BR112020019716A2

BR112020019716A2 - dispositivo e método para a compensação da potência reativa em uma rede de alta tensão

Info

Publication number: BR112020019716A2
Application number: BR112020019716-5A
Authority: BR
Inventors: Anatoliy Bunin; Matthias Küstermann; Martin Schwendner; Thomas Manthe
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2018-04-09
Publication date: 2021-02-09
Also published as: CN112005459A; CA3094832C; BR112020019716A8; EP3753083A1; US20210119451A1; WO2019197014A1; CA3094832A1; US11495968B2

Abstract

A presente invenção refere-se a dispositivo (1) e método para a compensação da potência reativa em uma rede de alta tensão (17) compreendendo pelo menos um condutor fase (16, 18, 19). Uma conexão de alta tensão (8) é provida para cada fase da rede de alta tensão. Cada conexão de alta tensão (8) é conectada a um primeiro enrolamento de alta tensão (5) que envolve uma primeira porção de núcleo (3) e a um segundo enrolamento de alta tensão (6) que envolve a segunda porção de núcleo (4). As porções de núcleo (3, 4) fazem parte de um circuito magnético fechado. As extremidades de baixa tensão de cada enrolamento de alta tensão podem ser conectadas a pelo menos um ramo de comutação de saturação (10, 11) que é projetado para saturar as porções de núcleo (3, 4) e tem chaves semicondutoras de potência atuáveis (20, 21, 22, 23). Uma unidade de controle (26) é também provida para a atuação das chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23). A fim de fabricar o dispositivo de uma maneira tão econômica quanto possível, cada ramo de comutação de saturação (10, 11) tem pelo menos um submódulo bipolar (12) dotado com um circuito de ponte que tem chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23) e uma fonte de tensão de CC (24) de modo que, dependendo da atuação das chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23), a fonte de tensão de CC (24) possa ser conectada em série a pelo menos um enrolamento de alta tensão (5, 6) ou ser desviada.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO E MÉTODO PARA A COMPENSAÇÃO DA POTÊNCIA REATIVA EM UMA REDE DE ALTA TENSÃO".

[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1.

[002] Tal dispositivo já é conhecido a partir da Patente EP 3 168 708 A1. Esse documento apresenta um então chamado "Reator de Derivação Variável Completa" (FVSR), que representa um maior desenvolvimento de um "Reator de Derivação Magneticamente Controlado" (MCSR). O dispositivo existente tal como conhecido tem dois enrolamentos de alta tensão conectados paralelos, cada um dos quais encerrando um braço de núcleo de um núcleo de ferro fechado, e é conectado, em sua extremidade de alta tensão, a um condutor fase de uma rede de alta tensão. Os lados de baixa tensão dos enrolamentos de alta tensão podem ser conectados, por meio de uma chave transistor, ou a um conversor de potência tiristorizado apropriadamente polarizado ou diretamente a uma conexão à terra. O conversor de potência tiristorizado é projetado para gerar uma corrente CC (contínua) no enrolamento de alta tensão conectado ao mesmo. A corrente CC é ajustada de tal modo que o braço de núcleo envolvido pelo enrolamento seja direcionado em um desejado estado de saturação. Nesse estado de saturação, por exemplo, o material de núcleo tem uma permeabilidade magnética muito pequena, o que aumenta a resistência magnética do enrolamento e diminui a sua indutância. A saturação das ditas seções de núcleo é dependente da polarização, de modo que uma corrente alternada que flui através dos enrolamentos flua essencialmente através de apenas um dos dois enrolamentos de alta tensão, dependendo da sua polarização. Por exemplo, uma corrente alternada positiva flui através do primeiro enrolamento de alta tensão, enquanto que uma corrente alternada negativa flui para a terra através do segundo enrolamento de alta tensão. Quando a corrente é direcionada apenas através de um enrolamento de alta tensão, o outro enrolamento, que, nesse caso, não tem uma corrente alternada passando através do mesmo, poderá ser energizado com uma corrente CC a fim de saturar o braço de núcleo que o mesmo envolve até uma desejada extensão.

[003] Bobinas de reator magneticamente controladas são também conhecidas a partir das Patentes DE 20 2013 004 706 U1 e DE 10 2012 110 969.

[004] A desvantagem do dispositivo acima mencionado é que o mesmo é complexo em termos de desenho, e, portanto, caro. Por exemplo, elementos de circuito RC (resistor-capacitor/condensador) são necessários no sentido de prevenir sobretensão no lado de baixa tensão do enrolamento de alta tensão. Além disso, em adição aos conversores de potência tiristorizados, são requeridas chaves transistores.

[005] O objetivo da presente invenção é, por conseguinte, prover um dispositivo do tipo acima mencionado que seja simples em termos de seu desenho e, portanto, barato.

[006] A presente invenção atinge esse objeto pelo fato de que cada ramo de comutação de saturação tem pelo menos um submódulo bipolar com um circuito de ponte, que tem chaves semicondutoras de potência e uma fonte de tensão de CC, de modo que, dependendo da atuação das chaves semicondutoras de potência, a fonte de tensão de CC poderá ser conectada em série a pelo menos um enrolamento de alta tensão ou ser desviada.

[007] De acordo com a presente invenção, o ramo de comutação de saturação, o qual pode ser conectado ou a um ou a ambos os enrolamentos de alta tensão, compreende um circuito de ponte. O circuito de ponte permite uma conexão flexível de uma fonte de tensão de CC, o que garantirá a desejada saturação da seção de núcleo. Para esse fim, o circuito de ponte é configurado de tal modo que a fonte de tensão de CC possa ser conectada em série ao respectivo enrolamento de alta tensão, sendo assim garantindo que a fonte de tensão de CC tenha a desejada polaridade. Por exemplo, durante uma meia onda negativa da tensão alternada, a fonte de tensão de CC é conectada em série ao primeiro enrolamento de alta tensão, de tal maneira que a fonte direcione uma corrente CC através do primeiro enrolamento de alta tensão, que flui da fonte de tensão de CC para o enrolamento de alta tensão. Em uma segunda posição de comutação do circuito de ponte, por outro lado, a fonte de tensão de CC é desviada de maneira que uma corrente alternada possa fluir do primeiro enrolamento de alta tensão para um ponto potencial que é aterrado, por exemplo.

[008] Com relação a esse aspecto, deve-se ainda notar que, a qualquer dado momento, torna-se prático conectar apenas um ramo de comutação de saturação a um enrolamento de alta tensão. Todos os enrolamentos de alta tensão são conectados uns aos outros em seus lados de baixa tensão somente em uma posição desviada do um ramo ou do outro dentre os ramos de comutação.

[009] Dentro do escopo da invenção, ou a mesma fonte de tensão de CC ou uma fonte de tensão de CC diferente poderá ser conectada ao segundo enrolamento de alta tensão. As fontes de tensão de CC são convenientemente desenhadas de maneira idêntica, mas poderão também ser diferentes uma da outra, dentro do âmbito de aplicação da presente invenção. De acordo com o âmbito de aplicação da presente invenção, a fonte de tensão de CC é conectada ao segundo enrolamento de alta tensão com uma polaridade inversa de maneira que, no caso de um circuito série, a corrente CC de saturação flua do segundo enrolamento de alta tensão para a terra. Isso, nesse caso, garantirá uma saturação correspondentemente polarizada da segunda seção de núcleo.

[0010] O circuito de ponte, de acordo com o âmbito de aplicação da presente invenção, é um circuito que consiste das chaves semicondutoras de potência e da fonte de tensão de CC, o que permitirá uma redução de tensão através da fonte de tensão de CC ou uma tensão zero, em cujo caso a fonte de tensão de CC é desviada, para ser gerada nos dois terminais do circuito de ponte, ou, em outras palavras, no submódulo. Por exemplo, o circuito de ponte é desenhado como um circuito de meia ponte, ou, em outras palavras, como uma meia ponte. Nesse desenvolvimento vantajoso da presente invenção, um ramo de comutação de saturação separado é requerido para o primeiro enrolamento de alta tensão e para o segundo enrolamento de alta tensão, sendo que a fonte de tensão de CC atribuída ao primeiro enrolamento de alta tensão tem uma polaridade oposta à da fonte de tensão de CC conectada ao segundo enrolamento de alta tensão. Quando cada ramo de comutação compreende uma pluralidade de submódulos e, deste modo, uma pluralidade de fontes de tensão de CC, esses submódulos terão a mesma polaridade com relação ao enrolamento de alta tensão respectivamente atribuído. Um circuito de meia ponte tem um único ramo de circuito em série que consiste em duas chaves semicondutoras de potência, as quais são conectadas em paralelo à fonte de tensão de CC. Um terminal do submódulo é conectado ao ponto potencial entre as chaves semicondutoras de potência do ramo de circuito em série, e o outro terminal é conectado a um polo da fonte de tensão de CC.

[0011] No entanto, o circuito de ponte é de preferência desenhado como um então conhecido circuito de ponte completa ou circuito de ponte H, de modo que a atuação das chaves semicondutoras de potência não apenas permita uma redução de tensão da fonte através da fonte de CC, mas também através da tensão de fonte inversa, a serem aplicadas aos terminais. Tanto o circuito de meia ponte como também o circuito de ponte completa permitem que a sua fonte de tensão de CC seja desviada.

[0012] Em particular, por meio do circuito de ponte, um desenvolvimento vantajoso em termos de custo do dispositivo acima mencionado é criado dentro do âmbito de aplicação da presente invenção. Os elementos de circuito RC para uma limitação de tensão se tornam supérfluos como resultado da presente invenção. Além disso, não mais existe a necessidade de conversores de potência de retificador SCR em adição a uma chave transistor. Como parte da presente invenção, cada ramo de comutação de saturação compreende pelo menos um submódulo bipolar com um circuito de ponte. Cada ramo de comutação pode ser conectado, em sua extremidade voltada para fora do respectivo enrolamento de alta tensão, a um ponto potencial comum a ambos os enrolamentos de alta tensão.

[0013] De acordo com um desenvolvimento vantajoso, cada ramo de comutação de saturação pode ser conectado a uma conexão à terra, em seu lado voltado para fora do atribuído enrolamento de alta tensão. Em outras palavras, o ponto potencial no lado de baixa tensão ao qual ambos os enrolamentos de alta tensão podem ser conectados é uma conexão à terra.

[0014] Com vantagem, cada submódulo forma um circuito de ponte completa compreendendo um primeiro ramo de circuito em série e um segundo ramo de circuito em série, cada um dos quais sendo conectado em paralelo à fonte de tensão de CC, sendo que cada ramo de circuito em série compreende um circuito série que consiste em duas chaves semicondutoras de potência, o ponto potencial entre as chaves semicondutoras de potência do primeiro ramo de circuito em série sendo conectado a um primeiro terminal do submódulo, e o ponto potencial entre as chaves semicondutoras de potência do segundo ramo de circuito em série sendo conectado ao segundo terminal do submódulo.

Tal como já mencionado acima, com tal circuito de ponte completa, torna-se possível gerar a tensão de fonte reduzida através da fonte de CC, uma tensão zero, ou a tensão de fonte inversa nos dois terminais. Com uma ponte completa, portanto, um único ramo de comutação de saturação se torna essencialmente suficiente para o direcionamento das correntes CC de saturação com a desejada polarização através de cada enrolamento de alta tensão.

[0015] Como parte desse desenvolvimento, no entanto, é ainda possível que cada enrolamento de alta tensão seja atribuído ao seu próprio ramo de comutação de saturação separado, sendo que ambos os ramos de comutação de saturação têm submódulos com um circuito de ponte completa.

[0016] Dentro do escopo da invenção, todos os submódulos são de preferência desenhados de forma idêntica.

[0017] Com vantagem, cada chave semicondutora de potência é um então conhecido transistor IGBT (transistor bipolar de porta isolada) com um diodo de roda livre polarizado reversamente, um então conhecido tiristor GTO (tiristor comutável pela porta), uma chave transistor ou coisa do gênero, conectado em paralelo. No contexto da presente invenção, as chaves semicondutoras de potência são semicondutores de energia controláveis. Os semicondutores de potência controláveis são, por exemplo, tiristores, transistores IGBT, tiristores GTO, chaves transistores ou coisa do gênero. Embora os diodos de roda livre não possam ser controlados como tais, os mesmos devem também ser abrangidos pelo termo "chave semicondutora de potência" quando os mesmos são polarizados reversamente e conectados em paralelo a um semicondutor de energia controlável, por exemplo, a um transistor IGBT. Nesse caso, torna-se evidente que a sua única função será a de proteger o semicondutor de energia controlável, o qual é também abrangido pelo termo, contra uma sobretensão. De acordo com o âmbito de aplicação da presente invenção, ambas as chaves semicondutoras de potência comutáveis do tipo liga e desliga são preferidas. As chaves semicondutoras de potência, tais como o tiristores, não recaem nessa categoria uma vez que as mesmas só podem ser disparadas, mas não transferidas de volta para o seu modo de bloqueio, por meio de um sinal de controle. No entanto, tais chaves semicondutoras de potência são bem conhecidas à pessoa versada na técnica, de maneira que, com relação a esse aspecto, uma implementação mais detalhada poderá ser dispensada.

[0018] Em termos ideais, cada ramo de comutação de saturação tem um circuito série que consiste em pelo menos dois submódulos. Os dois submódulos bipolares permitem uma escalabilidade simples do ramo de comutação de saturação. Cada chave semicondutora de potência é limitada a uma máxima tensão comutável específica. Por exemplo, esta tensão poderá ser de 2 a 5 kV. Quando tensões mais altas são requeridas para a saturação das seções de núcleo, essa exigência será facilmente atendida pela conexão em série dos submódulos.

[0019] Em termos ideais, cada fonte de tensão de CC compreende uma unidade de armazenamento de energia. Os dispositivos de armazenamento de energia elétrica, de preferência unipolares, são os dispositivos adequados para as unidades de armazenamento de energia. Por exemplo, capacitores, supercapacitores, bobinas supercondutoras, acumuladores de bateria, ultracapacitores ou coisa do gênero são possíveis candidatos a unidades de armazenamento de energia. As unidades de armazenamento de energia listadas ou outros dispositivos de armazenamento de energia elétrica podem estar presentes em um submódulo, tanto individualmente ou ainda conectados em série, em cujo caso o termo "unidade de armazenamento de energia" será usado para se referir a esse circuito série como um todo.

[0020] A unidade de armazenamento de energia é convenientemente conectada a uma unidade de carga a fim de carregar a unidade de armazenamento de energia. O desenho da unidade de carga é arbitrário dentro do contexto da presente invenção. No entanto, é essencial que a mesma provenha a energia elétrica requerida para a unidade de armazenamento de energia durante a sua operação.

[0021] De acordo com um outro desenvolvimento, com relação a esse aspecto, a unidade de carga tem um retificador conectado a uma fonte de tensão de corrente alternada CA. Nesse caso, a unidade de armazenamento de energia é convenientemente desenhada como um capacitor. Por exemplo, a fonte de tensão de CA é uma fonte de tensão de CA independente da rede de alta tensão. Por exemplo, a fonte de tensão de CA é uma saída de alta corrente padrão na faixa de baixa tensão. Em contrapartida, o nível de tensão da fonte de tensão de CA fica na faixa de média tensão, ou seja, em uma faixa entre 1 kV e 52 kV. De acordo com o âmbito de aplicação da presente invenção, é igualmente possível extrair a energia requerida para o carregamento da CA ou para a rede de alta tensão para a qual o dispositivo de acordo com a presente invenção pretende prover uma compensação da potência reativa.

[0022] Com vantagem, um ramo de comutação de saturação é provido para cada enrolamento de alta tensão. Tal como já mencionado acima, esse ramo de comutação de saturação dentro do contexto da presente invenção tem pelo menos um submódulo bipolar, o qual é convenientemente equipado com um circuito de ponte completa ou de meia ponte.

[0023] De acordo com um desenvolvimento da presente invenção, enrolamentos de compensação, tais como são conhecidos, são providos e usados para a filtragem da tensão de CA, de modo que nenhuma distorção de rede maior possa ocorrer na rede de alta tensão conectada. Esses enrolamentos de compensação podem ser indutivamente acoplados à unidade de armazenamento de energia, de acordo com um desenvolvimento vantajoso. Evidentemente, um acoplamento indutivo para a fonte de alimentação de uma unidade de armazenamento de energia será igualmente possível sem enrolamentos de compensação.

[0024] Com vantagem, cada seção de núcleo, cada enrolamento de alta tensão e cada ramo de comutação de saturação são dispostos em um vaso enchido com um fluido isolante. Em termos ideais, o vaso fica localizado em um potencial de terra. Por outro lado, as seções de núcleo e os enrolamentos podem ser dispostos em um primeiro vaso e cada ramo de comutação pode ser disposto em um segundo vaso separado, cada vaso sendo enchido com um fluido isolante. Diferentes fluidos isolantes, ou seja, um fluido isolante e/ou um gás isolante, poderão ser usados nos vasos. Com vantagem, o primeiro e o segundo vasos, os quais ficam ambos localizados em um potencial de terra, são eletricamente conectados um ao outro por meio de passagens de alimentação de alta tensão.

[0025] A presente invenção refere-se ainda a um método para a compensação da potência reativa em uma rede de alta tensão compreendendo pelo menos um condutor fase que carrega uma tensão de CA de rede, cada condutor fase sendo conectado através de uma conexão de alta tensão a um primeiro enrolamento de alta tensão e a um segundo enrolamento de alta tensão conectado em paralelo ao mesmo, os quais envolvem, cada um dos mesmos, uma primeira e uma segunda seções de núcleo respectivamente, sendo que cada enrolamento de alta tensão pode ser conectado, via pelo menos um ramo de comutação de saturação, a uma conexão à terra que compreende pelo menos um submódulo dotado de um circuito de ponte que consiste em uma fonte de tensão de CC e de chaves semicondutoras de potência, as quais, no caso de uma tensão positiva de CA de rede, as chaves semicondutoras de potência são atuadas, por exemplo, de tal maneira que uma corrente contínua negativa flua através do segundo enrolamento de alta tensão, e, no caso de uma tensão negativa de CA de rede, os semicondutores de potência são atuados de tal maneira que uma corrente contínua positiva flua através do primeiro enrolamento de alta tensão, as correntes CC sendo ajustadas de tal maneira que uma desejada saturação das seções de núcleo envolvidas pelos enrolamentos de alta tensão seja gerada.

[0026] De acordo com a presente invenção, um circuito de ponte que faz parte de um submódulo bipolar poderá ser usado para saturar a seção de núcleo, cujo enrolamento não é energizado por nenhuma corrente alternada, ou por uma corrente que não exceda um valor limite específico, no respectivo meio período prevalecente da tensão alternada. A atuação do circuito de ponte permite a desejada saturação de núcleo de uma maneira particularmente simples. A atuação coordenada de chaves transistores e de válvulas de tiristores, o que poderá essencialmente conduzir ao mesmo resultado, é comparativamente complicada, de modo que um método simples e de baixo custo é também provido de acordo com a presente invenção.

[0027] Outras modalidades e vantagens práticas da presente invenção são o assunto da descrição a seguir no que diz respeito a modalidades exemplares da presente invenção por meio da referência às figuras de desenho, sendo que sinais de referência idênticos se referem a componentes com equivalentes funções, e nas quais:

[0028] a Figura 1 mostra uma modalidade exemplar do dispositivo de acordo com a presente invenção em uma representação esquemática;

[0029] a Figura 2 mostra o ramo de comutação de saturação do dispositivo de acordo com a Figura 1,

[0030] a Figura 3 mostra uma outra modalidade exemplar do dispositivo de acordo com a presente invenção,

[0031] a Figura 4 mostra uma possível unidade de carga para o dispositivo de acordo com a presente invenção,

[0032] a Figura 5 mostra um submódulo para um ramo de comutação de saturação em uma representação esquemática,

[0033] a Figura 6 mostra uma outra modalidade exemplar do dispositivo de acordo com a presente invenção com uma unidade de carga para duas unidades de comutação de saturação, e

[0034] a Figura 7 mostra uma outra modalidade exemplar do dispositivo de controle.

[0035] A Figura 1 mostra uma modalidade exemplar do dispositivo 1 de acordo com a presente invenção, que tem um vaso 2 enchido com um fluido isolante. Óleos minerais, como também fluidos de éster ou coisa do gênero, podem ser considerados como fluidos isolantes. Por um lado, o fluido isolante provê a necessária resistência à tensão aos componentes do dispositivo 1 que se encontram em um potencial de alta tensão em comparação com o vaso 2 que se encontra em um potencial de terra. Além disso, o fluido isolante é usado para resfriar os componentes que geram calor durante operação.

[0036] Dentro do vaso 2 é disposto um núcleo, que é composto de um material magnetizável, nesse caso, chapas de ferro assentadas planas umas contra as outras, e forma um primeiro um primeiro braço de núcleo 3 e um segundo braço de núcleo 4 como as seções de núcleo. O primeiro braço de núcleo 3 é envolvido por um primeiro enrolamento de alta tensão 5. O segundo braço de núcleo 4 é envolvido por um segundo enrolamento de alta tensão 6. Um circuito ferromagnético ou magnético fechado é formado por bobinas defletoras (yokes), não mostradas no desenho, que se estendem da extremidade superior do primeiro braço de núcleo 3 para a extremidade superior do segundo braço de núcleo 4, e da extremidade inferior do braço de núcleo 3 para a extremidade inferior do braço de núcleo 4. Além disso, dois braços de retorno, também não ilustrados, são providos, os quais não são encerrados por nenhum tipo de enrolamento e se estendem paralelos aos braços de núcleo 3 e 4, respectivamente à direita e à esquerda. Em outras palavras, um então conhecido núcleo 2/2 é provido.

[0037] O primeiro enrolamento de alta tensão 5 e o segundo enrolamento de alta tensão 6 têm, cada um dos mesmos, uma extremidade de alta tensão 7, com a qual esses enrolamentos são conectados a uma conexão de alta tensão 8. Quando o dispositivo 1 é disposto em um vaso enchido com um fluido isolante, a conexão de alta tensão 8 é projetada como uma passagem de alimentação, por exemplo. A passagem de alimentação penetra a parede de vaso e é equipada com uma conexão ao ar livre em sua extremidade livre localizada no lado de fora do vaso. A conexão ao ar livre, que não é mostrada nessa figura em questão, é usada para conectar um condutor isolado a ar. Em sua extremidade de baixa tensão 9, o primeiro enrolamento de alta tensão 5 e o segundo enrolamento de alta tensão 6 são, cada um dos mesmos, conectados a um ramo de comutação de saturação 10 ou 11, cada ramo de comutação de saturação 10, 11 sendo dotado de um submódulo bipolar 12 o qual é conectado ao respectivo enrolamento de alta tensão 5 ou 6 com um primeiro terminal 13 e a um ponto potencial comum 15 com um segundo terminal 14. O ponto potencial 15 na modalidade exemplar mostrada é aterrado. Em outras palavras, os enrolamentos de alta tensão 5 e 6 são conectados, ou pelo menos podem ser conectados, em paralelo.

[0038] A conexão de alta tensão 8 é usada para conectar os enrolamentos de alta tensão 5 e 6 a um condutor fase 16 de uma rede de alta tensão 17, sendo que a rede de alta tensão 17 tem dois condutores fase adicionais 18 e 19, cada qual, por sua vez, conectado através de uma conexão de alta tensão 8 a dois enrolamentos de alta tensão e a dois ramos de comutação de saturação. Em outras palavras, o dispositivo 1 tem um desenho idêntico para cada fase 16, 18, 19 da rede de alta tensão 17, sendo que, por motivos de clareza, apenas a estrutura para um condutor fase 16 é mostrado na figura.

[0039] É essencial, dentro do contexto da presente invenção, que cada ramo de comutação de saturação 10 ou 11 tenha um submódulo bipolar 12, o qual é equipado com um circuito de ponte que consiste das chaves semicondutoras de potência 20, 21, 22 e 23, e uma fonte de tensão de CC 24, a qual é de preferência unipolar e, por conseguinte, tem um terminal positivo fixo e um terminal negativo fixo.

[0040] O circuito de ponte pode ser uma meia ponte ou uma ponte completa, de acordo com o âmbito de aplicação da presente invenção. Na Figura 1, cada submódulo é equipado com uma ponte completa com quatro chaves semicondutoras de potência 20, 21, 22, 23. Uma meia ponte compreende apenas duas chaves semicondutoras de potência. Para uma conveniente atuação das quatro chaves semicondutoras de potência 20, 21, 22 e 23, é provida uma unidade de controle 26, a qual poderá ser suprida no lado de entrada com valores nominais para a tensão UACsoll, para a corrente alternada IACsoll e para a potência reativa QACsoll. Um sensor de corrente 27 é usado para detectar a classificação de arco interno IAC da CA que flui do condutor fase 16 para os enrolamentos de alta tensão 5 e 6, sendo que um sensor de tensão 28 detecta uma redução de tensão através do lado de alta tensão dos enrolamentos de alta tensão 5 e 6. O sensor de corrente 27 e o sensor de tensão 28 são conectados à unidade de controle 26 via cabos de sinal não mostrados no desenho. Os sensores 29 e 30 podem ainda ser vistos no lado de baixa tensão 9 dos enrolamentos de alta tensão 5 ou 6, cujos sensores são também conectados à unidade de controle 26 via cabos de sinal e detectam correntes que fluem entre o respectivo submódulo 12 e o respectivo enrolamento de alta tensão 5 ou 6.

[0041] As chaves semicondutoras de potência 20, 21, 22 e 23 de um submódulo 12 podem ser transferidas pela unidade de controle 26 por meio de apropriados sinais de controle, representados por linhas pontilhadas, a partir de uma posição desconectada na qual um fluxo de corrente através das chaves semicondutoras de potência é interrompido, para uma posição de condução na qual um fluxo de corrente através das chaves semicondutoras de potência é habilitado, ou vice versa, da posição de condução para a posição desconectada.

[0042] O princípio da operação do dispositivo 1 é como se segue: quando a tensão detectada pelo sensor de tensão 28 é positiva, as chaves semicondutoras de potência 22 e 23 do circuito de saturação 10 são fechadas. Presume-se, nesse caso, que o braço de núcleo 3 já foi previamente saturado por uma corrente contínua que flui a partir do submódulo 12 do primeiro ramo de comutação de saturação para o enrolamento de alta tensão 5, de maneira que, para a meia ponte positiva da tensão alternada, a resistência de CA do enrolamento de alta tensão 5 é menor que a resistência de CA do enrolamento de alta tensão

6. Deste modo, quase toda a classificação de arco interno IAC da CA flui para a terra via a passagem de corrente rotulada como I1. Na meia ponte positiva da tensão alternada, as chaves semicondutoras de potência 21 e 22 são, portanto, fechadas, de modo que a fonte de tensão de CC 24 do circuito de saturação 11 direcione uma corrente contínua que flui do enrolamento de alta tensão 6 para a terra 15. Durante a meia ponte positiva da tensão alternada no condutor fase 16, o segundo braço de núcleo 4 poderá, portanto, ser saturado da maneira desejada.

[0043] Durante a meia onda negativa, por outro lado, na qual a tensão medida pelo sensor 28 é negativa, a classificação IAC de corrente alternada essencialmente flui através do segundo enrolamento de alta tensão 6, de maneira que ao fechar as chaves semicondutoras de potência 20 e 23 e ao abrir as chaves semicondutoras de potência 21 e 22 do submódulo 12 do primeiro ramo de comutação de saturação 10, uma corrente CC de saturação é gerada, cuja corrente flui do submódulo 12 para o primeiro enrolamento de alta tensão 5 ou vice versa, e provê a desejada saturação do braço de núcleo 3.

[0044] A Figura 2 mostra de maneira mais precisa a estrutura dos submódulos 12 do primeiro e segundo circuitos de saturação 10, 11. Pode-se notar que os submódulos para ambos os ramos de comutação de saturação 10 e 11 são desenhados de forma idêntica. Pode-se também notar que as chaves semicondutoras de potência 20, 21, 22, 23 compreendem um então conhecido transistor IGBT 31, ao qual um diodo de roda livre polarizado reversamente 32 é conectado em paralelo. A estrutura de um transistor IGBT com um diodo de roda livre é de modo geral conhecida, de maneira que, com relação a esse aspecto, não será necessário discutir o princípio de operação da estrutura em mais detalhe. O aspecto essencial é que o diodo de roda livre 22 é usado para proteger o transistor IGBT contra sobretensões na direção inversa. O transistor IGBT 31 e o diodo 32 são geralmente alojados em uma caixa de interruptor comum. O transistor IGBT 31 e o diodo de roda livre 32 são referidos no presente documento coletivamente como semicondutores de energia.

[0045] Cada módulo 12 é projetado como uma assim chamada ponte completa e compreende um primeiro ramo de circuito em série 33 e um segundo ramo de circuito em série 34, cada qual consistindo de duas chaves semicondutoras de potência 20, 21 e 22 e 23 conectadas em série. O ponto potencial entre as chaves semicondutoras de potência 20, 21 do primeiro ramo de circuito em série 33 é conectado ao primeiro terminal 13 e o ponto potencial entre as chaves semicondutoras de potência 22 e 23 do segundo ramo de circuito em série 34 é conectado ao terminal 14 do submódulo 12.

[0046] A Figura 3 mostra uma outra modalidade exemplar do dispositivo 1 de acordo com a presente invenção, sendo que por motivos de clareza apenas os componentes para conexão com a fase da rede de alta tensão 17 são mostrados. Além disso, as conexões de alta tensão 8 e o vaso 2 não mais são ilustradas na figura.

[0047] Pode-se observar que cada ramo de comutação de saturação 10 ou 11 consiste em um circuito série de uma pluralidade de submódulos 12, cuja totalidade de submódulos é controlada pela unidade de controle 26 ou de forma idêntica ou diferentemente, de modo que a tensão de CC para a geração da corrente CC usada para saturar os braços de núcleo 3, 4 se torne escalável de acordo com as respectivas necessidades.

[0048] A Figura 4 mostra um submódulo 12 de acordo com a Figura 2, sendo que a unidade de armazenamento de energia 24 é desenhada como um capacitor unipolar. Além disso, uma unidade de carga 35 é ilustrada, a qual é composta de uma fonte de CA 36 e um retificador 37. O retificador 37 consiste em dois ramos de módulo bifásico 38 e 39, cada um dos mesmos sendo dotado de uma conexão de tensão de CC 40 ou 41 e uma conexão de tensão de CA 42 e 43. Um ramo de comutação que é equipado com pelo menos um semicondutor de energia é disposto entre a conexão de tensão de CA 42, 43 e cada conexão de tensão de CC 40 ou 41. A conexão de tensão de CC 40 é conectada a um primeiro polo do capacitor 24, sendo que a conexão de tensão de CC 41 é conectada ao segundo polo do capacitor 24. No entanto, tal retificador já é conhecido, de modo que uma apresentação mais precisa de sua topologia e modo de operação poderá ser omitida com relação a esses aspectos.

[0049] A fonte de tensão de CA 36 é implementada como um transformador, cujo transformador tem um enrolamento primário 44 e um enrolamento secundário 45, os quais são indutivamente acoplados um ao outro através de um núcleo 46. Um reator de suavização 47 é usado no sentido de suavizar a tensão de CA resultante. A unidade de carga 35 é também equipada com um interruptor 48 conectado em paralelo a um resistor de comutação 49. Por meio do interruptor 48, o resistor 49 pode ser conectado ao circuito ou ser desviado de tal modo que uma requerida carga do capacitor 24 do submódulo 12 possa ocorrer. Um capacitor protetor de surto (snubber) 50 é usado no sentido de prevenir sobretensões no enrolamento secundário 45.

[0050] A Figura 5 mostra uma outra modalidade exemplar de um submódulo 12, que tem um circuito série de uma pluralidade de baterias 51 ao invés de um único capacitor como uma fonte de tensão de CC 24. Baterias recarregáveis poderão ser usadas no lugar das baterias 51 em uma modalidade variante da presente invenção.

[0051] A Figura 6 mostra uma outra modalidade exemplar do dispositivo de acordo com a presente invenção, cujo dispositivo tem uma unidade de carga 35 que difere do dispositivo ilustrado na Figura

4. A unidade de carga mostrada é tão somente concebida para o carregamento inicial dos ramos de comutação até que um estado operacional seja estabelecido. O ramo de carga 35 pode, em seguida, ser removido, e cada ramo de comutação poderá ser suprido com uma corrente de carga de um controle inteligente. A fonte de tensão de CC 24 dos submódulos 12 é mais uma vez desenhada como um capacitor. No entanto, com relação a esse aspecto, cada ramo de comutação de saturação 10 ou 11 poderá ser conectado à unidade de carga 35 através de um interruptor de carga 52 ou 53 de maneira que somente uma unidade de carga seja provida para ambos os ramos de comutação de saturação 10, 11. No caso esquematicamente mostrado na Figura 6, a unidade de carga 35 é mais uma vez equipada com uma fonte de tensão de CC 54, a qual é conectada aos respectivos interruptores de carga 52 e 53 através de adequados resistores protetores de surto 55. Por exemplo, a fonte de tensão de CC 54 compreende um retificador conectado a uma fonte de CA. Em contrapartida, a fonte de tensão de CC 54 é implementada como uma bateria, um supercapacitor, um acumulador ou similar.

[0052] A Figura 7 mostra uma outra modalidade exemplar do dispositivo 1 de acordo com a presente invenção, que difere do dispositivo 1 mostrado nas figuras acima mencionadas no sentido de que apenas um circuito de saturação 10 é provido, o qual é conectado tanto à extremidade de baixa tensão 9 do primeiro enrolamento de alta tensão 5 como também à extremidade de baixa tensão 9 do segundo enrolamento de alta tensão 6. Para esse efeito, o primeiro terminal 13 do submódulo 12 é conectado ao segundo enrolamento de alta tensão 6, enquanto que o segundo terminal 14 do submódulo 12 é conectado ao lado de baixa tensão 9 do primeiro enrolamento de alta tensão 5. Tanto o primeiro terminal 13 como o segundo terminal 14 podem ser conectados ao potencial de terra 15 por meio das chaves de aterramento 55 ou 56, sendo que esses interruptores 55 e 56 são concebidos como chaves semicondutoras de potência e podem ser controlados pela unidade de controle 26. Os cabos de sinal requeridos para esse fim são conectados aos interruptores de carga 55, 56 e à unidade de controle 26, e são mostrados na Figura 7 por meio de linhas pontilhadas. A fim de comutar o submódulo 12 entre o primeiro enrolamento de alta tensão 5 e a terra 15 com uma desejada polarização, a chave de aterramento 55 é aberta e a chave de aterramento 56 é fechada. Em função do fechamento das chaves semicondutoras de potência 21 e 22, a fonte de tensão de CC 24 é conectada em série ao primeiro enrolamento de alta tensão 5 e direciona uma corrente CC de saturação a partir do submódulo 12 em direção ao segundo enrolamento de alta tensão 5. Em função da abertura da chave de aterramento 56 e do fechamento da chave de aterramento 55 e do fechamento das chaves semicondutoras de potência 22 e 21 com as chaves semicondutoras de potência 20 e 23 abertas, a fonte de tensão de CC 24 poderá ser conectada em série ao segundo enrolamento de alta tensão 6 com a desejada polarização.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Dispositivo (1) para a compensação da potência reativa em uma rede de alta tensão (17) compreendendo pelo menos um condutor fase (16, 18, 19), tendo pelo menos uma conexão de alta tensão (8), a qual é configurada para conexão com o condutor fase (16), os seguintes itens sendo providos para cada conexão de alta tensão (8): - uma primeira e uma segunda seções de núcleo (3, 4), que fazem parte de um circuito magnético fechado, - um primeiro enrolamento de alta tensão (5) que envolve a primeira seção de núcleo (3) e - um segundo enrolamento de alta tensão (6) que envolve a segunda seção de núcleo (4) e é conectado em paralelo ao primeiro enrolamento de alta tensão (15), - pelo menos um ramo de comutação de saturação (10, 11), que é configurado de modo a saturar as seções de núcleo (3, 4) e tem chaves semicondutoras de potência controláveis (20, 21, 22, 23), e - uma unidade de controle (26) para controlar as chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23), sendo que o primeiro e o segundo enrolamentos de alta tensão (5, 6) são conectados, na extremidade de alta tensão (7), à atribuída conexão de alta tensão (8) e podem ser conectados, em seu lado de baixa tensão (9), a um ou ao ramo de comutação de saturação (10, 11), caracterizado pelo fato de que: cada ramo de comutação de saturação (10, 11) compreende pelo menos um submódulo bipolar (12) com um circuito de ponte que tem chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23) e uma fonte de tensão de CC (24), de modo que, dependendo da atuação das chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23), a fonte de tensão de CC (24) poderá ser conectada em série a pelo menos um enrolamento de alta tensão (5, 6) ou ser desviada.

2. Dispositivo (1), de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: cada ramo de comutação de saturação (10, 11), em seu lado voltado para fora do atribuído enrolamento de alta tensão (5, 6), pode ser conectado a uma conexão à terra (15).

3. Dispositivo (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que: - cada submódulo (2) forma um circuito de ponte completa compreendendo um primeiro ramo de circuito em série (33) e um segundo ramo de circuito em série (34), cada um dos quais é conectado em paralelo à fonte de tensão de CC (24), cada ramo de circuito em série (33,34) tem um circuito em série compreendendo duas chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23), sendo que o ponto potencial entre as chaves semicondutoras de potência (20, 21) do primeiro ramo de circuito em série (33) é conectado a um primeiro terminal (13) do submódulo (12) e o ponto potencial entre as chaves semicondutoras de potência (22, 23) do segundo ramo de circuito em série (34) é conectado ao segundo terminal (14) do submódulo (12).

4. Dispositivo (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que: cada chave semicondutora de potência (20, 21, 22, 23) é um IGBT (33) com um diodo de roda livre polarizado reversamente (32), um GTO ou uma chave transistor, conectada em paralelo.

5. Dispositivo (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que cada ramo de comutação de saturação (10, 11) é um circuito em série que consiste em pelo menos dois submódulos (12).

6. Dispositivo (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que cada fonte de tensão de CC (24) contém uma unidade de armazenamento de energia.

7. Dispositivo (1), de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que: a unidade de armazenamento de energia (24) pode ser conectada a uma unidade de carga (35) que é configurada de modo a carregar a unidade de armazenamento de energia (24).

8. Dispositivo (1), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que: a unidade de carga (35) compreende um retificador (37) conectado a uma fonte de tensão de CA (36).

9. Dispositivo (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um ramo de comutação de saturação (10, 11) é provido para cada enrolamento de alta tensão (5,6).

10. Dispositivo (1), de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a unidade de carga (35) é indutivamente acoplada à unidade de armazenamento de energia (24).

11. Dispositivo (1), de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que cada seção de núcleo (3, 4), cada enrolamento de alta tensão (5,6) e cada ramo de comutação de saturação (10, 11) são dispostos em um vaso (2) enchido com um fluido isolante.

12. Método para a compensação da potência reativa em uma rede de alta tensão (17) compreendendo pelo menos um condutor fase

(16, 18, 19) que carrega uma tensão de CA de rede, cada condutor fase (16, 18, 19) sendo conectado através de uma conexão de alta tensão (8) a um primeiro enrolamento de alta tensão (5) e a um segundo enrolamento de alta tensão (6) conectado em paralelo ao mesmo, os quais envolvem, cada um dos mesmos, uma primeira e uma segunda seções de núcleo (3, 4) respectivamente, sendo que cada enrolamento de alta tensão (5, 6) pode ser conectado, via pelo menos um ramo de comutação de saturação (10, 11) a uma conexão à terra (13) que compreende pelo menos um submódulo (12) dotado de um circuito de ponte que consiste em uma fonte de tensão de CC (24) e das chaves semicondutoras de potência (20, 21, 22, 23), caracterizado pelo fato de que - no caso de uma tensão positiva de CA de rede, as chaves semicondutoras de potência são atuadas de tal maneira que uma desejada corrente CC flua através do segundo enrolamento de alta tensão e - no caso de uma tensão negativa de CA de rede, os semicondutores de potência são atuados de tal maneira que uma desejada corrente CC flua através do primeiro enrolamento de alta tensão, as correntes CC sendo ajustadas de tal maneira que uma desejada saturação das seções de núcleo (3, 4) seja gerada.