BR112014006276B1 - gerador de sinais de corrente e processo de geração de sinais de corrente - Google Patents

Abstract

GERADOR DE SINAIS DE CORRENTE E PROCESSO DE GERAÇÃO DE SINAIS DE CORRENTE. A invenção se refere a um gerador de pulsos de corrente, adaptado para fornecer aos terminais (5, 8) de uma carga (7)sinais de corrente regulados, de polaridade alternada, sob alta tensão, compreendendo: uma pluralidade de estágios secundários (20), incluindo ao menos uma fonte de tensão contínua isolada das fontes de tensão dos outros estágios, sendo estes conectados em série entre o ponto médio da segunda semiponte (Q3, Q4) de cada estágio secundário e o ponto médio da primeira semi ponte (Q1, Q2) do estágio secundário seguinte, estando os terminais (5, 8) da carga (7) respectivamente conectados ao ponto médio da primeira semiponte de um primeiro estágio secundário, e ao ponto médio da segunda semiponte de um último estágio secundário; e um circuito de controle (15) adaptado para: selecionar um grupo de estágios secundários (20), chamados estágios ativos, e dentre os referidos estágios ativos ao menos um estágio, chamado estágio de regulação; ajustar simultaneamente cada estágio ativo, à exceção do estágio de regulação, na frequência dos pulsos de corrente; controlar o estágio de regulação de acordo com uma frequência superior à anterior, com uma razão cíclica de controle adaptada para regular a corrente circulante na carga (...).

Description

[001] A invenção se refere a um gerador de sinais de corrente, e mais particularmente a um gerador capaz de gerar pulsos de corrente de intensidade elevada (da ordem de algumas dezenas de amperes) regulada com grande precisão sob uma tensão bem elevada, da ordem de vários quilovolts. A invenção visa igualmente a um processo de implementação de tal gerador.

[002] Em certas aplicações como a eletrólise, a esterilização, a obtenção de plasma sob vácuo, ou para a execução de testes visando à determinação de certas constantes físicas de materiais, homogêneos ou não, como, por exemplo, a sua condutividade ou suas constantes dielétricas e/o indutivas, às vezes é necessária a aplicação através dos referidos materiais de tensões ou correntes calibradas, com períodos previamente determinados de aplicação dessas correntes ou tensões.

[003] Assim, pode ser útil em certos casos a aplicação aos terminais de uma carga, constituída, por exemplo, por dois eletrodos inseridos a uma distância entre si no material a ser medido, de sinais de corrente na forma de pulsos de polaridade alternada separados por períodos chamados períodos de relaxamento, durante os quais nenhuma tensão ou corrente é aplicada. Usualmente, utiliza-se uma sequência temporal simples, na qual é aplicado aos terminais da carga um pulso de tensão positiva de alguns segundos, e depois um período de relaxamento de mesma duração, seguido por um pulso de tensão negativa de mesma duração, por sua vez seguido por um segundo período de relaxamento.

[004] Aplicando-se tal sinal entre dois eletrodos de injeção de corrente fixos no material do qual se deseja medir certas características, e medindo-se um sinal resultante entre dois outros eletrodos de medição colocados, por exemplo, entre os dois eletrodos de injeção, podem ser determinadas a resistividade e a constante dielétrica do material comparando-se as formas do sinal injetado e do sinal medido.

[005] Para a precisão das medições, é necessário regular a corrente aplicada durante os pulsos positivos ou negativos, ou ainda injetar esse sinal na forma de pulsos de corrente, com a tensão se adaptando então permanentemente em função da corrente a ser obtida. É ainda indispensável que os pulsos de corrente apresentem características temporais (por exemplo, referentes ao tempo de ascensão das frentes dos sinais), a fim de permitir uma comparação não tendenciosa entre o sinal injetado e o sinal medido.

[006] São conhecidos geradores utilizados, por exemplo, nas aplicações citadas acima, ou ainda para o estudo de solos no contexto da construção de edifícios ou trabalhos artísticos, ou ainda para a medição da taxa de umidade em solos ou em silos de armazenamento de materiais pulverulentos. Contudo, os geradores conhecidos são adaptados a medições em um raio de ação reduzido e desenvolvem tensões limitadas a algumas centenas de volts e algumas centenas de ampéres.

[007] Permanece portanto uma necessidade por um gerador que permita o fornecimento de sinais de alta tensão, da ordem de alguns quilovolts, capaz de fazer circular uma corrente de algumas dezenas de amperes com uma precisão inferior a um por cento, a fim de aprimorar o desempenho dos geradores conhecidos e permitir a realização de medições em materiais que apresentem impedâncias elevadas e/ou muito variáveis.

[008] A invenção visa a um gerador que seja de fabricação simples e econômica, e que apresente alta confiabilidade.

[009] A invenção visa também a um gerador que possa ser transportado de forma relativamente fácil, para a realização de medições em inúmeros locais.

[0010] A invenção visa ainda a um gerador que possa operar em uma ampla faixa de impedâncias de saída, e que apresente tempos de ascensão, por exemplo, para pulsos de corrente, inferiores a um milissegundo.

[0011] Com estes propósitos, a invenção se refere a um gerador de sinais de corrente, adaptado para fornecer aos terminais de uma carga pulsos de corrente regulados, de polaridade alternada, sob alta tensão, compreendendo uma pluralidade de circuitos, chamados estágios secundários, cada estágio secundário compreendendo ao menos uma fonte de tensão contínua isolada das fontes de tensão dos outros estágios secundários, e um circuito de comutação que compreende quatro comutadores organizados em uma primeira e uma segunda semipontes, cada uma das quais formada por dois comutadores montados em série entre o polo positivo e o polo negativo da fonte de tensão, sendo os estágios secundários interconectados de modo que o ponto médio da segunda semiponte de cada estágio secundário esteja conectada ao ponto médio da primeira semiponte do estágio secundário seguinte, estando os terminais da carga respectivamente conectados ao ponto médio da primeira semiponte de um primeiro estágio secundário, e ao ponto médio da segunda semiponte de um último estágio secundário, e um circuito de controle, caracterizado pelo referido circuito de controle ser adaptado para: • selecionar um grupo de estágios secundários, chamados estágios ativos, em função de um valor de ajuste de uma corrente circulante na carga, • comandar os comutadores dos estágios secundários não selecionados a isolar suas fontes de tensão, • selecionar dentre os referidos estágios ativos ao menos um estágio, chamado estágio de regulação, • ajustar simultaneamente os comutadores de cada estágio ativo, à exceção do estágio de regulação, na frequência dos sinais de corrente, de modo a pôr em série as fontes de tensão desses estágios, • controlar os comutadores do referido estágio de regulação de acordo com uma frequência superior à anterior, com uma razão cíclica de controle adaptada para regular a corrente circulante na carga ao valor de ajuste.

[0012] Graças à montagem dos comutadores dos estágios secundários, é possível, em função dos comandos aplicados aos comutadores de cada estágio de disposição destes em série ou em oposição com os estágios vizinhos, ou ainda de isolamento da fonte de tensão do estágio considerado em relação aos estágios vizinhos sem interromper a passagem da corrente na carga. Sendo assim, é possível selecionar certos estágios secundários e, comutando-os simultaneamente, de forma síncrona com as frentes do sinal a ser obtido e na frequência deste, montá-los em série a fim de se obter quase instantaneamente uma tensão adaptada para fazer circular a corrente desejada na carga, em função da impedância desta. Assim, os tempos de ascensão dos pulsos de corrente podem ser reduzidos. A fim de se obter o desempenho desejado quanto à precisão da regulação da corrente que atravessa a carga, somente um dos estágios secundários postos em série é ajustado em uma frequência elevada (vários KHz), de acordo com um comando de modulação de largura de impulsão que apresente uma razão cíclica dependente da diferença entre o valor da corrente através da carga e um valor de ajuste, o que permite impedir a comutação do conjunto de estágios na frequência elevada e assim limitar a potência dissipada nos comutadores.

[0013] Vantajosamente e de acordo com a invenção, a fonte de tensão de cada estágio secundário possui um enrolamento secundário de um transformador alimentado por um estágio primário, uma ponte retificadora de diodos e um capacitor de filtragem. Utilizando-se um enrolamento secundário de transformador, a fonte de tensão de cada estágio secundário é galvanicamente isolada das fontes de tensão de outros estágios. Além disso, o valor da relação de transformação permite fixar o valor da tensão a vácuo do estágio secundário sem influir sobre a dos outros estágios.

[0014] Em uma primeira variante do gerador de acordo com a invenção, o transformador é um transformador monofásico e a ponte retificadora de cada estágio secundário possui 4 diodos. Tal transformador é menos volumoso, tem corrente ou potência equivalente, e possui menos cobre do que um transformador trifásico, sendo assim menos custoso.

[0015] Vantajosamente e de acordo com a invenção, o estágio primário do gerador possui um circuito de comutação adaptado para alimentar um enrolamento primário do transformador monofásico com uma corrente monofásica chaveada. Dessa forma, ao se empregar uma frequência de corte da corrente primária da ordem de algumas centenas ou milhares de Hz, é possível reduzir-se ainda mais o volume (e a massa) dos núcleos magnéticos do transformador, o que permite a obtenção de um gerador mais leve e menos volumoso, e portanto mais facilmente transportável.

[0016] Em uma segunda variante do gerador de acordo com a invenção, o transformador é um transformador trifásico e a ponte retificadora de cada estágio secundário possui 6 diodos. Distribuindo-se a potência por três enrolamentos primários, as comutações em alta corrente no primário são limitadas.

[0017] Vantajosamente e de acordo com a invenção, os enrolamentos primários do transformador são diretamente acoplados a uma fonte de corrente trifásica. Evita-se assim a complexidade de um estágio primário com interruptor, sendo o estágio primário nesse caso puramente passivo e a confiabilidade do conjunto aprimorada.

[0018] Vantajosamente e de acordo com a invenção, o estágio primário compreende um motor gerador que fornece a alimentação em corrente ao estágio. O uso de um motor gerador para alimentar o estágio primário do gerador permite, seja qual for a variante considerada, a obtenção de um gerador autônomo, de fácil deslocamento e utilizável sem restrição de conexão a uma rede elétrica.

[0019] Vantajosamente e de acordo com a invenção, as fontes de tensão dos estágios secundários apresentam um zoneamento de suas tensões de saída de circuito aberto, permitindo um ajuste preciso da tensão de saída do gerador. Escolhendo-se judiciosamente as tensões dos estágios secundários, é possível ajustar a tensão nos terminais de saída do gerador com grande precisão, por exemplo, inferior a 5% da tensão máxima, colocando-se em série uma seleção apropriada desses estágios secundários, enquanto se faz operar cada estágio secundário utilizado em seu rendimento máximo.

[0020] Vantajosamente e de acordo com a invenção, os comutadores são transistores bipolares de porta isolada. Os transistores bipolares de porta isolada (IGBT) permitem a comutação de grandes tensões e/ou de grandes correntes sem exigirem uma energia de controle elevada, o que permite o seu controle através de um estágio de controle simples que consome pouca energia. Além disso, os comutadores utilizados possuem um diodo antiparalelo entre o coletor e o emissor, permitindo a passagem de uma corrente reversa sem que seja necessário controlar o transistor, o que restringe ainda mais a dissipação de energia nos transistores e consequentemente a elevação da temperatura destes.

[0021] Vantajosamente e de acordo com a invenção, os referidos transistores são montados em radiadores de óleo. Desta forma, o monitoramento da temperatura do óleo de refrigeração permite prevenir um eventual superaquecimento dos comutadores e, se for o caso, informar o circuito de controle a fim de desativar o estágio secundário em questão ou interromper o gerador.

[0022] Vantajosamente e de acordo com a invenção, o circuito de controle é conectado aos comutadores por uma ligação de fibra óptica. Como a comutação de altas correntes e/ou de altas tensões é suscetível de parasitar as linhas de controle elétricas, o uso de uma distribuição de comandos por fibra óptica permite garantir uma boa confiabilidade do gerador, bem como uma fiação simplificada, já que a mesma fibra pode transportar informações de controle multiplexadas ao destino de uma pluralidade de estágios secundários. Além disso, o uso de ligações de fibra óptica isolante permite aprimorar o isolamento galvânico dos estágios secundários entre si e com a terra.

[0023] A invenção se estende igualmente a um processo de geração de sinais de corrente, adaptado para fornecer aos terminais de uma carga pulsos de corrente regulados, de polaridade alternada, sob alta tensão, o referido processo compreendendo: - a utilização de um gerador que possui uma pluralidade de estágios secundários, cada um incluindo uma fonte de tensão contínua isolada das fontes de tensão dos outros estágios secundários, e um circuito de comutação que compreende quatro comutadores organizados em uma primeira e uma segunda semipontes, sendo cada semiponte formada por dois comutadores montados em série entre o polo positivo e o polo negativo da fonte de tensão, sendo os estágios secundários conectados entre si de tal modo que o ponto médio da segunda semiponte de cada estágio secundário seja conectado ao ponto médio da primeira semiponte do estágio secundário seguinte, estando os terminais de carga respectivamente conectados ao ponto médio da primeira semiponte de um primeiro estágio secundário, e ao ponto médio da segunda semiponte de um último estágio secundário, - a seleção de um grupo de estágios secundários, chamados estágios ativos, em função de um valor de ajuste de uma corrente circulante na carga, - o controle dos comutadores dos estágios secundários não selecionados para isolar suas fontes de tensão, - a seleção, dentre os referidos estágios ativos, de ao menos um estágio, chamado estágio de regulação, - o controle simultâneo dos comutadores de cada estágio ativo, à exceção do estágio de regulação, na frequência dos pulsos de corrente, de modo a pôr em série as fontes de tensão desses estágios, - o controle dos comutadores do referido estágio de regulação em uma frequência superior à anterior, com uma razão cíclica de controle adaptada para regular a corrente circulante na carga ao valor de ajuste.

[0024] A invenção se refere também a um gerador e a um processo de implementação do referido gerador, caracterizados em combinação por todas ou por parte das características mencionadas anteriormente ou adiante.

[0025] Outros objetivos, características e vantagens da invenção surgirão a partir da descrição a seguir e dos desenhos anexos, nos quais: - a Figura 1 mostra um esquema de estágios secundários de um gerador de acordo com a invenção em uma primeira variante monofásica, - a Figura 2 é um esquema de um estágio primário de um gerador de acordo com a invenção em uma primeira variante monofásica, - a Figura 3 é um esquema do gerador em uma segunda variante trifásica, - as Figuras 4A e 4B mostram diagramas temporais úteis para a compreensão do funcionamento do gerador de acordo com a invenção.

[0026] O gerador 1 de sinais de corrente de acordo com a invenção possui uma pluralidade de estágios secundários 20 (20a - 20n), cada um incluindo uma fonte de tensão 21 contínua e um circuito de comutação 22.

[0027] Ao longo do texto a seguir, identificam-se por um índice alfabético idêntico os elementos de um mesmo estágio secundário quando este tiver que ser distinguido de um estágio vizinho; ao revés, utiliza-se a referência genérica (sem índice) para se designar um elemento em geral, quando não for necessário distinguir o estágio ao qual ele pertence. Assim, designa-se, por exemplo, o circuito de comutação 22a do primeiro estágio secundário 20a (e respectivamente o circuito de comutação 22b do estágio secundário 20b, etc.), ou ainda de maneira geral o circuito de comutação 22 de um estágio secundário 20 qualquer.

[0028] O circuito de comutação 22 compreende quatro comutadores Q1 - Q4 dispostos em uma montagem de duas semipontes, sendo os comutadores Q1 e Q2 (e respectivamente Q3 e Q4) montados em série entre o polo positivo e o polo negativo da fonte de tensão 21. Cada comutador é de preferência realizado por meio de um transistor (ou de um grupo de transistores) bipolar de porta isolada (IGBT na terminologia inglesa correntemente empregada), escolhido dentre uma seleção adaptada ao desempenho esperado do gerador. A título de exemplo de aplicação não limitativo, um gerador de acordo com a invenção, de potência de cerca de 100 KW, é projetado para fornecer pulsos de corrente de intensidade de cerca de 60 A em uma carga de impedância variável entre 10 Q e 10 KQ, e apresenta dez estágios secundários cujas tensões a vácuo são de 160 V a 1.800 V para uma tensão total máxima da ordem de 11 KV. Assim, por exemplo, cada comutador será selecionado para ser apto a deixar circular uma corrente de intensidade de cerca de 60 A no estado circulante e para ter uma tensão de 2.000 V pelo menos no estado bloqueado.

[0029] Cada comutador possui um diodo antiparalelo 26 adaptado para permitir a circulação de uma corrente inversa no comutador. Tal diodo é geralmente inerente à construção de um IGBT, mas, levando-se em conta as altas correntes que circulam no gerador da invenção, pode ser útil duplicar o diodo inerente com um diodo externo. O diodo 26 é conectado por seu catodo ao terminal positivo do comutador ao qual ele está associado e por seu anodo ao terminal negativo do mesmo.

[0030] No primeiro estágio secundário 20a, o ponto médio da primeira semiponte constituída pelos comutadores Q1a e Q2a é conectado por uma linha 5 e uma indutância de suavização 6 a um primeiro terminal da carga 7. O ponto médio da segunda semiponte constituída pelos comutadores Q3a e Q4a é conectado por uma linha 25a ao ponto comum dos comutadores Q1b e Q2b, que é o ponto médio da primeira semiponte do estágio seguinte. Os circuitos de comutação dos estágios secundários são assim conectados em série, do ponto médio da segunda semiponte de um estágio ao ponto médio da primeira semiponte do estágio seguinte, até o último estágio secundário 20n, no qual o ponto médio da segunda semiponte constituída pelos comutadores Q3n e Q4n é conectado por uma linha 8 ao segundo terminal da carga 7.

[0031] As portas dos comutadores Q1 a Q4 são conectadas a um conversor óptico 23 adaptado para transformar um comando recebido em forma óptica por intermédio de uma fibra óptica 24 em um comando elétrico apropriado. As fibras ópticas 24a - 24n que veiculam os respectivos comandos dos circuitos de comutação 22a - 22n dos estágios secundários são conectadas na extremidade oposta aos conversores ópticos 23 a um circuito de controle 15 (Fig. 2) adaptado para gerar os sinais de controle de comutação dos diferentes estágios. O circuito de controle 15 pode ser realizado de qualquer maneira conhecida pelos técnicos no assunto, em lógica com fio, programável com microprocessador(es), ou ainda por meio de um computador programável segundo o procedimento de operação que será descrito mais adiante.

[0032] Cada estágio secundário 20 possui também uma fonte de tensão 21 contínua, galvanicamente isolada das fontes de tensão dos outros estágios secundários. No exemplo mostrado na Fig. 1, a fonte de tensão 21 contínua compreende um enrolamento secundário S de um transformador 11 monofásico cujo enrolamento primário 12 é alimentado por um estágio primário 10 mostrado na Fig. 2. A corrente alternada monofásica fornecida pelo enrolamento secundário Sé então retificada em alternância dupla por uma ponte de diodos D1 a D4 e filtrada em um capacitor CF de filtragem. No exemplo de aplicação citado anteriormente, os dez estágios secundários são projetados para fornecer uma tensão máxima total a vácuo de cerca de 11 KV, com cinco estágios fornecendo cada um uma tensão de 1.800 V, e os cinco estágios restantes fornecendo respectivamente tensões de 900 V, 500 V, 280 V, 200 V e 160 V.

[0033] O estágio primário 10, em uma primeira variante monofásica mostrada na Fig. 2, e correspondente às fontes de tensão 21 descritas acima, compreende uma fonte de tensão alternada, por exemplo, na forma de um motor gerador 16 de saída trifásica. Esse motor gerador 16, de potência da ordem de 200 KW, pode também ser substituído por uma ligação em uma rede de distribuição elétrica, mono ou trifásica, capaz de fornecer uma potência equivalente. A utilização de um motor gerador é preferível no caso em que o gerador da invenção deva ser móvel.

[0034] A corrente elétrica fornecida pelo motor gerador 16 é retificada em um retificador trifásico que possui três diodos Dp1 a Dp3 e três retificadores controlados, tais como os tiristores Rc1 a Rc3. A corrente assim retificada é filtrada por dois capacitores de filtragem CF1 e CF2 em série entre os polos positivo e negativo e por uma indutância de filtragem Lf em série no polo positivo. Um capacitor Cs, ramificado entre os polos positivo e negativo a jusante da indutância de filtragem Lf, assegura uma suavização da alimentação contínua assim obtida. Quatro comutadores Qp1 a Qp4 são conectados em uma montagem em ponte em H entre os polos positivo e negativo da alimentação. O enrolamento primário 12 do transformador 11 é colocado no ramo horizontal do H, entre o ponto comum dos comutadores Qp1 e Qp2 e o ponto comum de Qp3 e Qp4. Uma indutância de compensação 17 é colocada em série com o enrolamento primário 12. A fim de fazer circular uma corrente alternada no enrolamento primário, os comutadores são controlados de dois em dois, em diagonal e em oposição para circular a corrente alternadamente em um sentido ou em outro no enrolamento primário 12. Assim, quando Qp1 e Qp3 estão abertos e Qp2 e Qp4 estão bloqueados, a corrente atravessa o enrolamento primário em um sentido e, ao invés, quando Qp1 e Qp3 estão bloqueados e Qp2 e Qp4 estão abertos, a corrente circula no sentido oposto. Os comutadores Qp1 a Qp4 são também realizados cada um por meio de um transistor (ou de um grupo de transistores) bipolar de porta isolada (IGBT) controlado por um conversor óptico 14 conectado ao circuito de controle 15 por uma fibra óptica 13. O conversor óptico 14 é também adaptado, quando for o caso, para controlar os tiristores Rc1 a Rc3.

[0035] Vantajosamente, o inversor assim realizado é adaptado para operar em uma frequência de corte elevada (em relação às frequências usuais das redes de distribuição elétrica), da ordem de alguns KHz. Dessa forma, a saturação dos núcleos magnéticos do transformador 11 é reduzida, o que permite minimizar o seu volume, e portanto a sua massa e o seu custo, em uma proporção correspondente à relação de frequências entre a frequência de corte e a frequência usual da rede de distribuição elétrica. A frequência empregada é também suficientemente baixa para não acarretar perdas de comutação excessivas, sobretudo na presença de potências consideráveis comutadas.

[0036] Como será visto adiante em relação ao funcionamento do gerador, nem todos os estágios secundários são utilizados simultaneamente, e nesse caso a indutância dos enrolamentos secundários refletida ao primário pode ser reduzida. A indutância de compensação 17 permite então limitar a corrente no enrolamento primário 12 do transformador.

[0037] Em uma segunda variante do gerador de acordo com a invenção, ilustrada na Fig. 3, o estágio primário 10 é simplesmente constituído pelo motor gerador 16 funcionando como gerador trifásico, que é conectado diretamente (aos interruptores de segurança próximos) aos enrolamentos primários 12 de um transformador 11 trifásico. O estágio primário 10 é então grandemente simplificado e compreende apenas elementos passivos. A sua confiabilidade é assim amplamente aumentada. Entretanto, como visto anteriormente, a frequência da corrente elétrica que alimenta o transformador 11 é então da mesma ordem de grandeza das frequências usuais das redes de distribuição em detrimento do volume dos núcleos magnéticos do transformador.

[0038] Nessa variante, os estágios secundários 20 apresentam uma fonte de tensão 21 contínua adaptada à operação com um transformador trifásico, isto é, o enrolamento secundário S do transformador se apresenta na forma de três enrolamentos conectados cada um em um lado a um ponto comum e no outro lado ao ponto médio de um respectivo ramo de uma ponte retificadora que possui seis diodos D1 a D6. Os catodos dos diodos D1, D3 e D5 são conectados a um terminal positivo de um capacitor de filtragem CF, cujo outro terminal, negativo, é conectado aos anodos dos diodos D2, D4 e D6. O circuito de comutação 22 do estágio secundário e seu esquema de interconexão com os outros estágios secundários permanecem inalterados em relação à primeira variante.

[0039] Será agora detalhado o funcionamento do gerador de acordo com a invenção, descrevendo-se sucintamente os diferentes estágios nos quais um estágio secundário pode se encontrar em função do comando aplicado aos comutadores do circuito de comutação 22. Daqui por diante, define-se arbitrariamente um sentido de circulação da corrente como positivo quando a corrente entra na carga 7 pela linha 5 e retorna pela linha 8.

[0040] Quando o circuito de controle 15, através da fibra óptica 24 e do conversor óptico 23, impõe um estado circulante (ON) aos comutadores Q1 e Q4, ele comanda um estado bloqueado (OFF) para os comutadores Q2 e Q3, a fim de não curto-circuitar a fonte de tensão 21. No caso do primeiro estágio secundário 20a, o terminal positivo da fonte 21a é conectado através do comutador Q1a à linha 5 da carga. O terminal negativo da fonte 21a é conectado por intermédio do comutador Q4a e da linha 25a ao ponto comum dos comutadores Q1b e Q2b do estágio secundário seguinte. Supondo-se que o estágio secundário 20b seja controlado de forma similar, o comutador Q1b conecta então o terminal negativo da fonte 21a ao terminal positivo da fonte 21b. Raciocinando-se por analogia sobre todos os estágios, resulta que a fonte 21a causa a circulação de uma corrente de sentido positivo na carga 7.

[0041] Quando o circuito de controle 15 impõe ao contrário um estado circulante aos comutadores Q2a e Q3a e um estado bloqueado a Q1a e Q4a, é o terminal negativo da fonte 21a que é conectado à linha 5 da carga, e o terminal positivo da fonte 21a é conectado através de Q3a e da linha 25a ao ponto comum dos comutadores Q1b e Q2b do estágio secundário seguinte. Supondo-se que o estágio secundário 20b seja controlado de forma semelhante, o comutador Q2b conecta então o terminal positivo da fonte 21a ao terminal negativo da fonte 21b. Raciocinando-se por analogia sobre todos os estágios, resulta que a fonte 21a causa a circulação de uma corrente de sentido negativo na carga 7.

[0042] É possível também controlar o estado dos comutadores de modo a isolar a fonte 21 de um ou vários estágios secundários do circuito da carga sem para isso interromper a continuidade da série de estágios secundários. Para essa demonstração, supõe-se que a maioria dos estágios secundários foi comandada para causar a passagem de uma corrente positiva na carga e que se deseje isolar a fonte de tensão 21b do estágio secundário 20b. Comandando-se os comutadores Q1b e Q3b para o estado bloqueado e o comutador Q4b para o estado circulante, constata-se que a corrente circula no estágio 20b ao entrar pela linha 25b para o ponto comum de Q3b e Q4b, atravessa Q4b e o diodo antiparalelo 26 de Q2b, para sair do estágio 20b pela linha 25a. Constata-se assim que a fonte 21b permanece isolada do circuito de passagem da corrente. Observa-se também que o estado do comutador Q2b não é determinante para a passagem da corrente.

[0043] Evidentemente, quando a corrente na carga 7 circula no sentido negativo, o papel desempenhado pelos comutadores Q2b e Q4b é invertido, com a corrente entrando pela linha 25a, atravessando Q2b, então necessariamente no estado circulante, e o diodo antiparalelo de Q4b para retornar pela linha 25b.

[0044] Deve ser observado também que, tendo em vista a simetria do circuito de comutação, é igualmente possível isolar a fonte de tensão de um estágio comandando-se os comutadores Q2 e Q4 para o estado bloqueado e os comutadores Q1 e Q3 para o estado circulante em função do sentido da corrente na carga.

[0045] A tabela a seguir resume os comandos a serem aplicados aos comutadores para a inserção da fonte 21 respectivamente em série no sentido positivo, em série no sentido negativo, ou para isolar a fonte de tensão em função do sentido da corrente na carga.

[0046] Faz-se referência à Fig. 4, na qual são mostrados dois gráficos que permitem uma melhor compreensão do funcionamento do gerador de acordo com a invenção.

[0047] Como mencionado anteriormente, para se efetuar certas medições com vista a determinar as características elétricas de um material, deve-se aplicar a uma carga 7, por exemplo, um par de eletrodos inseridos no material a ser medido, um sinal de corrente periódico em forma de pulsos possuindo uma primeira duração T1 de aplicação de um pulso de corrente regulado positivo, uma duração T2 de relaxamento, seguida por uma duração T3 de aplicação de um pulso de corrente regulado negativo, sendo esta seguida por outra duração de relaxamento. Preferivelmente, define-se uma sequência temporal de modo que as quatro durações sejam iguais e reguláveis entre 2 e 4 segundos, por exemplo, o que se traduz em uma sequência temporal com uma duração total de 8 a 16 segundos que representa o período do sinal de corrente.

[0048] Dependendo do material a ser medido, define-se uma corrente de ajuste para cada pulso de corrente (Fig. 4b). De preferência, define-se um mesmo valor de ajuste, em valor absoluto, para os pulsos positivos e negativos. O valor de ajuste Icé regulável entre 0 e 60 A em degraus de 0,1 A, por exemplo.

[0049] O circuito de controle 15 é adaptado para controlar os comutadores Q1 a Q4 para pôr em série ao menos um estágio secundário e estabelecer uma corrente na carga 7. Um meio de medição da corrente que circula na carga, como, por exemplo, um sensor de corrente de efeito Hall ou de bobina de Rogowski (não mostrado) colocado em torno de uma das linhas 5 ou 8 de alimentação da carga que permita fornecer um valor real da corrente que circula nesta. Em função da diferença entre esse valor real e o valor de ajuste, o circuito de controle é programado para implementar duas estratégias de regulagem distintas e complementares.

[0050] Em um primeiro momento, a fim de efetuar uma regulagem grosseira da intensidade da corrente na carga, o circuito de controle 15 seleciona, em função da impedância estimada da carga, um grupo de estágios secundários, chamados estágios ativos, cujas tensões somadas permitem causar a circulação na carga de uma corrente ao menos igual ao valor de ajuste Ic. Os comutadores dos estágios ativos são então comandados para que esses estágios sejam conectados em série ao mesmo tempo, por exemplo, comandando-se simultaneamente os comutadores Q1 e Q4 para o estágio circulante e Q2 e Q3 para o estágio bloqueado. Correspondentemente, os comutadores dos estágios não selecionados são comandados para que suas fontes de tensão sejam isoladas do circuito de alimentação da carga.

[0051] Ao se comandar simultaneamente os comutadores Q1 e Q4 (e respectivamente Q2 e Q3) dos diferentes estágios secundários selecionados, a colocação em série de suas fontes de tensão e a sua aplicação aos terminais da carga 7 se operam no mesmo instante, permitindo assim a redução do tempo de ascensão do pulso de corrente através da carga. Além disso, o circuito de controle 15 pode ser simplificado.

[0052] Em um segundo momento, porém de preferência quase simultaneamente, seleciona-se dentre os estágios ativos ao menos um estágio secundário, chamado estágio de regulação, cujos comutadores são acionados em uma frequência bem mais elevada do que a frequência do sinal de corrente. Por exemplo, quando a duração T1 for da ordem de 1 segundo, o período TREG de controle do estágio de regulação será da ordem de 50 μs. O circuito de controle 15 controla os comutadores do estágio de regulação de forma a pôr em série e depois isolar a sua fonte de tensão de acordo com o período TREG ao modular a razão cíclica do controle, de modo a atrelar a corrente real circulante na carga 7 ao valor de ajuste Ic.

[0053] De forma vantajosa, o circuito de controle 15 é adaptado para selecionar o estágio de regulação dentre os estágios ativos cujas tensões sejam menores. Por exemplo, seleciona-se como estágio de regulação o estágio ativo que apresenta uma tensão a vácuo de cerca de 200 V, preferivelmente aos estágios ativos que apresentem tensões de 500 V a 1.800 V.

[0054] Como se constata na Fig. 4a, os estágios ativos, por exemplo, os estágios secundários 20a e 20b que fornecem as tensões Ua e Ub, são controlados simultânea e continuamente durante o tempo T1, enquanto que o estágio de regulação, por exemplo, o estágio secundário 20n, é controlado de acordo com o período TREG.

[0055] Graças à indutância de suavização 6, em série com a carga 7, o controle total ou nulo do estágio de regulação permite regular a corrente na carga 7, com grande precisão, inferior a 1% do valor de ajuste. Além disso, como somente o estágio de regulação é comutado em alta frequência, o núcleo magnético da indutância de suavização 6 não se satura, com as correntes geradas pelos outros estágios ativos se comportando como correntes contínuas ao longo da duração T1.

[0056] Deve ser observado que, se a associação de corrente realizada pelo estágio de regulação se mostrar insuficiente, por exemplo, de a razão cíclica de controle do estágio tender a 1 ou 0, o circuito de controle 15 é adaptado para comandar a inserção em série de um estágio ativo complementar, ou ainda a supressão ou a substituição de um dos estágios ativos por um estágio de tensão menor.

[0057] Ao fim da duração T1, o circuito de controle 15 isola simultaneamente todos os estágios secundários do circuito de alimentação da carga, e a tensão aplicada através dos terminais desta se anula, assim como a corrente que a atravessa, por uma duração T2 de relaxamento. Durante esse período, a potência fornecida pelo motor gerador pode ser desviada para uma resistência de carga externa (não mostrada), a fim de evitar picos de energia.

[0058] Ao fim da duração T2, o circuito de controle 15 inverte as polaridades dos estágios ativos do período T1, ao comandar simultaneamente os comutadores Q1 e Q4 para o estado bloqueado e Q2 e Q3 para o estado circulante pela duração T3. De forma análoga, o estágio de regulação é comandado em modulação de largura de pulso com o período TREG invertendo-se sua polaridade. Ao fim da duração T3, o circuito de controle 15 isola todas as fontes de tensão dos estágios ativos para um novo período de relaxamento, ao fim do qual a sequência volta ao início de T1.

[0059] Assim, o gerador de acordo com a invenção e seu processo de implementação, ao colocar simultaneamente em série estágios secundários independentes, de tensões variadas, operando continuamente ao longo da duração de cada pulso, permite fornecer pulsos de corrente regulados com grande precisão, apresentando uma taxa de ondulação residual mínima e um tempo de ascensão reduzido.

[0060] Evidentemente, esta descrição é dada a título de exemplo unicamente ilustrativo, e os técnicos no assunto serão capazes de realizar inúmeras modificações sem excederem o escopo da invenção, como, por exemplo, utilizar uma alimentação elétrica do gerador a partir de uma rede de distribuição elétrica ao invés de um motor gerador se a rede adaptada estiver disponível ou se a mobilidade do gerador não for requerida. Além disso, o controle dos circuitos de comutação dos estágios secundários poderá ser operado por meios unicamente elétricos, ou utilizando-se comutadores adaptados para serem diretamente comandados de maneira óptica.

Claims (8)

1. Gerador de sinais de corrente, adaptado para fornecer aos terminais de uma carga (7) pulsos de corrente regulados, de polaridade alternada, sob alta tensão, compreendendo: - uma pluralidade de circuitos, chamados estágios secundários (20), • cada estágio secundário (20) possuindo ao menos uma fonte de tensão (21) contínua isolada das fontes de tensão (21) dos outros estágios secundários, e um circuito de comutação (22) compreendendo quatro comutadores (Q1 - Q4) organizados em uma primeira (Q1, Q2) e uma segunda (Q3, Q4) semipontes, sendo cada uma das semipontes formada por dois comutadores conectados em série entre o polo positivo e o polo negativo da fonte de tensão, • os estágios secundários (20) sendo conectados entre si de tal modo que o ponto médio da segunda semiponte (Q3, Q4) de cada estágio secundário seja conectado ao ponto médio da primeira semiponte (Q1, Q2) do estágio secundário seguinte, sendo os terminais (5, 8) da carga (7) respectivamente conectados ao ponto médio da primeira semiponte de um primeiro estágio secundário, e ao ponto médio da segunda semiponte de um último estágio secundário, e - um circuito de controle (15), adaptado para: • selecionar um grupo de estágios secundários (20), chamados estágios ativos, em função de um valor de ajuste (Ic) de uma corrente que circula na carga (7), • selecionar dentre os referidos estágios ativos ao menos um estágio, chamado estágio de regulação, • controlar simultaneamente os comutadores (Q1 - Q4) de cada estágio ativo, à exceção do estágio de regulação, na frequência (T1, T3), e sincronicamente com os pulsos de corrente, de modo a pôr em série as fontes de tensão desses estágios, • controlar os comutadores (Q1 - Q4) do referido estágio de regulação de acordo com uma frequência (TREG) superior à anterior, com uma razão cíclica de controle adaptada para regular a corrente que circula na carga para o valor de ajuste (Ic), • controlar os comutadores (Q1 - Q4) dos estágios secundários não selecionados para isolar suas fontes de tensão (21), caracterizado por a fonte de tensão de cada estágio secundário incluir um enrolamento secundário de um transformador trifásico alimentado por um estágio primário, uma ponte retificadora de diodos possuindo seis diodos e um capacitor de filtragem.

2. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o transformador (11) ser diretamente acoplado a uma fonte de corrente trifásica (16).

3. Gerador de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a fonte de corrente trifásica (16) ser um motor gerador.

4. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as fontes de tensão (21) dos estágios secundários apresentarem um zoneamento de suas tensões de saída de circuito aberto permitindo uma regulagem da tensão de saída do gerador.

5. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por os comutadores (Q1 - Q4) serem transistores bipolares de porta isolada.

6. Gerador de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por os referidos transistores serem montados em radiadores de óleo.

7. Gerador de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o circuito de controle (15) ser conectado aos comutadores (Q1 - Q4) por uma ligação de fibra óptica (23; 24).

8. Processo de geração de sinais de corrente, adaptado para fornecer aos terminais (5, 8) de uma carga (7) pulsos de corrente regulados, de polaridade alternada, sob alta tensão, em que: - se utiliza um gerador que compreende uma pluralidade de estágios secundários (20), cada estágio incluindo uma fonte de tensão (21) contínua isolada das fontes de tensão dos outros estágios secundários, a referida fonte de tensão incluindo um enrolamento secundário de um transformador trifásico e uma ponte retificadora de seis diodos, e um circuito de comutação (22) que compreende quatro comutadores (Q1 - Q4) organizados em uma primeira (Q1, Q2) e uma segunda (Q3, Q4) semipontes, cada semiponte formada por dois comutadores conectados em série entre o polo positivo e o polo negativo da fonte de tensão, sendo os estágios secundários interconectados de modo que o ponto médio da segunda semiponte de cada estágio secundário esteja conectado ao ponto médio da primeira semiponte do estágio secundário seguinte, e estando os terminais (5, 8) da carga (7) respectivamente conectados ao ponto médio da primeira semiponte de um primeiro estágio secundário, e ao ponto médio da segunda semiponte de um último estágio secundário, sendo o referido processo caracterizado por compreender: - gerar voluntariamente os sinais de corrente na forma de pulsos de corrente, - selecionar um grupo de estágios secundários (20), chamados estágios ativos, em função de um valor de ajuste (Ic) de uma corrente que circula na carga (7), - selecionar dentre os referidos estágios ativos ao menos um estágio, chamado estágio de regulação, - controlar simultaneamente os comutadores (Q1 - Q4) de cada estágio ativo, à exceção do estágio de regulação, na frequência (T1, T3) e sincronicamente com os pulsos de corrente, de modo a pôr em série as fontes de tensão desses estágios, - controlar os comutadores (Q1 - Q4) do referido estágio de regulação de acordo com uma frequência (TREG) superior à anterior, com uma razão cíclica de controle adaptada para regular a corrente que circula na carga para o valor de ajuste (Ic), - controlar os comutadores (Q1 - Q4) dos estágios secundários não selecionados para isolar suas fontes de tensão (21).

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