BR112017009407B1

BR112017009407B1 - Unidade de fonte de energia para dispositivo eletrônico inteligente autoalimentado e ied

Info

Publication number: BR112017009407B1
Application number: BR112017009407-0A
Authority: BR
Inventors: Gabriele Valentino De Natale; Luciano Di Maio; Massimiliano Villano
Original assignee: Abb Schweiz Ag
Priority date: 2014-11-04
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2022-02-08
Also published as: US10944333B2; US20170324271A1; EP3018794B1; WO2016071102A1; ES2667483T3; BR112017009407A2; EP3018794A1; CN107005082A

Abstract

unidade de fonte de energia (1) para um ied (100) para aplicações de energia elétrica lv ou mv, caracterizada por compreender: um estágio de transformador de energia (2), que é acoplado operativamente a um condutor de alimentação (500) para coletar energia elétrica do mencionado condutor de alimentação; primeiro estágio de armazenamento (4), que é conectado eletricamente ao mencionado estágio de transformador de energia para armazenar energia elétrica; primeiro estágio de conversão step down (6), que é eletricamente conectável/desconectável de/para o mencionado primeiro estágio de armazenamento (4); um estágio de comutação (5) adaptado para conectar/desconectar eletricamente o mencionado primeiro estágio de conversão step down com/do mencionado primeiro estágio de armazenamento (4); segundo estágio de armazenamento (7), que é conectado eletricamente ao mencionado primeiro estágio de conversão step down (6) para armazenar energia elétrica.

Description

[001] A presente invenção refere-se ao campo de equipamento de energia elétrica para redes de distribuição de energia elétrica de baixa ou média tensão.

[002] Mais particularmente, a presente invenção refere-se a uma unidade de fonte de energia para um dispositivo eletrônico inteligente autoalimentado para aplicações de energia elétrica de baixa ou média tensão.

[003] Para os objetos do presente pedido de patente, a expressão “baixa tensão” (LV) refere-se a tensões abaixo de 1 kV AC e 1,5 kV DC, enquanto a expressão “média tensão” (MV) refere-se a tensões de mais de 1 kV AC e 1,5 kV DC e abaixo de 72 kV AC e 100 kV DC.

[004] Como se sabe, a expressão “dispositivo eletrônico inteligente” (IED) identifica um dispositivo com base em microcontrolador eletrônico para administrar a operação de equipamento de energia elétrica, como um disjuntor, interruptor, chave seccionadora, contator, religador e similares.

[005] IEDs normalmente adotam dispositivos de processamento digital para realizar funções protetoras, funções de controle, funções de monitoramento e funções de comunicação.

[006] Tipos comuns de IEDs incluem relés de proteção, controle de dispositivo de comutação, dispositivos de monitoramento, reguladores de tensão e similares.

[007] Como se sabe, alguns IEDs são “autoalimentados”, ou seja, eles são equipados com uma unidade de fonte de energia capaz de coletar energia elétrica diretamente de um condutor alimentador (normalmente, um condutor de fase de uma linha de distribuição de energia elétrica), ao qual o IED ou o aparelho que inclui o IED é operativamente associado.

[008] Normalmente, a unidade de fonte de energia de um IED autoalimentado incorpora capacitores de armazenamento para alimentar os componentes internos do IED, tais como a unidade de controle do IED.

[009] Em condições normais, esses capacitores de armazenamento são carregados continuamente pela energia elétrica coletada do condutor de alimentação e são, por sua vez, capazes de alimentar continuamente o IED.

[0010] Quando uma corrente muito pequena ou nenhuma corrente flui ao longo do condutor principal (por exemplo, devido a condições de falha), os capacitores de armazenamento não são mais carregados e são, portanto, capazes de fornecer energia elétrica apenas por um intervalo de tempo residual, após o qual a energia elétrica armazenada é completamente dissipada e o IED não pode mais operar.

[0011] Como se sabe, é importante que esse intervalo de tempo residual seja suficientemente longo para permitir que o IED administre adequadamente e a tempo as condições de emergência em andamento.

[0012] Uma solução tradicional para enfrentar esse problema consiste em equipar a unidade de fonte de energia com enormes capacitores de armazenamento, que necessitam de tempo relativamente longo para serem descarregados.

[0013] Infelizmente, essa abordagem acarreta aumento notável do tamanho geral e dos custos de produção da unidade de fonte de energia. O documento EP2365507A divulga uma unidade de fonte de alimentação compreendendo uma primeira unidade de armazenamento, um conversor step-down conectado de maneira comutável à primeira unidade de armazenamento, e uma segunda unidade de armazenamento conectada ao conversor. O comutador é controlado para ser condutor quando a voltagem na segunda unidade de armazenamento está abaixo de um limite predeterminado. O documento WO2014019623A divulga uma fonte de alimentação para um IED que coleta energia de um condutor de alimentação usando um transformador de energia.

[0014] É objeto da presente invenção fornecer uma unidade de fonte de energia para um IED para aplicações de baixa ou média tensão que solucione os problemas acima mencionados.

[0015] Mais especificamente, é objeto da presente invenção fornecer uma unidade de fonte de energia que permita que um IED opere com segurança por um intervalo de tempo suficientemente longo, quando a coleta de energia elétrica de um condutor primário não for mais disponível.

[0016] Ainda outro objeto da presente invenção é o de fornecer uma unidade de fonte de energia que possua tamanho menor e maior eficiência em comparação com soluções comumente disponíveis.

[0017] Outro objeto da presente invenção é o de fornecer uma unidade de fonte de energia que possa ser fabricada facilmente a custos competitivos.

[0018] A presente invenção fornece, portanto, uma unidade de fonte de energia para um IED para aplicações de energia elétrica sob baixa ou média tensão, de acordo com a reivindicação 1 a seguir e as reivindicações dependentes relacionadas.

[0019] Em outro aspecto, a presente invenção refere-se a um IED para aplicações de energia elétrica de baixa ou média tensão de acordo com a reivindicação 14 a seguir.

[0020] Características e vantagens da presente invenção surgirão a partir da descrição de realizações preferidas, mas não exclusivas, da unidade de energia e controle para um aparelho de baixa ou média tensão de acordo com a presente invenção, cujos exemplos não limitadores são fornecidos nos desenhos anexos, nos quais: - a Figura 1 é um esquema de bloco de uma realização da unidade de fonte de energia de acordo com a presente invenção; e - as Figuras 2-9 são esquemas de blocos de partes da unidade de fonte de energia da Figura 1.

[0021] Com referência às figuras citadas, a presente invenção refere-se a uma unidade de fonte de energia 1 para um IED 100 para aplicações de baixa ou média tensão.

[0022] O IED 100 pode ser associado operativamente ao equipamento de energia elétrica de uma rede de distribuição de energia elétrica MV ou LV ou nele compreendido, tal como em um disjuntor, contator, interruptor, chave seccionadora e similares.

[0023] Como exemplo, o IED 100 pode ser o módulo de controle de um dispositivo comutador ou chave seccionadora instalada sobre uma linha de distribuição de energia elétrica suspensa.

[0024] O IED 100 (parcialmente exibido na Figura 1) compreende preferencialmente uma unidade de controle 10, que administra a operação do próprio IED e/ou a operação do equipamento de energia elétrica que inclui o IED.

[0025] A unidade de controle 10 pode, por exemplo, administrar atividades de diagnóstico interno e externo, controlar a operação do equipamento de energia elétrica por meio de algoritmos apropriados, fornecer/receber comandos de controle, comunicar- se com dispositivos externos ou internos e realizar outras atividades exigidas ao longo da vida de operação do equipamento de energia elétrica.

[0026] Preferencialmente, a unidade de controle 10 é equipada com um ou mais dispositivos de processamento digital principais (por exemplo, um ou mais microprocessadores).

[0027] O IED 100 é do tipo autoalimentado. A unidade de fonte de energia 1 é, portanto, capaz de coletar energia elétrica diretamente de um condutor de alimentação 500 associado operativamente ao IED ou ao equipamento de energia elétrica.

[0028] Como exemplo, o condutor de alimentação 500 pode ser um condutor de fase de uma linha de distribuição de energia elétrica, sobre o qual é instalado o equipamento de energia elétrica (por exemplo, um dispositivo de comutação ou chave seccionadora).

[0029] A unidade de fonte de energia 1 compreende uma série de estágios eletrônicos que são conectados eletricamente em cascata.

[0030] Particularmente, a unidade de fonte de energia 1 compreende uma seção de coleta 400, que é configurada para coletar energia elétrica do condutor de alimentação 500 de forma eficiente e armazenar energia elétrica em altas tensões.

[0031] Segundo a presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende um estágio de transformador de energia 2 acoplado operativamente ao condutor de alimentação 500 para coletar energia elétrica deste último (Figura 1).

[0032] O estágio de transformador de energia 2 compreende terminais de saída 20, nos quais fornece primeira tensão V1 (preferencialmente tensão DC), quando uma corrente flui ao longo do condutor de alimentação 500.

[0033] Com referência às Figuras 2-3, o estágio de transformador de energia 2 compreende preferencialmente um transformador de corrente 21 acoplado operativamente ao condutor de alimentação 500.

[0034] Quando uma corrente flui ao longo do condutor de alimentação 500, o transformador de corrente 21 fornece uma corrente de saída (como um gerador de corrente equivalente). Desta forma, a tensão fornecida nos seus terminais de saída depende basicamente da carga equivalente abaixo no fluxo observadas destes últimos, da corrente que flui no condutor de alimentação 500 e a característica do transformador de corrente 21.

[0035] Segundo uma realização da presente invenção (Figura 2), o estágio de transformador de energia 2 compreende preferencialmente um circuito de limitação de tensão 22 conectado eletricamente ao transformador de corrente 21 e um circuito step up 23 conectado eletricamente ao circuito de limitação de tensão 22.

[0036] O circuito de limitação de tensão 22 possui terminais de saída 20A e fornece na saída uma tensão intermediária VT (preferencialmente, tensão AC).

[0037] O circuito de limitação de tensão 22 é configurado para fornecer proteção contra pulsos de tensão, que podem derivar de reduções súbitas da carga equivalente observada dos terminais de saída 20A ou aumentos súbitos da corrente que flui ao longo do condutor de alimentação 500.

[0038] Desta forma, a tensão intermediária VT encontra-se sempre dentro de uma faixa de segurança (por exemplo, cerca de 44 V de pico de amplitude em condições normais).

[0039] Preferencialmente, o circuito de limitação de tensão 22 compreende uma seção de corte de tensão 221 e uma seção de regulagem de tensão 222, que são conectadas eletricamente em cascata entre os terminais de saída do transformador de corrente 21 e os terminais de saída 20A.

[0040] Convenientemente, a seção de corte de tensão 221 pode incluir diodos Zener ou dispositivos TVS (supressores de tensão transitória) dispostos adequadamente para fornecer funções de corte de tensão nos terminais de saída do transformador de corrente 21, enquanto a seção de regulagem de tensão 222 pode incluir um circuito de comutação TRIAC (tríodo para corrente alternada) ou SCR (retificador controlado de silício), disposto adequadamente para regular a tensão de saída VT nos terminais de saída 20A do circuito de limitação de tensão 22.

[0041] O circuito step up 23 é adaptado para receber a tensão intermediária VT e fornecer, nos terminais de saída 20, a primeira tensão V1 com maior amplitude (por exemplo, cerca de 88 V em condições normais) que a tensão intermediária VT.

[0042] Com referência à Figura 2, o circuito step up 23 compreende preferencialmente um circuito dobrador de tensão 231 conectado eletricamente aos terminais de saída 20A do circuito de limitação de tensão 22.

[0043] O circuito dobrador de tensão 231 é configurado para step up e retificar a tensão intermediária VT fornecida pelo circuito de limitação de tensão 22.

[0044] Particularmente, o circuito dobrador de tensão 31 é configurado para receber a tensão AC VT e fornecer na saída a tensão DC V1 com amplitude maior que a amplitude da tensão VT.

[0045] Preferencialmente, a amplitude da tensão V1 é aproximadamente o dobro do pico de amplitude da tensão VT.

[0046] Convenientemente, o circuito dobrador de tensão 231 compreende uma rede de diodos D1, D2 e capacitores C1, C2, C3, C4 que são dispostos entre os terminais 20A, 20 de acordo com uma configuração similar a ponte.

[0047] Quando a tensão AC V1 nos terminais de saída 20A for positiva (meia-onda positiva), o diodo D1 encontra-se em estado de condução (estado LIGADO), enquanto o diodo D2 encontra-se em estado de interdição (estado DESLIGADO). Os capacitores C1, C3 são carregados a uma tensão VTMAX, que é o pico de amplitude da tensão VT.

[0048] Quando a tensão VT AC nos terminais de saída 20A for negativa (meia-onda negativa), o diodo D2 encontra-se em estado LIGADO, enquanto o diodo D1 encontra-se em estado DESLIGADO. Os capacitores C2, C4 são carregados a uma tensão -VTMAX.

[0049] Como resultado, tensão V1 DC retificada, que possui amplitude substancialmente correspondente à amplitude pico a pico da tensão AC VT (ou seja, V1=2VTMAX), é fornecida nos terminais de saída 20 do estágio de transformador de energia 2.

[0050] Convenientemente, os capacitores C1, C2 (preferencialmente do tipo eletrolítico) são selecionados para fornecer principalmente funções de armazenamento de energia elétrica, enquanto os capacitores C3, C4 (preferencialmente do tipo cerâmico) são selecionados para fornecer principalmente funções de filtro adequadas de componentes de alta frequência da tensão VT.

[0051] Com referência à Figura 2, o circuito step up 23 compreende preferencialmente um primeiro circuito de bloqueio 232 para evitar a circulação de corrente de descarga dos terminais de saída 20 em direção ao circuito dobrador de tensão 231 devido à presença de possíveis desequilíbrios de carga capacitiva com os estágios eletrônicos abaixo no fluxo (particularmente com o estágio eletrônico 4 descrito a seguir).

[0052] Preferencialmente, o circuito de bloqueio 232 compreende um ou mais diodos configurados adequadamente para bloquear essa corrente de descarga.

[0053] Segundo uma realização alternativa da presente invenção (Figura 3), o transformador de corrente 21 e o circuito de limitação de tensão 22 são dispostos de forma que a tensão intermediária VT fornecida nos terminais de saída 20A do circuito de limitação de tensão 22 seja suficientemente alta (por exemplo, pico de amplitude de cerca de 88 V em condições normais).

[0054] Com este propósito, o transformador de corrente 21 pode compreender quantidade suficientemente alta de voltas em sua bobinagem secundária, enquanto a seção de corte de tensão 221 e a seção de regulagem de tensão 222 do circuito de limitação de tensão 22 podem ser adequadamente configuradas para fornecer tensão AC VT suficientemente alta nos terminais 20A.

[0055] Nesta segunda realização, o estágio de transformador de energia compreende preferencialmente um circuito de retificação 24 que é conectado eletricamente entre os terminais 20A, 20.

[0056] O circuito de retificação 24 é configurado para retificar a tensão AC VT. Com este propósito, ele pode compreender uma série de diodos em configuração similar a ponte.

[0057] Como resultado, tensão DC retificada V1, que possui amplitude substancialmente correspondente ao pico de amplitude da tensão AC VT (ou seja, V1=VTMAX) é fornecida nos terminais de saída 20 do estágio de transformador de energia 2.

[0058] Segundo a presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende primeiro estágio de armazenamento 4 conectado eletricamente aos terminais de saída 20 do estágio de transformador de energia 2.

[0059] O estágio de armazenamento 4 compreende primeiros terminais de fornecimento 40, nos quais o estágio de armazenamento 4 fornece primeira tensão de fornecimento VS1.

[0060] O estágio de armazenamento 4 é convenientemente configurado para armazenar energia elétrica. Com este propósito, ele compreende convenientemente primeiros capacitores de armazenamento 41 (preferencialmente do tipo eletrolítico) conectados eletricamente em paralelo aos terminais 20, 40.

[0061] O estágio de transformador de energia 2 fornece primeira corrente de carga I1 ao estágio de armazenamento 4 para carregar os capacitores de armazenamento 41 quando uma corrente fluir ao longo do condutor de alimentação 500.

[0062] Quando pelo menos uma corrente mínima dada fluir ao longo do condutor de alimentação 500, o estágio de armazenamento 4 é mantido carregado pelo estágio de transformador de energia 2 e a tensão de fornecimento VS1 nos terminais fonte 40 é substancialmente igual à tensão V1 fornecida pelo estágio de transformador de energia 2.

[0063] Quando nenhuma corrente ou corrente insuficiente fluir ao longo do condutor de alimentação 500, o estágio de transformador de energia 2 não será mais capaz de manter o estágio de armazenamento 4 em condição carregada. A tensão de fornecimento VS1 nos terminais fonte 40 é reduzida à medida que o estágio de armazenamento 4 é progressivamente descarregado.

[0064] Segundo uma realização preferida da presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende um primeiro circuito de detecção 11, que é conectado eletricamente ao estágio de armazenamento 4 (Figura 9).

[0065] O circuito de detecção 11 é convenientemente adaptado para fornecer primeiros sinais de detecção S1 indicativos da tensão de fornecimento VS1 nos terminais fonte 40.

[0066] Preferencialmente, os sinais de detecção S1 são fornecidos em entrada a uma unidade de controle, que pode processá-los para fins de monitoramento. Preferencialmente, a unidade de controle 10 é a unidade de controle do IED 100.

[0067] Preferencialmente, o circuito de detecção 11 compreende um primeiro amplificador operacional 111 e primeiros circuitos de condicionamento 112, 113 para configurar o amplificador operacional 111 em configuração tensão-seguidor que fornece desacoplamento de alta impedância entre os terminais 40 e o terminal de saída 110 do circuito de detecção 11, no qual o sinal de detecção S1 é disponível.

[0068] Os estágios eletrônicos 2, 4 (e possivelmente 11) descritos acima formam a seção de coleta 400 da unidade de fonte de energia 1, cujo objetivo é a coleta e armazenamento eficientes da energia elétrica oferecida pelo condutor de alimentação 500.

[0069] Quando a corrente fluir no condutor de alimentação 500, o estágio de transformador de energia 2 é capaz de fornecer dada tensão de saída V1, de forma a realizar conversão da energia oferecida pelo condutor de alimentação 500.

[0070] Convenientemente, a tensão V1 é relativamente alta, de forma que os capacitores de armazenamento 41 podem ser mantidos em condição carregada mesmo quando correntes relativamente pequenas fluírem ao longo do condutor de alimentação 500.

[0071] Isso permite redução notável da corrente mínima que necessita fluir ao longo do condutor de alimentação 500 para coletar sua energia elétrica.

[0072] Consequentemente, um transformador de corrente 21 com tamanho menor pode ser utilizado para coletar dada quantidade de energia elétrica do condutor de alimentação 500.

[0073] O primeiro estágio de armazenamento 4 forma um reservatório de energia de alta tensão (neste caso a expressão “alta tensão” necessita destinar-se com relação às tensões de alimentação que normalmente alimentam o IED 100) que é normalmente mantido em estado completamente carregado.

[0074] Esse reservatório de energia é descarregado para fornecer energia elétrica aos estágios eletrônicos abaixo no fluxo 6, 7, 8, 9 apenas quando não puder ser coletada energia elétrica de forma útil a partir do condutor de alimentação 500.

[0075] O estágio eletrônico 4 é, portanto, capaz de disponibilizar quantidade relativamente alta de energia elétrica quando não houver energia elétrica disponível de outra forma, o que garante tempo de alimentação relativamente longo para os estágios eletrônicos abaixo no fluxo em condições de emergência.

[0076] A unidade de fonte de energia compreende uma seção de alimentação 700, que é eletricamente conectável/desconectável à/da seção de coleta 400.

[0077] A seção de alimentação 700 é configurada para fornecer eficientemente uma ou mais tensões de alimentação para o IED 100, particularmente à sua unidade de controle 10.

[0078] Segundo a presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende um primeiro estágio de conversão step down 6 conectável/desconectável eletricamente ao/do estágio de armazenamento 4.

[0079] Quando ele estiver eletricamente conectado ao estágio de armazenamento 4, o estágio de conversão 6 é adaptado para receber a tensão de fornecimento VS1 e fornecer, em seus terminais de saída 60, terceira tensão V3 (preferencialmente, tensão DC) com amplitude menor que a tensão VS1.

[0080] Preferencialmente, o estágio de conversão 6 compreende um primeiro conversor de comutação DC/DC convenientemente configurado para converter a tensão VS1 na tensão notavelmente menor V3 (por exemplo, cerca de 11 V em condições normais).

[0081] Preferencialmente, o primeiro conversor de comutação é um conversor buck.

[0082] Preferencialmente, o primeiro conversor de comutação é um conversor buck com retificação sincrônica para garantir conversão de tensão mais eficiente e menor dissipação de calor.

[0083] Segundo a presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende um estágio de comutação 5 que é adaptado para conectar/desconectar eletricamente o estágio de conversão 6 ao/do estágio de armazenamento 4.

[0084] O estágio de comutação 5 é conectado eletricamente aos terminais fonte 40 do estágio de armazenamento 4, dos quais recebe a tensão de fornecimento VS1.

[0085] Os terminais de saída 50 do estágio de comutação 5 são conectados eletricamente ao estágio de conversão 6.

[0086] Quando o estágio de comutação 5 recebe o comando de conexão elétrica do primeiro estágio de conversão step down 6 ao estágio de armazenamento 4, o estágio de comutação 5 fornece a tensão de fornecimento VS1 em seus terminais de saída 50. A tensão VS1 pode ser recebida, portanto, na entrada pelo estágio de conversão 6, particularmente pelo conversor de comutação 66.

[0087] Preferencialmente, o estágio de comutação 5 é adaptado para receber sinais de controle C.

[0088] Preferencialmente, os sinais de controle C são fornecidos por uma unidade de controle 10 para controlar a operação de comutação do estágio de comutação 5. Preferencialmente, a unidade de controle 10 é a unidade de controle do IED 100.

[0089] Preferencialmente, o estágio de comutação 5 compreende pelo menos um dispositivo de comutação 51 que é eletricamente conectado entre os terminais 40, 50.

[0090] Quando estiver em estado de condução/interdição (LIGADO/DESLIGADO), o dispositivo de comutação 51 conecta/desconecta eletricamente o estágio de conversão 6 ao/do estágio de armazenamento 4.

[0091] Preferencialmente, o estágio de comutação 5 compreende um circuito de condução 52 para conduzir o dispositivo de comutação 51. Convenientemente, o circuito de condução 52 é adaptado para receber os sinais de controle C e ativar/desativar a operação de comutação do dispositivo de comutação 51 em resposta aos sinais de controle C.

[0092] O dispositivo de comutação 51 necessita garantir convenientemente a conexão elétrica entre o estágio de conversão 6 e o estágio de armazenamento 4 se não for controlado ativamente pela unidade de controle 10.

[0093] Além disso, o dispositivo de comutação 51 necessita ser convenientemente comutado naturalmente em um estado LIGADO se os sinais de controle C não forem mais disponíveis.

[0094] Em outras palavras, o dispositivo de comutação 51 necessitar estar em estado de condução (estado LIGADO) se os sinais de controle C não forem disponíveis por alguma razão, por exemplo, durante a inicialização do IED 100.

[0095] Com este propósito, o dispositivo de comutação 51 é preferencialmente um transistor MOSFET do tipo de esgotamento.

[0096] Além disso, a adoção de MOSFET de esgotamento permite redução do consumo de energia, já que MOSFETs de esgotamento podem ser convenientemente controlados por meio do contato de portão com uma rede de polarização que não coleta energia dos terminais de entrada 40. Outros tipos de dispositivo de comutação (por exemplo, MOSFET do tipo de aprimoramento) necessitariam, por sua vez, de uma rede de polarização que consome energia também quando o dispositivo se encontra em estado DESLIGADO.

[0097] Preferencialmente, ao utilizar-se MOSFET de esgotamento para o dispositivo de comutação 51, o estágio de comutação 5 compreenderá segundo circuito de bloqueio 53 para evitar a circulação de uma corrente de descarga proveniente dos estágios eletrônicos abaixo no fluxo.

[0098] Preferencialmente, o circuito de bloqueio 53 compreende um ou mais diodos configurados adequadamente para bloquear essa corrente de descarga.

[0099] Segundo a presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende um segundo estágio de armazenamento 7 conectado eletricamente aos terminais de saída 60 do estágio de conversão 6.

[00100] O estágio de armazenamento 7 compreende segundos terminais fonte 70, nos quais é fornecida uma segunda tensão de fornecimento VS2.

[00101] O estágio de armazenamento 7 é convenientemente configurado para armazenar energia elétrica. Com este propósito fim, ele compreende convenientemente segundos capacitores de armazenamento 71 (preferencialmente do tipo eletrolítico) conectados eletricamente em paralelo aos terminais 60, 70.

[00102] O estágio de conversão 6 fornece segunda corrente de carga I2 ao estágio de armazenamento 7 para carregar os capacitores de armazenamento 71 quando estiver conectado eletricamente ao estágio de armazenamento 4 pelo estágio de comutação 5.

[00103] Quando o estágio de conversão 6 estiver conectado eletricamente ao estágio de armazenamento 4, o estágio de armazenamento 7 será mantido carregado pelo estágio de conversão 6 e a tensão de fornecimento VS2 será igual à tensão V3.

[00104] Quando estiver desconectado eletricamente do estágio de armazenamento 4, o estágio de conversão 6 não funcionará e a tensão de fornecimento VS2 nos terminais 70 será reduzida, enquanto o estágio de armazenamento 7 descarrega-se progressivamente.

[00105] Preferencialmente, o estágio de armazenamento 7 compreende terceiro circuito de bloqueio 72 para evitar a circulação de uma corrente de descarga dos capacitores de armazenamento 71 em direção ao estágio de conversão 6 devido à presença de possíveis desequilíbrios de carga capacitiva.

[00106] Preferencialmente, o circuito de bloqueio 72 compreende um ou mais diodos configurados adequadamente para bloquear essa corrente de descarga.

[00107] Segundo uma realização preferida da presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende segundo estágio de conversão step down 8, que é conectado eletricamente ao estágio de armazenamento 7.

[00108] O estágio de conversão 8 é adaptado para receber a tensão de fornecimento VS2 e fornecer, em seus terminais de saída 80, quarta tensão V4 (preferencialmente tensão DC) que possui amplitude menor que a tensão VS2 (por exemplo, 3,6 V em condições normais).

[00109] Preferencialmente, o estágio de conversão 8 compreende segundo conversor de comutação DC/DC, que é convenientemente configurado para converter a tensão VS2 para a tensão inferior V4.

[00110] Preferencialmente, o mencionado segundo conversor de comutação é um conversor buck.

[00111] Preferencialmente, o segundo conversor de comutação é um conversor buck com baixa corrente inativa para reduzir o consumo de energia.

[00112] Segundo uma realização preferida da presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende um estágio de regulagem 9 conectado eletricamente ao estágio de conversão 8.

[00113] O estágio de regulagem 9 é adaptado para receber na entrada a tensão V4 e fornecer na saída uma quinta tensão V5 (preferencialmente tensão DC) que possui amplitude menor que a tensão V4 (por exemplo, 3 V).

[00114] Preferencialmente, o estágio de regulagem 9 é um regulador de tensão linear DC que pode operar com baixas tensões diferenciais nos terminais 80, 90, como um regulador Low Dropout (LDO).

[00115] Preferencialmente, o estágio de regulagem 9 compreende um circuito regulador 91 e terceiras redes de filtragem de entrada e saída 92, 93 que são conectadas eletricamente ao circuito regulador 91 para fornecer funções de suavidade de tensão em seus pinos de entrada e saída correspondentes adequados.

[00116] Segundo uma realização preferida da presente invenção, a unidade de fonte de energia 1 compreende um segundo circuito de detecção 12, que é conectado eletricamente ao estágio de armazenamento 7.

[00117] O circuito de detecção 12 é convenientemente adaptado para fornecer segundos sinais de detecção S2 indicativos da tensão de fornecimento VS2 nos terminais fontes 70.

[00118] Preferencialmente, os sinais de detecção S2 são enviados na entrada para uma unidade de controle 10, que fornece os sinais de controle C ao estágio de comutação 5 em resposta aos sinais de detecção S2. Preferencialmente, a unidade de controle 10 é a unidade de controle do IED 100.

[00119] Preferencialmente, o circuito de detecção 12 compreende um segundo amplificador operacional 121 e segundos circuitos de condicionamento 122, 123 para configurar o amplificador operacional 121 em configuração tensão-seguidor que fornece desacoplamento de alta impedância entre os terminais fonte 70 e o terminal de saída 120 do circuito de detecção 12, no qual o sinal de detecção S2 é disponível.

[00120] Os estágios eletrônicos 6, 7 (e possivelmente 8, 9, 12), descritos acima, formam a seção de alimentação 700 da unidade de fonte de energia 1.

[00121] A seção de alimentação 700 compreende um reservatório de energia de baixa tensão formado pelo estágio de armazenamento 7 (também neste caso, a expressão “baixa tensão” deve destinar-se com relação às tensões de alimentação que normalmente alimentam o IED 100).

[00122] A seção de alimentação 700 pode disponibilizar diferentes tensões fontes ao IED 100.

[00123] As tensões de saída em cada um dos estágios eletrônicos 7, 8, 9 podem, por exemplo, ser empregadas de forma útil para alimentar o IED 100.

[00124] Cada uma das mencionadas tensões de alimentação pode ser útil para alimentar circuitos eletrônicos correspondentes do IED 100.

[00125] Como exemplo, a tensão de fornecimento VS2 pode ser útil para alimentar circuitos de sinalização de LED do IED 100, enquanto a tensão V5 pode ser útil para alimentar unidades de processamento digital presentes no IED 100.

[00126] A seção de alimentação 700 compreende o estágio de conversão de alta tensão 6 que carrega o reservatório de energia 7 convertendo a energia disponível pelo reservatório de energia de alta tensão 4, quando isso for necessário.

[00127] As seções de alimentação e coleta 400, 700 da unidade de fonte de energia 1 podem ser conectadas/desconectadas eletricamente entre si pelo estágio de comutação 5 de forma seletiva.

[00128] A operação da seção de alimentação 700 é brevemente descrita a seguir.

[00129] Os capacitores 71 devem inicialmente ser completamente descarregados.

[00130] Neste caso, o estágio de comutação 5 não é ativamente controlado pela unidade de controle 10. O estágio de comutação 5 encontra-se, portanto, em condição de LIGADO.

[00131] O estágio de conversão 6 recebe a tensão de fornecimento VS1 e é capaz de drenar energia elétrica do estágio de armazenamento 4 e fornece corrente de carga I2 para carregar o estágio de armazenamento 7.

[00132] A tensão VS2 nos terminais 70 do estágio de armazenamento 7 aumenta progressivamente até o estágio de armazenamento 7 estar completamente carregado.

[00133] O circuito de detecção 12 fornece continuamente (ou seja, em cada período de tempo de amostra) à unidade de controle 10 os sinais de detecção S2 indicativos da tensão de fornecimento VS2.

[00134] Assim que a tensão de fornecimento VS2 atinge nível de carga VCH correspondente a uma condição de carga completa do estágio de armazenamento 7, a unidade de controle 10 fornece sinais de controle C para alterar o estágio de comutação 5 em condição de DESLIGADO.

[00135] Neste caso, o estágio de conversão 6 não é operado e o estágio de armazenamento 7 não é carregado por ele.

[00136] À medida que ele fornece energia elétrica para os estágios eletrônicos abaixo no fluxo 8, 9, o estágio de energia 7 descarrega-se e a tensão de fornecimento VS2 é progressivamente reduzida.

[00137] Quando a tensão de fornecimento VS2 ficar menor que um limite de tensão VTH, a unidade de controle 10 fornece os sinais de controle C (ou simplesmente deixa de controlar ativamente o estágio de comutação 5) para mudar o dispositivo de comutação 51 para uma condição de LIGADO novamente (Figura 6).

[00138] A partir do acima, fica evidente que o estágio de comutação 5 conecta eletricamente o estágio de armazenamento 4 ao estágio de conversão 6 apenas quando o estágio de armazenamento 7 estiver em condição descarregada.

[00139] O estágio de conversão 6 recebe na entrada pulsos de tensão de fornecimento VS1 e é operado de forma intermitente (Figuras 1 e 5). Na prática, o conversor de comutação 66 é ativado com um ciclo de tarefa correspondente àquele do dispositivo de comutação 51.

[00140] Convenientemente, a unidade de controle 10 opera o dispositivo de comutação 51 com ciclo de tarefa muito baixo (por exemplo, menos de 10%).

[00141] Desta forma, o estágio de conversão 6 não opera na maior parte do tempo (por exemplo, em 90% do período de comutação do dispositivo de comutação 51).

[00142] Consequentemente, a tensão de fornecimento VS2 possui substancialmente formato triangular dentro dos níveis de tensão VTH e VCH. A forma de onda da tensão VS2 possui segmentos de aumento e redução de tensão. A duração dos segmentos de aumento de tensão é convenientemente muito menor que a duração dos segmentos de redução de tensão (Figuras 1 e 6).

[00143] Esta solução permite redução notável dos vazamentos de corrente e do autoaquecimento geral da unidade de fonte de energia 1.

[00144] Além disso, a energia elétrica armazenada no estágio de armazenamento 4 pode ser utilizada mais eficientemente, o que permite abastecer o IED 100 por tempo mais longo, caso não possa ser coletada energia elétrica útil do condutor de alimentação 500.

[00145] A unidade de fonte de energia 1 de acordo com a presente invenção possui uma série de vantagens em relação a unidades similares de tipo conhecido.

[00146] A unidade de fonte de energia 1 fornece desempenhos aprimorados em termos de economia de consumo de corrente, particularmente quando o condutor de alimentação 500 não for capaz de fornecer energia elétrica.

[00147] Isso permite a extensão notável do período de tempo em que o IED 100 pode ser operado em condições de emergência.

[00148] A unidade de fonte de energia 1 possui tamanho menor e maior eficiência em comparação com as soluções comumente disponíveis.

[00149] A unidade de fonte de energia 1 possui estrutura de circuito relativamente simples, que é de fabricação fácil e barata em nível industrial.

Claims

1. Unidade de fonte de energia (1) para um Dispositivo eletrônico Inteligente (IED) (100) para aplicações de energia elétrica de baixa voltagem (LV) ou alta voltagem (MV), caracterizada por compreender: - estágio de transformador de energia (2), que é acoplado operativamente a um condutor de alimentação (500) para coletar energia elétrica do mencionado condutor de alimentação, em que o mencionado estágio de transformador de energia é adaptado para fornecer uma primeira tensão (V1); - primeiro estágio de armazenamento (4), que é conectado eletricamente ao mencionado estágio de transformador de energia para receber a mencionada primeira tensão, em que o mencionado primeiro estágio de armazenamento é adaptado para armazenar energia elétrica e fornecer uma primeira tensão de fornecimento (VS1), o mencionado estágio de transformador de energia é adaptado para fornecer uma primeira corrente de carga (I1) para carregar o mencionado primeiro estágio de armazenamento, quando uma corrente fluir ao longo do mencionado condutor de alimentação; - primeiro estágio de conversão step down (6), que é conectável/desconectável eletricamente ao/do mencionado primeiro estágio de armazenamento (4), em que o mencionado primeiro estágio de conversão step down é adaptado para receber a mencionada primeira tensão de fornecimento (VS1) e fornecer uma terceira tensão (V3) com amplitude menor que a mencionada primeira tensão de fornecimento, quando o mencionado primeiro estágio de conversão step down é conectado eletricamente ao mencionado primeiro estágio de armazenamento; - estágio de comutação (5) adaptado para conectar/desconectar eletricamente o mencionado primeiro estágio de conversão step down ao/do mencionado primeiro estágio de armazenamento (4); e - segundo estágio de armazenamento (7), que é conectado eletricamente ao mencionado primeiro estágio de conversão step down (6), em que o mencionado segundo estágio de armazenamento é adaptado para armazenar energia elétrica e fornecer uma segunda tensão de fornecimento (VS2), o mencionado primeiro estágio de conversão step down é adaptado para fornecer uma segunda corrente de carga (I2) para carregar o mencionado segundo estágio de armazenamento, quando o mencionado primeiro estágio de conversão step down é conectado eletricamente ao mencionado primeiro estágio de armazenamento (4), sendo que o dito estágio de comutação (5) compreende pelo menos um dispositivo de comutação (51) conectado eletricamente entre primeiros terminais de fornecimento (40) do mencionado primeiro estágio de armazenamento (4) e terminais de saída (50) do mencionado estágio de comutação e um circuito de condução (52) para conduzir o mencionado dispositivo de comutação, em que o mencionado circuito de condução é adaptado para receber sinais de controle (C) de uma unidade de controle (10) e habilitar/desabilitar uma operação de comutação do mencionado dispositivo de comutação em resposta aos mencionados sinais de controle, e sendo que o mencionado dispositivo de comutação comuta naturalmente em um estado de condução, se os mencionados sinais de controles não estiverem mais disponíveis.

2. Unidade de fonte de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por compreender um segundo estágio de conversão step down (8), que é conectado eletricamente ao mencionado segundo estágio de armazenamento (7), em que o mencionado segundo estágio de conversão step down é adaptado para receber a mencionada segunda tensão de fornecimento (VS2) e fornecer uma quarta tensão (V4) com amplitude menor que a mencionada segunda tensão de fornecimento.

3. Unidade de fonte de energia, de acordo com a reivindicação 2, caracterizada por compreender um estágio de regulagem (9), que é conectado eletricamente ao mencionado segundo estágio de conversão step down, em que o mencionado estágio de regulagem é adaptado para receber na entrada a mencionada quarta tensão (V4) e fornecer uma quinta tensão (V5) com amplitude menor que a mencionada quarta tensão.

4. Unidade de fonte de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por compreender um primeiro circuito de detecção (11), que é conectado eletricamente ao mencionado primeiro estágio de armazenamento (4), em que o mencionado primeiro circuito de detecção é adaptado para fornecer os primeiros sinais de detecção (S1) indicativos da mencionada primeira tensão de fornecimento (VS1).

5. Unidade de fonte de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por compreender um segundo circuito de detecção (12), que é conectado eletricamente ao mencionado segundo estágio de armazenamento (7), em que o mencionado segundo circuito de detecção é adaptado para fornecer os segundos sinais de detecção (S2) indicativos da mencionada segunda tensão de fornecimento (VS2).

6. Unidade de fonte de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 4 a 5, caracterizada por os mencionados primeiro e segundo circuitos de detecção (11, 12) fornecerem os mencionados primeiro e segundo sinais de detecção (S1, S2) para uma unidade de controle (10).

7. Unidade de fonte de energia, de acordo com a reivindicação 6, caracterizada por o mencionado estágio de comutação (5) receber sinais de controle (C) que são fornecidos pela mencionada unidade de controle (10) em resposta aos mencionados segundos sinais de detecção (S2).

8. Unidade de fonte de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por o mencionado estágio de transformador de energia (2) compreender um transformador de corrente (21) acoplado operativamente ao mencionado condutor de alimentação (500).

9. Unidade de fonte de energia, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada por o mencionado estágio de transformador de energia (2) compreender um circuito de limitação de tensão (22) conectado eletricamente ao mencionado transformador de corrente, em que o mencionado circuito de limitação de tensão fornece proteção contra pulsos de tensão.

10. Unidade de fonte de energia, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada por o mencionado estágio de transformador de energia (2) compreender um circuito step up (23), que é conectado eletricamente ao mencionado circuito de limitação de tensão (22), em que o mencionado circuito step up é adaptado para receber uma tensão intermediária (VT) do mencionado circuito de limitação de tensão e fornecer a mencionada primeira tensão (V1) com amplitude maior que a mencionada tensão intermediária.

11. Unidade de fonte de energia, de acordo com a reivindicação 10, caracterizada por o mencionado circuito step up (23) compreender um circuito dobrador de tensão (231) para step up e retificar a tensão intermediária (VT) fornecida pelo mencionado circuito limitador de tensão (22).

12. Unidade de fonte de energia, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada por o mencionado estágio de transformador de energia (2) compreender um circuito de retificação (24) para retificar uma tensão intermediária (VT) fornecida pelo mencionado circuito de limitação de tensão (22).

13. Unidade de fonte de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada por o mencionado estágio de comutação (5) compreender pelo menos um dispositivo de comutação (51) para conectar/desconectar eletricamente o mencionado primeiro estágio de conversão step down (6) ao/do mencionado primeiro estágio de armazenamento (4) e um circuito de condução (52) adaptado para ativar/desativar a operação de comutação do mencionado dispositivo de comutação em resposta a sinais de controle (C) recebidos na entrada.

14. IED (100) para aplicações de energia elétrica LV ou MV, caracterizado por compreender uma unidade de fonte de energia (1) conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores.