    Petição 870190133598, de 13/12/2019, pág. 23/26
    5/6 (24) para os primeiros enrolamentos (72);
    operativamente conectar uma fonte de energia secundária (26) para os segundos enrolamentos (76);
    operativamente conectar a carga (22) de pelo menos uma porção dos terceiros enrolamentos (78);
    operar em um modo de linha ou em um modo de espera, por meio do qual, quando operando em modo de linha, o comutador de seleção (52) é configurado para conectar o capacitor ressonante (50) aos terceiros enrolamentos (78), e a fonte de energia primária (24) faz com que um sinal primário esteja presente nos primeiros enrolamentos (72) tal que um primeiro sinal de saída é fornecido à carga (22), e quando operando em modo de espera, o comutador de seleção (52) é configurado para desconectar o capacitor ressonante (50) dos terceiros enrolamentos (78), e a fonte de energia secundária faz com que um sinal secundário esteja presente nos segundos enrolamentos (76) tal que um segundo sinal de saída é fornecido para a carga (22).
  11. 11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende ainda o passo de arranjar um desvio menor (90) entre os segundos enrolamentos (76) e terceiros enrolamentos (78) em relação ao núcleo (70).
  12. 12. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o passo de operativamente conectar a fonte de energia secundária (26) para os segundos enrolamentos (76) compreende as etapas de fornecer um conjunto de baterias e fornecer um inversor (34).
  13. 13. Método, de acordo com a reivindicação 10,
    Petição 870190133598, de 13/12/2019, pág. 24/26
    6/6 caracterizado pelo fato de que o passo de conectar operativamente a fonte de energia secundária (26) para os segundos enrolamentos (76) compreende o passo de propor fornecer uma fonte de fornecimento de energia de modo de comutação.
  14. 14. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o passo de fornecer o inversor compreende o passo de fornecer uma ponte-H.
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