BR112014021035B1

BR112014021035B1 - transformador regulador para regulagem de tensão com elementos de comutação semicondutores com uma bobina principal e uma bobina de regulagem com várias bobinas parciais para cada fase

Info

Publication number: BR112014021035B1
Application number: BR112014021035-7A
Authority: BR
Inventors: Jochen von Bloh; Dieter Dohnal; Karsten Viereck
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen Gmbh
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2021-01-19
Also published as: AU2013247084B2; DE102012103048A1; US20150022303A1; RU2014144982A; JP2015514328A; AU2013247084A1; EP2837091A1; UA112467C2; HK1202991A1; CA2868421A1; JP6333236B2; CN104247251A; WO2013152910A1; RU2625341C2; CN104247251B; KR101999638B1; DE102012103048B4; KR20140143366A; EP2837091B1; US9275788B2

Abstract

TRANSFORMADOR REGULADOR PARA REGULAGEM DE TENSÃO COM ELEMENTOS DE COMUTAÇÃO SEMICONDUTORES COM UMA BOBINA PRINCIPAL E UMA BOBINA DE REGULAGEM COM VÁRIAS BOBINAS PARCIAIS PARA CADA FASE. A invenção diz respeito a um transformador regulador, configurado como transformador de deslocamento de fase, em que elementos de comutação semicondutores são providos em uma bobina de regulagem (2, W1, W2, W3) com várias bobinas parciais (W1, W2, W3) para cada fase. De acordo com a invenção, é provida em cada fase (U, V, W) uma linha de conexão (L 1, L2) adicional com um elemento eletrônico de comutação (S 1, S2) adicional, em que cada uma dessas linhas de conexão conecta um módulo (M3) da respectiva fase a uma extremidade da bobina principal (2) da fase adjacente.

Description

[0001] A invenção diz respeito a um transformador regulador, dito mais precisamente, a um transformador de deslocamento de fase.

[0002] Um transformador de deslocamento de fase, também transformador regulador de quadratura, é um transformador especial de energia, o qual serve, no contexto de redes elétricas de corrente alternada, para controlar objetivamente o fluxo elétrico de carga. Opostamente à utilização convencional de transformadores, a saber, à conversão de voltagens alternadas em níveis diferentes de voltagem, os transformadores de deslocamento de fase servem, conforme o nome já diz, como deslocadores de fase para influenciar objetivamente o desempenho por meio de uma linha elétrica. Se várias linhas são guiadas entre duas subestações ou aparelhagens em diferentes cursos, por exemplo, então pode-se exercer influência, por meio de transformadores de deslocamento de fase, em como a energia transmitida é dividida. Um caso típico de utilização é dado, então, quando as linhas presentes possuem,diferentes capacidades de transporte.

[0003] Um transformador de deslocamento de fase dessa natureza, sua construção e suas possibilidades de regulagem são representadas, a título de exemplo, no livro Krãmer: On-Load Tap-Chargers for Power Transformers, 200, página 196. O transformador de deslocamento de fase mostrado, com maior capacidade contínua, é composto por duas partes e consiste de um transformador em série e de um transformador de desvio para regulagem efetiva (“Shunt- Transformator”), ao longo do qual, por meio de um comutador de derivação, um deslocamento determinado de fase pode ser ajustado. Nó caso de corrente alternada de três fases comumente aplicada, tanto um transformador em série como também um transformador de desvio, ou seja, um transformador regulador, estão presentes para cada fase. Por meio do transformador regulador, uma voltagem é comutada por fase com auxílio do comutador de derivação, voltagem esta que, com relação à voltagem de fase, é deslocada em 90° em relação à terra e que leva, por meio do transformador em série explicado, com auxílio de adição de vetor, a uma voltagem de deslocamento de fase.

[0004] Esse tipo de influência de carga, típica para um transformador de deslocamento de fase, também é designada como regulagem de quadratura, em oposição à regulagem longitudinal de um transformador padrão. O fluxo de carga através do transformador de deslocamento de fase também pode, nesse caso, ocorrer em ambas as direções. A faixa de ajuste do ângulo de fase é diferente, dependendo da configuração. Ela normalmente fica na faixa de ±10° e pode totalizar, em configurações especiais, até 30°. Nesse caso, diferentes variantes de comutação são possíveis, das quais uma é mostrada como exemplo na página 197 do livro citado acima. Além da regulagem de quadratura de 90, outros métodos também são conhecidos, os quais são designados como regulagem angular de 60° ou 30°.

[0005] O método de regulagem angular de 60° se baseia no fato de que a voltagem de excitação necessária é gerada por meio de uma bobina parcial da perna adjacente de um núcleo de transformador e que essa voltagem é adicionada vetorialmente à voltagem da bobina principal. O grau do deslocamento de fase também pode, nesse caso, ser ajustado por meio de um comutador de derivação. Comutações dessa natureza das bobinas são realizadas convencionalmente no interior do tanque de transformador, uma vez que uma comutação do tipo de operação do transformador via de regra não é provida. São providos apenas dispositivos de reconexão, com os quais a comutação da bobina pode ser alterada no estado sem voltagem.

[0006] Os transformadores reguladores conhecidos com suas comutações internas das bobinas de transformadores permitem, por isso, apenas, em função da construção, o estabelecimento de um tipo de operação concreta do transformador - tal como, por exemplo, uma utilização como deslocador de fase ou, no caso mais simples, como regulador longitudinal conhecido para regulagem de voltagem de uma rede de fornecimento de energia. Um tipo de operação alternada não é provido no caso de transformadores reguladores conhecidos e pode, em operação sendo executada de um transformador, ser realizada apenas com custos extremamente altos, uma vez que os elementos de comutação não podem ser controlados de maneira que eles possam assumir, no caso de estresse mínimo dos segmentos de comutação, uma comutação de operação do transformador.

[0007] Tarefa da invenção é, portanto, indicar um transformador regulador no qual, de forma simples, com apenas poucos elementos de comutação, uma comutação de operação entre operações de regulagem longitudinal, ou seja, regulagem de voltagem, por um lado, e operação de deslocamento de fase, ou seja, giro da posição de fase a partir de uma voltagem de entrada e saída, por outro lado, do mesmo transformador ■* possa ser ajustada.

[0008] Essa tarefa é resolvida por meio de um transformador regulador com elementos de comutação semicondutores com as características de ambas as reivindicações sucessivas entre si. A reivindicação 1 diz respeito, nesse sentido, a um transformador regulador com bobina de regulagem e principal e a reivindicação 2 a um transformador regulador com estágio inicial adicional passível de comutação e contra-comutação.

[0009] A ideia geral da invenção em ambas as modalidades consiste no fato de desenvolver continuamente um transformador regulador com elementos de comutação semicondutores por meio de linhas elétricas adicionais de conexão e aperfeiçoar contínua e de tal forma esses elementos adicionais de comutação semicondutores a serem conectados, que ele pode ser provido, de maneira simples, tanto para a funcionalidade como regulador longitudinal como também para deslocador de fase, ou seja, regulador angular.

[0010] Um transformador regulador modular como elementos de comutação semicondutores já é, basicamente, conhecido a partir da publicação Demirci, Torrey, Degeneff, Schaeffer, Frazer: “A new approach to solid-state on load tap changing transformers”, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 13, Nr. 3, Julho de 1998. Ele pode ser usado para regulagem longitudinal e será explicado mais detalhadamente abaixo.

[0011] A invenção deve ser explicada mais detalhadamente a seguir e a título de exemplo com base nas Figuras, que mostram:’

[0012] Figura 1 um transformador regulador conhecido, atuando como regulador longitudinal;

[0013] Figura 2 um primeiro transformador regulador de acordo com a invenção como regulador angular de 60° com 27 estágios;

[0014] Figura 3 um segundo transformador regulador de acordo com a invenção como regulador angular de 60° como estágio inicial linear.

[0015] Figura 4 a representação mostrada na Figura 2, estendida em torno dos números de referência;

[0016] Figura 5 um diagrama de exibição de um transformador regulador exemplar de acordo com a invenção e conforme as Figuras 2 e 4.

[0017] Figura 1 mostra um transformador de três fases conhecido a ser regulado, tal como ele já foi sugerido, consistindo de uma bobina de baixa voltagem 1 e de uma bobina de alta voltagem 2, com, aqui, três bobinas parciais separadas W1...W3, às quais um comutador de derivação modular é conectado, o qual consiste, aqui, de três módulos individuais M1, M2, M3. Todas as fases são construídas de modo idêntico. 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 conexão em série de dois elementos de comutação semicondutores. Respectivamente entre ambos os elementos de comutação conectados é provida uma derivação central. Os elementos de comutação semicondutores são representados aqui, assim como também nas Figuras a seguir, apenas esquematicamente e como comutadores simples. Eles compreendem, na prática, pares de tiristores conectados em paralelo, IGBT's ou outros elementos de comutação semicondutores. Eles também podem compreender, respectivamente, uma conexão em série ou em paralelo de vários desses tais elementos de comutação semicondutores individuais. A uma derivação central é conectada eletricamente ao ponto estrelado 3. A outra derivação central permanece em conexão com uma derivação central de um segundo módulo M2. Esse segundo módulo M2 é construído de maneira idêntica; compreende igualmente uma bobina parcial W2 bem como as duas conexões em série a partir dos respectivos dois elementos de comutação semicondutores. Entre as respectivas conexões em série também é provida novamente uma derivação central. A conexão da uma derivação central ao primeiro módulo M1 já foi explicada; a segunda derivação central, por sua vez, é conectada a uma derivação central de um terceiro módulo M3. Esse terceiro módulo M3, por sua vez, é construído de maneira idêntica. Ele compreende, por sua vez, uma bobina parcial W3 bem como as duas conexões em série a partir dos elementos de comutação semicondutores, assim como as derivações centrais posicionadas entre aquelas. A derivação central até agora não mencionada do terceiro e aqui último módulo M3 é conectada eletricamente à extremidade da bobina de alta voltagem 2.

[0018] Os três módulos M1...M3 aqui descritos se diferenciam apenas pelas dimensões das respectivas bobinas parciais W1...W3. A bobina parcial W2 no segundo módulo M2 possui, por exemplo, o número triplo de voltas da bobina parcial W1 no primeiro módulo M1.. A bobina parcial W3 no terceiro módulo M3 possui, por exemplo, o sêxtuplo ou também o nônuplo de número de voltas da bobina parcial W1 no primeiro módulo M1. Esse transformador regulador mostrado aqui trabalha como regulador longitudinal convencional para regulagem de voltagem com 21 estágios de voltagem ao todo. As tensões parciais individuais surgem como resultado das diferentes comutações, contra-comutações ou bypass das bobinas parciais individuais W1...W3.

[0019] Figura 2 mostra um primeiro transformador regulador de acordo com a invenção como regulador de ângulo de 60° com 27 estágios de voltagem alcançáveis. Adicionalmente, são providas aqui respectivamente linhas de conexão L1 e L2 elétricas. Em cada uma das linhas de conexão L1 é provido um elemento eletrônico de comutação S1. Cada uma das linhas de conexão L1 conecta, nesse caso, a derivação central do módulo M3 de cada fase à extremidade da bobina principal 2. Cada uma das linhas de conexão L1 conecta, nesse caso, a derivação central do módulo M3 de cada fase à extremidade da bobina principal 2 da respectiva fase adjacente. Uma linha de conexão L2 adicional, na qual um elemento eletrônico de comutação S2 adicional é provido, conecta respectivamente essa derivação central do módulo M3 à extremidade da bobina principal 2 da própria fase. As extremidades das bobinas principais 2 de todas as três fases são conectadas eletricamente entre si por meio das linhas de conexão l_1 praticamente como “linha anelar”; os elementos de comutação S1 e S2 de cada fase e que se encontram nessa “linha anelar” produzem, dependendo de sua posição de comutação, a conexão elétrica - alternativamente, a conexão elétrica com a respectiva derivação central do módulo correspondente M3 da fase correspondente. A posição de fase do vetor de voltagem a ser adicionado é pré-indicada pela perna adjacente, ou seja, pela fase adjacente do transformador. Disso resulta um ângulo de fase de 60°.

[0020] A Figura 3 mostra um segundo transformador regulador de acordo com a invenção como regulador de ângulo de 60° com etapa inicial linear. A etapa inicial é formada, nesse caso, respectivamente por uma bobina parcial W3 de cada fase, a qual pode ser conectada no mesmo sentido ou contra o sentido, por meio do respectivo módulo M3, em relação à bobina principal 2. Noutras palavras: o módulo M3 opera, aqui, a etapa inicial e não está envolvido com a regulagem efetiva de voltagem, a qual é realizada, no caso desse exemplo, pelos módulos M2 e M1. Aqui também são providas, respectivamente, linhas elétricas de conexão L1 e L2. Em cada uma das linhas de conexão L1 é provido, muito analogamente à primeira modalidade, um elemento eletrônico de comutação S1. Cada uma das linhas de conexão L1 conecta, aqui, a derivação central do Módulo M2 de cada fase às derivações centrais do módulo M3 das respectivas outras fases - em vez de, respectivamente, à extremidade da bobina principal conforme descrito acima. A outra linha de conexão L2, na qual, aqui, também respectivamente um outro elemento eletrônico de comutação S2 é provido, conecta respectivamente essa derivação central do módulo M2 à derivação central do respectivo módulo M3 da própria fase. As derivações centrais dos módulos M3 de todas as três fases também são conectadas eletricamente entre si por meio das linhas de conexão L1, por sua vez, praticamente como “linha anelar”; os elementos de comutação S1 e S2 de cada fase e que se encontram nessa “linha anelar” produzem, dependendo de suas posições de comutação, a conexão elétrica.

[0021] Na Figura 4, a qual representa a modalidade principal já explicada na Figura 2, os números de referência foram organizados para as voltagens gerais Ua, Ub e Uc bem como para a voltagem U2, a qual cai ao longo da bobina principal 2, adicionalmente para as voltagens Uu2, Uv2, Uw2, as quais, respectivamente, caem ao longo da parte de regulagem que se compõe em cada fase dos módulos M1...M3 correspondentes.

[0022] A Figura 5 mostra um diagrama vetorial correspondente, o qual destaca o deslocamento de fase. São representadas aqui as voltagens UV2, as quais surgem como resultado da voltagem de regulagem a partir das voltagens parciais ao longo das bobinas parciais W1, W2 e W3, e, adicionalmente, a voltagem U2, a qual é designada na Figura 4. Como resultado surge uma voltagem de deslocamento de fase Ua = U2 + UV2- Nesse sentido, <p designa o ângulo de giro de fase, ou seja, o ângulo em torno do qual a posição de fase é deslocada do U2.

[0023] De modo geral, o transformador regulador mostrado com a topologia descrita permite uma rápida alteração das relações de bobinagem no transformador e, com isso, uma rápida alteração das relações de transferência do transformador.

[0024] Um dos pré-requisitos é, nesse sentido, a detecção da posição de fase da corrente e voltagem, a fim de poder controlar os comutadores semicondutores para o período correto. Por meio do prolongamento de acordo com a invenção em torno das linhas L1 e L2 descritas e dos elementos de comutação S1 e S2 inseridos naquelas em cada fase, os quais funcionam praticamente como comutadores alternadores, e do uso das informações já presentes no controle do comutador de derivação semicondutor tendo em vista a posição de fase das correntes e também a fase vizinha, uma comutação do relé de bobina a partir da bobina de regulagem e principal, em operação corrente do transformador regulador, pode ser realizada, de maneira pode ser comutado que entre operação de regulagem longa (regulagem de voltagem) bem como operação de deslocamento de fase (giro da posição de fase da voltagem de entrada e saída) do mesmo transformador.

[0025] Os elementos de comutação semicondutores individuais são representados aqui apenas esquematicamente e como comutadores simples. Eles compreendem na prática pares de tiristores comutados em paralelo, IGBT's ou outros elementos de comutação semicondutores. Eles também podem compreender, respectivamente, uma conexão em série ou em paralelo de vários desses elementos de comutação semicondutores * 5 individuais.

Claims

1. Transformador regulador para regulagem de tensão com elementos de comutação semicondutores com uma bobina principal (2) e uma bobina de regulagem com várias bobinas parciais (W1, W2, W3) para cada fase, em que por fase são providos vários módulos M1, M2, M3, em que cada módulo M1, M2, M3 compreende, respectivamente, uma bobina parcial (W1, W2, W3) da bobina de regulagem bem como, em ambos os lados desta, dois segmentos para bypass, em que cada segmento para bypass compreende, respectivamente, uma conexão em série de dois elementos de comutação semicondutores, em que respectivamente entre ambos os elementos de comutação conectados em série de cada segmento para bypass é provida uma derivação central, em que as bobinas parciais (W1, W2, W3) possuem números diferentes de voltas, em que respectivamente uma dentre ambas as derivações centrais de cada módulo M1, M2, M3 é conectada a uma derivação central dos módulos adjacentes e em que a uma derivação central remanescente do primeiro módulo M1 é conectada eletricamente à dissipação de carga (4) e a uma derivação central remanescente do último módulo M3 é conectada eletricamente à extremidade da bobina principal (2) do transformador regulador, caracterizado pelo fato de que em cada fase é provida uma linha de conexão (L1) adicional, em que em cada uma das linhas de conexão (L1) é inserido um elemento eletrônico de comutação (S1); pelo fato de que cada uma das linhas de conexão (L1) conecta eletricamente a derivação central do módulo M3 da fase correspondente à extremidade da bobina principal (2) da respectiva fase adjacente; pelo fato de que em cada fase é provida uma outra linha de conexão (L2), na qual respectivamente é inserido um outro elemento eletrônico de comutação (S2); e pelo fato de que cada uma dessas linhas de conexão (L2) conecta respectivamente a derivação central do módulo M3 à extremidade da bobina principal (2) da própria fase.

2. Transformador regulador para regulagem de tensão com elementos de comutação semicondutores com uma bobina principal (2) de uma bobina de estágio inicial (W3) e uma bobina de regulagem com várias bobinas parciais (W1, W2) para cada fase, em que por fase são providos vários módulos M1, M2, M3, em que um módulo M3 compreende a bobina de estágio inicial (W3) e, em ambos os lados desta, dois segmentos para bypass, em que vários módulos (M1, M2), respectivamente, compreendem uma bobina parcial (W1, W2) da bobina de regulagem bem como, em ambos os lados desta, dois segmentos para bypass, em que cada segmento para bypass compreende, respectivamente, uma conexão em série de dois elementos de comutação semicondutores, em que respectivamente entre ambos os elementos de comutação conectados em série de cada segmento para bypass é provida uma derivação central, em que as bobinas parciais (W1, W2) possuem números diferentes de voltas, em que respectivamente uma dentre ambas as derivações centrais de cada módulo M1, M2, M3 é conectada a uma derivação central dos módulos adjacentes e em que a uma derivação central remanescente do primeiro módulo M1 é conectada eletricamente à dissipação de carga (4) e a uma derivação central remanescente do último módulo M3 é conectada eletricamente à extremidade da bobina principal (2) do transformador regulador, caracterizado pelo fato de que em cada fase é provida uma linha de conexão (L1) adicional, em que em cada uma das linhas de conexão (L1) é inserido um elemento eletrônico de comutação (S1); pelo fato de que cada uma das linhas de conexão (L1) conecta a derivação central do módulo M2 de cada fase à derivação central do módulo M3 das respectivas outras fases; pelo fato de que em cada fase é provida uma outra linha de conexão (L2), na qual respectivamente é inserido um outro elemento eletrônico de comutação (S2); e pelo fato de que a outra linha de conexão (L2) conecta respectivamente a derivação central do módulo M2 à derivação central do respectivo módulo M3 da própria fase.

3. Transformador regulador, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que os elementos eletrônicos de comutação (S1, S2) são, respectivamente, pares de tiristores conectados em antiparalelo, IGBT's ou outros elementos de comutação semicondutores ou 5 compreendem, respectivamente, uma conexão em série ou em paralelo de vários de tais elementos de comutação semicondutores.