BR112013022243A2 - transformador de corrente contínua bidirecional - Google Patents
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Abstract
TRANSFORMADOR DE CORRENTE CONTÍNUA BIDIRECIONAL
A invenção disponibiliza um transformador de corrente contínua bidirecional, na medida do possível, simples e sem perdas para altas tensões. O transformador de corrente continua bidirecional (1) compreende um estágio de entrada (2) para a conversão de uma tensão de entrada DC em uma primeira tensão de saída AC, um transformador (3) para transformação da primeira tensão de saída AC em uma segunda tensão AC e um estágio de saída (4) para a
conversão da segunda tensão AC em uma tensão de entrada DC, sendo que pelo menos um dos estágios de entrada (2) e/ou dos estágios de saída (4) compreende, para a disponibilização da primeira e/ou da segunda tensão AC, uma ramificação de um inversor multinível (5) com um primeiro numero de interruptores supercondutores ativos
(61).
Description
"TRANSFORMADOR DE CORRENTE CONTÍNUA BIDIRECIONAL" Carnpo da invenção A presente invenção refere-se a um transformador de corrente contínua para altas tensões.
~ 5 Antecedentes da invenção Conversores de corrente contínua, também conhecidos como conversores DC-DC, denomina-se a um circuito elétrico, o qual converte uma corrente contínua colocada na entrada em uma corrente contínua com nível de tensão mais alto, 10 mais baixo ou invertido. A conversão ocorre com ajuda de comutador eletrônico trabalhando periodicamente e um ou vários armazenadores de energia. No campo da tecnologia de energia, esses conversores são também denominados como conversores DC-DC. 15 A indutância utilizada para o armazenamento intermediário da energia (conversor indutivo) consiste de uma bobina ou de um transformador-conversor. Contrariamente a isso, conversores com armazenamento capacitivo ' (conversores capacitivos) são denominados como bombas de carga. Bombas 20 de carga são utilizadas, ou quando, como em circuitos integrados, não existem indutâncias, ou quando é necessária muito pouca potencia de saída, de rnodo que a utilização de bobinas mais caras não compensa em comparação com o uso'de condensadores baratos. 25 Conversores de corrente contínua são encontrados como parte de redes de conexão, com as quais são operados consumidores como, por exemplo, fontes de alimentação de PC, notebooks, telefones moveis, motores pequenos, aparelhos HiFi. As vantagens frente a fontes de 30 alimentação lineares consistem em melhor grau de i' efetividade e menor desenvolvimento de calor. Para um / \ m regulador de tensão linear ou um resistor ao contrario, a tensão excedente é simplesmente "aquecida". Conversores DC-DC são fornecidos também como módulos de 35 transforínador completamente capsulados, os quais são previstos parcialmente para montagem sobre circuitos impressos. A tensão de saída pode ser, conforme o tipo de estrutura, menor, igual ou maior que a tensão de entrada.
Os mais conhecidos são os grupos construtivos que levam uma baixa tensão para uma tensão galvânica separada.
Os transformadores DC-DC encapsulados são oferecidos, por 5 exemplo, para tensões de isolamento de 1,5 kV até em torno de 3 kv e servern para a alimentação de corrente de consumidores menores em redes de corrente contínua como, por exemplo, em 24 V em instalações industriais ou em 48 V em telecomunicações ou na área de grupos construtivos 10 eletrônicos, por exemplo, 5 Volt para conexões digitais ou + 15 Volt para a operação de amplificadores de operação.
Transformadores de corrente contínua são classificados conforme diferentes critérios e divididos em diferentes tipologias (tipo de construção de uma rede 15 dividida em caminhos de corrente). Ao contrário de conversores unidirecionais, para transformadores de corrente contínua bidirecionais é importante qual conexão é definida como entrada e qual conexão como saída.
Uma orientação de fluxo de energia 20 bidirecional permite tanto um fluxo de potência de entrada definida para a saída como também o contrário. y
A US 5027264 descreve um transformador de corrente contínua bidirecional para altas tensões, para o qual o principio de funcionamento baseia-se em uma topologia de 25 "ponte ativa dual (DAB)". Aqui a tensão de entrada DC em um conversor de entrada convertida para uma tensão AC e com isso um transformador é alimentado.
A saída do transformador é conectada com um conversor de saída, o qual converte a tensão AC, novamente, em uma tensão de m —m 30 saída DC para uma carga.
Um transformador de corrente j' ¶ contínua DAB bidirecional deste tipo utiliza a passagem W por zero de uma meia ponte para reduzir as perdas de conexão.
Ademais, a freqüência de comutação pode ser aumentada.
Esses transformadores DC/DC podem ser 35 implementados em configurações de uma única fase ou de múltiplas fases, sendo que uma tensão de saída é disponibilizada, a qual pode ser mantida pelo menos próxima da tensão de saída desejada.
No entanto, a topologia DAB atual até agora precisa de uma conexão em série de interruptores de potência eletrônicos semicondutores, já que, para altas tensães de circuito, a 5 tensão reversa do semicondutor não é suficiente.
Estes precisarn, por regra, resistências de simetria paralelas à simetria de tensão estática, as quais causam para altas tensões de circuito perdas permanentes.
Por outro lado, a simetria de tensão dinâmica tem que ser garantida para 10 processos de comutação, o que torna necessário ou redes de amortecimento ou conexões de excitação inteligentes e caras ou conexões adicionais.
Caso se deixe a região conectada em uma topologia DAB devido a uma variabilidade de tensão de entrada muito alta ou a uma região de carga 15 muito grande, as perdas de arnortecimento aumentam fortemente.
As perdas nos amortecimentos podem ultrapassar dessa forma as perdas do semicondutor.
Como rede de amortecimento denomina-se uma conexão elétrica com membros de amortecimento, o qual deve neutralizar, 20 por exemplo, altas freqüências ou picos de tensão, que se apresentam geralmente na conexão de cargas indutivas, para uma interrupção repentina do fluxo de corrente.
Membros de amortecimento limitam a velocidade de aumento de tensão ou a velocidade de aumento de corrente nos 25 semicondutores.
Sumário da invenção Um objetivo da presente invenção é disponibilizar um transformador de corrente contínua bidirecional na medida do possível simples e de pobre em perdas para altas 30 tensões. / Este objetivo é alcançado através de um transformador de ! ,. corrente contínua bidirecional com uma estagio de entrada para transformação de uma tensão de entrada DC em uma primeira tensão AC, um transformador para transformar a 35 primeira tensão AC em uma segunda tensão AC e um estagio de saída para transformar a segunda tensão AC em uma tensão DC de saída, sendo que pelo menos um dos estágios b a 4 mj
> a? &,
de entrada e/ou dos estágios de saída compreende, para a disponibilização da primeira e/ou segunda tensão AC, uma ramificação de um inversor multinível com um prirrieiro á L-
K· e número de conectores semicondutores ativos.
Obtém-se um 5 DAB multinível.
Para isso os estágios de entrada e de "Q'
saída são isolados um em relação ao outro.
O estágio de entrada em um transformador de corrente contínua da presente invenção pode, eventualmente, representar o estagio de saída ern um outro transformador de corrente 10 contínua bidirecional conforrne a invenção.
Interruptores semicondutores ativos apropriados (semicondutor de potência) são aqui, por exemplo, tiristores desconectáveis, transistores ou MOSFETS.
O especialista, pode utilizar, alternativamente, também outros 15 interruptores semicondutores ativos apropriados.
Inversores são dispositivos, que convertem tensões de qualquer polaridade em outras tensões.
O processo de conversão acontece aqui através de eletrônica de potência, sendo que a energia elétrica é armazenada em um 20 assim chamado circuito intermediário.
Nesse circuito intermediário podern ser montados também, por exemplo, ainda filtros adicionais.
A tensão de saída do inversor multinível é composta de urrta pluralidade de estados de tensão (nível). Para um inversor de dois estágios 25 (inversor de 2 níveis) isto significa dois estados de tensão, para um inversor de três estágios (inversor de 3 níveis) são três estados de tensão, etc.. o conceito inversor multinível compreende dessa forma todos os inversores multinível apropriados, também por exemplo,
,-> 30 inversor de 2 níveis, inversor de 3 níveis, inversor de 4 / níveis, inversor de 5 níveis, etc.. O transformador DC/DC
-F bidirecional de acordo com a presente invenção evita então uma conexão em série, de alto custo, de interruptores de potência semicondutores eletrônicos como 35 IGBTS {"insulated gate bipolar transistors": transistores bipolares de porta isolada) ou IGCTs (Integrated Gate Commutated Thyristor": tiristor comutado por porta integrada) com atuadores de porta inteligentes ou membros de amortecimento RC com perdas e permite uma operação sem tj , perdas. Transformadores de corrente contínua de acordo com a presente invenção podem ser utilizados, por 5 exemplo, na eletrônica de potência, por exemplo, para redes DC, em sistemas de armazenamento de energia, aqui particularmente sistemas de armazenamento de energia por bateria, em instalações eólicas ou para sisternas de energia regenerativa como transformador de corrente, 10 particularmente como transformador de corrente com alta relação de tensão. A configuração do ouro lado, ou seja do lado de entrada pelo arranjo do inversor multinível no lado de saída ou o lado de saída pelo arranjo do inversor multinível no lado de entrada depende da aplicação 15 prevista para o transformador de corrente contínua bidirecional, por exemplo, para a minimização de perdas para determinados pontos de operação ou para exigências
J de uma determinada variabilidade de tensão. Em uma forma de concretização, o inversor multinível é um 20 inversor de 3 níveis ou um inversor de 5 níveis. O inversor de 3 níveis está em condições de proporcionar três estágios de tensão na saída. Para isso, os semicondutores de potência são carregados maximamente com metade da tensão de circuito intermediário. Para diminuir 25 as deformidades de tensão, aqui é utilizado, ao contrario de em uma meia ponte, dois inte.rruptores supercondutores em série. Sem outras medidas, a distribuição de tensão dos semicondutores de potência é, entretanto, assimétrica. A distribuição de tensão simétrica dos ô 30 semicondutores de potência pode ser conseguida, por exemplo, através de capacitores arranjados em paralelo
W aos semicondutores de potência. O inversor de 5 níveis é ajustado de modo analógico na posição, cinco estágios de tensão de saída. Em uma forma de concretização preferida, 35 o inversor multinível é um inversor NPC de 3 níveis com dois diodos de fixação. Usa-se aqui NPC para "neutral- point-clamped (ponto neutro fixado). Os níveis dos três estágios de tensão podem ser ajustados simetricamente para o inversor NPC de 3 níveis, de modo que a tensão central corresponde ao nível zero de tensão, sem que para
F isso sejam necessárias redes de simetria e/ou Treiber. Em 5 formas de concretização alternativas, no lugar dos diodos de fixação, podem ser utilizados IGBTS (transistores bipolares com eletrodo de porta isolado) (inversor ANPC) ou capacitores nos chamados FLCS para distribuição de tensão. Em uma forma de concretização, o inversor 10 multinível é um inversor NPC de 3 níveis (51, 52) com dois IGBTS ou capacitores no lugar dos diodo de fixação. Todas as formas de concretização precedentes podem ser utilizadas, além dos, inversores de 3 níveis, correspondentemente em outros inversores multinível com 15 um outro numero de níveis. Alem da topologia simplificada tem-se através da introdução do nível de tensão adicional (em comparação com o inversor de 2 níveis) um outro grau de liberdade para a modulação do inversor. O grau de liberdade adicional pode ser utilizado, por exernplo, para 20 a minimização das perdas totais do inversor para uma região de carga. Para uma grande relação de transformação entre a tensão de entrada e a tensão de saída é vantajoso arranjar o inversor NPC de 3 níveis no lado com a tensão mais alta. Para uma alta transformação seria este o lado 25 de saída, para uma transformação para baixas tensões seria este o lado de entrada. Como relação de transformação denomina-se aqui a relação das amplitudes entre primeira e segunda tensão AC. Correspondentemente, o lado da alta tensão é ou o lado de entrada ou o lado de Ú 30 saída. Em uma outra forma de concretização, o estágio de saída para a mesma orientação da segunda tensão AC compreende uma meia ponte (H"-Brücke") com um segundo numero de interruptores semicondutores ativos. Uma meia ponte 35 consiste assim de dois meias pontes. Ao contrário de transformadores de corrente contínua unidirecionais, o transformador de corrente contínua bidirecional precisa também no lado de saída de interruptores supercondutores controláveis.
O princípio de um transformador de corrente contínua DAB é provocar sobre as tensões AC no transformador uma queda de tensão definida acima da 5 indutância de controle do transformador e com isso controla-se o fluxo de potência.
A meia ponte pode servir aqui como retificador de ponte para a transformação de corrente alternada em corrente contínua, a qual é disponibilizada,então na saída.
Uma meia ponte tal é urri componente convencional conhecido e assim disponível.
Uma meia ponte conectada ativa ou uma meia ponte possibilita o controle independente do angulo de desloc,amento das tensões alternadas do transformador e dessa forma o controle desejado do fluxo de potência.
A meia ponte pode ser utilizada particularmente em estágios de saída para baixas tensões de circuito intermediário, para as quais não é necessária nenhuma conexão em série dos interruptores semicondutores.
Em uma forma de concretização preferida, a meia ponte é uma meia ponte de 2 níveis.
Em uma concretização preferida, o núrnero de primeiros e segundos interruptores semicondutores é igual.
Assim, pode ser duplicada a tensão de circuito intermediário permitida e a região de tensão de entrada utilizável.
Em um arranjo do interruptor de tensão de entrada bidirecional com um estágio de inversor NPC de 3 níveis com dois diodos de fixação e uma meia ponte de 2 níveis, para mesmo numero de interruptores supercondutores, por meio do ajuste das amplitudes de tensão pode ser colocada igual a 1 a relação de tensão, por meio do qual é garantida a conexão sem perdas sobre uma região de carga ampliada em comparação aos transformadores de corrente contínua DAB convencionais.
Em uma forma de concretização, o numero dos segundos interruptores supercondutores na meia ponte é quatro, os segundos interruptores semicondutores podem ser conectados independentes entre si, e o primeiro e o segundo dos interruptores supercondutores são conectados s um trilho de circuito positivo, veja figura 7. Dessa
- forma, a corrente de transformador é minimizada para »
pequenas potências.
Para transformadores DC/DC fala-se 5 também da minimização da potência cega.
O trilho de circuito positivo denomina o potencial superior do condensador.
Operando-se os primeiros e segundos interruptores supercondutores em paralelo, fecha-se o transformador e na meia ponte é produzido um terceiro 10 nível de tensão, o nível zero.
Assim, uma meia ponte de 2 níveis pode ser operada para o correspondente controle dos segundos interruptores supercondutores também como meia ponte de 3 níveis.
Com isso, pode ser minimizada a potência cega do inversor.
Isto pode ser conseguido 15 também, alternativamente, ao se conectar o terceiro e o quarto dos segundos interruptores supercondutores a um t,rilho de circuito negativo.
O trilho de circuito negativo denomina correspondentemente o potencial inferior do condensador.
Para a minimização da potência 20 cega é necessário aqui urn disparo independente dos segundos interruptores supercondutores diagonais (o primeiro e o quarto ou o segundo e o terceiro dos segundos interruptores supercondutores). Em outra forma de concretização, o estágio de saída para 25 a retificação da segunda tensão AC cornpreende tarnbém uma ramificação de um segundo inversor multinível.
O conceito inversor multinível compreende então todos os inversores multinível apropriados, isto é, por exemplo, inversor multinível de 2 níveis, inversor multinível de 3 níveis, 30 inversor multinível de 4 níveis, inversor multinível de 5 níveis, etc.. em uma forma de concretização, o segundo inversor multinível é um inversor multinível de 3 níveis ou um inversor multinível de 5 níveis.
Preferencialmente,
o segundo inversor multinível é um inversor NPC de 3 35 níveis com dois diodos de fixação.
Em uma outra forma de concretização, a tensão de entrada DC é variável e a amplitude de tensão da tensão de entrada é ajustada à amplitude da tensão de saída.
A relação de tensão é com isso igual a 1, com o qual a
* conexão sem perdas para aproximadamente toda a região de carga pode ser garantida.
Em comparação com o 5 transformador de corrente continua DAB de 2 níveis, o transformador apresentado tem a vantagem, a favor do nível de tensão adicional, um outro grau de liberdade na modulação.
Por exemplo, através do grau de liberdade adicional do nível 3 para a concretização de 3 níveis ou 10 o os graus de liberdade adicionais do nível 5 para a concretização de 5 níveis, etc., pode-se minimizar as perdas totais do inversor transformador incluído, etc.
A conexão ZVS (conexão de tensão zero) e a conexão para corrente mínima podem ser dessa forma também 15 influenciadas.
A região de carga para uma conexão sem perdas é aumentada, em comparação aos transformadores de corrente contínua DAB convencionais, também para relações de tensão diferentes de 1. Em uma outra forma de concretização, a topologia do 20 transformador de corrente contínua bidirecional é ampliada a três ou mais fases.
Dessa forma, abre-se um campo de aplicação maior do transformador de corrente contínua bidirecional, conforme a invenção, para potências mais altas. 25 O transformador de corrente contínua bidirecional pode possuir diferentes relações multinível - multinível.
Por exemplo, o transformador de corrente contínua bidirecional de acordo com a presente invenção pode ser um transformador DC-DC 3 níveis/2 níveis.
Em outras 30 formas de concretização, o transformador de corrente contínua bidirecional de acordo com a presente invenção pode ser também um transformador DC-DC 5-níveis/2-níveis ou um transformador DC-DC 5-níveis/3-níveis ou um transformador DC-DC 3-níveis/3-níveis.
Especialistas 35 podem escolher também outras combinações multinível - multinível dentro do escopo da presente invenção, em dependência da área de aplicação desejada.
Breve descrição das figuras Estes e outros aspectos da presente invenção são representados em detalhe nas figuras, nas quais: A figura 1 apresenta varias formas de concretização do 5 transformador de corrente contínua bidirecional com pelo menos um inversor multinível em estágio de entrada e/ou saída; A figura 2 apresenta um transformador de corrente contínua bidirecional de acordo com a presente invenção com um inversor NPC de 3 níveis no estágio de entrada e uma meia ponte de 2 níveis no estágio de saída; A figura 3 simula trajetórias para as tensões AC primeiras e segundas, assim como para as correntes correspondentes no transformador para um transformador de corrente contínua bidirecional conforme a figura 2 para um primeiro modo de operação; A figura 4 apresenta trajetórias'de corrente dos estágios de entrada e saída de um transformador de corrente contínua bidirecional de acordo com a presente invenção conforme a figura 2 para o primeiro modo de operação; A figura 5 apresenta trajetórias para as tensões AC primeiras e segundas, assim como para as correspondentes correntes no transformador para um transformador de corrente contínua bidirecional de acordo com a presente invenção conforme a figura 2 para um segundo modo de operação; A figura 6 apresenta trajetórias de corrente nos circuitos dos estágios de entrada e saída de urn transformador de corrente contínua bidirecional conforme a figura 2 para o segundo modo de operação; A figura 7 apresenta o estágio de saída como meia ponte de 3 níveis; e A figura 8 apresenta um transformador de corrente contínua bidirecional alternativo conforme a presente invenção com dois inversores NPC de 3 níveis como estágios de entrada e saída.
Descrição detalhada da invenção
A figura 1 mostra varias formas de concretização (a) a (d) do transformador de corrente contínua bidirecionaí 1 cada um com um estágio de entrada 2 para a conversão de uma tensão de entrada DC em uma primeira tensão de saída 5 AC, um transformador 2 para transformação da primeira tensão AC em uma segunda tensão AC e um estágio de saída 4 para a conversão da segunda tensão AC em uma tensão de saída DC.
As diferentes formas de concretização (a) - (d) compreendem pelo menos um inversor multinível 5 no estágio de entrada 2 e/ou no estágio de saída 4. Na forma de concretização (a), o inversor multinível 5 é arranjado no estágio de entrada 2. Na forma de concretização (b), o inversor multinível 5 é arranjado no estágio de saída 4. Na forma de concretização (C), é arranjado, respectivamente, um inversor multinível 5 no estágio de entrada 2 e no estágio de saída 4. Na forma de concretização (d), o inversor multinível 5 é arranjado no estágio de entrada 2, enquanto o estágio de saída 8 compreende uma meia ponte.
A figura 2 mostra um transformador de corrente contínua bidirecional de acordo com a presente invenção corn um inversor NPC de 3 níveis 51 no estágio de entrada e uma meia ponte de 2 níveis 81 no estágio de saída 4. No estágio de entrada tem-se uma tensão de entrada DC 21, o estágio de saída 4 alimenta uma carga 11. Entre os estágios de entrada e de saída 2, 4, a tensão de saída do estágio de entrada 2 é transforrnado por meio de um transformador 3 em uma tensão de entrada do estágio de saída 4. O inversor NPC de 3 níveis 51 compreende para isso dois superiores e dois inferiores interruptores supercondutores 61 cada um com um diodo arranjado paralelo a ele 7a, dois diodos de fixação 71 e dois condensadores 9. Primeiros interruptores supercondutores ativos apropriados 61 (supercondutor de potência) são, por exemplo, MOFFETS, IGBTS ou IGCTS.
Os componentes do inversor NPC de 3 níveis 51 formam um circuito intermediário, no qual a energia elétrica para o processo de transformação é armazenada.
Nesse circuito podem, em outras formas de concretização, ser montados ainda filtros adicionais, por exemplo, filtros de freqüência.
A primeira tensão AC enviada do inversor multinível 51 para 5 o transformador 3 para conversão compõe-se de uma pluralidade de estados de tensão (níveis). Corno para transformador de corrente contínua bidirecional DAB convencionais, é utilizada a indutância de controle do transformador, e caso esta não alcance, uma indutância adicional a ela em série, para poder controlar a potência entre -Pmax, 0 e +Pmax, sendo que Pmax denomina a potência máxima transmissível.
O estágio de saída 4 compreende, nesta forma de concretização, para a retificação da segunda tensão AC transformada da primeira tensão AC, uma meia ponte de 2 níveis 81 com quatro
, segundos interruptores supercondutores ativos 62 cada um com um diodo 7b arranjado paralelo a ele, de modo que o numero dos interruptores supercondutores 61, 62 nos estágios de entrada e de saída 2, 4 é igual.
O condensador 10 serve para a suavização da tensão de saída retificada.
A figura 3 mostra trajetórias como função de CÚt para uma primeira tensão AC Vj (tensão de entrada no transformador) e uma segunda tensão AC V2 (tensão de saída) no transformador assim como para as correspondentes correntes Il no transformador 3 para um transformador de corrente contínua bidirecional 1 e I2 no circuito conforme a figura 2 em caso de uín primeiro modo de operação OPl, no qual a tensão de entrada Vj é maior que a tensão de saída V2, sendo que para o angulo de deslocamento de fases 4) entre primeira e segunda tensão AC V, e V2 vale: 0 < 9) < í3/2. Na representação de Vj e V2 sobre ot são visíveis para Vj os três níveis de tensão +Vl, 0, -Vj, os quais disponibiliza o inversor NPC de 3 níveis, assim como ambos os níveis de tensão +V2, -V2, os quais são retificados apos a transformação por meio da meia ponte de 2 níveis.
A transmissão de energia máxima é conseguida para um angulo de deslocamento de fases de 9) = Í3/2, para ç) = 0 esta é mínima para o modo de operação 1. Para 9) > 13/2, a transmissão de energia é dado o caso novamente menor, porém a potência cega aumenta. 5 A figura 4 mostra as trajetórias de corrente correspondentes à figura 3 (primeiro modo de operação OPl) (circuitos descontínuos com direção de fluxo de corrente representado como seta) na topologia do circuito intermediário dos estágios de entrada e saída de um transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a presente invenção conforme a figura 2, com Vj Z V2 e 0 < 4) < B/2 para toda a região 0 < ot < 2n. A figura 4 compreende oito representações, para as quais são mostradas as diferentes trajetórias de corrente para os oito intervalos em regiões de 0 < ot < 2ri: (1) 0 < ot < OtQ, (2) (Dt0 , et < 4), (3) 9) < ot < 13, (4) f3 < ot < n (5) n < ot < (n + OtQ), (6) (n + OtQ) < ot < (n + 0), (7) (ii + 0) < ot < (ji + B), e (8) (ii + í3) < ot < 2i1. Os circuitos para o primeiro e o segundo interruptor supercondutor as representações (1) e (4) caracterizam os interruptores, que podem ser conectados sem tensão, já que se tem ainda um fluxo de corrente no diodo anti- paralelo. Para uma operação bidirecional do transformador de corrente contínua bidirecional 1, de acordo com a presente invenção, o arranjo DAB de 3 níveis/2 níveis da figura 2 pode ser operado em urn segundo modo de operação OP2 com um angulo de deslocamento de fases negativo 0 <
0. A figura 5 mostra, para o modo de operação 2 com - ti + !3 < 0, trajetórias simuladas para a primeira tensão AC Vj e a segunda tensão AC V2, assim como para as correspondentes correntes I1 no transformador 3 para um transformador de corrente contínua bidirecional 1 e I2 no circuito. Por razões de simetria, a corrente transformada é caracterizada completamente para um período completo através de um periodo de ti. Na representação de Vj e V2 sobre é)t, para Vj são visíveis os três níveis de tensão
+\/i, 0, -Vj, que disponibiliza o inversor NPC de 3 níveis, assim como ambos os níveis de tensão +V2, -V2, que são retificados por meio da meia ponte de 2 níveis.
A transmissão de energia é zero para um angulo de 5 deslocamento de fase 0 = {-ij + 13)/2. A transmissão de energia máxima neste modo de operação é conseguida para um angulo de deslocamento de fases de 4) = 0. A figura 6 mostra as trajetórias de corrente correspondentes (circuitos descontínuos concretização direção de fluxo de corrente representado como seta) à figura 5 (segundo modo de operação OP2) na topologia do circuito intermediário dos estágios de entrada e de saída de um transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a presente invenção, conforme a figura 2, com V, Z V2 e -ii + í3 ç ç) < 0 para a régio total 0 < ot < 2i1. A figura 4 compreende oito representações, nas quais as diferentes trajetórias de corrente para os oito intervalos em regiões de 0 < Újt < 2ti são mostradas: (1) 0 < ot < OtQ, (2) OtQ < ot < í3, (3) 13 < CÚt < (§ - TI), (4) (0 - n) < ot < n (5) tc < CÚt < (n + OtQ), (6) (a + OtQ) < ot < (rí + Í3), (7) (iii + B) < ot < 0), e (8) 4) < ot < 2iji.
Os circuitos para o primeiro e o segundo interruptor supercondutor as representações (1) e (4) caracterizam os interruptores, que podem ser conectados sem tensão, já que se tem ainda um fluxo de corrente no diodo anti- paralelo.
A figura 7 mostra a meia ponte 81 como estágio de saída do transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a presente invenção, da figura 2 como secção ampliada.
Aqui, os segundos interruptores supercondutores 62 podem ser conectados independentes entre si e o primeiro 621 e o segundo 622 dos segundos interruptores supercondutores 62 são conectados a um trilho de circuito positivo +z.
Dessa forma, a corrente de transformados é minimizada para baixas potências.
O circuito consiste da meia ponte e um condensador 10 paralelo à ponte.
O trilho de circuito positivo +z denomina o potencial superior do condensador 10. Operando-se em paralelo o primeiro 621 e o segundo 622 interruptores supercondutores, o transformador 3 é colocado em curto circuito (indicado através das setas descontinuas) e se produz na meia ponte 5 81 um terceiro nível de tensão, o nível zero. Assim, uma meia ponte de 2 níveis 81 pode ser operada para o correspondente controle do segundo interruptor supercondutor 62 tambérn como-meia ponte de 3 níveis. Com isso, pode-se conseguir também que o terceiro 623 e o 10 quarto 624 dos segundos interruptores supercondutores 62 sejam conectados a um trilho de circuito negativo -Z. O trilho de circuito negativo -Z denomina, correspondentemente, a potência inferior do condensador
10. Para a minimização da potência cega é necessário aqui 15 um disparo independente dos segundos interruptores supercondutores diagonais (o primeiro 621 e o quarto 624 ou o segundo 622 e o terceiro 623 dos segundos interruptores supercondutores 62). A figura 8 mostra um transforrnador de corrente contínua 20 bidirecional alternativo 1, de acordo com a presente invenção, com dois inversores NPC de 3 níveis como estágios de entrada e de saída 2, 4. O lado de entrada 2 corresponde ao lado de entrada 2 da figura 2, para os detalhes do estágio de entrada 2 se faz referencia 25 portanto à descrição da figura 2. O estágio de saída 4 compreende um segundo inversor NPC de 3 níveis 52, o qual compreende igualmente dois superiores e dois inferiores primeiros interruptores supercondutores 61 cada um com um diodo 7a arranjado em paralelo a ele, dois diodos de 30 fixação 71 e dois condensadores 9. Primeiros interruptores supercondutores ativos apropriados 61 (supercondutores de potência) são aqui, por exemplo, MOSFETS, IGBTS ou IGCTS. Os componentes do segundo inversor NPC de 3 níveis formam, eventualmente, um 35 circuito, no qual a energia elétrica para o processo de transformação é armazenada. Nesse circuito podem ser montados, em outras formas de concretização, ainda filtros adicionais.
A representação detalhada da invenção nesta parte e nas figuras é dada como exemplo para possíveis formas de concretização dentro do escopo da invenção e, portanto, 5 não é prevista como limitadora.
Particularmente, grandezas dadas são para ser adaptadas às respectivas condições de operação do interruptor (corrente, tensão) do especialista.
Consequentemente, todas as grandezas dadas são previstas como unicamente exemplos para determinadas formas de concretização.
Formas de concretização alternativas, as quais são imaginadas possivelmente pelo especialista dentro do escopo da invenção são consideradas pela presente invenção como compreendidas na presente invenção.
Nas reivindicações, expressões como "um"compreendem também a pluralidade.
Nas reivindicações, as referencias dadas não são limitadoras.
Lista de referências numéricas:
1 transformador de corrente contínua bidirecional 2 estágio de entrada 21 alimentação de tensão de entrada DC 5 3 transformador 4 estágio de saída 5 inversores multinível 51 inversor NPC de 3 níveis no estágio de entrada 52 inversor NPC de 3 níveis no estágio de saída 10 61 primeiro interruptor supercondutor 62 segundo interruptor supercondutor 621 primeiro dos segundos interruptores supercondutores 622 segundo dos segundos interruptores supercondutores 623 terceiro dos segundos interruptores supercondutores 15 624 quarto dos segundos interruptores supercondutores 7a diodos de retificação dos inversor multinível 7b diodos de fixação da meia ponte 71 diodos de fixação do inversor multinível, aqui um inversor NPC de 3 níveis 20 8 meia ponte 81 meia ponte de 2 níveis 9 condensador de circuito 10 condensador para suavização da tensão de saida 11 carga 25 OPl primeiro modo de operação OP2 segundo modo de operação Vj, I1 tensão/corrente da primeira tensão AC V2, I2 tensão/corrente da segunda tensão AC +Z, -Z trilho de circuito positivo/negativo da meia ponte i
Claims (15)
1. Transformador de corrente contínua bidirecional, com um estágio de entrada (2) para a conversão de uma tensão 5 de entrada DC em uma primeira tensão de saída AC, um transformador (3) para transformação da primeira tensão de saída AC em uma segunda tensão AC e urn estágio de saída (4) para a conversão da segunda tensão AC em uma tensão de entrada DC, caracterizado pelo fato de pelo 10 menos um dos estágios de entrada (2) e/ou dos estágios de saída (4) compreender, para a disponibilização da prirneira e/ou da segunda tensão AC, uma ramificação de um inversor multinível (5) com um primeiro numero de interruptores supercondutores ativos (61).
15 2. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de o inversor multinível (5) ser um inversor de 3 níveis ou um inversor de 5 níveis.
3. Transformador de corrente contínua bidirecional, de 20 acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o inversor multinível ser um inversor NPC de 3 níveis (51, 52) com dois diodos de fixação (71).
4. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo 25 fato de o inversor multinível ser um inversor NPC de 3 níveis (51, 52) corn dois IGBTS ou capacitores.
5. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, caracterizado pelo fato de o inversor NPC de 3 níveis (51, 52) ser arranjado 30 para uma grande relação de transformação sobre o lado dos estágios de entrada e de saída (2, 4), no qual se tem a ir mais alta tensão.
6. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 5, 35 caracterizado pelo fato de o estágio de saída (4) compreender para a retificação da segunda tensão AC uma meia ponte (8) com um segundo núrnero de segundo
-
U interruptores supercondutores ativos (62).
7. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de a meia ponte (8) ser uma meia ponte de 2 níveis (81).
5 8. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de o número dos primeiros e dos segundos interruptores supercondutores (61, 62) ser igual.
9. Transformador de corrente contínua bidirecional, de 10 acordo com qualquer uma das reivindicações de 6 a 8, caracterizado pelo fato de o número dos segundos interruptores supercondutores (62) ser quatro, sendo que os segundos interruptores supercondutores podem ser conectados independentes entre si e o primeiro (621) e o 15 segundo (622) dos segundos interruptores supercondutores (62) são montados sobre um trilho de circuito positivo.
10. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo. com qualquer uma das reivindicações de 6 a 8, caracterizado pelo fato de o número dos segundos 20 interruptores supercondutores (62) ser quatro, sendo que os segundos interruptores supercondutores podem ser conectados independentes entre si e o terceiro (623) e o quarto (624) dos segundos interruptores supercondutores (62) são montados sobre um trilho de circuito negativo.
25 11. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o estágio de saída (4) para a retificação da segunda tensão AC compreender uma ramificação de um segundo inversor multinível (5).
30 12. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de o segundo inversor multinível (5) ser um inversor de 3 níveis ou um inversor de 5 níveis.
13. Transformador de corrente contínua bidirecional, de 35 acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o segundo inversor multinível (5) ser um inversor NPC de 3 níveis com dois diodos de fixação (71).
' 14. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 13, caracterizado pelo fato de a tensão de entrada DC (21) ser variável e a amplitude de tensão da tensão de entrada 5 (21) ser ajustada à amplitude da tensão de saída.
15. Transformador de corrente contínua bidirecional, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 14, caracterizado pelo fato de a topologia do transformador de corrente contínua bidirecional (1) ser ampliada a três ou mais fases.
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