BRPI0504935B1 - sistema gerador de ignição elétrica" - Google Patents
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Abstract
"conversores de energia bidirecionais redutor-amplificadores, sistemas de geradores elétricos de ignição que empregam conversores de energia bidirecionais redutor-amplificadores, e métodos para tal". um conversor de energia (13) bi-direcional redutor-amplificador o qual inclui um par de módulos inversores (14, 15) dispostos na saída da máquina (10), e um indutor l~ 0~ que está conectado entre o par de módulos inversores (14, 15). um método para o controle da tensão de saída de uma máquina geradora iniciadora (10) que possua um inversor/retificador (11) e um conversor de (13) bi-direcional redutor-amplificador, e que inclui a saída de uma tensão de corrente contínua controlada por um controle de chaveamento de pulso modulado de amplitude (pwm) redutor-amplificador, quando o gerador de ignição se encontra no modo gerador.
Description
(54) Título: SISTEMA GERADOR DE IGNIÇÃO ELÉTRICA (73) Titular: GENERAL ELECTRIC COMPANY. Endereço: 1 River Road, Schenectady, New York 12345, ESTADOS UNIDOS DA AMÉRICA(US) (72) Inventor: ROBERT LOUIS STEIGERWALD; LUIS JOSE GARCES; MATTHEW CHRISTOPHER BRINGMAN
Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 27/02/2018, observadas as condições legais
Expedida em: 27/02/2018
Assinado digitalmente por:
Júlio César Castelo Branco Reis Moreira
Diretor de Patente
1/10 “SISTEMA GERADOR DE IGNIÇÃO ELÉTRICA”
CAMPO DA INVENÇÃO [001] A presente invenção está relacionada ao exercício do controle da saída de maquinas de corrente alternada, e de uma forma mais em particular, a um conversor de energia redutor-amplificador para especificamente exercer o controle da saída de um gerador de ignição elétrica.
[002] Máquinas de alta velocidade em corrente alternada que são otimizadas para menores tamanhos, possuem altas impedâncias em corrente alternada. Durante a sua operação em estado estável, quando então estão em processo de geração de energia para uma carga de corrente contínua através de um retificador, essa alta impedância em corrente alternada não é um problema de maior relevância. No entanto, quando as cargas são subitamente colocadas, ou removidas, então, nesse momento, as altas impedâncias provenientes da corrente alternada tornam-se um grande problema. E este é especificamente o caso, porque as mudanças nas tensões de corrente contínua que são fornecidas pelo retificador para as cargas, como o resultado da aplicação, ou a remoção de cargas, são de uma forma totalmente inaceitáveis, grandes.
[003] Uma das formas com as quais o problema tem sido resolvido é com o uso de um grande “banco de capacitares”, posicionado na saída do retificador, para que este possa fornecer ou absorver a energia transiente. No entanto, o grande “banco de capacitares” aumenta, em muito, o tamanho e o peso do conjunto, o que passa a se tomar um problema em um sistema no qual exatamente o tamanho e o peso devem ser reduzidos o quanto possível. Desta forma, como aqui apresentado, existe espaço e a necessidade para melhorias.
SÍNTESE DA INVENÇÃO [004] Uma forma de realização de exemplo da presente invenção inclui: um conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador (buck-bost), o qual, por sua vez, inclui um par de módulos inversores em meia ponte, que estão
2/10 dispostos em uma das saídas da máquina; e um indutor que se encontra conectado por entre o par de módulos inversores em meia ponte.
[005] Em uma outra forma de realização de exemplo da presente invenção, um conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador compreende um par de módulos inversores de ponte completas dispostos na saída da máquina; e um transformador que está conectado entre o par de módulos inversores de ponte completa.
[006] Ainda, em ainda uma outra forma de realização de exemplo da presente invenção, um sistema gerador de ignição elétrica (ESG) é configurado de forma a poder suprir energia mecânica para um motor de aviação, ou uma turbina, durante a sua fase de iniciação, e é configurado para efetuar a transformação da energia mecânica que é gerada a partir da turbina em energia elétrica durante a fase de operação desta como gerador. O sistema ESG inclui um gerador de iniciação mecânico síncrono, o qual está acoplado a carga primária, e configurado de forma a fornecer uma determinada tensão sob a forma de corrente alternada; um inversor/retificador que se encontra eletricamente conectado a um gerador de iniciação síncrono e que está configurado de forma a converter a tensão de corrente alternada em tensão em corrente contínua; e um conversor de energia bi-direcional buck-buster que está configurado para executar cada uma dentre uma pluralidade de operações: incrementar a tensão de saída durante operações de transiente, reduzir a tensão de saída durante as operações em transiente, incrementar a tensão de saída durante o estado de operação estável, e de decrementar a tensão de saída durante o estado de operação estável.
[007] Em uma forma de realização de um método da presente invenção, um método para o controle da tensão de saída de um gerador de iniciação de máquinas em corrente alternada compreendendo um inversor retificador e um conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador, inclui a
3/10 saída de tensão sob a forma de corrente contínua controlada por um controle de chaveamento de pulso de modulação de amplitude (PWM) do conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador quando o gerador de iniciação se encontrar no modo de geração.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [008] As vantagens, a natureza e diversas características adicionais para a presente invenção irão aparecer de forma mais completa, quando se leva em consideração os diagramas ilustrativos das forma preferíveis de realização da presente invenção, esquema os quais são apresentados nas figuras de forma que:
- A figura 1 é uma representação de diagrama de um conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador de acordo com uma forma preferível de realização da presente invenção; e
- A figura 2 é uma representação de diagrama de um conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador de acordo com uma outra forma preferível de realização da presente invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO [009] A presente invenção será explicada em detalhes adicionais, através do uso de referências com relação aos desenhos que aqui acompanham, o que de forma alguma devem limitar o escopo de presente invenção.
[010] Em uma das possíveis formas de realização da presente invenção, dois conversores de energia bi-direcional redutor-amplificador são configurados na saída de um sistema de maquina/inversor/retificador de corrente alternada para que possa permitir o controle de energia do fluxo em ambas as direções, para a iniciação ou a geração, enquanto também possibilita o exercício de rápidas respostas de transiente, para mudanças que ocorram de forma súbita na aplicação ou na remoção de carga, através do controle dos conversores redutor-amplificadores.
4/10 [011] Um conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador é descrito, tendo como referência a figura 1. Embora possa ser adaptado tanto a máquinas de corrente contínua como a máquinas de corrente alternada, um circuito 13 conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador exemplar, que é descrito com referência a figura 1, está sendo apresentado em uma configuração que é destinada a uma máquina em corrente alternada. A figura 1 ilustra um gerador de ignição síncrono de campo inverso 10 de corrente alternada a qual possui um inversor/retificador de três fases 11 o qual se situam em suas saídas. Através das saídas do inversor/retificador 11, estão os capacitores, que são os filtros C1 e através da saída do barramento de corrente contínua está o capacitor de filtro C2. Por entre os capacitores C1 e C2 está o circuito de conversão redutor-amplificador 13, circuito o qual inclui dois módulos inversores em meia ponte 14 e 15 e um indutor L0. Estão inclusos no módulo inversor em meia ponte 14, os transistores QA e QB e seus diodos paralelos inversos associados DA e DB. O modulo inversor em meia ponte 15 inclui os transistores QC e QD e seus diodos paralelos inversos associados DC e DD.
[012] A entrada para o circuito conversor redutor-amplificador 13 é fornecida pelo meio de um inversor/retificador 11, o qual converte a energia de saída de um gerador de ignição síncrono de campo inverso de corrente alternada 10. Como é ilustrado na figura 1, existe uma máquina de campo síncrono descontínuo, mas muitos outros tipos de máquinas de corrente alternada, isto é, de magnetização permanente, ou indução, também podem ser empregadas.
[013] A tabela que se encontra abaixo, ilustra quais os componentes que se encontram no circuito do conversor redutor-amplificador 13 se encontram em operação, e em que forma se encontram, durante a operação do sistema, presumindo uma máquina de campo inverso para regular a saída de corrente contínua para um estado estável (exibido como 270 Vdc na figura 1).
5/10
Modo | a* | OE | O | D* | Db | Dc | Do | Operação | |
Gerando | Conduzindo | Ccduzirdo | Saida do retificador conduzida para carga par Qa e Dc | ||||||
Aplicaçã | Conduzindo | Truncardo | Chaveando | Saida do | |||||
o de | ratiffoádor | ||||||||
carga | primaria ê arnpiilícada | ||||||||
Raieiçad | Truncando | Chaveando | Conduzindo | Saida do | |||||
de casia | rMiriCadór primário è dimiouída | ||||||||
iniciando | Truncando | Conduzindo | Chaveando | IriWMjr primário corre seis passos c 250 Vdc c dimmuído |
[014] A operação do circuito conversor redutor-amplificador 13, como é exibido na figura 1 irá a partir de agora ser discutida, tomando como consideração o fato que uma máquina síncrona de campo inverso a qual empregue controle de campo para a regulagem de tensões de saída do estado estável, como descritos na tabela acima. Nessa tabela, o termo ‘conduzindo1’ é empregado para um dispositivo que esteja em plena atividade, o termo “truncando” se refere aos dispositivos que, de forma ativa, estão sendo ligados ou desligados, e “chaveando” é uma referência aos diodos que estão em operação no modo de chaveamento. De acordo com uma das formas de realização da presente invenção, a energia pode ser direcionada em ambos os sentidos, isto é, iniciação ou geração, e a tensão pode ser diminuída (ou reduzida) ou ser amplificada em ambas as direções. Por exemplo, um gerador de ignição elétrica é configurado para iniciar o motor de uma aeronave, no modo de iniciação, e de
6/10 fornecer energia para os sistemas auxiliares durante os estados de operação estável (modo de geração). Desta forma, para um perfeito exemplo de gerador elétrico de ignição, a energia é primeiramente dirigida em um sentido, o da turbina (isto é, um motor de aeronave) na operação de partida desta turbina, e então dirigida para o outro sentido, diminuído, quando então passa a fornecer energia aos sistemas auxiliares, no modo de geração. De uma forma que possa trazer benefícios, o conversor de energia bi-direcional redutor-amplificador 13, é configurado para escalar a tensão um passo abaixo (“buck”) e um passo acima (“boost”) que é fornecida pelo gerador de ignição elétrica em ambas as direções (para a turbina, durante a fase de iniciação (ou ignição) e para os sistemas auxiliares durante a operação de geração).
[015] Durante o modo de geração, o transistor QA e o diodo DC estão em modo condutor e assim, propiciam a saída retificada para a carga na saída do circuito de conversão redutor-amplificador. Durante o modo de geração, a tensão de saída é regulada pelo controle do campo de corrente contínua da máquina síncrona. Durante o modo de aplicação de carga, o transistor QA está em estado condutor, e o transistor QD está em “truncando”, e o diodo DC está chaveando, e ainda, a saída do retificador primário é amplificada para que se possa manter a tensão de saída dentro de limites que sejam aceitáveis durante a ocorrência do transiente (isto é, a tensão de saída “undershoot” (tem uma resposta inadequada (a baixo) a uma mudança unidirecional da tensão) é limitada). Durante o modo de rejeição da carga, o transistor QA está em “truncando”, o diodo DB está chaveando, o diodo DC está conduzindo, e a saída do retificador primário é diminuída de novo para que possa manter a tensão dentro de limites aceitáveis, durante a fase de transiente (isto é, a tensão de saída é “overshoot” (tem uma resposta inadequada (acima) a uma mudança unidirecional da tensão) é limitada). Durante o modo de iniciação, o transistor QC está “truncando”, o diodo DA está conduzindo, o diodo DD está chaveando, e o
7/10 inversor primário está é operado no modo de seis passos, os 270 Vdc são diminuídos (“bucked”).
[016] Desde o fato de que a tensão pode ser reduzida (“bucked”) ou amplificada (“boosted”) em qualquer uma das direções, o conversor redutoramplificador pode então manter a tensão de saída durante a aplicação ou a remoção de uma carga.
[017] Além do mais, a partir do fato de que as variações de tensão (“overshoot” e “undershoot”) são controladas pelo circuito conversor redutoramplificador, a capacidade dos capacitores de filtro de conexão de corrente contínua, podem ser bem reduzidas, quando comparadas com a abordagem descrita acima para a arte que é relacionada. E também, de forma adicional, no sistema de arte que é relado, os capacitores são empregados para o uso como acumuladores de energia, mas nas incorporações da presente invenção os capacitores C1 e C2 são essencialmente capacitores de passagem de alta freqüência, que são usados para eliminar variações na saída.
[018] O circuito conversor de inversor retificador pode ser operado no modo de “seis passos” e o circuito bi-direcional redutor-amplificador, em pulsos com o modo de modulação de amplitude (PWM), para que possa fornecer uma conexão de tensão que seja proporcional a freqüência da máquina durante a iniciação, isto é, dirigir a máquina de corrente alternada como um motor, o que reduz enormemente as perdas devidas ao chaveamento, quando comparado com a forma de operação senoidal PWM do inversor com tensão total no barramento de tensão de corrente contínua, que se faz necessário para um sistema convencional. A operação de um circuito conversor redutor-amplificador no modo PWM para a produção de uma conexão de tensão de corrente contínua durante a fase de iniciação, irá proporcionar como resultado, em menores variações de corrente e em menores perdas de energia.
[019] Para o caso em que a conexão de corrente contínua seja
8/10 controlada para que seja variável na amplitude, a conversor que é conectado à máquina pode também ser operado em um “Modo de Amplitude de Pulso”, de forma a reduzir as perdas que são devidas ao chaveamento. Para tanto, o conversor é chaveado para um conversor PWM padrão, ou então, com um ciclo constante de trabalho, enquanto que o barramento de corrente contínua é variado de forma proporcional à velocidade da máquina. O regulador de amplitude de banda irá então depender de quão rápido o conversor redutor-amplificador é capaz de variar a tensão. Além disto, para o caso de um gerador de indução, o inversor pode operar no modo de “seis passos” (onda quadrada) com a regulagem da corrente modificando a tensão de saída do circuito conversor redutor-amplificador, da forma como foi descrita anteriormente.
[020] Para uma máquina síncrona de campo inverso, a qual emprega o controle de campo como meio de regular saída, a ação de “chopping” do circuito redutor-amplificador não se faz necessária positivo o controle da saída. Em outras palavras, o transistor QA é totalmente aberto e o diodo QC conduz a corrente. Desta forma, as perdas devido ao chaveamento são reduzidas durante o estado de operação estável.
[021] De forma diferente da que se encontra descrita acima, e com referência ao estado da arte, nenhum resistor de potência se faz necessário para que se dissipe a potência da saída da máquina de corrente alternada, durante a rejeição de carga, devido ao uso do circuito conversor redutor-amplificador. Pelo controle da tensão durante a aplicação e a remoção de carga, o circuito conversor redutor-amplificador é capaz de manter a tensão de saída do sistema, e desta forma, eliminar a necessidade de resistores de potência.
[022] Uma vantagem da forma de realização supra citada por sobre os sistemas convencionais, é a capacidade de melhor manipulação de falhas, devido ao fato de que nenhum capacitor de grande capacidade se faz necessário, para o caso em que ocorra um curto-circuito na saída, e que correntes
9/10 potencialmente destrutivas que seriam fornecidas por estes bancos de capacitores de alta capacidade podem ser evitados.
[023] As funções redutoras-amplificadoras também podem ser implementadas com o emprego de circuitos transformadores de isolação, os quais são capazes de processar a energia em ambos os sentidos. Uma de tais formas de realização é exibida na figura 2. Nessa figura, dois inversores de ponte completa 24 e 25, são exibidos com um transformador de isolação 26, o qual se situa entre os dois inversores. A energia, pode então ser processada em ambas as direções, através do processo de direção de cada ponte completa para o modo de onda quadrada integral (isto é, transistores em oposição, cada um condutor por aproximadamente 50% do tempo), produzindo uma onda quadrada no transformador. A transformação da tensão e da direção do fluxo de energia, passa então a ser controlada pelo deslocamento de fase de uma ponte para a outra. Esse tipo de operação pode resultar no “chaveamento doce” (softswitching) dos transistores, o que traz baixos estresses de chaveamento e perdas, conforme é descrito em: “Performance characterization of a high-power dual active bridge DC-to-DC converter”, de autoria de Khereluwala, M.N.; Gaiscone, R.W..; Divan, D.M.; Baumann, E.D.; Industry Applications, IEEE Transactions on, Volume 28, Edição 6 novembro - dezembro 1992, paginas de 1294 a 1301. Pelo emprego de transformadores como é ilustrado na figura 2, altas razões de transformação, podem ser mais facilmente manipuladas. Por exemplo, se a tensão de uma máquina é elevada, e o barramento de tensão é baixo (tal como o de 48 Volts de corrente contínua o qual é ilustrado na figura 2), a razão de curva do transformador pode ser ajustada para que de o máximo possível de tensão para essa transformação. Alem disso, mais opções de máquinas, de tensões de saída e de aterramento tornam-se disponíveis devido a isolação galvânica do transformador. Também, como pode ser notado, os inversores de meia ponte podem ser empregados no lugar dos inversores de
10/10 ponte total que são ilustrados na figura 2.
[024] Apesar da presente invenção ter sido descrita em termos de formas de realização especificas, todos aqueles versados na arte irão perceber que a presente invenção pode ser usada com diversas modificações, mas mesmo assim, se mantendo dentro do espírito e escopo das reivindicações. De forma nominal, apesar do fato de que a presente invenção tenha sido discutida no contexto de aplicações de geradores de ignição elétrica, se contempla o fato de que a presente invenção pode ser empregada em todas as aplicações que controlam a saída de uma máquina de corrente alternada.
1/2
Claims (3)
- REIVINDICAÇÕES1. SISTEMA GERADOR DE IGNIÇÃO ELÉTRICA, configurado para fornecer energia mecânica para uma turbina durante a fase de iniciação de operação, e para transformar energia mecânica da turbina em energia elétrica durante a operação de geração, sendo o referido sistema gerador de ignição elétrica caracterizado por compreender:um gerador de ignição síncrono de campo inverso (10), acoplado mecanicamente a uma turbina e configurado para fornecer tensão sob a forma de corrente alternada (CA);um inversor/retificador (11) eletricamente conectado ao referido gerador de ignição síncrono e configurado para converter energia sob a forma de tensão em corrente alternada para tensão em corrente contínua; e um conversor de energia (13) bi-direcional redutor-amplificador, configurado para realizar cada uma dentre uma pluralidade de operações: incremento da tensão de saída durante o estado de operação estável, decremento da tensão de saída durante o estado de operação estável, e um controlador de campo operável para empregar controle de campo para regular a saída do gerador de ignição síncrono de campo inverso (10) durante a operação em estado estável.
- 2. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido conversor de energia (13) bi-direcional redutor-amplificador compreende:um par de módulos inversores em meia ponte (14, 15) que estão dispostos na saída do inversor/retificador (11); e um indutor Lo, que está conectado entre o referido par de módulos inversores em meia ponte.
- 3. SISTEMA, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o referido conversor de energia (13) bi-direcional redutor-amplificador2/2 compreende:um par de módulos inversores de ponte inteira (24, 25) que estão dispostos na saída do inversor/retificador (11); e um transformador (26), que está conectado entre o referido par de módulos inversores em ponte inteira.1/2MáquinaPrimária oo212
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