BRPI0615592B1

BRPI0615592B1 - Sistema de célula de energia

Info

Publication number: BRPI0615592B1
Application number: BRPI0615592-8A
Authority: BR
Inventors: F. Aiello Marc; Zhang Xuan
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2005-08-31
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2018-02-14
Also published as: CN101273516A; WO2007027890A2; US20100172119A1; KR20080041719A; WO2007027890A3; US7830111B2; EP1920528B1; DE602006018022D1; US7679313B2; BRPI0615592A2; CA2620426C; KR101086577B1; CN101273516B; MX2008002777A; EP1920528A2; US20070046252A1; CA2620426A1

Abstract

sistema de célula de energia e sistema de distribuição de energia. a presente invenção refere-se a um sistema de células de energia que inclui uma estrutura que proporciona múltiplos sítios de células de energia o sistema também inclui pelo menos uma célula de energia regene-ratíva, e pelo menos uma célula de energia não-regeneratíva os sítios de célula e células de energia são dimensionados e posicionados de forma que cada sítio de célula pode intercambiavelmente aceitar, quer pelo menos uma célula de energia regeneratíva quer pelo menos uma célula de energia não- regenerativa

Description

(54) Título: SISTEMA DE CÉLULA DE ENERGIA (51) Int.CI.: H02M 7/00 (30) Prioridade Unionista: 29/08/2006 US 11/511,713, 31/08/2005 US 60/713,197, 31/08/2005 US 60/713,198 (73) Titular(es): SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (72) Inventor(es): MARC F. AIELLO; XUAN ZHANG

1/11

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para SISTEMA DE CÉLULA DE ENERGIA.

Referência Cruzada a Pedidos Relacionados [001] O presente pedido de patente reivindica prioridade para, e incorpora a título de referência na sua totalidade, os seguintes pedidos: (i) pedido de patente provisória pendente US SN 60/713 198 intitulado Sistema e Método para uma Infraestrutura de Energia Elétrica configurável incluindo células intercambiáveis depositado em 31 de agosto de 2005; e (ii) pedido de patente provisória pendente US SN 60/713 197 intitulado Método de Acondicionamento para células de energia elétrica multinível modulares e infraestrutura de sistema, depositado em 31 de agosto de 2005.

Antecedentes [002] Em anos recentes, circuitos para aplicações de acionados de frequência variável de tensão média (VFD) têm recebido atenção. Vários novos métodos foram introduzidos na última década. Por exemplo, em um circuito compreendendo inversores ligados em série conforme descrito na patente US N° 5 625 545 (Hammond), a descrição da qual é aqui incorporada a título de referência na sua totalidade, um inversor ou célula de energia 110 inclui um retificador em ponte de diodo trifásico 112, um ou mais capacitores de corrente contínua (CC) 114, e um inversor em ponte-H 116. O retificador 112 converte a tensão de corrente alternada (CA) de entrada 118 em uma tensão de CC substancialmente constante que é suportada pelos capacitores 114 que são conectados através da saída do retificador 112. O estágio de saída do inversor 110 inclui um inversor em ponte-H 116 que inclui dois pólos, um pólo esquerdo e um pólo direito, cada um com dois dispositivos. O inversor 110 transforma a tensão de CC através dos capacitores CC 114 em uma saída de CA 120 utilizando modulação pela largura do pulso (PWM) dos dispositivos semicondutores no inversor

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 6/23

2/11 em ponte - H 116.

[003] Um circuito incluindo células de energia tais como 110 na figura 1, quando conectado com uma carga, tal como um motor, pode proporcionar energia de uma fonte de força para o motor ao operar no modo de motorização. Uma célula de energia deste tipo pode por vezes ser designada de uma célula unidirecional ou de dois quadrantes (2Q). Isto porque quando os quatro quadrantes de velocidade e torque são considerados, reportando-se à figura 2, as características operacionais 210 desta célula são de tal natureza que ela opera em um ou outro quadrante onde ambos a velocidade e torque são positivos (primeiro quadrante 201) ou o quadrante onde tanto a velocidade como o torque são negativos (terceiro quadrante 203).

[004] Todavia, quando a velocidade do motor necessita ser reduzida, a potência do motor necessita ser absorvida pelo inversor. Este modo de operação, quando potência tem de ser absorvida pelo inversor, é designado de modo de regeneração. Em situações dessa natureza, células regenerativas ou de quatro quadrantes são requeridas. Um exemplo de uma célula regenerativa é apresentado na patente US N° 6 301 130 (Hammond). Como mostrado na figura 3, uma célula de energia regenerativa 360 pode incluir uma extremidade frontal ativa 362 que serve como um primeiro conversor que utiliza transistores de porta bipolar isolados (IGBTs) Q5 - Q10 ou outros dispositivos de comutação controlados por modulação por largura de pulso (PWM). O primeiro conversor 362 é eletricamente conectado em paralelo com um segundo conversor 364 e com um ou mais capacitores de enlace CC 366. Uma célula deste tipo recebe energia de um transformador 346 e a fornece a outras células no grupo e uma carga 349. Reportando-se à figura 2, esta célula permite características operacionais 220 em todos os quatro quadrantes 201 - 204, inclusive o quadrante onde ambos a velocidade e o torque são positivos (primeiro quadrante 201), o quaPetição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 7/23

3/11 drante onde o torque é positivo e a velocidade é negativa (segundo quadrante 202), o quadrante onde tanto a velocidade como o torque são positivos (terceiro quadrante 203), e o quadrante onde torque é negativo e velocidade é positiva (quarto quadrante 204).

[005] Na técnica precedente, os sistemas de motor incluíam células de dois quadrantes ou de quatro quadrantes. Todavia, sistemas que são projetados para acomodar um ou o outro são limitados em aplicabilidade. A descrição contida aqui descreve tentativas para solucionar um ou mais dos problemas descritos acima.

Sumário [006] Em uma modalidade, um sistema de célula de energia inclui uma estrutura de suporte tendo uma pluralidade de sítio de célula, pelo menos uma célula de energia regenerativa, e pelo menos uma célula de energia não-regenerativa. Os sítios de célula e células de energia são dimensionados e posicionados para que cada sítio de célula possa intercambiavelmente aceitar quer uma célula de energia regenerativa quer uma célula de energia não-regenerativa. Opcionalmente, cada sítio de célula pode incluir trilhos de suporte, um barramento distribuidor de energia posicionado em conexão elétrica com um barramento de entrada de uma célula de energia que está no sítio de célula, e um barramento de saída de energia posicionado para conectar eletricamente com um barramento de entrada da célula de energia que está no sítio de célula. Além disso, cada célula de energia pode incluir um chassi, de tal maneira que cada chassi no sistema tem substancialmente a mesma dimensão e forma dos outros chassis no sistema. O sistema também pode incluir uma bandeja de fios que aloja o fio de controle para cada célula de energia.

[007] Em uma modalidade alternativa, um sistema de células de energia inclui uma pluralidade de trilhos de suporte e um plano traseiro que são conectados para proporcionar uma pluralidade de sítios de

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 8/23

4/11 célula. O sistema também inclui pelo menos uma célula de energia regenerativa, e pelo menos uma célula de energia não-regenerativa. Os sítios de célula e células de energia são dimensionados e posicionados para que cada sítio de célula possa intercambiavelmente aceitar quer uma célula de energia regenerativa quer uma célula de energia não-regenerativa. Cada célula de energia inclui um chassi, e cada chassi no sistema tem substancialmente a mesma dimensão e forma que o chassi para pelo menos algumas das outras células de energia no sistema. Opcionalmente, cada sítio de célula pode incluir uma pluralidade de trilhos de suporte, um barramento distribuidor de energia posicionado para conectar-se eletricamente com um barramento de entrada de uma célula de energia que está no sítio de célula, e um barramento de saída de energia posicionado para conectar eletricamente com um barramento de entrada da célula de energia que está no sítio de célula. O sistema também pode incluir uma bandeja de fios que aloja o fio de controle para cada célula de energia.

[008] Em uma modalidade alternativa, um sistema de distribuição de energia inclui uma estrutura de suporte compreendendo uma pluralidade de sítios de célula, pelo menos uma célula de energia regenerativa, e pelo menos uma célula de energia não-regenerativa. Os sítios de célula e células de energia podem ser dimensionados e posicionados de forma que cada sítio de célula possa intercambiavelmente aceitar uma célula de energia regenerativa ou uma célula de energia nãoregenerativa. Cada célula de energia pode incluir um chassi, e cada chassi no sistema pode ter substancialmente a mesma dimensão e formato do chassi para pelo menos algumas das outras células de energia no sistema. Cada sítio de célula pode incluir uma pluralidade de trilhos de suporte, um barramento distribuidor de energia posicionado para eletricamente conectar-se com um barramento de entrada de uma célula de energia que está no sítio de célula, e um barramento

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 9/23

5/11 de saída de energia posicionado para conectar-se eletricamente com um barramento de entrada da célula de energia que está no sítio de célula.

[009] Em cada uma das modalidades descritas acima, cada célula de energia regenerativa pode opcionalmente incluir uma ponte inversora, um conjunto capacitor eletricamente conectado através de terminais da ponte inversora, e uma extremidade frontal ativa que inclui uma pluralidade de transistores eletricamente conectados como uma ponte trifásica. Alternativamente, cada célula de energia regenerativa pode incluir uma ponte inversora, um conjunto capacitor eletricamente conectado através de terminais da ponte inversora, um retificador em ponte de diodos trifásico eletricamente conectado através dos terminais, e uma combinação de transistor e resistor ligada em série que é eletricamente conectada através dos terminais. Também, opcionalmente, cada célula de energia não-regenerativa pode incluir uma ponte inversora, um conjunto capacitor eletricamente conectado através de terminais da ponte inversora, e um retificador em ponte trifásico eletricamente conectado através dos terminais. Outras configurações de células regenerativas e não-regenerativas são possíveis. Breve Descrição dos Desenhos [0010] A figura 1 é um diagrama de circuito mostrando características típicas de uma célula de energia não-regenerativa da técnica precedente.

[0011] A figura 2 representa a operação em quatro quadrantes de velocidade e torque;

[0012] A figura 3 é um diagrama de circuito mostrando características típicas de uma célula de energia regenerativa da técnica precedente;

[0013] A figura 4 mostra um circuito compreendendo uma pluralidade de células de energia ligadas com uma carga;

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 10/23

6/11 [0014] A figura 5 ilustra uma estrutura de alojamento de célula de energia típica;

[0015] A figura 6 ilustra uma estrutura de suporte típica para múltiplas células de energia;

[0016] A figura 7 ilustra a estrutura de suporte da figura 6 com uma célula posicionada em um sítio de célula.

Descrição Detalhada [0017] Antes dos presentes métodos, sistemas e materiais serem descritos, deve ser entendido que a presente invenção não está limitada às específicas metodologias, sistemas e materiais descritos, pois estes podem variar. Deve também ser entendido que a terminologia adotada na presente descrição é para o fim apenas de descrever as versões ou modalidades específicas, sem pretender limitar o escopo. Por exemplo, conforme usadas aqui e nas reivindicações apensas, as formas singulares um, uma e a incluem múltiplas referências salvo se o conteúdo claramente prescrever de outro modo. Salvo definidos de outro modo, todos os termos técnicos e científicos usados aqui têm os mesmos significados conforme comumente entendido por aqueles versados na técnica. Além disso, os seguintes termos são propostos para terem aqui as seguintes definições:

[0018] compreendendo - incluindo, porém sem estar limitado a; [0019] eletricamente conectado ou eletricamente acoplado conectado de modo adaptado para transferir energia elétrica.

[0020] Inversor em ponte -H - um circuito para fluxo de energia controlado entre circuitos CA e CC tendo quatro transistores e quatro diodos. Reportando-se à figura 1, um inversor em ponte -H 116 geralmente inclui uma primeira perna de fase e uma segunda perna de fase eletricamente ligadas em paralelo. Cada perna inclui duas combinações de transistor/diodo. Em cada combinação, o diodo é eletricamente acoplado através da base e emissor do transistor.

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 11/23

7/11 [0021] Inversor- um dispositivo que converge energia de CC em energia de CA ou energia de CA em energia de CC.

[0022] Tensão média - uma tensão nominal superior a 690 volts (V) e inferior a 69 quilovolts (kV). Em algumas modalidades, tensão média pode ser uma tensão entre cerca de 1000 V e cerca de 69 kV. [0023] Célula de energia não-regenerativa - uma célula de energia que não tem a capacidade de absorver energia regenerativa.

[0024] Célula de energia - um dispositivo elétrico que tem uma entrada de corrente alternada trifásica e uma saída de corrente alternada monofásica.

[0025] Carreira- uma disposição de células de energia estabelecida através de cada fase de um sistema de distribuição de energia trifásica.

[0026] Célula de energia regenerativa - uma célula de energia que tem a capacidade de absorver energia regenerativa.

[0027] Substancialmente - a uma grande extensão ou grau.

[0028] Nas várias modalidades, um circuito de energia multinível inclui uma pluralidade de células de energia para excitar uma carga. A figura 4 ilustra uma modalidade típica de um circuito dotado das ditas células de energia. Na figura 4, um transformador 410 distribui energia de tensão média, trifásica, a uma carga 430, tal como um motor de indução trifásico através de um conjunto de inversores monofásicos (também designados de células de energia). O transformador 410 inclui enrolamentos primários 412 que excitam um número de enrolamentos secundários 414 -425. Embora o enrolamento primário 412 seja ilustrado como tendo uma configuração em estrela, uma configuração em malha é também possível. Além disso, embora os enrolamentos secundários 414-425 sejam ilustrados como tendo uma configuração em malha enrolamentos secundários configurados em estrela são possíveis, ou uma combinação de enrolamentos em estrela e em

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 12/23

8/11 malha pode ser usada. Além disso, o número de enrolamentos secundários ilustrado na figura 4 é meramente ilustrativo, e outros números de enrolamentos secundários são possíveis. O circuito pode ser usado para aplicações de tensão média ou, em algumas modalidades, outras aplicações.

[0029] Qualquer número de carreiras de células de energia é conectado entre o transformador 410 e a carga 430. Uma carreira é considerada a ser um conjunto trifásico, ou um grupo de células de energia estabelecido através de cada uma das três fases do sistema de distribuição de energia. Reportando-se à figura 4, a carreira 450 inclui as células de energia 451-453, a carreira 460 inclui as células de energia 461-463, a careira 470 inclui células de energia 471-273, e a carreira 480 inclui as células de energia 481-483. Um número menor que quatro carreiras ou maior que quatro carreiras, é possível. Um sistema central de controle 495 transmite sinais de comando para controles locais em cada célula através de fibras ópticas ou outro meio de comando por fio ou sem-fio 490.

[0030] A figura 5 ilustra uma estrutura de célula de energia típica 510. A célula de energia 510 inclui um chassi 512 e um conjunto de conectores de entrada/saída de energia 521-525. Componentes internos ilustrativos da célula podem incluir qualquer número de capacitores, um dissipador de calor, e um conjunto eletrônico que pode incluir itens tais como módulos de transistor bipolar de porta isolada (IGBT) e um ou mais módulos retificadores. Os IGBTs podem ser separados por sítios de barramento de l/O e para aumentar o desempenho térmico. [0031] O chassi 512 encerra vários componentes da célula de energia 510, tais como um ou mais capacitores, painéis de circuito impresso, dissipadores de calor, etc. O chassi 512 pode ser fabricado de qualquer material apropriado, tal como aço galvanizado ou outro metal, que tanto mecanicamente como eletromagneticamente isole a célula

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 13/23

9/11 de energia das demais células de energia no sistema durante tanto operação normal como em muitas condições operacionais anormais. O chassi 512 pode servir para proteger componentes internos da célula de energia 510 contra dano durante a expedição e manuseio, e ele pode ser configurado de uma maneira tal que o módulo eletrônico 510 possa ser disposto sobre qualquer um de seus lados sem causar qualquer dano aos componentes do módulo eletrônico 510. De acordo com várias modalidades, o chassis 12 pode ser constituído de várias partes interligadas, e uma ou mais partes do chassi 512 podem ser removíveis. Além disso, o chassi 512 pode ser de uma espessura suficiente para prevenir quaisquer resíduos resultantes de uma falha dos componentes internos do módulo eletrônico 510 de sair do espaço encerrado pelo chassi 512, desse modo prevenindo qualquer dano colateral a outros componentes na vizinhança do módulo eletrônico 510.

[0032] Como mostrado na figura 5, a célula de energia 510 pode adicionalmente compreender uma pluralidade de conectores de tomada de força 521 -525 acoplados com um barramento de energia de entrada ou saída interno que é configurado para dirigir a corrente para e a partir do módulo eletrônico 510. Por exemplo, três dos conectores de tomada de força 522 - 524 podem ser configurados para receber corrente trifásica de uma fonte, ao passo que dois dos conectores de tomada de força 521 e 525 podem ser configurados para fornecer corrente monofásica para uma carga. Os conectores de tomada de força permitem que as células sejam plugadas em um plano de energia mestre.

[0033] O conjunto de célula de energia descrito nas figuras 4 e 5 proporciona um sistema multinível modular que permite as células serem substituídas conforme necessário para acomodar diferentes requisitos de configuração, ou substituir uma célula defeituosa. Além disso, as células 510 mostradas na figura 5 são fisicamente intercambiáveis

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 14/23

10/11 para que possam conter os elementos de uma célula com dois quadrantes, tais como os elementos mostrados na figura 1, ou os elementos de uma célula (de quatro quadrantes) regenerativa, tais como os elementos mostrados na figura 3. Desta maneira, os sítios de células individuais podem ser substituídos com células regenerativas ou nãoregenerativas conforme necessário para prestar um grau desejado de frenagem. O chassi 512 de cada célula 510 assim terá substancialmente a mesma dimensão e forma, indiferentemente ao fato de tratarse de uma célula regenerativa ou de uma célula não-regenerativa. [0034] A figura 6 ilustra uma estrutura de suporte típica 644 para múltiplas células de energia, tais como nove células, dentro de um alojamento no qual cada célula de energia ou outro módulo eletrônico é posicionado sobre um ou mais trilhos de montagem 646 de modo que a traseira de cada célula confronte um plano traseiro 648 e os plugues elétricos da célula contatem as conexões de energia da célula 621-625 através do plano traseiro 648. O plano traseiro 68 pode ser fabricado de qualquer material não-condutivo apropriado, tal como um material laminado não-condutivo de alta resistência, e proporciona uma barreira entre células individuais e outros aspectos do sistema.

[0035] A estrutura de suporte é configurada para proporcionar uma pluralidade de sítios de célula 650, cada um dos quais pode receber uma célula intercambiável (tal como 510 na figura 5) que é, quer uma célula regenerativa quer uma célula não-regenerativa. Desta maneira, um único sistema de célula de energia pode incluir todas as células regenerativas, todas as células não-regenerativas, ou alguma mistura de células regenerativas e células não-regenerativas dependendo do grau desejado de frenagem. Uma célula 510 pode ser dimensionada para deslizar para o interior de um sítio de célula 650 ao longo dos trilhos de suporte 646, e os plugues de energia de células então se engatarão com as conexões de energia de célula 621-625. OpcionalmenPetição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 15/23

11/11 te, conexões adicionais tais como bandejas de fios 630 podem ser previstas para acomodar fios de controle que são dirigidos para e a partir das células. Também, de forma opcional, uma ou mais barras de controle de energia secundárias 628 podem ser previstas para a direção de corrente para e a partir de cada célula. A figura 7 ilustra a estrutura de suporte típica 644 com uma célula de energia 510 posicionada em um dos sítios de célula.

[0036] Ainda outras modalidades se evidenciarão facilmente àqueles versados na técnica da leitura da descrição detalhada e exposta acima e dos desenhos de determinadas modalidades típicas. Deve ser entendido que numerosas variações, modificações e modalidades devem ser consideradas como se enquadrando dentro do espírito e âmbito do presente pedido.

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 16/23

1/3

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Sistema de célula de energia que compreende, uma estrutura de suporte (644) compreendendo uma pluralidade de sítios de célula (650);

pelo menos uma célula de energia regenerativa (510; 360), cada célula de energia regenerativa compreendendo, uma ponte inversora (364), um conjunto capacitor (366) eletricamente conectado através dos terminais da ponte inversora (364), e uma extremidade frontal ativa (362) compreendendo um conversor de quatro quadrantes eletricamente conectados como uma ponte trifásica; e pelo menos uma célula de energia não-regenerativa (510, 110), cada célula de energia não-regenerativa (510, 110) compreendendo, uma ponte inversora (116), um conjunto capacitor (114) eletricamente conectado através dos terminais da ponte inversora (116), e um retificador em ponte trifásico (112) eletricamente conectado através dos terminais, caracterizado pelo fato de que os sítios de célula (650) e células de energia (510; 360; 510; 110) são dimensionados e posicionados de forma que cada sítio de célula (650) possa intercambiavelmente aceitar quer uma célula de energia regenerativa (510; 360) quer uma célula de energia não-regenerativa (510, 110).
2. Sistema de célula de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que uma pluralidade de trilhos de suporte e um painel traseiros (648) são conectados para prover a pluralidade de sítio de célula (650).
3. Sistema de célula de energia, de acordo com qualquer

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 17/23

2/3 uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada sítio de célula compreende, uma pluralidade de trilhos de suporte (630), um barramento distribuidor de energia posicionado para conectar-se eletricamente com um barramento de entrada de uma célula de energia que está no sítio de célula (650); e um barramento de saída de energia posicionado para conectar-se eletricamente com um barramento de entrada da célula de energia que está no sítio de célula (650).
4. Sistema de célula de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que um retificador em ponte trifásico é um um retificador em ponte de diodos trifásico e cada célula de energia não-regenerativa compreende uma combinação de transistores e resistores em série que é eletricamente conectada através dos terminais.
5. Sistema de célula de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que cada célula de energia compreende uma chassi (512) e cada chassi no sistema tem o mesmo tamanho e forma como os outros chassis no sistema.
6. Sistema de célula de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende uma bandeja de fios (630) que apoia fios de controle para cada célula de energia.
7. Sistema de célula de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que as células de energia (510; 360; 110) apresentam uma entrada (118) trifásica de corrente alternada e uma saída (120) monofásica de corrente alternada.
8. Sistema de célula de energia, de acordo com a reivindiPetição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 18/23

3/3 cação 7, caracterizado pelo fato de que é empregado em um acionamento de frequência variável de média tensão.
9. Sistema de célula de energia, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a tensão é maior do que 690 V e menor do que 69 kV.
10. Sistema de célula de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que as células de energia acionam uma carga.
11. Sistema de célula de energia, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o número de células de energia regenerativa e não-regenerativa depende do grau de frenagem desejado da carga.

Petição 870170086613, de 09/11/2017, pág. 19/23

110

1/7

Técnica Anterior

118-^ í o— Ϊ J ► ί i 1---- ΐ 1- . t 1 1— í □ JK Entrada de célula ^0—5=8o—cza— [ J Ϊ À k + ' I J 5 -o

Saída de célula

120