BR112016014344B1 - Estrutura isolante para dispositivo de conversão de energia - Google Patents

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Abstract

ESTRUTURA ISOLANTE PARA DISPOSITIVO DE CONVERSÃO DE ENERGIA Devido ao aumento da demanda quanto à segurança do dispositivo foi necessário o reforço do isolamento das partes condutoras expostas e também no dispositivo de conversão de energia. A unidade de relé tendo uma unidade de transmissão óptica, uma unidade de processamento de sinal e unidade de geração de energia são providenciadas entre a unidade de circuito de controle e uma unidade de circuito de condução de porta que formam o dispositivo de controle para um inversor. Um sinal de porta gerado na unidade de circuito de controle é introduzido para a unidade de processamento de sinal da unidade de relé através da unidade de transmissão óptica, sendo enviado para a unidade de circuito de condução de porta da unidade de processamento de sinal através da unidade de transmissão óptica. Adicionalmente, a energia AC é fornecida para a unidade de geração de energia da unidade de relé a partir de uma fonte de energia AC de baixa voltagem do dispositivo de controle, através do transformador de alta voltagem. A energia AC é fornecida para a unidade de circuito de condução de porta a partir da unidade de geração de energia da unidade (...).

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo conversor de energia, e particularmente, a uma estrutura de isolamento para o dispositivo de conversão de energia cuja tensão de entrada é relativamente alta.
ANTECEDENTES
[002] A Figura 5 mostra um diagrama de configuração do circuito principal de um conversor trifásico geral cujo circuito é configurado por seis dispositivos de comutação de semicondutor. Como os dispositivos de comutação de semicondutor usados são concebíveis os IGBT (transistores bipolares de porta isolada) ou um FET, e outros ainda. O IGBT que é frequentemente utilizado para um dispositivo de conversão de energia de grande capacidade, é tido como um exemplo presente, e será explicado em mais detalhe a seguir. Cada realização da invenção descrita a seguir, não está, por conseguinte, limitada ao IGBT.
[003] No conversor trifásico mostrado na Figura 5, o sinal de porta ON / OFF dos IGBT S1 a S6 é gerado pela unidade de circuito de controle, e os IGBTs S1 a S6 são controlados por uma unidade de circuito de acionamento de porta, obtendo assim, uma saída de tensão CA desejada. Cada sinal de porta ON / OFF de cada IGBT é determinado pela tensão entre uma porta e um emissor do IGBT. Por exemplo, por um sinal de porta ON-OFF de S1é determinado de acordo com a voltagem entre o terminal Gs1 e o terminal Es1 e o sinal de porta ON/OFF de S2 que é ligado ao S1 em série, é determinado pela tensão entre o terminal Gs2 e um terminal Es2.
[004] Além disso, apesar de o potencial do terminal de Es2 ser sempre um potencial elétrico de um terminal N de uma unidade CC, o potencial elétrico do terminal Es1 a um potencial do terminal P da unidade de CC, quando S1 está ON, e o potencial elétrico do terminal Es1 é o potencial elétrico do terminal N da unidade CC quando S2 está ON. Assim, uma vez que o potencial de cada emissor de cada IGBT é diferente, deste modo é necessário que cada tensão de porta-emissor deva ser uma tensão isolada.
[005] A FIG. 6 é uma vista parcial da configuração de um dispositivo de controle para um inversor trifásico descrito no Documento de Patente 1. Um. valor de comando de tensão do operador e valor de comando de freqüência ou semelhante definidos pela unidade de operação 10 é introduzido por um operador para a unidade de geração de sinal de porta 31 em uma unidade de circuito de controle 30. Sinais de porta para ligar / desligar de S1 para S6 são introduzidos nas respectivas unidades de geração de sinal de porta 31 para as respectivas unidades de circuito de acionamento de porta que são isoladas umas das outras, sendo aplicados para S1 a S 6 como uma tensão de emissão de porta isolada.
[006] O sinal de emissão de porta da unidade de geração de sinal de porta 31 para a unidade de circuito de acionamento de porta 50 é isolado por um opto- isolador 51. Além disso, a fonte de alimentação da unidade de circuito de acionamento de porta 50 é fornecida a partir da unidade de geração de energia 32 na unidade de circuito de controle 30, que é isolada por um transformador 52.
[007] Deste modo, em um inversor trifásico genérico, a unidade de circuito de controle 30 e a unidade de circuito de acionamento de porta 50 são isoladas por um isolante limítrofe 100. CITAÇÃO LITERATURA DE PATENTE Documento de Patente 1: Publicação de Patente Japonesa No. 4055115 Documento Não- Patente Documento Não-Patente: R.Steiner.P.K.Steimer, F.Krismer, J..W..Kolar, "Contactless Energy Transmission for an Isolated 100W Gate Driver Supply of a Medium Voltage Converter", Proceedings of the 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON 2009) Porto, Portugal, November3-5, 2009, pp.302-307
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
[008] Recentemente, houve uma demanda pública crescente para a segurança, mesmo no dispositivo de conversão de energia, por exemplo, é necessário para cumprir com as normas de segurança, tais como IEC-61800-5-1. De acordo com IEC-61800-5-1, para um circuito de uma tensão decisiva de classe D, (ligação à terra) a ligação protetora (proteção das partes condutoras expostas, ou de isolamento duplo ou isolamento reforçado é necessário).
[009] Uma classe de tensão decisiva é determinada pelo uso da tensão na tensão no circuito, A seguir, a unidade do circuito principal de um inversor cuja tensão de entrada e saída é de 1 kV ou maior corresponde à classe de tensão decisiva D.
[010] Por conseguinte, a ligação de proteção do isolamento duplo ou do isolamento reforçado é necessária entre as partes condutoras expostas, por exemplo, na unidade de operação, em que um usuário do dispositivo de conversão de energia tem a possibilidade de tocar e o circuito da classe de tensão decisiva D. Visto o comando, etc., serem introduzidos por um sinal elétrico no circuito da unidade operacional, a ligação de proteção se torna impossível.
[011] No caso da configuração do inversor trifásico mostrado nas Figura 5 e 6, o limite de isolamento entre a unidade operacional 10 que o usuário do dispositivo de conversão de energia tem a possibilidade de tocar e um IGBT 60 que é uma unidade de circuito principal de inversor é apenas um local do limite de isolamento 100. Caso haja uma possibilidade deste limite de isolamento 100 ser reforçado ou dotado de maior resistência, o dispositivo conversor de energia pode ser compatível com o IEC 61800-5-1. Contudo, uma grande distância de escoamento e uma grande distância espacial, são necessários para o isolamento reforçado, sendo que isto ocasi- ona um problema no aumento de tamanho do dispositivo.
[012] Um objeto da presente invenção é proporcionar um dispositivo de conversão de energia tendo uma estrutura de isolamento duplo e uma estrutura de isolamento compacto para um inversor cuja tensão de entrada e de saída é de 1 kV ou maior, que está em conformidade com o regulamento IEC-61800-5-1.
[013] A presente invenção compreende: um dispositivo de controle para um inversor configurado por um dispositivo de comutação semicondutor de comutação, o dispositivo de controle tendo uma unidade de circuito de controle que gera um sinal de porta de entrada e uma unidade de circuito de acionamento que gera o sinal de porta através dos meios de transmissão óptica, e controla o dispositivo de comutação semicondutor e uma unidade de relé entre a unidade de circuito de controle e uma unidade de circuito de porta de acionamento, a unidade de relé dotada de uma unidade de transmissão óptica, uma unidade de processamento de sinal e uma unidade de geração de energia. O sinal de porta gerado pela unidade de circuito de controle é transmitida para a unidade de processamento do sinal da unidade de relé através da unidade de transmissão óptica, e uma saída da unidade de processamento de sinal é transmitida para a unidade de circuito de acionamento de porta através da unidade de transmissão óptica. A energia CA é fornecida para a unidade de geração de energia da unidade de relé de uma fonte de energia CA de dispositivo de controle através de um transformador e a energia CA é fornecida para a unidade de circuito de acionamento de porta de uma unidade de geração de energia da unidade de relé através de um transformador diferente.
[014] Além disso, na presente invenção, é proporcionada uma bobina de transmissão de energia na unidade de relê, a bobina de recepção de energia é proporcionada na unidade de circuito de acionamento de porta, e uma energia CA de alta freqüência gerada pela unidade de geração de energia da unidade de relé é transmitida para a bobina receptora de energia da unidade de circuito de acionamen- to de porta através da bobina de transmissão de energia.
[015] Além disso, na presente invenção a unidade de circuito de acionamento de porta, a unidade de relé e o dispositivo de comutação semicondutor são acomodados numa caixa feita de material condutor, e a caixa de acomodação é ligada a um terminal de potencial elétrico médio de tensão de um circuito principal inversor.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[016] A Fig. 1 é um diagrama de uma configuração de um dispositivo de controle do inversor de acordo com uma forma de realização da presente invenção.
[017] A FIG. 2 é um diagrama de uma configuração do dispositivo de controle de energia do inversor de acordo com outra forma de realização da presente invenção;
[018] A FIG. 3 é um diagrama de uma configuração do dispositivo de controle do inversor que mostra outra forma de realização da presente invenção.
[019] A Fig. 4 é um diagrama de uma configuração de um circuito principal de um inversor trifásico.
[020] A Fig. 5 é um diagrama de uma configuração de um circuito principal de um inversor trifásico.
[021] A Fig. 6. é um diagrama de uma configuração de um dispositivo de controle do inversor da técnica relacionada.
FORMAS DE REALIZAÇÃO DA INVENÇÃO
[022] Na presente invenção, uma unidade de relé tendo uma unidade de transmissão óptica, uma unidade de processamento de sinal e uma unidade de geração de energia é dotada entre uma unidade de circuito de controle e uma unidade de circuito de acionamento de porta que formam um dispositivo de controle para um inversor. Um sinal de porta gerado pela unidade de circuito de controle é introduzido para a unidade de processamento de sinal da unidade de relé através da unidade de transmissão óptica, e é emitido para a unidade de circuito de acionamento pela unidade de processamento de sinal através da unidade de transmissão óptica. Além disso, a energia CA é fornecida para a unidade de geração de energia da unidade de relé de um dispositivo de controle com fonte de energia CA de alta voltagem através de um transformador de suporte de alta tensão. Além disso. a energia CA é fornecida para a unidade de circuito de acionamento de porta a partir da unidade de geração de energia da unidade de relé através de um transformador de alta tensão. A presente invenção configurada como descrita será explicada mais adiante.
[023] A Figura 1 mostra uma configuração esquemática de um dispositivo de controle que mostra uma primeira forma de realização da presente invenção. O mesmo número de referência ou componente daquele da Figura 6, ou um elemento u componente correspondente é indicada pelo mesmo sinal de referência. Como uma configuração de um inversor é empregado um inversor trifásico mostrado na Figura 5. O inversor trifásico é controlado por determinação e controle dos sinal de porta ON/OFF dos IGBT S1 a S6 em uma unidade de geração de sinal de porta em uma unidade de circuito de controle 30, obtendo assim uma saída de tensão CA de acordo com um valor de comando da tensão, um valor de comando da freqüência, e assim por diante, ajustados numa unidade operacional 10 por um operador.
[024] O valor de comando da tensão o valor de comando da freqüência etc., ajustados na unidade operacional 10 são introduzidos para a unidade de geração de sinal de porta 31 na unidade de circuito de controle 30. Os sinais de porta para ligar / desligar do IGBTs S1 a S6 gerados pela unidade de geração de sinal 31 são convertidos a partir de um sinal elétrico para o sinal óptico por um transmissor óptico 33 que é uma unidade de transmissão óptica e são introduzidos a uma unidade de relé 40. A energia para acionar a unidade de geração de sinal de porta 31 é fornecida através de uma fonte de energia CA de dispositivo de controle 20 através de uma unidade de geração de energia 32.
[025] Um sinal de porta de transmissão da unidade de circuito de controle 30 é introduzido para um receptor óptico 41 na unidade de relé 40 através de uma fibra óptica 91, sendo reconvertido a partir do sinal óptico para o sinal elétrico, e a seguir é introduzido para uma unidade de processamento de sinais 42. A unidade de processamento de sinal 42 tem a função de realizar o processamento de modo a desligar o sinal de porta quando ocorre uma anormalidade na unidade de relé 40. O sinal da porta emitido da unidade de processamento de sinal 42 é novamente convertido do sinal elétrico para o sinal óptico por um transmissor óptico 44 é introduzido na unidade de circuito de acionamento de porta 50. A energia isolada por um transformador que suporta alta tensão 70 é transmitida de uma unidade de geração de energia 43 na unidade de relé 40, sendo fornecida à secção de processamento de sinais 42. Além disso, uma parte da corrente fornecida pelo transformador 70 é introduzida para um transformador 71 de alta tensão. Como o transformador de alta tensão 70 e o transformador de alta tensão 71, é utilizado um transformador que suporta uma diferença de potencia elétrico l gerado entre os circuitos primário e o circuito secundário do transformador.
[026] O sinal de porta transmitido a partir da unidade de relê 40 através da fibra óptica 92 é introduzido para um receptor óptico 54 da unidade de circuito de acionamento de porta 50, sendo novamente convertido do sinal óptico ao sinal elétrico, a seguir é introduzido para um acionador de porta 53. O acionador de porta 53 controla uma tensão de emissão de porta de um IGBT 60. A energia necessária para o funcionamento do acionador de porta 53 é fornecida do transformador 71 através de um retificador 56.
[027] A Fig. 1 mostra apenas uma configuração de controle para um IGBT dos seis IGBTs que formam o inversor trifásico. Pela conexão da unidade de circuito de controle 30, a unidade de relé 40 e a unidade de circuito de acionamento de porta 50 para cada um dos outros IGBTs do mesmo modo, os IGBTs S1 a S6 mostrados na Fig. 5 pode ser todos controlados. Além disso, no lugar das fibras ópticas 91 e 92 como a unidade de transmissão óptica, poderia ser utilizado um fotoacoplador como mostrado na Figura 6.
[028] No dispositivo conversor de energia representado na fig. 1 o isolamento é definido em dois locais de limite de isolamento 110 e um limite do isolamento 129. Ou seja, o sinal de porta é isolado entre a unidade de circuito de controle 30 e a unidade de relé 40 pela fibra óptica 91. A potencia de controle é isolada pelo transformador 70. O sinal de porta é isolado entre a unidade de relé 40 e a unidade do circuito de acionamento de porta 50 pela fibra óptica 92, sendo que a energia de controle é isolada pelo transformador 71.
[029] De acordo com IEC-61800-5-1, para um circuito de uma tensão decisiva classe de tensão D, é exigida a ligação protetora (ligação à terra) das partes condutoras expostas, ou de isolamento duplo ou isolamento reforçado de outros circuitos da classe de tensão decisiva D. Uma classe de tensão decisiva é determinada pelo uso de tensão na tensão do circuito. A seguir uma unidade de circuito principal de um inversor cuja tensão de entrada e de saída é de 1 kV ou maior, corresponde à classe de tensão decisiva D. Portanto, de acordo com a estrutura de isolamento da Figura 1, para o inversor cuja tensão de entrada e saída é de 1 kV ou maior a unidade operacional 10 é isolada da unidade de circuito principal do IGBT 60 que corresponde à classe de tensão decisiva D pelo isolamento duplo. Esta configuração pode, portanto, estar em conformidade com IEC-61800-5-1.
[030] De acordo com a presente forma de realização, uma vez que uma distancia de fuga de corrente e uma distancia espacial podem ser facilmente encurtadas, é possível reduzir um tamanho da configuração de isolamento para o dispositivo sem estabelecer o isolamento reforçado para cada uma das partes de controle.
[031] A Figura 2 mostra uma segunda forma de realização. Um ponto diferente da Figura 1 é que no lugar do transformador 71 uma bobina de transmissão de energia 46 e uma bobina de recepção de energia 55 são providenciadas para receber e fornecer a energia de controle entre a unidade de relé 40 e a unidade de circuito de acionamento de porta 50.
[032] Ou seja, a energia isolada pelo transformador 70 é introduzida para a unidade geradora de energia 45, na unidade de relé 40 e abastece a unidade de processamento de sinais 42. Ao mesmo tempo, gera uma alta frequência de energia elétrica CA na unidade geradora de energia elétrica 45, e a energia CA de alta fre- qüência gerada é introduzida para a bobina de transmissão de energia 46, a seguir para a bobina de recepção de energia 55 na unidade de circuito de acionamento de porta 50 pro meio da bobina de transmissão de energia 46 num modo livre de contato.
[033] A energia CA recebida pela bobina de recepção de energia 55 é convertida em energia CC pelo retificador 56, como uma energia de controle (um suprimento de energia d controle) para o acionador de porta 53. No presente, independentemente do suprimento de energia sem contato entre a bobina de transmissão de energia 46 e a bobina de recepção de energia 55, pode ser implementado por uma técnica apresentada, por exemplo, no Documento Não-patente 1. As outras operações são iguais as da Figura 1.
[034] Em geral, em comparação com um transformador de baixa tensão, o tamanho e peso de um transformador de alta tensão são também grandes, e o custo do transformador de alta tensão também é alto.
[035] Por conseguinte, de acordo com a presente forma de realização, pode ser obtida a configuração de isolamento que pode obter uma redução no tamanho e custos maior do que na forma de realização da Figura 1.
[036] A figura 3 é um diagrama de bloco mostrando uma terceira forma de realização. No caso em que a energia CA de alta freqüência é gerada na unidade de relé 40sendo transmitida para a unidade de circuito de acionamento de porta 50, num modo livre de contato, como mostrado na Fig. 2 uma parte da energia CA de alta freqüência vaza para as circunvizinhanças como um ruído de campo eletromagnético. Além disso, os ruídos são gerados também no IGBT 60, devido a uma operação de comutação de grande energia. Caso estes ruídos ingressem na unidade de circuito de controle 30 há uma possibilidade de que ocorra um mau funcionamento no circuito, resultando na possibilidade de que o próprio dispositivo de conversão de energia funcione de forma incorreta.
[037] A concretização mostrada na Figura 3 é uma forma de realização que evita que os ruídos gerados ingressem na unidade de circuito de controle 30. De modo q prevenir que os ruídos gerados ingressem na unidade de circuito de controle 30, a unidade de relé 40, a unidade de circuito de acionamento de porta 50 e o IGBT 60 são acomodados numa caixa de armazenagem 200 confeccionada de material condutor, sendo, desse modo, evitado o ruído do campo eletromagnético escapado da caixa de armazenagem 200 gerado pela bobina de transmissão de energia 46, etc. Além disso, pela ligação desta caixa de armazenagem 200 a um terminal de tensão elétrica media M da tensão do circuito principal do conversor mostrado na Fig. 4, é adquirida uma redução adicional da configuração de isolamento (estrutura isolante) do dispositivo.
[038] Ou seja, armazenando a unidade de relé 40 a unidade de circuito de acionamento de porta 50 e o IGBT 60 alojados na caixa 200, uma vez que a unidade de circuito de controle 30 pode ser evitada de ficar exposta ao ruído do campo eletromagnético, medidas de ruído para a unidade de circuito de controle 30 não são necessárias. Além disso, pela conexão desça caixa de armazenagem 200 ao terminal M que se trata de um potencial elétrico médio entre os terminais P e N do circuito principal de inversor, é possível encurtar uma distancia espacial entre a caixa de acomodação 200 e o circuito principal de inversor, e daí a redução da configuração de isolamento (estrutura isolante) do dispositivo pode ser realizada. No presente C1 e C2 na Figura 4 são capacitores.
[039] Se, por ligação à terra da caixa de acomodação 200, e um potencial elétrico do N-terminal for um potencial à terra, é necessário uma distancia espacial entre o terminal P e a caixa de acomodação 200 quando da disposição da caixa de acomodação 200 a fim de assegurar um espaço permissível para a tensão entre os terminais P e N do circuito principal. A este respeito, através da ligação da caixa de acomodação 200 ao terminal M de potencial elétrico médio, similar à terceira concretização, uma distancia da disposição da caixa de acomodação 200 não está limitada, desde que seja garantida uma distancia espacial permissível para a metade da tensão entre os terminais P e N. Com isto, é possível evitar que o tamanho do dispositivo torne-se maior.
[040] Além disso, nesta forma de realização, minimizando a parte funcional respectiva acomodada na caixa de acomodação 200, a redução no tamanho do dispositivo pode ser realizada. Em outras palavras, apenas a unidade de relé 40, a unidade de circuito de acionamento de porta 50 e o IGBT 60 os quais são necessários para garantir a distancia espacial são acomodados na caixa de acomodação 200, enquanto a unidade operacional 10, a unidade de circuito de controle 30 e o transformador 70 que funcionam unicamente a uma baixa voltagem, não sendo requisitados para garantir a distancia espacial, são deixados fora da caixa de acomodação 200. Com este arranjo, o grau de liberdade da disposição da unidade de circuito de controle 30 e do transformador 70 é aumentado, e a redução no tamanho global do dispositivo pode ser conseguida.
[041] Além disso, no dispositivo mostrado na Fig. 1, pelo fato de acomodar apenas a unidade de relê 40, a unidade de circuito de acionamento de porta 50 e o IGBT 60 na caixa de acomodação 200, podem ser obtidos os mesmos efeitos da terceira concretização.
[042] Como descrito acima, de acordo com a presente invenção, o disposi- tivo de conversão de energia pode concordar com os padrões de segurança prescritos na IEC 61800-5-1, enquanto ao mesmo tempo adquire a redução no tamanho e nos custos do dispositivo sem necessitar de fornecimento de isolamento reforçado. Adicionalmente, pelo acomodar a unidade de relé, a unidade de circuito de aciona-mento de porta e o dispositivo de comutação semicondutor na caixa de acomodação feita de material condutor; e fazendo-se a ligação da caixa de acomodação ao ponto de potencial elétrico médio da voltagem do circuito principal, medidas de ruído do dispositivo de controle podem ser suavizadas, encurtando adicionalmente, a distância espacial permissível, podendo ser reduzido, por conseguinte, o tamanho global do dispositivo.

Claims (2)

1. Estrutura isolante para um dispositivo de conversão de energia compreendendo: um dispositivo de controle de um inversor, o inversor compreendendo um dispositivo de comutação semicondutor (60), o dispositivo de controle tendo: uma unidade de circuito de controle (30) configurada para gerar um sinal de porta; e uma unidade de circuito de acionamento de porta (50) configurada para receber o sinal de porta gerado através de primeira e segunda unidades de transmissão óptica (91, 92) e para controlar o dispositivo de comutação semicondutor (60); e CARACTERIZADA por compreender ainda uma unidade de relé (40) proporcionada entre a unidade de circuito de controle (30) e a unidade de circuito de acionamento de porta (50), a unidade de relé (40) tendo: primeira e segunda unidades de transmissão óptica (41, 44); uma unidade de processamento de sinal (42); e uma unidade de geração de energia (43, 45), em que o sinal de porta gerado pela unidade de circuito de controle (30) é introduzido para a unidade de processamento de sinal (42) da unidade de relé (40) através da unidade de transmissão óptica (91), e uma saída da unidade de processamento de sinal (42) é introduzida para a unidade de circuito de acionamento de porta (50) através da segunda unidade de transmissão óptica (92); e a unidade de geração de energia (43, 45) é configurada para receber energia de uma fonte de energia CA de dispositivo de controle (20) através de um primeiro transformador (70), para fornecer energia CA à unidade de circuito de acionamento de porta (50) através de um segundo transformador (71, 46, 55), e para fornecer energia para a unidade de processamento de sinal (42), e a unidade de relé (40), a unidade de circuito de acionamento de porta (50) e o dispositivo de comutação semicondutor (60) são acomodados em uma caixa de acomodação (200) que é feita de material condutor, e a caixa de acomodação (200) está ligada a um terminal de potencial elétrico intermediário (M) de CC de um circuito principal de inversor.
2. Estrutura isolante para um dispositivo de conversão de energia, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que: o segundo transformador (71, 46, 55) compreende uma bobina de transmissão de energia (46) proporcionada na unidade de relé (40) e uma bobina de recepção de energia (55) proporcionada na unidade de circuito de acionamento de porta (50) de modo que uma energia CA de alta freqüência gerada pela unidade de geração de energia (45) da unidade de relé (40) é transmitida para a bobina receptora de energia (55) da unidade de circuito de acionamento de porta (50) através da bobina de transmissão de energia (46).
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