BR112013000217B1 - módulo de armazenamento de energia para veículos ferroviários - Google Patents

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Abstract

módulo de armazenamento de energia para veículos ferroviários constituído por uma pluralidade de condensadores (1) com terminais (2), para estabelecer uma conexão elétrica com uma única placa de conexões (7) comum a todos condensadores (1) e bloqueio mecânico com uma placa de suporte (6), que fica disposta entre os terminais (2) e a placa de conexões (7). os terminais (2) dos condensadores são superdimensionados, de tal forma que definem um canal de refrigeração entre a placa de suporte (6) e os condensadores (1), sendo que a placa de conexões (7) fica isolada do referido canal de refrigeração por meio da placa de suporte (6).

Description

“MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS”
Campo Técnico [001] A presente invenção refere-se a dispositivos para armazenamento de energia elétrica mediante o uso de condensadores de alta capacidade, propondo um módulo compacto de armazenamento de energia para a alimentação elétrica de equipamentos de propulsão e sistemas auxiliares de veículos ferroviários, como, por exemplo, bondes elétricos, metrôs ou trens.
Fundamentos da Invenção [002] Na busca de um futuro sustentável, a redução das emissões de carbono relacionadas com o transporte fez com que a energia elétrica se tornasse uma das soluções mais eficientes para a condução de meios de transporte público, como, por exemplo, bondes elétricos, trens, metrô, ônibus, etc.
[003] Normalmente, no caso de transportes urbanos ou interurbanos eletrificados, como, por exemplo, bondes elétricos, a alimentação elétrica para os equipamentos de propulsão é feita por meio de um sistema articulado de barras localizado no teto do bonde elétrico, que capta a corrente pelo contato com uma linha aérea (catenária). Estas linhas aéreas são cada vez menos aceitas nas cidades porque geram um impacto visual no meio ambiente, além do elevado custo econômico da infraestrutura envolvida na utilização de tais linhas aéreas.
[004] Foram desenvolvidas várias soluções para a eliminação da catenária, sendo que uma delas consiste em fornecer energia ao bonde elétrico através de um trilho condutor localizado no chão, entre os trilhos-guia, que é dividido em pequenas seções que são alimentadas de forma independente, de tal forma que somente dispõe de corrente elétrica as seções pelas quais o bonde elétrico circula. Estes sistemas podem ser feitos com
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2/12 contato direto entre o bonde elétrico e o trilho condutor, ou sem contato, onde a eletricidade não passa através das vias diretamente, mas passa convertida através de um campo magnético.
[005] Outras soluções para a eliminação da catenária são baseadas na utilização de volantes de inércia, no entanto, o grande desenvolvimento que tiveram os condensadores e as baterias nos últimos anos tornou os acumuladores de energia à base de baterias e condensadores em uma das soluções mais significativas para a propulsão de veículos elétricos.
[006] Os acumuladores são constituídos por vários módulos de armazenamento de energia interconectados entre si para a alimentação de equipamentos de propulsão e sistemas auxiliares de veículos ferroviários; estes módulos são dispostos no teto do bonde elétrico e recarregam-se em parte pela energia cinética recuperada das freadas, de tal modo que não é necessário estabelecer uma conexão contínua com a catenária.
[007] Os módulos de armazenamento de energia convencionais são formados por vários condensadores de alta capacidade, que são conhecidos como supercondensadores, condensadores de camada dupla ou ultracondensadores, que podem ser sustentados por um conjunto de baterias. Nos módulos convencionais, os condensadores estão interligados com uma eletrônica de potência e uma eletrônica de controle que ficam dispostas em contato direto, ou seja, os terminais de cada condensador do módulo ficam diretamente conectados com uma placa de conexões que se encontra disposta imediatamente adjacente em sua parte superior. Esta disposição é contraproducente, porque os terminais dos condensadores atingem altas temperaturas, podendo afetar o desempenho da eletrônica de controle.
[008] Neste caso, um fluxo de ar forçado passa através do espaço definido entre a parte superior do condensador e a placa de conexões
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3/12 para resfriar os terminais, mas a superfície de refrigeração é muito pequena devido ao tamanho reduzido do terminal do condensador, e também o desempenho da eletrônica de controle pode ser afetado pela umidade que o ar pode ter, uma vez que os terminais a serem refrigerados ficam em contato direto com a placa de conexões.
[009] Existem soluções de módulos de armazenamento de energia, nos quais a eletrônica de potência e a eletrônica de controle são separadas uma da outra; nestes casos, em uma lateral do módulo e separada deste fica localizada uma placa de conexões, à qual é levada uma multiplicidade de cabos provenientes dos terminais do condensador; neste caso, é solucionado o problema associado à temperatura na placa de conexões, mas não o problema associado à temperatura na fiação elétrica entre a placa de conexões e os terminais. Esta solução implica uma problemática de montagem e instalação, possíveis falhas na conexão da fiação elétrica e aumento no tamanho do módulo associado a problemas de espaço, o que está em contradição com as necessidades atuais, pois o módulo precisa ocupar pouco espaço e ser o mais leve e compacto possível, uma vez que é montado no próprio bonde elétrico.
[010] A Patente Norte-Americana No. 20050041370 descreve um módulo de armazenamento de energia, tal como aquele do preâmbulo da reivindicação 1, que compreende uma pluralidade de condensadores interconectados um ao outro, por meio de barras, sendo que cada condensador possui terminais que são conectados a uma única placa de conexões comum a todos condensadores, para onde os sinais elétricos do módulo chegam.
[011] Por conseguinte, torna-se necessário dispor de um módulo de armazenamento de energia para uso em aplicações ferroviárias, que seja compacto e leve, cuja eletrônica de potência (os terminais dos condensadores) e a eletrônica de controle (a placa de conexões) sejam separadas uma da outra para evitar possíveis falhas associadas à temperatura
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4/12 ou umidade do ar, e não tenham conectores, nem cabos intermediários, para poder aproveitar melhor o espaço.
Objeto da Invenção [001] De acordo com a presente invenção, é apresentado um módulo de armazenamento de energia para a alimentação elétrica de equipamentos de propulsão e sistemas auxiliares de veículos ferroviários, que apresenta uma estrutura muito leve e compacta, e cuja eletrônica de controle é isolada da eletrônica de potência.
[002] O módulo de armazenamento de energia para veículos ferroviários, objeto da presente invenção, é constituído por uma pluralidade de condensadores interconectados em série, sendo que cada condensador do módulo apresenta um par de terminais, que estabelece uma conexão elétrica com uma única placa de conexões comum a todos condensadores, e também estabelece um bloqueio mecânico com uma placa de suporte, que fica disposta entre os terminais e a placa de conexões. Os terminais dos condensadores são superdimensionados, de tal forma que definem um canal de refrigeração entre a placa de suporte e os condensadores, sendo que a placa de conexões fica isolada do referido canal de refrigeração por meio da placa de suporte.
[003] Com esta configuração estrutural, é possível resolver os problemas associados às soluções convencionais, visto que, pelo fato de a placa de conexões ser isolada dos terminais dos condensadores, não são produzidos os problemas associados com a temperatura ou com a possível umidade contida no ar de refrigeração e, da mesma forma, pelo fato de os terminais serem superdimensionados em comprimento, a seção do canal de refrigeração é aumentada e as condições de refrigeração dos terminais são melhoradas. Além disso, por ter uma única placa de conexões diretamente conectada com os terminais dos condensadores, toda a fiação e, com isso, todos os problemas associados à fiação são eliminados.
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5/12 [004] De acordo com uma modalidade preferida da presente invenção, o superdimensionamento dos terminais é determinado mediante um alongamento longitudinal dos próprios terminais dos condensadores. De acordo com outra modalidade da presente invenção, o superdimensionamento dos terminais é determinado por uma peça extra que é associada a cada um dos terminais dos condensadores.
[005] O canal de refrigeração do módulo de armazenamento de energia da presente invenção tem uma seção transversal com mais de 1,5 centímetros, através da qual ocorre a circulação de ar forçado, sendo que a dita seção tem um tamanho substancialmente similar ao tamanho dos terminais superdimensionados, melhorando, assim, as condições de refrigeração dos terminais dos condensadores.
[006] Foi considerada a possibilidade de a refrigeração dos terminais ser realizada por meio de um fluido, sendo que o fluido refrigerante circula através do canal de refrigeração, sem qualquer contato direto com os terminais dos condensadores.
[007] Sobre o conjunto de condensadores e à altura da base dos terminais, fica localizada uma folha perfurada feita de material isolante, que executa funções de isolamento elétrico entre os condensadores adjacentes. Além disso, esta folha perfurada e a placa de suporte têm um apoio em suas laterais, com placas que proporcionam uma maior rigidez para todo o conjunto estrutural e, ao mesmo tempo, atua como um fechamento lateral para o canal de refrigeração, o que melhora a dissipação do calor gerado nos terminais dos condensadores, quando a refrigeração é realizada por meio da circulação de ar forçado.
[008] O conjunto formado pela placa de suporte, a folha perfurada e as placas de reforço é uma estrutura autônoma e leve, uma vez que é feita de resina composta, conhecida como material compósito, e também
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6/12 garante um bom isolamento elétrico do módulo com outros módulos ou equipamentos elétricos próximos.
[009] Todos os condensadores de um mesmo módulo são dispostos conectados em série, determinando uma única entrada e uma única saída elétrica para todo o módulo, e os condensadores de uma mesma fileira são conectados em linha reta, sendo que cada fileira de condensadores é conectada com a fileira seguinte por meio de uma conexão em zigue-zague.
[010] Com esta interconexão elétrica dos condensadores minimiza-se a diferença de tensão entre os condensadores adjacentes. Esta configuração também facilita a escalabilidade de todo o sistema e permite aumentar a capacidade de armazenamento de energia elétrica de uma forma rápida e simples, sendo que para isso basta simplesmente conectar a saída de um módulo com a entrada do próximo.
[011] Obtém-se, assim, um módulo de armazenamento de energia que é muito vantajoso devido às suas características construtivas e funcionais, adquirindo a sua própria identidade e caráter preferido para a função de aplicação à qual se destina, em relação ao fornecimento de energia elétrica para veículos ferroviários, embora esta aplicação não seja limitativa e possa ser aplicada em outros tipos de veículos de transporte, como, por exemplo, ônibus híbridos, bem como em aplicações de outros tipos.
Breve Descrição das Figuras [001] A Figura 1A mostra uma vista em perspectiva de um módulo de armazenamento de energia convencional, onde os terminais dos condensadores ficam em contato direto com as placas de conexões.
[002] A Figura 1B mostra uma vista em elevação relativa à figura anterior, na qual se observa a seção mínima que apresenta o canal de refrigeração.
[003] A Figura 2A é uma vista em perspectiva explodida de um módulo de armazenamento de energia, de acordo com a presente
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7/12 invenção, onde os terminais dos condensadores e a placa de conexões são separados por uma placa de suporte colocada entre ambos.
[004] A Figura 2B mostra uma vista em elevação relativa à figura anterior, onde se define um canal de refrigeração com uma seção maior do que o canal de refrigeração convencional.
[005] A Figura 3 mostra uma vista em corte de uma modalidade do superdimensionamento dos terminais do módulo de armazenamento de energia, de acordo com a presente invenção.
[006] A Figura 4 mostra uma vista em corte de outra modalidade do superdimensionamento dos terminais do módulo de armazenamento de energia.
[007] A Figura 5 mostra a interconexão elétrica estabelecida entre os condensadores do módulo de armazenamento de energia.
[008] A Figura 6 mostra a interconexão elétrica entre vários módulos de armazenamento de energia.
Descrição Detalhada da Invenção [001] A Figura 1A ilustra um módulo de armazenamento de energia convencional, que consiste em vários condensadores (1) interconectados. Cada condensador (1) do módulo de armazenamento de energia possui dois terminais (2), sendo um para o terminal positivo e o outro para o terminal negativo. Por cima dos terminais (2) e diretamente conectadas a estes, ficam localizadas umas placas de conexões (3) onde chegam os sinais elétricos do módulo, sendo que cada condensador (1) contém uma placa de conexões (3).
[002] Os condensadores (1) de uma mesma fileira são interconectados em série por meio de barras (4) que conectam o terminal (2) positivo de um condensador (1) com o terminal (2) negativo do condensador
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8/12 seguinte (1), ou vice-versa. A ampliação da capacidade de acumulação de energia elétrica deste módulo é obtida por meio da conexão de outro módulo de armazenamento de energia à saída de cada fileira de condensadores (1).
[003] Com esta disposição convencional de montagem, a eletrônica de potência do módulo, ou seja, os terminais (2) dos condensadores (1), fica diretamente conectada com a eletrônica de controle do módulo, isto é, a placa de conexões (3), fazendo com que a temperatura elevada atingida pelos terminais (2) afete as conexões e sinais elétricos extraídos das placas de conexões (3), uma vez que correntes elevadas circulam pelos terminais (2), onde são dissipadas grandes quantidades de calor (na ordem de centenas de Ampéres).
[004] A refrigeração dos terminais (2) dos condensadores (1) é realizada por meio de circulação de ar forçado, por um canal de refrigeração (5) definido entre as placas de conexões (3) e a superfície superior dos condensadores (1), sendo que o dito canal de refrigeração (5) apresenta uma seção transversal que coincide com a altura dos terminais (2) (significativamente mais baixa do que os terminais propostos pela invenção, na ordem de menos de 1,5 centímetros), o que pode ser insuficiente para a refrigeração apropriada dos terminais (2), além de também apresentar o problema de a eletrônica de controle do módulo entrar em contato direto com o ar forçado (Vide Figura 1B).
[005] O módulo de armazenamento de energia para veículos ferroviários, objeto da presente invenção, resolve os problemas discutidos acima, separando a eletrônica de controle da eletrônica de potência, definindo um canal de refrigeração de seção suficiente para realizar a refrigeração apropriada dos terminais (2) dos condensadores (1).
[006] A Figura 2A mostra uma vista em perspectiva explodida do módulo de armazenamento de energia da presente invenção, o qual é constituído por vários condensadores (1) de alta capacidade, sendo que
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9/12 cada um dos ditos condensadores possui terminais (2) superdimensionados, que são os terminais positivo e negativo dos condensadores (1). Os terminais (2) superdimensionados são conectados entre si por meio de barras (4) e, por cima de tais barras (4), localiza-se uma placa de suporte (6) feita de um material leve e com propriedades de isolamento elétrico, que atua como um suporte para uma única placa de conexões (7) comum a todos os condensadores (1).
[007] Portanto, os terminais superdimensionados (2) desempenham duas funções, pois, por um lado, atuam como um bloqueio mecânico com a placa de suporte (6), que endurece o módulo inteiro, e, por outro lado, fazem a conexão elétrica com a placa de conexões (7), de modo que os terminais (2) que formam a eletrônica de potencia do módulo, por meio da placa de suporte (6), encontram-se isolados da placa de conexões (7), que forma a eletrônica de controle do módulo.
[008] Como mostrado na Figura 2B, o superdimensionamento dos terminais (2) permite a definição de um canal de refrigeração (8) com uma seção suficiente para dissipar eficientemente o calor gerado nos terminais (2). Prevê-se que uma seção apropriada para o canal de refrigeração (8) tenha mais de 1,5 cm de altura, coincidindo aproximadamente com o tamanho dos terminais (2) superdimensionados.
[009] O canal de refrigeração (8), que permite o acesso direto aos terminais (2), encontra-se isolado da placa de conexões (7), sendo que o dito canal (8) pode ser válido tanto para refrigeração por ar forçado como para refrigeração por meio de um fluido, sendo que o fluido refrigerante circula através do canal de refrigeração (8), sem qualquer contato direto com os terminais (2) dos condensadores (1).
[010] As Figuras 2A e 2B mostram que na extremidade superior dos condensadores (1), à altura da base dos terminais (2), fica localizada uma folha (9) perfurada feita de um material plástico resistente ou
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10/12 algo do gênero, que desempenha duas funções, pois oferece isolamento elétrico entre os condensadores adjacentes (1) e fornece coesão estrutural ao conjunto de condensadores (1).
[011] Para dar maior rigidez a toda o conjunto, prevê-se que a placa de suporte (6) e a folha (9) perfurada apoiem suas laterais em placas de reforço (10), de tal modo que, por um lado, elas conferem uma maior rigidez ao módulo e, por outro lado, servem de fechamento para as paredes laterais do canal de refrigeração (8), melhorando a refrigeração quando esta funciona por circulação de ar forçado.
[012] A Figura 3 ilustra uma modalidade preferida da presente invenção, na qual o superdimensionamento dos terminais (2) é feito mediante um alongamento (2.1) longitudinal dos próprios terminais (2) dos condensadores (1). Nesta modalidade, verifica-se que, coincidindo com cada terminal (2), define-se um orifício (12) que atravessa a placa de conexões (7), a placa de suporte (6), a barra (4) e que entra no terminal (2), de tal modo que, mediante a inserção de um elemento de fixação condutor, como, por exemplo, um parafuso, no referido orifício (12), o bloqueio mecânico e a conexão elétrica são estabelecidos.
[013] Em uma modalidade mostrada na Figura 4, observase como o superdimensionamento dos terminais (2) é feito por meio de uma peça (11) adicional, que é associada a um terminal (2) convencional. Neste caso, o orifício (12) atravessa a placa de suporte (6) e a barra (4) e entra no terminal (2), estabelecendo, mediante a inserção de um elemento de fixação, o bloqueio mecânico, enquanto a conexão elétrica com os terminais (2) é realizada, por exemplo, por meio de um parafuso, que é inserido em um orifício (13) que atravessa a placa de conexões (7), a placa de suporte (6) e a barra (4).
[014] A Figura 5 mostra a interconexão elétrica do módulo de armazenamento de energia, sendo que todos os condensadores (1) do
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11/12 módulo são conectados em série por meio de barras (4) que conectam o terminal (2) positivo de cada condensador (1) com o terminal (2) negativo do condensador (1) seguinte, de tal modo que os condensadores (1) de uma mesma fileira são conectados em linha reta, e uma fileira de condensadores (1) é conectada com a seguinte, em forma de zigue-zague.
[015] Esta configuração permite dispor de uma única entrada (14) elétrica e uma única saída (15) elétrica para todo o módulo; da mesma forma, esta interconexão elétrica dos condensadores (1) minimiza a diferença de tensão entre os condensadores (1) adjacentes. De acordo com este conceito, e como o número de condensadores (1) da Figura 5 é 16 e estes são dispostos em fileiras de 4, a diferença de tensão máxima entre dois condensadores (1) adjacentes de um mesmo módulo de 16 condensadores (1) será 8 vezes a tensão entre os terminais (2) de um condensador (1), ou seja, a diferença de tensão entre os condensadores (1) adjacentes localizados na extremidade de cada fileira. Isto assegura distâncias mínimas de isolamento, contribuindo para a realização de um módulo de armazenamento muito compacto. Esta configuração de 16 condensadores não é limitada, podendo apresentar o módulo de armazenamento de energia uma configuração alternativa em relação ao número de condensadores (1) e de fileiras.
[016] A estrutura formada pela placa de suporte (6), a folha (9) perfurada e as placas de reforço (10) é uma estrutura autônoma e leve, feita de resinas compostas (material compósito), que também garante um bom isolamento elétrico do módulo com outros módulos ou equipamentos elétricos próximos.
[017] A Figura 6 mostra a interconexão elétrica de vários módulos de armazenamento de energia, de acordo com a presente invenção, sendo que, para ampliar a capacidade de armazenagem de energia elétrica do módulo, basta simplesmente conectar a saída (15) de um módulo com a
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12/12 entrada (14) do módulo seguinte, o que facilita a escalabilidade de todo o sistema.
[018] Nas figuras, os condensadores (1) foram ilustrados com uma configuração circular, mas estes podem ser supercondensadores, condensadores de camada dupla ou ultracondensadores, de qualquer tipo e configuração geométrica conhecida.

Claims (3)

REIVINDICAÇÕES
1. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, que compreende vários condensadores (1) interconectados por meio de barras (4), sendo que cada condensador (1) possui terminais (2) que são conectados a uma única placa de conexões (7) comum a todos os condensadores (1), onde chegam os sinais elétricos do módulo, caracterizado pelo fato de o bloqueio mecânico com uma placa de suporte (6) disposta entre os terminais (2) e a placa de conexões (7) ser estabelecido por meio dos terminais (2) dos condensadores (1), e pelo fato dos terminais (2) serem superdimensionados de tal forma que definem um canal de refrigeração (8) entre a placa de suporte (6) e os condensadores (1), deixando a placa de conexões (7) isolada do referido canal de refrigeração (8), por meio da placa de suporte (6), em que o superdimensionamento dos terminais (2) ser determinado por um alongamento longitudinal (2.1) dos próprios terminais (2) dos condensadores (1).
2/3 que executa funções de isolamento elétrico entre os condensadores adjacentes (1) e fornece coesão estrutural e adjacente ao conjunto de condensadores (1).
5. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 6, caracterizado pelo fato de a placa de suporte (6) e a folha perfurada (9) apoiarem suas laterais em placas de reforço (10), conferindo uma maior rigidez ao módulo e servindo de fechamento lateral do canal de refrigeração (8).
6. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o bloqueio mecânico e a conexão elétrica serem determinados por um elemento de fixação que é inserido em um orifício (12) que atravessa a placa de conexões (7), a placa de suporte (6) e a barra (4) e entra no respectivo terminal (2).
7. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o bloqueio mecânico ser determinado por um elemento de fixação que é inserido em um orifício (12) que atravessa a placa de suporte (6) e a barra (4) e entra no respectivo terminal (2), enquanto a conexão elétrica é determinada por um elemento que é inserido em um orifício (13) que atravessa a placa de conexões (7), a placa de suporte (6) e a barra (4).
8. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de todos os condensadores (1) de um mesmo módulo serem conectados em série, determinando-se uma única entrada (14) e uma única saída (15) elétrica para todo o módulo.
9. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com a reivindicação 10,
Petição 870190079970, de 16/08/2019, pág. 11/27
2. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o canal de refrigeração (8) ter uma seção com mais de 1,5 centímetros, através da qual ocorre a circulação de ar forçado, sendo que a dita seção é substancialmente igual ao tamanho dos terminais (2) superdimensionados.
3. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o canal de refrigeração (8) ser provido de refrigeração, por meio de um fluido refrigerante.
4. MÓDULO DE ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA VEÍCULOS FERROVIÁRIOS, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de à altura da base dos terminais (2) e sobre os condensadores (1) ficar disposta uma folha perfurada (9) de material isolante,
Petição 870190079970, de 16/08/2019, pág. 10/27
3/3 caracterizado pelo fato de os condensadores (1) de uma mesma fileira serem conectados em linha reta, sendo que cada fileira de condensadores (1) é conectada com a fileira seguinte por meio de uma conexão em zigue-zague.
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