BR202016012043U2 - Dc power supply with reactive control and variable inductors for high power source control - Google Patents

Abstract

fonte dc de potência com controle reativo e indutores variáveis para controle de fonte de alta potência. nova fonte dc de potência com controle reativo e indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, a qual destina-se á aplicação e uso em conjunto com fontes elétricas de alta potência, fontes para: forno elétrico, eletrodos de grafite, e em equipamentos de fundição de materiais, de tratamento de resíduos, de tratamento térmico, tochas de plasma térmico, e tochas de plasma para deposição de material cerâmico, entre outros. onde a fonte dc apresenta uma nova configuração através da utilização de reatores/indutores variáveis que controlam a fonte de alta potência que tem a de limitar a corrente fornecida por meio de sua reatância indutiva. com isto oferecendo uma elevada eficiência energética, permitindo a variação da potência da fonte de alta potência com baixo custo de manutenção e aumento da durabilidade por meio da configuração de um conjunto mais robusto e confiável.

Description

“FONTE DC DE POTÊNCIA COM CONTROLE REATIVO E INDUTORES VARIÁVEIS PARA CONTROLE DE FONTE DE ALTA POTÊNCIA” Campo de aplicação [001] Trata o presente relatório de patente de modelo de utilidade da descrição detalhada acompanhada de figuras ilustrativas de uma nova fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, a qual destina-se à aplicação e uso em conjunto com fontes elétricas de alta potência, fontes para: forno elétrico, eletrodos de grafite, e em equipamentos de fundição de materiais, de tratamento de resíduos, de tratamento térmico, tochas de plasma térmico e tochas de plasma para deposição de material cerâmico, entre outros.

[002] Onde a fonte DC apresenta uma nova configuração através da utilização de reatores/indutores variáveis que controlam a fonte de alta potência que tem a função de limitar a corrente fornecida por meio de sua reatância indutiva. Com isto oferecendo uma elevada eficiência energética, permitindo a variação da potência da fonte de alta potência com baixo custo de manutenção e aumento da durabilidade por meio da configuração de um conjunto mais robusto e confiável.

Problemas do Estado da Técnica.

[003] Fontes de alta potência/energia atualmente utilizam o princípio de tiristores e/ou Transistores Bipolar de Porta Isolada - IGBT, para controlar a potência entregue à carga por meio chaveamento eletrônico do sinal de saída, em frequências de rede.

[004] Esta concepção de fonte, comumente encontrada no mercado, é regularmente utilizada para o controle de cargas resistivas estáveis, como por exemplo, um banco de resistências para fornos. O controle eletrônico permite implementar facilmente a programação de rampas, degraus e patamares temporais, seja com referência à tensão, corrente, potência de saída, ou ainda, com referência na temperatura ou outra grandeza dependente da saída da fonte. Para transformar a energia alternada da rede em corrente contínua (DC), esta fonte utiliza retificadores ativos que empregam tiristores e/ou IGBTs comandados por um circuito eletrônico de controle.

[005] Após esta retificação ativa são utilizados grandes indutores na saída da fonte para reter o sinal chaveado resultante da retificação ativa, deixando passar somente a corrente contínua, com um mínimo de ondulação residual.

[006] O conceito de fonte chaveada ainda se mostra como opção, quando utilizadas fontes de alta potência comerciais, em aplicações específicas com regime de operação definido. Porém, para tais aplicações, dada a natureza das oscilações e reações aleatórias inerentes da própria carga, é mandatório que se tenha o cuidado com o projeto da filtragem, proteção dos elementos eletrônicos de potência, além do circuito de controle ser extremamente caro.

[007] Os diferentes tipos de processos nos quais as fontes são aplicadas, solicitam uma elevada robustez das mesmas, fazendo com que a tecnologia atual se torne muito custosa para atender essa diversidade de demanda.

[008] Exemplos da variedade de campos de aplicação podem ser citados, mas não limitados a: tochas de plasma térmico, tochas para aspersão a plasma, tochas de plasma para deposição de material cerâmico, fornos elétricos, fomos para fundição de alumínio e outros metais, e fornos/plantas para tratamento de resíduos.

[009] Conforme supracitado, a aplicação de fontes chaveadas nestas condições irá demandar uma maior complexidade na sua proteção e filtragem tornando essas soluções complicadas, somado ainda ao fato de que a sensibilidade eletromagnética da eletrônica envolvida em seu controle é outro ponto crítico. Estas questões sugerem uma reavaliação da viabilidade técnica e econômica do emprego de fontes tiristorisadas, neste contexto.

[010] Assim, alternativas mais simples e robustas, tal como a apresentada na Fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, o objeto da presente patente, tomam-se mais viáveis para o estudo e desenvolvimento de aplicações diversificadas.

[011] A Fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, objeto da presente patente, evita as dificuldades e problemas que a técnica convencional apresenta, como o alto custo, pois cada aplicação demanda um projeto específico; a demanda por projetos de sistema de controle e filtragem de ruídos complexos para as fontes atualmente empregadas; a eletrônica de potência complexa e custosa; a alta sensibilidade eletromagnética da técnica; e o alto custo de reparo e manutenção.

Estado da Técnica [012] Existem alguns documentos de patente que descrevem fontes de potência controladas, porém nenhuma dessas fontes possui a configuração e a aplicação conforme descrita nesta patente. Dentre esses documentos podem-se destacar os seguintes: [013] O documento PI 9402907-5, DISPOSITIVO DE SEQUENCIAMENTO ELETRÔNICO COM CONTROLE DIGITAL, onde o dispositivo de sequenciamento eletrônico envia pulsos para uma ou várias cargas elétricas ou eletrônicas através de canais de saída a um intervalo de tempo regulável entre canais e com o tempo de permanência dos canais também regulável. Estes pulsos são em ordem sequencial e acionam as próprias saídas a triac que são isoladas galvanicamente, por acopladores óticos, do circuito de controle. Possui uma base de tempo extremamente estável que permite que todos os ajustes sejam precisos. Estes ajustes são feitos através de dip-switches e não de potenciômetros conferindo ao circuito uma alta precisão entre o próprio ajuste e a escala impressa. Como é dotado de isolação ótica, não recebe interferência da rede elétrica nem gera risco de choque elétrico na parte de controle. É de fácil manutenção pois a parte mais sujeita a queima de componentes (parte de potência) está montada em mini-módulos de saída (canais de saída) que são de fácil substituição. Foi projetado para ser utilizado como programador de sequência de limpeza de filtros de mangas; como programador de sequência de desobstruidores de silos e para qualquer outra área que se necessite de uma ligação sequencial de cargas elétricas, e que é caracterizado por possuir uma fonte de alimentação, um gerador de clock, um reset (*pwrclr), um divisor programável, um contador, um comparador, um monoestável, um seletor e canais de saída;

[014] O documento PI 0511228-1, MÉTODO DE CONTROLE DE POTÊNCIA USANDO POTÊNCIA DE CORRENTE ALTERNADA, SISTEMA DE CONTROLE DE POTÊNCIA USANDO POTÊNCIA DE CORRENTE ALTERNADA E FONTE DE ALIMENTAÇÃO, o qual prevê um método de controle de potência usando potência de corrente alternada (CA) que pode estavelmente controlar 0% -100% de seu nível de potência quando suprindo potência de corrente alternada de baixa tensão diretamente de potência de CA comercial, tendo, desta forma, ótima eficiência, e que possibilita que a integração de circuitos de componentes seja divulgada; a presente invenção detecta a tensão de controle de referência a partir de potência de CA de entrada, liga e faz a saída de porções da potência de CA de entrada tendo níveis de tensão mais baixos do que a tensão de controle de referência na ocasião do controle de baixa potência, e liga e faz saída de porções da potência de CA de entrada tendo níveis de tensão mais elevados do que a tensão de controle de referência na ocasião do controle de alta potência;

[015] O documento PI 0600947-6, CIRCUITO DE CONTROLE PARA CONTROLAR A VOLTAGEM DA SAÍDA DE UMA FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM COMUTAÇÃO PRIMEIRAMENTE CONTROLADA, FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM COMUTAÇÃO E MÉTODO PARA CONTROLAR A VOLTAGEM DE SAÍDA DE UMA FONTE DE ALIMENTAÇÃO COM COMUTAÇÃO PRIMARIAMENTE CONTROLADA, onde a presente invenção refere-se a um circuito de controle e a um método associado para controlar a voltagem de saída de uma fonte com comutação de potência primariamente controlada com um comutador no lado do primário e um transformador com um enrolamento auxiliar, em que, depois da abertura do comutador no lado do primário, é induzida uma voltagem auxiliar para indicar a voltagem da saída. A voltagem induzida é fornecida a um circuito de controle como variável de controle. A fim de obter um circuito de controle, que necessite um número mínimo possível de componentes externos, que possam ser manufaturados a um custo baixo e que tenha uma necessidade de espaço possivelmente, uma saída do excitador do circuito de controle é conectada a uma entrada de controle do comutador no lado do primário e o circuito de controle é adaptado de maneira tal que ajusta a frequência de comutação do comutador no lado do primário dependendo da voltagem auxiliar, sendo que um fator constante desta dependência é selecionado de maneira tal que a corrente de saída da fonte de alimentação com comutação adota um valor predeterminado, e a saída do excitador é conectada ainda à entrada de um comparador para determinar a corrente através do comutador no lado do primário;

[016] O documento PI 102014015848-0, DISPOSITIVO DE CIRCUITO DE CONTROLE DE SAÍDA DE CORRENTE CONTÍNUA DO TIPO REFORÇO CONTROLADO POR ENERGIA PARCIAL, onde a presente invenção utiliza a energia elétrica parcial de uma fonte de alimentação de corrente contínua para ser convertido através de uma unidade de controle elétrico (ecu101) para energia elétrica de polaridade alternada ou energia elétrica ripple e através de um retificador de onda completa para gerar uma fonte de alimentação de corrente contínua auxiliar, a fim de formar um acúmulo de voltagem com a fonte de alimentação de corrente contínua e um terminal de saída de corrente contínua é provido para a saída da energia elétrica de corrente contínua reforçada, de modo que um transformador de potência completa não seja requerido; e [017] O documento PI 0900948-5, SISTEMA DE CONTROLE DE CHAVE ELETRÔNICA E MÉTODO DE ACIONAMENTO DE CHAVE ELETRÔNICA, onde a presente invenção refere-se a uma chave eletrônica para uso geral capaz de acionar diversos tipos de cargas, a partir de um circuito de controle acoplado eletricamente a dita chave, sendo este ligado a um bloco acondicionador de tensão voltado para a alimentação do circuito de controle em pelo menos um instante de condução da presente chave. Desta forma, descreve-se um sistema de controle de chave eletrônica (10), compreendendo pelo menos uma fonte de tensão alternada (4), pelo menos uma chave eletrônica (1), pelos menos uma carga (5), pelo menos um circuito de controle (3), a fonte de tensão alternada (4) sendo associada eletricamente, através de um primeiro terminal de alimentação (20), a um primeiro terminal de condução (25) da chave eletrônica (1), um segundo terminal de condução (35) da chave eletrônica (1) sendo associável a uma carga (5), através de um primeiro terminal de carga (40), a carga (5) sendo associável a um segundo terminal de alimentação (30), através de um segundo terminal de carga (80), o circuito de controle (3) compreendendo primeiro, segundo e terceiro terminais de potêncial elétrico (101,102,103), o circuito de controle (3) sendo configurado para comandar a chave eletrônica (1) através de um terminal de disparo (100), o circuito de controle (3) sendo associado eletricamente a um bloco acondicionador de tensão (200), o bloco acondicionador de tensão (200) sendo associável eletricamente à chave eletrônica (1) através de primeiro e terceiro terminais de contato elétrico (104,106) e primeiro e segundo terminais de condução (25,35) respectivamente, o bloco acondicionador de tensão (200) sendo configurado para prover uma tensão elétrica mínima (vmin) para a operação do circuito de controle (3) em pelo menos um instante de condução da chave eletrônica (1).

Descrição da figura [018] A seguir faz-se referência à Figura que acompanha este relatório descritivo, para melhor entendimento e ilustração do mesmo, onde se vê: Figura 1 mostra um esquema do diagrama de blocos que sintetiza a configuração e o funcionamento da Fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, objeto da presente patente.

Descrição da invenção [019] A Fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, objeto da presente patente, refere-se a um dispositivo de fonte de potência dotada de reatores e/ou indutores controlados, cuja função é a de limitar a corrente da fonte, através da reatância que se estabelece em um circuito em série com a carga (5). A reatância dos indutores é controlada através de uma corrente contínua DC, que é inserida em uma bobina, eletricamente isolada do circuito de corrente alternada AC principal.

[020] Sem a inserção desta corrente DC, a reatância dos indutores é máxima, assim como a limitação da corrente. Ao adicionar corrente DC, a reatância dos indutores diminui, e assim flui mais corrente na bobina AC dos reatores/indutores. Com este tipo de tecnologia é possível controlar uma fonte de alta potência com outra fonte DC de baixa potência.

[021] A Fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, objeto da presente patente, está essencialmente composta por um painel de controle (1), constituído de contatoras, elementos de proteção elétrica, voltímetros e amperímetros, que é responsável por ligar e desligar remotamente a fonte via CLP; possui pelo menos um transformador da fonte (2) e uma fonte DC de controle (4) alimentados pelo painel (1). Cada uma das linhas trifásicas do transformador está ligada a pelo menos um reator e/ou indutor (3), posicionados em série com a dita fonte de alta potência, e a reatância indutiva é controlada por uma corrente DC, fornecida por uma fonte DC de controle (4) aplicada em série ou em paralelo.

[022] A Figura 1 mostra o esquema funcional do sistema proposto. Neste esquema, a energia da rede entra na fonte através de um painel de controle (1). Este painel, constituído de contatoras, elementos de proteção elétrica, voltímetros e amperímetros, é o responsável por ligar e desligar remotamente a fonte via CLP. A saída do painel alimenta o transformador da fonte (2) e a fonte DC de controle (4). O transformador é utilizado para adaptar energia da rede aos níveis de tensão e corrente exigidos para a operação da carga, conforme a aplicação desejada. Cada uma das linhas trifásicas do transformador é ligada a um reator e/ou indutor que pode ser dedicado para cada fase, ou um único elemento para todas as fases (3).

[023] Estes reatores/indutores têm a função de limitar a corrente fornecida por meio de sua reatância indutiva. Esta reatância pode ser controlada por uma corrente DC, fornecida por uma fonte DC de controle (4). Quanto maior a corrente fornecida pela fonte de controle, menor é a indutância dos reatores e mais corrente é liberada para a carga (5). A corrente DC de controle que atua nos três reatores pode ser fornecida em série ou em paralelo, desta forma, a mesma corrente DC controla os reatores, mantendo o balanceamento entre fases.

[024] Assim, a Fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, objeto da presente invenção, se concentra na utilização de reatores/indutores para controlar a corrente de uma fonte de alta potência. Para realizar este objetivo, utiliza-se de uma fonte de controle DC para controlar a reatância indutiva de reatores/indutores posicionados em série com a dita fonte de alta potência. Quanto maior a corrente fornecida pela fonte de controle, menor é a indutância dos reatores e mais corrente é liberada para a carga.

[025] O circuito de controle é eletricamente independente da fonte de potência principal, conferindo robustez ao conjunto. A fonte DC de controle pode ser simples, através de ajuste por varivolt, ou mais refinado através de ajuste eletrônico.

[026] A fonte de controle DC é especificada para operar com de 1 a 6% da potência da fonte principal. Esta fonte pode ser do tipo chaveada ou convencional com retificador trifásico e também pode ser uma fonte controlada por variac.

[027] Os reatores/indutores podem ser construídos de forma que seu esquema de ligação possa ser variado, de forma a se adequar a demanda de corrente da carga.

[028] Para determinados tipos de fonte e/ou aplicação, pode ser utilizado um esquema reatores/indutores modulares, onde cada módulo é constituído por reatores de pequeno tamanho e potência, para cada fase, com o objetivo de diminuir o tamanho individual dos elementos, bem como aumentar a precisão de controle da fonte.

[029] Os indutores controlados têm a função de limitar a corrente através da reatância que estabelece um circuito em série com a carga. A reatância é controlada através de uma corrente DC que é inserida em uma bobina, eletricamente isolada do circuito AC principal. Sem a inserção desta corrente DC, a reatância é máxima, assim como a limitação da corrente. Ao adicionar corrente DC, a reatância diminui, e assim flui mais corrente na bobina AC do reator. Estes reatores são construídos de forma que cada unidade tenha pelo menos um par de indutâncias que pode ser associado em série ou em paralelo.

[030] Desta forma, a Fonte DC de Potência com Controle Reativo e Indutores variáveis para controle de fonte de alta potência, objeto da presente patente, conforme descrita acima, apresenta uma configuração nova e única que lhe configura grandes vantagens em relação às fontes de alta potência controladas atualmente utilizadas e encontradas no mercado. Dentre essas vantagens podem-se citar: o fato de constituir um sistema com elevada eficiência energética; o fato de apresentar a capacidade de variar a potência da carga via Variac ou mesmo uma fonte DC variável; o baixíssimo custo de Manutenção; a elevada durabilidade; e o fato de ser um sistema mais robusto e confiável do que a tecnologia atualmente utilizada.

[031] Assim, pelas características de configuração e funcionamento, acima descritas, pode-se notar claramente que a FONTE DC DE POTÊNCIA COM CONTROLE REATIVO E INDUTORES VARIÁVEIS PARA CONTROLE DE FONTE DE ALTA POTÊNCIA, trata-se de um dispositivo novo para o Estado da Técnica o qual reveste-se de condições de inovação, atividade inventiva e industrialização inéditas, que o fazem merecer o Privilégio de Patente de Modelo de Utilidade.

REIVINDICAÇÃO

Claims (1)

1) FONTE DC DE POTÊNCIA COM CONTROLE REATIVO E INDUTORES VARIÁVEIS PARA CONTROLE DE FONTE DE ALTA POTÊNCIA, caracterizada por tratar-se de um dispositivo de fonte de potência dotada de reatores e/ou indutores controlados, para limitar a corrente da fonte, através da reatância que se estabelece em um circuito em série com a carga (5), com a reatância dos indutores controlada através de uma corrente contínua DC inserida em uma bobina, eletricamente isolada do circuito de corrente alternada AC principal; sendo essencialmente composta por um painel de controle (1), constituído de contatoras, elementos de proteção elétrica, voltímetros e amperímetros, responsável por ligar e desligar remotamente a fonte via CLP; pelo menos um transformador da fonte (2) e uma fonte DC de controle (4) com ajuste por varivolt, ou ajuste eletrônico, alimentados pelo painel (1); onde cada uma das linhas trifásicas do transformador está ligada a pelo menos um reator e/ou indutor (3) posicionados em série com a dita fonte de alta potência; onde a reatância indutiva é controlada por uma corrente DC, fornecida por uma fonte DC de controle (4) aplicada em série ou em paralelo; onde o circuito de controle é eletricamente independente da fonte de potência principal; onde a fonte de controle DC (4) pode ser do tipo chaveada ou convencional com retificador trifásico, ou ser uma fonte controlada por variac; e onde ainda pode ser utilizado um esquema de unidades de reatores/indutores modulares, com os reatores construídos de forma que cada unidade tenha pelo menos um par de indutâncias associadas em série ou em paralelo.