BR112015011956B1 - Equipamento de energia hidráulica ou eólica com um rotor - Google Patents

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Abstract

sistema de conversão e usina hidrelétrica ou eólica. trata-se de um sistema de conversão com um retificador (1) e pelo menos dois inversores (2) que é descrito e retratado, em que o retificador (1) pode ser abastecido com energia a partir de uma fonte de corrente alternada (3), o retificador (1) é conectado a cada um dos inversores (2) através de um circuito de tensão contínua comum (4) a fim de abastecer energia aos inversores (2) e cada inversor (2) pode ser conectado a uma respectiva carga elétrica (5) a fim de abastecer energia à respectiva carga elétrica (5). de acordo com a invenção, um sistema de conversão que é especialmente confiável é realizado pelo fato de que um dispositivo de desacoplamento (6) é disposto em pelo menos uma das conexões entre o circuito de corrente contínua (4) e um dos inversores (2), em que o dispositivo de desacoplamento (6) impede que a energia elétrica proveniente do inversor (2) seja transmitida na direção do circuito de corrente contínua (4). uma usina hidrelétrica ou eólica com um rotor também é descrita e apresentada, em que o rotor compreende um cubo de rotor e pelo menos duas lâminas de rotor e as lâminas de rotor podem ser rotacionadas sobre seus respectivos eixos geométricos longitudinais por cargas elétricas (5). de acordo com a invenção, uma usina hidrelétrica ou eólica que é especialmente confiável é realizada pelo fato de que a usina hidrelétrica ou eólica compreende um sistema de conversão de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, em que o sistema de conversão abastece as cargas (5) com energia.

Description

[001] A invenção refere-se a um sistema de conversão com um retificador e pelo menos dois inversores, em que o retificador pode ser abastecido com energia por uma fonte de corrente alternada, o retificador é conectado a cada um dos inversores através de um circuito de corrente contínua comum a fim de abastecer com energia os inversores e cada inversor pode ser conectado a uma respectiva carga elétrica a fim de abastecer energia à respectiva carga elétrica.
[002] O documento no U.S. 7.126.236 B2 revela um método e um sistema para abastecer com energia pelo menos um motor de corrente contínua de uma usina de energia eólica, em que o sistema compreende um retificador ponte, que é conectado a uma fonte de energia, para gerar uma corrente contínua e tornar isso disponível para pelo menos um motor de corrente contínua e um capacitor de enlace, que suaviza a tensão de corrente contínua e funciona como uma unidade de armazenamento de energia e uma fonte de energia para pelo menos um motor de corrente contínua. Revela-se adicionalmente que múltiplos motores de corrente contínua são utilizados, que são abastecidos com energia por sistemas de acionamento separados, em que os circuitos intermediários desses sistemas de acionamento são conectados um ao outro para que a energia possa ser trocada entre esses circuitos intermediários.
[003] O documento no U.S. 7.740448 B2 revela um dispositivo para controlar o ângulo da lâmina de uma lâmina de rotor de uma usina de energia eólica, em que o dispositivo compreende: um sistema de controle de ângulo de lâmina, que tem um conversor de energia a base de MOFSET; um circuito de tensão contínua com um capacitor de circuito de tensão contínua e que é configurado para entregar energia ao sistema de controle de ângulo de lâmina através do conversor de energia a base de MOFSET; uma fonte para entrada de energia de corrente alternada para abastecer com energia ao circuito de tensão contínua; e uma bateria reserva do capacitor de circuito de tensão contínua para entregar energia para o sistema de controle de ângulo de lâmina através do conversor de energia a base de MOFSET durante uma perda ou interrupção de entrada de energia de corrente alternada e para manter a carga no capacitor de circuito de tensão contínua quando usar a bateria reserva, logo que a tensão através do capacitor de circuito de tensão contínua diminuir enquanto a energia estiver sendo abastecida ao sistema de controle de ângulo de lâmina, em que a fonte de corrente alternada é uma fonte não regenerativa e o circuito de tensão contínua é compartilhado por múltiplos sistemas de motor de ângulo de lâmina, e em que, adicionalmente, a manutenção da carga para o capacitor de circuito de tensão contínua quando a carga direta da bateria reserva é usada envolve encaminhar a corrente da bateria reserva para o circuito de tensão contínua compartilhado.
[004] A desvantagem da técnica anterior especificada acima é que, por exemplo, no caso de um curto circuito no circuito intermediário, em particular, no capacitor de enlace de um dos sistemas de acionamento, todos os circuitos intermediários podem ser completamente descarregados através desse curto circuito, para que nenhum dos motores possa continuar a ser abastecido com energia elétrica a partir do sistema de acionamento. Isso é problemático, particularmente no caso dos motores que não podem ser operados com corrente contínua, sendo que os motores de corrente contínua podem ser substituídos diretamente por uma bateria ou um capacitor como uma alternativa para operar através do sistema de acionamento, a fim de ser operado em uma emergência por pelo menos a energia armazenada na bateria ou no capacitor por um período limitado. Em contraste, isso não é prontamente possível com motores de corrente alternada.
[005] A invenção também se refere a uma usina hidrelétrica ou eólica com um rotor, em que o rotor compreende um cubo de rotor e pelo menos duas lâminas de rotor e as lâminas de rotor podem ser rotacionadas sobre seus respectivos eixos geométricos longitudinais por cargas elétricas.
[006] Dessa maneira, a invenção procura resolver o problema de especificação de um sistema de conversão e uma usina hidrelétrica ou eólica que são particularmente confiáveis.
[007] Prosseguindo a partir do sistema de conversão inicialmente descrito, o problema derivado e apresentado acima é resolvido pela disposição de um dispositivo de desacoplamento em pelo menos uma das conexões entre o circuito de corrente contínua e um dos inversores, em que o dispositivo de desacoplamento impede que a energia elétrica proveniente do inversor seja transferida na direção do circuito de corrente contínua. O sistema de conversão de acordo com a invenção, supreendentemente, provou ter vantagens significativas sobre os sistemas conhecidos da técnica anterior. Em particular, o desacoplamento dos inversores do circuito de corrente contínua e, desse modo, um do outro, protege cada inversor de falhas que surgem em outros componentes. Sem os dispositivos de desacoplamento, um curto circuito na lateral de tensão contínua de um inversor, por exemplo, afetaria diretamente todos os outros inversores através do circuito de corrente contínua.
[008] De acordo com um aperfeiçoamento vantajoso da invenção, o dispositivo de desacoplamento ou pelo menos um dos dispositivos de desacoplamento compreende pelo menos um diodo. Em particular, é vantajoso se o dispositivo de desacoplamento ou pelo menos um dos dispositivos de desacoplamento for compreendido de pelo menos um diodo. Com o uso de um diodo ou múltiplos diodos conectados em série resulta em um desacoplamento confiável de um ou mais inversores do circuito de corrente contínua, impedindo, desse modo, uma transferência de energia a partir de um ou de múltiplos inversores de volta para o circuito de corrente contínua.
[009] Uma modalidade vantajosa da invenção é caracterizada pelo fato de que pelo menos um dos inversores tem uma unidade de armazenamento de energia emergencial, em que o inversor pode ser abastecido com energia elétrica pela unidade de armazenamento de energia emergencial. O fornecimento de uma unidade de armazenamento de energia emergencial possibilita abastecer os respectivos inversores com a energia elétrica armazenada na unidade de armazenamento de energia emergencial. Isso permite que o inversor abasteça as cargas elétricas com energia pelo menos por um período limitado em uma emergência, por exemplo, perda de abastecimento de energia para o inversor através do circuito de corrente contínua, facilitando, desse modo, em particular, uma reação desejada ou mesmo exigida urgentemente da carga elétrica em uma emergência. No caso de uma usina de energia eólica, por exemplo, tal reação desejada ou exigida da carga elétrica pode ser o que se refere como modo emergencial. Nesse cenário, tantas lâminas de rotor da usina de energia eólica quanto forem possíveis são rotacionadas pra fora do vento de modo que as mesmas não mais absorvam energia a partir do fluxo de ar, mas sim levem gradualmente o rotor da usina de energia eólica para um estado estacionário através da frenagem aerodinâmica.
[010] De acordo com um aperfeiçoamento vantajoso particular da invenção, a uma unidade de armazenamento de energia emergencial ou pelo menos uma dentre as múltiplas unidades de armazenamento de energia emergencial é compreendida de capacitores, em particular ultracapacitores. Os capacitores e, sobretudo, os ultracapacitores, provaram ser especialmente favoráveis quando usados em sistemas de conversão. A alta capacidade de armazenamento em baixos volumes e uma vida útil claramente maior torna os mesmos claramente superiores às baterias normalmente usadas. Em particular, a unidade de armazenamento de energia emergencial pode consistir em um capacitor individual ou múltiplos capacitores.
[011] Em uma modalidade preferencial da invenção, a uma unidade de armazenamento emergencial ou pelo menos uma das múltiplas unidades de armazenamento emergencial é conectada diretamente a um capacitor de enlace do respectivo inversor. Essa conexão contínua entre o capacitor de enlace do respectivo inversor e a unidade de armazenamento de energia emergencial permite que a energia elétrica, que, determinadas situações operacionais, é emitida pela carga elétrica para o inversor e retificada através do mesmo, seja conduzida para a unidade de armazenamento de energia emergencial e armazenada na mesma. Adicionalmente, a conexão contínua da unidade de armazenamento de energia emergencial do capacitor de enlace permite que o capacitor de enlace seja projetado relativamente pequeno, isto é, com uma capacidade baixa, visto que a unidade de armazenamento de energia emergencial pelo menos assume parcialmente as tarefas do capacitor de enlace. Em particular, em outra modalidade da invenção, o capacitor de enlace pode ser projetado extremamente pequeno, ou seja, o mesmo pode ser omitido. Nesse caso, a unidade de armazenamento de energia emergencial funciona como o capacitor de enlace, que a mesma substitui.
[012] De acordo com outra modalidade preferencial da invenção, a tensão de saída do retificador é adaptada à tensão nominal da uma unidade de armazenamento de energia emergencial ou das múltiplas unidades de armazenamento de energia emergencial. Isso torna possível a não utilização de um dispositivo de carregamento externo para a uma ou múltiplas unidades de armazenamento de energia emergencial, visto que a uma ou múltiplas unidades de armazenamento de energia emergencial podem ser carregadas com a energia que é alimentada a partir do retificador para o circuito de corrente contínua, a partir do qual a mesma é conduzida para os inversores.
[013] Também é vantajoso se o retificador tiver uma proteção de sobretensão na lateral de entrada. Isso permite que o sistema de conversão completo seja protegido do excesso de tensão que é originário da fonte de corrente alternada. Em particular, o sistema de conversão é protegido, desse modo, de sobretensões injetadas indutivamente na fonte de corrente alternada, tal como aquelas que podem ser causadas por relâmpagos, por exemplo.
[014] De acordo com outro refinamento preferencial da invenção, o retificador compreende um controlador lógico programável. O controlador lógico programável pode servir, em particular, para controlar o retificador e/ou os inversores.
[015] De acordo com uma modalidade vantajosa da invenção, o retificador e/ou pelo menos um dos inversores tem uma interface de barramento de campo. A interface de barramento de campo permite a comunicação com outros sistemas. Outro sistema pode ser, em particular, um dispositivo de controle de sobreposição. No caso de uma usina de energia eólica, por exemplo, um dispositivo de controle de sobreposição desse tipo pode ser constituído pelo controle da usina, que, em particular, prescreve valores específicos para a posição das lâminas de rotor, em que a conformidade com os valores específicos é monitorada pelo sistema de conversão e é garantida por uma ativação correspondente de cargas elétricas conectadas aos inversores, em particular, os motores elétricos.
[016] De acordo com outra modalidade vantajosa da invenção, o consumo de corrente elétrica do retificador é limitado. Tal limitação pode ser alcançada tanto por um dispositivo limitador de corrente que, por exemplo, tem pelo menos um resistor, quanto por um controle correspondente do inversor, como é possível com uma limitação adequada da regulação de corrente, por exemplo, com um retificador de ponte controlável.
[017] Em uma modalidade especialmente vantajosa da invenção, pelo menos uma das cargas é um motor de corrente alternada ou um motor de corrente contínua.
[018] Prosseguindo da usina hidrelétrica ou eólica inicialmente descrita, o problema apresentado e derivado anteriormente é resolvido mais detalhadamente pela usina hidrelétrica ou eólica que tem um sistema de conversão de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, em que o sistema de conversão abastece as cargas com energia. Em uma usina hidrelétrica ou eólica desse tipo, o sistema de conversão é uma parte do que é referido como sistema de passo, que é responsável por virar as lâminas de rotor sobre seus respectivos eixos geométricos longitudinais. As cargas elétricas geralmente são motores alternados ou motores de corrente contínua.
[019] Há inúmeras possibilidades específicas para configurar e desenvolver adicionalmente o sistema de conversão de acordo com a invenção e a usina hidrelétrica ou eólica. Nesse aspecto, referência é feita às reivindicações dependentes da reivindicação 1, e à descrição detalhada a seguir das modalidades exemplificativas preferenciais da invenção com o auxílio dos desenhos.
[020] Os desenhos mostram:
[021] A Figura 1 é um diagrama esquemático do sistema de conversão de um refinamento preferencial da invenção de acordo com a invenção e
[022] A Figura 2 é um diagrama esquemático de uma parte do sistema de conversão de acordo com a invenção, de acordo com uma modalidade adicional da invenção.
[023] A Figura 1 mostra o sistema de conversão de acordo com a invenção com um retificador 1 e três inversores 2. O retificador 1 está conectado a uma fonte de corrente alternada 3, que, por exemplo, pode ser a rede de energia. O retificador 1 retifica a corrente alternada de três fases abastecida pela fonte de corrente alternada 3 e faz com que esteja disponível para os inversores 2 através de um circuito de corrente contínua 4. Os retificadores 2 são conectados a cargas elétricas 5, que são abastecidas com energia dos inversores 2. As cargas elétricas 5 podem ser motores de corrente contínua ou motores de corrente alternada, por exemplo. Um dispositivo de desacoplamento 6 é disposto em cada conexão entre um inversor 2 e o circuito de corrente contínua 4, que impede que a energia elétrica proveniente do inversor 2 seja transferida na direção do circuito de corrente contínua 4. O retificador 1 tem uma proteção de sobretensão 11 na lateral de entrada, que protege o sistema de conversão de acordo com a invenção das sobretensões da fonte de corrente contínua 3.
[024] O retificador 1 tem adicionalmente um controlador lógico programável 12 e uma interface de barramento de campo 13 através da qual o retificador pode ser conectado ao barramento de campo 14 a fim de se comunicar com um controlador de sobreposição (não retratados). O controlador lógico programável 12 incorpora, em particular, o software para controle do retificador 1 e dos inversores 2.
[025] A Figura 2 mostra uma parte do sistema de conversão de acordo com a invenção em acordo com uma modalidade adicional da invenção. O inversor 2 é conectado através do dispositivo de desacoplamento 6 ao circuito de corrente contínua 4, que é somente mostrado parcialmente. O dispositivo de desacoplamento 6 é composto de quatro diodos 7, que são dispostos nas linhas de conexão entre o inversor 2 e o circuito de corrente contínua 4. Em cada uma das linhas de conexão nesse caso, dois diodos 7 são conectados em série de tal modo que nenhuma energia elétrica proveniente do inversor 2 possa ser transmitida na direção do circuito de corrente contínua 4. O inversor 2 tem um capacitor de enlace 10, que pode ser carregado com energia a partir do circuito de corrente contínua 4 através do dispositivo de desacoplamento 6. Uma unidade de armazenamento de energia emergencial 8 é conectada diretamente ao capacitor de enlace 10. A unidade de armazenamento de energia emergencial 8 tem múltiplos capacitores 9. Preferivelmente, múltiplos capacitores 9 conectados em série são agrupados em unidades físicas, em que múltiplas unidades físicas são conectadas em paralelo e constituem a unidade de armazenamento de energia emergencial 8. A unidade de armazenamento de energia emergencial 8 retratada na Figura 2 é composta de três unidades físicas de dois capacitores 9 cada.
[026] O inversor 2 compreende adicionalmente uma disposição em ponte 15 com a qual o inversor 2 é conectado a carga elétrica 5. A disposição em ponte 15 tem três pontes 16, cada uma das quais é composta de dois transistores 17 conectados em série, um diodo de abertura livre 18 que é conectado em paralelo a cada transistor 17. Os transistores 17 são preferivelmente transistores bipolares com eletrodos de porta isoladas, que são também conhecidos como IGBTs (transistores bipolares de porta isolada). Os diodos de abertura livres 17 permitem que a energia da carga elétrica 5 seja alimentada de volta para o capacitor de enlace 10 e para a unidade de armazenamento de energia emergencial 8. Esse pode ser o caso, por exemplo, se a carga elétrica 5 for um motor elétrico, que é operado como um gerador 5 por pelo menos um curto período. Um inversor de freio 19 é fornecido caso a carga elétrica 5 alimente mais energia de volta para o capacitor de enlace 10 e a unidade de armazenamento de energia emergencial 8 através da disposição em ponte 15 do que os mesmos podem armazenar com segurança. A energia elétrica do capacitor de enlace 10 e da unidade de armazenamento de energia emergencial 8 pode ser convertida em energia térmica por meio do inversor de freio 19. Para esse propósito, o inversor de freio 19 tem um transistor 17 e um resistor de frenagem 20. Logo que o transistor 17 é comutado condutivamente, uma corrente flui através do transistor 17 e o resistor de frenagem 20. Isso faz com que o resistor de frenagem 20 aqueça. Se a tensão no capacitor de enlace 10 e/ou na unidade de armazenamento de energia emergencial 8 crescer acima do valor limite definido, o transistor 17 é comutado condutivamente e o fluxo de corrente assim facilitado neutraliza um crescimento adicional na tensão. Um sensor de tensão é fornecido em pelo menos um desses componentes para monitorar a tensão no capacitor de enlace 10 e/ou na unidade de armazenamento de energia emergencial 8. Em uma modalidade especialmente vantajosa, o valor medido do sensor de tensão é direcionado ao controlador lógico programável 12 e o transistor 17 do inversor de freio 19 pode ser acionado com o uso do controlador lógico programável 12.
[027] Originando-se entre os respectivos transistores conectados em série de cada ponte está uma linha de conexão individual para a carga elétrica 5 designada para o inversor 2. A energia armazenada temporariamente no capacitor de enlace 10 e na unidade de armazenamento de energia emergencial 8 pode ser abastecida para a carga elétrica 5 na forma, por exemplo, de corrente alternada através da disposição em ponte 15 por uma ativação adequada do transistores 17. LISTA DE REFERÊNCIAS NUMÉRICAS: 1 Retificador 2 Inversor 3 Fonte de corrente alternada 4 Circuito de corrente contínua 5 Carga elétrica 6 Dispositivo de desacoplamento 7 Diodo 8 Unidade de armazenamento de energia emergencial 9 Capacitor 10 Capacitor de enlace 11 Protetor de sobretensão 12 Controle lógico programável 13 Interface de barramento de campo 14 Barramento de campo 15 Disposição em ponte 16 Ponte 17 Transistor 18 Diodo de abertura livre 19 Inversor de freio 20 Resistor de frenagem

Claims (12)

1. Equipamento de energia hidráulica ou eólica com um rotor, em que o rotor possui um cubo de rotor e pelo menos duas lâminas de rotor, e as lâminas de rotor podem ser rotacionadas sobre seus respectivos eixos geométricos longitudinais por cargas elétricas (5); em que o equipamento de energia hidráulica ou eólica possui um sistema de conversão para abastecer as cargas (5) com energia; em que o sistema de conversão compreende um retificador (1) e pelo menos dois inversores (2); em que o retificador (1) pode ser abastecido com energia a partir de uma fonte de corrente alternada (3), o retificador (1) é conectado a cada dos inversores (2) através de um circuito de corrente contínua comum (4) para abastecer energia aos inversores (2), e cada inversor (2) pode ser conectado em cada caso com uma carga elétrica (5) para abastecer energia à respectiva carga elétrica (5), caracterizado pelo fato de que em pelo menos uma das conexões, um dispositivo de desacoplamento (6) é disposto entre o circuito de corrente contínua (4) e um dos inversores (2), em que o dispositivo de desacoplamento (6) impede que a energia elétrica proveniente do inversor (2) seja transmitida na direção do circuito de corrente contínua (4); e pelo menos um dos inversores (2) possui uma unidade de armazenamento de energia emergencial (8), em que o inversor (2) pode ser abastecido com energia elétrica pela unidade de armazenamento de energia emergencial (8).
2. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o dispositivo de desacoplamento (6) ou pelo menos um dos dispositivos de desacoplamento (6) tem pelo menos um diodo (7).
3. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a unidade de armazenamento de energia emergencial (8) é dimensionada de modo que a rotação das lâminas do rotor do equipamento de energia eólica pelo vento para executar um modo de emergência em caso de uma perda de fornecimento de energia é habilitada.
4. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma unidade de armazenamento de energia emergencial (8) é constituída de capacitores (9).
5. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a uma unidade de armazenamento de energia emergencial (8) é conectada diretamente a um capacitor de enlace (10) do respectivo inversor (2).
6. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o inversor (2) compreende diodo de abertura livre (18) é projetado de modo que a energia da carga elétrica (5) pode ser alimentada de volta para o capacitor de enlace (20) e para a unidade de armazenamento de energia emergencial (8).
7. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que um inversor de freio (19) compreendendo um transistor (17) e um resistor de frenagem (20) é disposto no inversor (2) para converter a energia retornada da carga (5) que não pôde ser aceita pela unidade de armazenamento de energia emergencial (8) ou pelo capacitor de enlace (10) em energia térmica.
8. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a tensão de saída do retificador (1) é adaptada para a tensão nominal de pelo menos uma unidade de armazenamento de energia emergencial (8).
9. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o retificador (1) tem uma proteção de sobretensão (11) na lateral de entrada.
10. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o retificador (1) e/ou pelo menos um dos inversores (2) tem uma interface de barramento de campo (13).
11. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o consumo de energia do retificador (1) é limitado.
12. Equipamento de energia hidráulica ou eólica, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma das cargas (5) é um motor de corrente alternada ou um motor de corrente contínua.
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