BR112014019456B1 - comutador de derivação para regulagem de tensão com elementos de comutação semicondutores - Google Patents

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Abstract

COMUTADOR DE DERIVAÇÃO PARA REGULAGEM DE TENSÃO COM ELEMENTOS DE COMUTAÇÃO SEMICONDUTORES. A invenção diz respeito a um comutador de derivação para regulagem de tensão com elementos de comutação semicondutores em um transformador regulador com uma bobina de regulagem. O comutador de derivação é construído de forma modular, em que cada módulo, respectivamente, compreende uma bobina parcial da bobina de regulagem, a qual pode ser conectada ou desconectada por meio dos elementos de comutação semicondutores. Adicionalmente, varistores e condensadores são integrados, a fim de proteger os elementos de comutação semicondutores contra altas tensões.

Description

[0001] A invenção diz respeito a um comutador de derivação para regulagem de tensão com elementos de comutação semicondutores.
[0002] A DE 22 48 166 A já descreve um transformador regulável com elementos de comutação semicondutores. Nesse caso, a bobina secundária consiste de um número determinado de partes de bobina de regulagem, as quais são resumidas em um número conhecido de grupos de bobinas conectados em série, em que cada grupo de bobina contém dois ou três partes de bobina de regulagem conectados em paralelo. Nesse caso, cada parte de bobina de regulagem é provida com um elemento de comutação sem contato. Nesse relatório, também é descrita outra variante, em que a bobina secundária do transformador consiste de um grupo de partes de bobina de regulagem conectadas em série. O arranjo é configurado de tal maneira, que a direção da tensão nos terminais da parte de bobina de regulagem é reversível, assim como toda a parte de bobina de regulagem também pode ser seletivamente submetida ao bypass.
[0003] A partir da DE 25 08 013 A é conhecido outro dispositivo para comutação escalonada da tensão secundária de um transformador. Também aqui a bobina secundária é agrupada em bobinas parciais, em que elementos de comutação semicondutores também podem ser providos para reversão.
[0004] A DE 197 47 712 C2 descreve um arranjo de um comutador de derivação de técnica semelhante em um transformador com comutação construído como autotransformador. Nesse contexto, partes de bobina individuais também são providas, as quais podem ser conectadas independentemente uma da outra. Além de derivações fixas da bobina de regulagem, no caso desse arranjo partes adicionais separadas de bobina podem ser conectadas ou desconectadas.
[0005] A partir da WO 95/27931 são conhecidas diferentes modalidades de um comutador de derivação para comutação ininterrupta de carga, em que tiristores também servem como elementos de comutação. Por meio de pares de tiristores conectados de modo antiparalelo, nesse caso, diferentes partes de bobina de uma bobina de derivação podem ser conectadas ou desconectadas como parte da bobina secundária do respectivo transformador de derivação. Para realização de uma regulagem de tensão o mais precisa quanto ao escalonamento em um número delimitado de derivações de bobinagem presentes, nesse relatório é sugerido um método designado por “modulação de círculo discreto”, no qual os tiristores são controlados de tal forma, que surgem valores intermediários de tensão secundária.
[0006] A partir da publicação “A new approch to solid-state on load tap changing transformers” (Osman, Demirci; David, A., Torrey; Rober, C., Degeneff; IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, Publicação: 3 de julho de 1998), é conhecido um Sistema de comutador de derivação semicondutor construído de forma modular. Nesse caso, a bobina de regulagem é conectada em série a vários módulos. Cada um dos módulos possui elementos de comutação bem como bobinas parciais com diferentes números de voltas. Por meio de operação objetiva dos elementos de comutação semicondutores, bobinas parciais podem ser desconectadas ou conectadas em relação à bobina de regulagem. Por meio de números diferentes de voltas, é possível, inclusive, conectar bobinas parciais entre si e contra a bobina principal. Essa publicação forma o preâmbulo da primeira reivindicação de patente.
[0007] Em se tratando das soluções conhecidas a partir do estado da técnica, elementos de comutação semicondutores assumem, de fato, a função do braço mecânico seletor em comutadores de derivação mecânicos clássicos. Por meio dos elementos de comutação semicondutores, derivações individuais de bobinagem das bobinas de regulagem podem ser conectadas ou desconectadas por conta própria. Também é possível subdividir a bobina de regulagem em bobinas parciais, as quais podem ser conectadas separadamente.
[0008] Esses comutadores de derivação devem atender a demandas das diferentes Normas IEC 60214-1, juntamente com a IEC 60060. Dentre outros, um teste de tensão alternada (separate source AC withstand voltage test) bem como um teste de tensão de impulso atmosférico (lightning impulse voltage test) devem ser realizados. No caso de teste de tensão alternada, é aplicada uma tensão alternada monofásica com uma frequência de 50 ou 60 Hz, a qual dura 60 segundos. Aqui os valores podem ficar, de acordo com a tensão média de operação aprovada, em 20 até 325kV. O teste de tensão de impulso atmosférico deve ser realizado na forma normatizada de 1,2/50 μs. Nesse sentido, a tensão alternada pode se elevar a um valor de até 1,8 MV. Uma vez que essas tensões alternadas caem imediatamente no comutador de derivação, especialmente nos elementos de comutação semicondutores, e que estes elementos não podem ser configurados ou só podem ser configuras com alto custo para esses altos valores, os danos aos elementos de comutação semicondutores são muito prováveis. A tarefa da invenção é, portanto, prover um comutador de derivação com elementos de comutação semicondutores, no qual os elementos de comutação semicondutores são protegidos contra alta tensão alternada, resultantes dos testes de acordo com as normas.
[0009] Essa tarefa é resolvida por meio de um comutador de derivação com as características da primeira reivindicação de patente. As reivindicações dependentes dizem respeito a modalidades especialmente vantajosas da invenção.
[0010] A ideia geral da invenção consiste em conectar, em paralelo a cada elemento de comutação semicondutor, uma resistência dependente de tensão, a qual é conectada em série a um capacitor.
[0011] A invenção deve ser explicada mais detalhadamente, a título de exemplo, com base na Figura.
[0012] A Figura mostra um transformador a ser regulado, consistindo de uma bobina de subtensão 1 e de uma bobina de alta-tensão - bobina de regulagem (bobina de alta-tensão) 2, com três bobinas parciais W1, W2 e W3 separadas, às quais um comutador de derivação 3 de acordo com a invenção é conectado. A linha pontilhada simboliza, nesse caso, o perímetro do comutador de derivação 3, o qual, aqui, consiste de três módulos M1, M2, M3 individuais. O número de módulos, contudo, pode ser selecionado livremente. O primeiro módulo M1 compreende a primeira bobina parcial W1 bem como, em ambos os lados desta, dois segmentos para bypass, os quais compreendem, respectivamente, uma comutação em série de dois elementos de comutação semicondutores, por exemplo, S1.1 e S1.2 ou S1.3 e S1.4. Respectivamente entre ambos os elementos de comutação semicondutores conectados em série é provida uma derivação central M1.1 ou M1.2. Paralelamente a cada elemento de comutação semicondutor S1.1 - S1.4 é disposto um capacitor C1.1 - C1.4 com uma resistência R1.1 - R1.4 dependente de tensão conectada em série.
[0013] Os elementos de comutação semicondutores individuais são representados apenas esquematicamente como comutador simples. Eles compreendem, na prática, tiristores conectados em paralelo, IGBT'S ou outros elementos de comutação semicondutores. Eles também podem, respectivamente, compreender uma conexão em paralelo ou em série de vários desses elementos de comutação semicondutores. No caso das resistências dependentes de tensão, tratam-se dos assim chamados varistores ou diodos supressores.
[0014] A derivação central M1.1 do primeiro módulo M1 é conectada eletricamente com a terminação da bobina de alta-tensão 2. Por meio das derivações centrais M1.2 e M2.2 são conectados eletricamente os módulos M1 e M2. Esse segundo módulo M2 é construído de modo idêntico; ele também compreende uma bobina parcial W2, ambas as conexões em série a partir de dois respectivos elementos de comutação semicondutores S2.1 e S2.2 ou S2.3 e S2.4, bem como, paralelos a estes, dois respectivos capacitores conectados em série C2.1 - C2.4 e resistências R2.1 - R2.4. Também entre as respectivas conexões em série são dispostas novamente derivações centrais M2.1 e M2.2. A conexão da uma derivação central M2.2 com o primeiro módulo M1 já foi explicada; a segunda derivação central M2.1, por sua vez, é conectada a uma derivação central M3.1 de um terceiro módulo M3 de mesma natureza. Esse módulo também contém elementos de comutação semicondutores S3.1 - S3.4 com derivações centrais M3.1 e M3.2 situados entre os elementos, bem como capacitores C3.1 - C3.4, resistências R3.1 - R3.4 e uma bobina parcial W3. O terceiro módulo é conectado a um dissipador de carga 4 (ponto estrela).
[0015] Os três módulos M1, M2 e M3 descritos podem se diferenciar em função das dimensões das respectivas bobinas parciais W1, W2 e W3.
[0016] Por meio de atuação objetivada dos elementos de comutação semicondutores Sn.1 - Sn. 4 individuais dos módulos individuais M1 - M3 é possível conectar ou desconectar as bobinas parciais W1 - W3 individuais. No caso de bobinas parciais com diferentes dimensões é possível, inclusive, conectá-las uma contra a outra.
[0017] No caso da realização dos testes conforme a Norma IEC, envolve-se uma enorme tensão nos elementos de comutação semicondutores Sn.n. Para proteção dos elementos de comutação semicondutores quando do teste de tensão de impulso atmosférico e quando do teste de tensão alternada, é conectada, em paralelo em relação aos elementos, uma resistência dependente de tensão Rn.n (por exemplo, um varistor ou um protetor contra sobretensão preenchido com gás).
[0018] A resistência dependente de tensão Rn.n é configurada de tal forma, que ela, no caso do teste de tensão alternada, não conduz, ou, em outra configuração, conduz uma corrente de tal maneira baixa, que a dissipação de energia resultante para o período citado não leva a danos dos componentes construtivos. No contexto do teste de tensão de impulso atmosférico, a resistência dependente de tensão Rn.n se torna condutiva e limita a tensão decrescente no elemento de comutação semicondutor Sn.n. Por esse motivo, o elemento de comutação semicondutor Sn.n de ser de tal forma configurado, que ele supera, de maneira isenta quanto a danos, essa tensão decrescente.
[0019] Uma vez que o aumento do impulso de tensão do teste de tensão de impulso atmosférico é quatro vezes maior em relação ao teste de tensão alternada, esse aumento também possui maiores números de frequência (maiores do que 60Hz) do que o espectro do teste de tensão alternada (máximo de 60Hz). Por esse motivo, a resistência dependente de tensão Rn.n é ligada de maneira capacitiva. Isso ocorre por meio da conexão em série com o capacitor Cn.n. Por meio dessa ligação surge um high pass. Durante o teste de tensão alternada de menores frequências, o estresse é mantido fora da resistência dependente de tensão Rn.n.
[0020] Especialmente vantajoso nesse arranjo é o fato de que as resistências dependentes de tensão Rn.n (varistores) em conexão com os capacitores Cn.n só precisam ser ajustadas, finalmente, às demandas do teste de tensão de impulso atmosférico. Estas são, de fato, menores em comparação àquelas do teste de tensão alternada, uma vez que a energia obtida é menor, fato que se reflete nos custos e no espaço construtivo necessário. Outro efeito positivo é que os elementos de comutação semicondutores Sn.n podem ser dimensionados menores. Isso também traz vantagens consigo.

Claims (5)

1. Comutador de derivação para regulagem de tensão com elementos de comutação semicondutores em um transformador regulador tendo uma bobina de regulagem, em que o comutador de derivação (3) possui pelo menos um módulo (M1, M2, M3), em que cada módulo (M1, M2, M3) compreende, respectivamente, uma bobina parcial (W1, W2, W3) da bobina de regulagem, bem como dois segmentos para bypass em ambos os lados desta, em que cada um dos segmentos para bypass compreende, respectivamente, uma conexão em série a partir de dois elementos de comutação semicondutores (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4), em que, respectivamente, é provida uma derivação central (M1.1, M1.2; M2.1, M2.2; M3.1, M3.2) entre ambos os elementos de comutação semicondutores (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) conectados em série de cada segmento para bypass, em que, respectivamente, uma dentre ambas as derivações centrais (M1.2; M2.1, M2.2; M3.1) de cada módulo (M1, M2, M3) é conectada a uma derivação central dos módulos adjacentes e em que a uma derivação central (M3.2) remanescente do terceiro módulo (M3) pode ser conectada a um dissipador de carga (4) e a outra derivação central (M1.1) remanescente do primeiro módulo (M1) pode ser conectada à bobina de regulagem (2) do transformador regulador, caracterizado pelo fato de que paralelamente a cada um dos elementos de comutação semicondutores (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) é provida, respectivamente, uma resistência dependente de tensão (R1.1, R1.2; R1.3, R1.4; R2.1, R2.2; R2.3, R2.4; R3.1, R3.2; R3.3, R3.4; R4.1, R4.2; R4.3, R4.4) conectada em série, respectivamente, a um capacitor (C1.1, C1.2; C1.3, C1.4; C2.1, C2.2; C2.3, C2.4; C3.1, C3.2; C3.3, C3.4; C4.1, C4.2; C4.3, C4.4).
2. Comutador de derivação, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o comutador de derivação (3) consiste exatamente de três módulos M1, M2 e M3.
3. Comutador de derivação, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que as bobinas parciais (W1...W3) dos três módulos (M1...M3) são divididas na relação 1:3:6 ou 1:3:9.
4. Comutador de derivação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que os elementos de comutação semicondutores (S1.1, S1.2; S1.3, S1.4; S2.1, S2.2; S2.3, S2.4; S3.1, S3.2; S3.3, S3.4; S4.1, S4.2; S4.3, S4.4) compreendem, respectivamente, um par de tiristores conectado de modo antiparalelo ou um par de IGBT conectado de modo anti-serial.
5. Comutador de derivação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos um elemento de comutação semicondutor (Sn...Sn4) compreende uma conexão em série ou uma conexão em paralelo de pelo menos dois elementos de comutação semicondutores (Sn1...Sn4) individuais.
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