BRPI0616123A2

BRPI0616123A2 - sistema e método para reduzir efeitos harmÈnicos em um sistema de distribuição de energia

Info

Publication number: BRPI0616123A2
Application number: BRPI0616123-5A
Authority: BR
Inventors: Bousfield John Channing Iii; Osman Richard
Original assignee: Siemens Energy & Automat
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2011-06-07
Also published as: RU2008113852A; EP1929614A2; KR20080055893A; WO2007030833A3; CN101263646B; CA2620498C; US7428158B2; CN101263646A; KR101004627B1; EP1929614B1; US20070058405A1; WO2007030833A2; BRPI0616123B1; CA2620498A1; RU2388133C2

Abstract

SISTEMA E MéTODO PARA REDUZIR EFEITOS HARMÈNICOS EM UM SISTEMA DE DISTRIBUIçãO DE ENERGIA. A presente invenção refere-se a um sistema de distribuição de energia, e um método para operá-lo que inclui uma pluralidade de células de energia que são conectadas a uma máquina de múltiplos enrolamentos com- preendendo um ou mais enrolamentos primários e uma pluralidade de enrolamentos secundários de tal forma que cada célula seja eletricamente conectada a um dos enrolamentos secundários e uma pluralidade dos enrolamen- tos secundários são defasados em relação aos enrolamentos primários, em que cada célula inclui uma pluralidade de dispositivos de chaveamento. O método inclui determinar para cada célula em um conjunto de células de energia, um ângulo de deslocamento de portador, e sincronizar, para cada célula no conjunto, um sinal portador à voltagem secundária para a célula baseado no ângulo de deslocamento de portador determinado para a célula. O sinal portador para cada célula controla a regulação de operação dos dis- positivos de chaveamento dentro da célula.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA EMÉTODO PARA REDUZIR EFEITOS HARMÔNICOS EM UM SISTEMA DEDISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA".

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido de patente reivindica prioridade ao Pedido Provisó-rio de Patente US No. 60/715,781 pendente, entitulado "Sistema e métodopara minimizar harmônicas ao suprimento de energia CA-CA controlado ati-vamente, arquivado em 9 de Setembro de 2005, e o incorpora como referên-cia em sua inteireza.

DECLARAÇÃO REFERENTE À PESQUISA FINANCIADA A NÍ-VEL FEDERAL Não aplicável.

NOMES DAS PARTES PARA UM ACORDO DE PESQUISACONJUNTA Não aplicável.

INCORPORAÇÃO COMO REFERÊNCIA DE MATERIAL EMDISCO Não aplicável.ANTECEDENTES

Um suprimento de energia para controlar o fluxo de energia en-tre um primeiro sistema de corrente alternada (CA) e um segundo sistemade CA é requerido em uma variedade de aplicações comerciais e industriais,tais como o controle de operação de motor de CA. Alguns de tais suprimen-tos de energia convertem a energia de uma primeira freqüência e voltagempara uma segunda freqüência e voltagem. Uma maneira de implementar umtal sistema é com um acionamento contendo uma ou mais células de energiaque incluem dois conversores de estado sólido com uma ligação de correntedireta (CC) intermediária. A célula de energia é um dispositivo elétrico quetem uma entrada de corrente trifásica alternada e uma saída de corrente al-ternada monofásica. Um tal sistema é descrito na Patente US No. 5,625,545para Hammond, cuja descrição é incorporada aqui como referência em sua inteireza.

As células de energia podem ser tanto não regenerativas quantoregenerativas. Células não regenerativas podem acionar um motor mas nãopodem controlar o fluxo de corrente para frear um motor absorvendo energiaregenerativa. As células regenerativas tem a capacidade de absorver ener-gia regenerativa e opcionalmente retorná-la para a fonte, assim, permitindo àcélula participar na frenagem do motor. Recentemente, tem sido desenvolvi-das células de energia que usam dispositivos de chaveamento, tais comotransistores bipolares de porta isolada (IGBTs) para permitir a célula a ajudartanto acionando quanto freando um motor. Por exemplo, referindo-se à figu-ra 1 aqui, uma célula de energia 160 inclui uma extremidade frontal ativa 162que serve como uma ponte trifásica enquanto ela recebe energia de enrola-mentos secundários trifásicos dedicados do transformador via uma descargade fluido 142. A célula 160 também inclui uma pluralidade de chaveamentosde entrada 170 - 175, as quais podem ser dispositivos bidirecionais de con-trolar corrente tais como os IGBTs e outros transistores, tiristores, ou outrosdispositivos de chaveamento. Embora sejam ilustrados na figura 1 seis tran-sistores em um formato de ponte - neste exemplo, três pares de dois transis-tores cada conectados em paralelo através dos terminais de CC, outros nú-meros e tipos de chaveamentos podem ser usados. Os chaveamentos deentrada controlam a voltagem do barramento de CC na célula. Uma seçãode filtro de CC 166 inclui um ou mais capacitores 168. O restante da célulapode incluir um estágio de saída 164 tal como um inversor de ponte-H feitode quatro chaveamentos de saída 131 -134, cada um conectado através dasaída ou terminais de CC da extremidade frontal ativa 162 e o filtro de CC166, para distribuir energia de CA para a saída 144.

Um circuito incluindo células de energia tais como 160 na figura1, quando conectadas a uma carga tal como um motor, pode prover energiadesde uma fonte de entrada ao motor quando operando no modo de motori-zação. Quando são usadas seções conversoras de entrada 162 tais comoaquelas mostradas na figura 1, os eventos de chaveamento de acionamentopodem produzir correntes harmônicas. Correntes harmônicas podem tam-bém serem produzidas quando uma seção inversora de fase única é conec-tada a um motor. As harmônicas podem ser compostas quando células múl-tiplas têm chaveamentos que operam ao mesmo tempo.

A Patente US No. 5,625,545 descreve que um transformador demúltiplos enrolamentos pode ser usado para reduzir correntes harmônicascriadas por uma célula de energia unidirecional, ou não regenerativa. Noentanto, este método nem sempre pode reduzir harmônicas nas células deenergia não regenerativas a um nível desejado. Outros métodos tais comousar um relógio mestre para gerar portadores sincronizados e aplicar os por-tadores aos conversores múltiplos conectados a um transformador que temenrolamentos secundários não defasados, não foram inteiramente efetivos, epode aumentar a complexidade e custo do acionamento.

A descrição contida aqui descreve tentativas para reduzir har-mônicas criadas pela operação de uma célula de energia que tem dispositi-vos de chaveamento bidirecionais.

SUMÁRIO

Em uma modalidade, um método de controlar um sistema dedistribuição de energia inclui operar um sistema compreendendo uma plura-Iidade de células de energia que são conectadas eletricamente a um primei-ro transformador compreendendo um ou mais enrolamentos primários e umapluralidade de enrolamentos secundários de tal forma que cada célula estejaeletricamente conectada a um dos enrolamentos secundários e uma plurali-dade dos enrolamentos secundários são defasados em relação aos enrola-mentos primários. Cada célula inclui uma pluralidade de dispositivos de cha-veamento. O método pode incluir controlar a sincronização de ativação dosdispositivos de chaveamento dentro de cada célula de forma que uma fre-qüência efetiva da ativação para todas as células como refletida ao primárioseja pelo menos três vezes maior do que a freqüência de chaveamento dequalquer célula individual. O controle pode não requerer o uso de um sinalde relógio de sincronizar em algumas modalidades. Por exemplo, o controlepode incluir determinar um ângulo de deslocamento da portador, passar oângulo de deslocamento do portador para a primeira célula de energia, esincronizar, pela primeira célula de energia, um sinal portador à primeira vol-tagem secundária baseado no ângulo de deslocamento do portador. O mé-todo pode incluir também sincronizar, por cada célula adicional no sistema,um sinal adicional de portador a uma voltagem secundária para cada célulaindividual. Os sinais da portador para cada célula podem ser interdigitadosde forma que eles estejam distribuídos substancialmente uniformementequando refletidos em direção aos enrolamentos primários do transformadorde fonte. O sinal portador pode também controlar a regulação de implemen-tação de comandos que controlam os dispositivos de chaveamento, tais co-mo os dispositivos de chaveamento que são parte de uma parte de conver-sor CA para CC da célula. Quando uma pluralidade das células determinaque comandos de chaveamento devem ser implementados, o ângulo de des-locamento do portador para cada célula pode garantir que os comandos se-jam efetivamente interdigitados como refletido ao primário do transformador.Um comando pode ser implementado pela primeira célula de energia a umafreqüência substancialmente igual a um múltiplo de uma freqüência funda-mental. O ângulo de deslocamento do portador pode representar uma rela-ção de fase entre o sinal portador da primeira célula e a primeira voltagemsecundária.

Opcionalmente, o método pode também incluir operar um se-gundo sistema compreendendo um segundo transformador e uma segundapluralidade de células de energia, em que o segundo transformador compre-ende um ou mais enrolamentos primários e uma pluralidade de enrolamen-tos secundários, os enrolamentos primários do segundo transformador sãoconectados eletricamente aos enrolamentos primários do transformador defonte em um ponto comum, e cada célula de energia no segundo sistemagera um sinal portador. Os sinais portadores para cada uma das células nosegundo sistema são interdigitados de forma que eles são distribuídos subs-tancialmente uniformemente quando refletidos em direção aos enrolamentosprimários do transformador secundário.

Em uma modalidade alternativa um método para operar um sis-tema de distribuição de energia, inclui operar um sistema compreendendouma pluralidade de células de energia que são conectadas eletricamente aum primeiro transformador compreendendo um ou mais enrolamentos primá-rios e uma pluralidade de enrolamentos secundários de tal forma que cadacélula esteja eletricamente conectada a um dos enrolamentos secundários euma pluralidade dos enrolamentos secundários são defasados em relaçãoaos enrolamentos primários. Cada uma das células inclui uma pluralidade dedispositivos de chaveamento. Um primeiro enrolamento secundário é conec-tado eletricamente para distribuir energia a uma primeira célula de energia.

O método pode incluir determinar um ângulo de deslocamento de portador;passar o primeiro ângulo de deslocamento de portador para a primeira célulade energia, e sincronizar, pela primeira célula de energia, um sinal portadorà primeira voltagem secundária baseado no primeiro ângulo de deslocamen-to de portador. O método pode também incluir, para uma segunda célula queé conectada a um segundo enrolamento secundário do transformador défonte, em que o segundo enrolamento secundário tem uma voltagem queestá defasada em relação à voltagem do primeiro enrolamento secundáriosincronizando um segundo sinal portador à segunda voltagem secundáriausando um segundo ângulo de deslocamento de portador. Os sinais porta-dores para cada célula que é conectada eletricamente ao transformador defonte podem ser interdigitados de forma que eles sejam distribuídos subs-tancialmente uniformemente quando refletidos em direção aos enrolamentosprimários do transformador de fonte. Os sinais portadores também controlama regulação de implementação de comandos que controlam os dispositivosde chaveamento, e a sincronização controla a regulação de ativação dosdispositivos de chaveamento dentro de cada célula de forma que uma fre-qüência efetiva de ativação para cada uma das células enquanto refletida aoprimário é pelo menos três vezes maior do que a freqüência de chaveamen-to de qualquer célula individual. Os dispositivos de chaveamento podem serparte de uma parte de conversor CA para CC de cada célula. Quando múlti-plas células determinam que comandos de chaveamento devem ser imple-mentados, os comandos podem ser efetivamente interdigitados como refleti-dos ao primário do transformador. Um comando pode ser implementado pelaprimeira célula de energia a uma freqüência substancialmente igual a ummúltiplo de uma freqüência fundamental. O ângulo de deslocamento de por-tador representa uma relação de fase entre o sinal portador da primeira célu-la e a primeira voltagem secundária.Em uma modalidade alternativa, um método de operar um sis-tema de distribuição de energia, inclui operar um sistema compreendendouma pluralidade de células de energia que são conectadas eletricamente auma máquina de múltiplos enrolamentos compreendendo um ou mais enro-lamentos primários e uma pluralidade de enrolamentos secundários de talforma que cada célula seja eletricamente conectada a um dos enrolamentossecundários e uma pluralidade dos enrolamentos secundários sejam defa-sados em relação aos enrolamentos primários. O método inclui determinar,para cada célula em um conjunto das células de energia, um ângulo de des-locamento de portador, e sincronizar, por cada célula no conjunto, um sinalportador à voltagem secundária para a célula baseado no ângulo de deslo-camento de portador determinado para a célula. O sinal portador para cadacélula controla a regulação de operação dos dispositivos de chaveamentodentro da célula. Uma freqüência de chaveamento para todas as células po-de ser ao menos três vezes maior do que a freqüência de chaveamento parao sinal portador de qualquer célula individual.BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

A figura 1 é um diagrama de circuito mostrando característicasexemplificativas de uma célula de energia que tem dispositivos de chavea-mento bidirecional.

A figura 2 esboça um circuito compreendendo uma pluralidadede células de energia conectadas a uma carga.

A figura 3 ilustra um sinal de controle exemplificativo e um sinalportador para controlar uma célula de energia.

A figura 4 é um diagrama de fluxo de processo descrevendo ummétodo exemplificativo de sincronização de ângulo de fase de voltagem decélula.

A figura 5 é uma ilustração de uma distribuição de sinal portadorexemplificativo como refletido a um primário de transformador.

A figura 6 ilustra um traço exemplificativo de uma fase de volta-gem e corrente distribuída a uma carga.

A figura 7 ilustra um traço exemplificativo de uma corrente de-pois da aplicação dos métodos de sincronização de portador.

A figura 8 ilustra um traço exemplificativo de uma voltagem de-pois da aplicação dos métodos de sincronização de portador.

DESCRIÇÃO DETALHADA

Antes que os presentes métodos, sistemas, e materiais sejamdescritos, deve ser entendido que esta descrição não está limitada às meto-dologias, sistemas e materiais descritos, já que estes podem variar. Devetambém ser entendido que a terminologia usada na descrição é somentepara o propósito de descrever as modalidades particulares, e não tencionadoque limite o âmbito. Por exemplo, como usado aqui e nas reivindicações a -nexas, as formas singulares "um(a/ns)", "um (a/ns)", e "o (a/s)" incluem refe-rências plurais a menos que o contexto dite claramente de outra forma. Ain-da mais, as palavras "compreendendo" significa "incluindo mas não limitadoa". A menos que definido de outra forma, todos os termos técnicos e científi-cos usados aqui tem os mesmos significados como comumente entendidospor alguém versado na técnica.

Em várias modalidades, um circuito de energia de múltiplos ní-veis inclui uma pluralidade de células de energia para acionar uma carga. Afigura 2 ilustra uma modalidade exemplificativa de um circuito que tem taiscélulas de energia. Na figura 2 uma máquina de enrolamentos múltiplos co-mo uma fonte ou transformador de entrada 210 distribui energia trifásica devoltagem média a uma carga 230 tal como um motor de indução trifásico pormeio de um conjunto de inversores monofásicos (também referidos comocélulas de energia). Como usado aqui, o termo "transformador" é tencionadoincluir qualquer

máquina de enrolamentos múltiplos que está normalmente no lado de supri-mento do sistema. O transformador 210 inclui enrolamentos primários 212que existam um grande número de enrolamentos secundários 214 - 225.Embora o enrolamento primário 212 é ilustrado como tendo uma configura-ção estrela, uma configuração em malha é também possível. Ainda mais,embora os enrolamentos secundários 214 - 225 sejam ilustrados como tendouma configuração em malha são possíveis enrolamentos secundários confi-gurados em estrela, ou podem ser usados uma combinação de enrolamen-tos em estrela e em malha. Ainda mais, o número de enrolamentos secundá-rios ilustrados na figura 2 é meramente exemplificativo, e outros números deenrolamentos secundários, são possíveis. O circuito pode ser usado paraaplicações de média voltagem ou em algumas modalidades, outras aplica-ções. Como usado aqui, meios de média voltagem significa voltagem nomi-nal maior do que 690 volts (v) e menor do que 69 quilovolts (kV). Em algu-mas modalidades, média voltagem pode incluir voltagens entre aproxima-damente 1000 V e aproximadamente 69 kV. Na modalidade descrita aqui,cada enrolamento secundário é defasado do primário e de outros enrola-mentos secundários por uma determinada quantidade baseado nas configu-rações dos enrolamentos. Ângulos de deslocamento de fase exemplificativospodem ser aproximadamente 0o, +30°, O0 e - 30°. Outros deslocamentos defase são possíveis.

Qualquer número de conjuntos trifásicos de células de energiapodem ser conectadas entre o transformador 210 e a carga 230. As célulasde energia tais como aquelas tendo uma configuração daquela mostrada nafigura 1, ou células de energia podem incluir células que tem uma ou maisde outras configurações. Referindo-se à figura 2, o sistema pode incluir umprimeiro conjunto ou "fileira" de células de energia 251 - 253 através do trifá-sico da carga, uma segunda fileira de células de energia 261 - 263, uma ter-ceira fileira de células de energia 271 - 273, e uma quarta fileira de célulasde energia 281 - 283. Menos do que quatro conjuntos ou fileiras, ou mais doque quatro conjuntos ou fileiras, são possíveis. Um sistema de controle cen-tral 295 envia sinais de comando a um controlador local 292 e/ou controlesde níveis de células em cada célula através de fibras óticas ou outro meio decomunicação com fio ou sem fio 290.

Referindo-se às figuras 1 e 2, é distribuída corrente contínua àseção de filtro de CC 166, e é distribuída corrente alternada à saída 144 deuma célula, baseado nos sinais de controle que os transistores 131 - 134 e170 - 175 recebem do controlador de modulação local 292. O controlador292 seleciona quais transistores serão DESLIGADOS ou LIGADOS, assimmodulando a energia que é distribuída à saída 144. Opcionalmente circuitosde comunicação como ligações de controle de modulador de fibra-ótica 290pode ser usado para isolar eletricamente todos os circuitos em qualquer cé-lula de todos os circuitos em qualquer outra célula, e reduzir efeitos de inter-ferência eletromagnética que podem ser impostas entre o controlador local292 e o controlador de modulação mestre 295. O controlador de modulaçãolocal 292 pode receber energia desde uma fonte de energia de controle locala qual pode estar conectada à entrada de circuito do enrolamento secundário.

A figura 3 mostra uma possível maneira de usar um sinal porta-dor para controlar uma célula de energia tal como um aparelho de conmoda-lidade de energia CA/CC descrito aquisto ém geral um sinal de controle podeser gerado para cada linha de saída de energia. Ainda mais, cada célula po-de incluir circuitos que geram um sinal portador, tal como, por exemplo, umsinal triangular, que tem uma relação de fase fixada à voltagem que o porta-dor recebe de seu enrolamento secundário transformado eletricamente co-nectado. Referindo-se à figura 2 na arquitetura deste exemplo, cada linha desaída de energia, A, B, C tem quatro células de energia conectadas em sé-rie, por exemplo, A1, A2, A3 e A4. A saída de cada célula de energia podeser somada para produzir um sinal de linha de saída de energia composto.Adicionalmente, os sinais de linha de saída de energia compostos,para cadauma das linhas de saída de energia A, B, C, respectivamente podem sersomados para produzir sinal de linha de saída total composto que pode sersuprido à carga.

Na figura 3, um sinal de controle 310 para uma linha de saída deenergia oscila a uma freqüência igual à freqüência fundamental ou substan-cialmente igual a ela do primário do transformador, tal como 50 hertz (Hz) ou60 Hz, por exemplo. O sinal de controle 310 é comparado com um sinal por-tador triangular, mostrado em 320, oscilando à freqüência de chaveamentoprá-selecionada, tal como, por exemplo, 1 quilohertz (kHz). Um sinal porta-dor 320 é uma forma de onda de formato triangular que tem uma freqüênciaque é um múltiplo, e preferêncialmente um múltiplo inteiro ímpar, da fre-qüência fundamental do controle 310. O sinal portador controla quando co-mandos são operados pela célula de energia, e assim o sinal portador con-trola o chaveamento dos dispositivos dentro de cada célula. Por exemplo, acada momento que o sinal portador 320 e o sinal de controle 310 se inter- ceptam, pode ser operado um comando para operar um ou mais dispositivosde chaveamento dentro da célula. Referindo-se à figura 1, os dispositivos dechaveamento que são operados pelos comandos podem ser dispositivos170 - 175 tais como aqueles na extremidade frontal ativa 162 (isto é, partedo conversor de CA para CC ) da célula. O comando efetivo (isto é, os cha- veamentos selecionados para operação) pode depender da voltagem distri-buída desde o transformador fonte, sinais recebidos do sistema de controle,e/ou outros fatores.

Cada sinal portador dentro de uma célula de energia é defasadode uma certa quantidade com respeito tanto a o seu correspondente secun-dário de transformador quanto a outros sinais portadores para as outras cé-lulas de energia no sistema. O deslocamento de fase pode ser dependentedo número de células no acionamento, a posição da célula no acionamento,e o deslocamento de fase relativo entre a voltagem de enrolamento secun-dário correspondente e a voltagem primária. O deslocamento de fase de ca-da sinal portador permite a interdigitação dos sinais portadores quando vis-tosdesde o lado primário do transformador de fonte, como pode ser visto,por exemplo, figura 5, que mostra sinais portadores múltiplos interdigitados,incluindo 510, 520 e 530, como refletidos ao enrolamento primário do trans-formador de fonte. Como visto na figura 5 os sinais são substancialmentedistribuídos uniformemente, de forma que nenhum dos sinais se sobrepõe ea distância entre os picos é substancialmente consistente através de todosos sinais portadores.

Um resultado de tal deslocamento de fase pode ser que o com-ponente de freqüência de chaveamento efetivo nos enrolamentos primáriosdo transformador fonte será aumentado por pelo menos três vezes (isto é,onde a sincronização é feita por pelo menos três células no sistema), até porvolta de N* fc onde N é o número de células de energia efcéa freqüênciaportadora dentro de uma célula individual. Em geral, cada sinal portador decélula terá substancialmente a mesma freqüência portadora como os outrossinais portadores de célula.

Referindo-se à figura 4, em um método para reduzir harmônicasde corrente um controlador de modulação local ou outro dispositivo podemonitorar ou receber 410 a voltagem primária de fonte de entrada (isto e, avoltagem de enrolamento primário de transformador). Como indicado na figu-ra 2, cada célula 251 - 283 é eletricamente conectada ao enrolamento se-cundário 214 - 225 do transformador fonte 210. Retornando à figura 4, ascélulas monitoram ou recebem 412 a voltagem secundária e passam 414 avoltagem para o controlador de modulação local, onde o controle calcula umângulo de deslocamento de portador 416, usando os dados de fase primáriado transformador, dados de fase secundária do transformador, o número decélulas no acionamento, e um parâmetro de deslocamento de portador deacionamento. Pode ser usado qualquer método adequado de determinar umdeslocamento de fase entre os sinais portadores de célula para um circuitode energia ou acionamento que tem um transformador de múltiplos enrola-mentos com enrolamentos secundários defasados.

Como observado acima, e como ilustrado na figura 2, um porta-dor 320 é uma forma de onda no formato triangular com uma freqüência queé um múltiplo inteiro da freqüência fundamental 310. Em algumas modalida-des, o portador para cada célula de energia pode ser descrito como tendosido construído desde a fórmula 2*arcoseno(seno(2c + 2c0))/B, e o valor dedeslocamento de fase 20 (330 na figura 3) representa um valor para cadacélula que interdigitará os portadores para todas as células no sistema, talcomo ilustrado na figura 5. Os valores listados acima podem ser entendidosainda mais considerando:

Tc = Hn · Tf Esta é a freqüência do portador que é bloqueadopelo circuito bloqueador de fase dentro da célula a um múltiplo inteiro da fre-qüência fundamental e um ângulo de fase predeterminado 2co·

2c = í Tc dt Este é o ângulo do portador como uma função dotempo.2co = 2Cr + Hn · 20 Este é o ângulo de referência do portador a-justado por outro ângulo 20 tal que o portador quando refletido ao primário dotransformador é interdigitado entre os portadores das outras células.

20 = (2v · Hn - (2B/N · (Trunc(R/3) + P + 2R) módulo 2B)/ Hn nes-5 ta equação, dado N células numeradas OaN-Ie um valor 2v para cada cé-lula, 20 é determinado como um ângulo que interdigitará os portadores paratodas as células no circuito.

Nas equações listadas acima:

2c = ângulo do portador (em radianos)

10 , 2Co = deslocamento do portador na estrutura de referência de

portador

2Cr = ângulo de referência de portador (que pode ser um valorconstante arbitrário que é igual em todas as células).

20 = deslocamento de portador na estrutura de referência funda-

mental

2v = diferença entre ângulo de voltagem primária e secundária(ou, em uma modalidade alternativa, uma relação de fase entre a voltagemsecundária e uma forma de onda de referência selecionada, tal como outravoltagem secundária).

2r = deslocamento de portador de partida na estrutura de refe-

rência fundamental para toda a unidade de acionamento

Hn = multiplicador de freqüência fundamental para portador(qualquer valor inteiro).

Tc = freqüência portadora (em radianos por segundo)

Tf = freqüência fundamental (em radianos por segundo)

N = número total de células por fase de saídaR = localização de célula numerada de 0 a N-1P = fase de saída que contém a célula (-2B/3 para A, 0 para B1 e2B/3 para C)

O valor necessário para interdigitar os portadores pode ser cal-

culado de muitas maneiras diferentes, e os cálculos podem variar em umabase de célula a célula. O ângulo de deslocamento de portador representauma relação de fase fixa entre o sinal portador de uma célula e a voltagemsecundária de transformador provida na célula. Os cálculos acima represen-tam um exemplo, e a invenção descrita aqui não está limitada ao cálculo a-cima. Qualquer outro método de calcular um ângulo de deslocamento deportador em uma estrutura de referência fundamental pode ser usado. Ocálculo exemplificativo requer uma célula que pode manter o portador sin-cronizado à sua voltagem fundamental secundária a um ângulo relativo a talvoltagem, e um método de determinar a diferença entre a voltagem primáriae cada voltagem secundária das células. Quaisquer métodos de cálculo ago-ra ou daqui em diante conhecidos podem ser usados.

Nos métodos descritos acima, embora um relógio mestre possaser usado para determinar um valor de deslocamento inicial, o relógio mestrenecessita não ser usado quando realizando sincronização, já que o sistemadeterminou um conjunto de relação de fase para cada sinal portador para ofundamental. Assim, um sinal de relógio de sincronização não é requeridodepois que o deslocamento inicial é determinado.

O controlador pode então passar 418 o ângulo de deslocamentode portador para a célula apropriada com um ângulo de fase deslocado emrelação à voltagem de linha fundamental que resulta no sinal portador sendointerdigitado com outros sinais portadores distribuídos para outras células. Oângulo de deslocamento de portador pode ser enviado à célula como umsinal de sincronização que representa a relação de ângulo de fase entre avoltagem de entrada (isto é, a voltagem da fonte ou primária do transforma-dor) e a voltagem secundária efetiva em cada célula. O sinal de sincroniza-ção pode ser parte do portador (PWM) ou ele pode ser enviado como umsinal separado. A célula então sincroniza 420 ser sinal portador para o sinalsecundário usando o ângulo de deslocamento que ele recebe do controlador.

A figura 5 ilustra como múltiplos sinais portadores 510, 520, 530etc. para múltiplas células podem ser interdigitadas com cada outra de umamaneira sincronizada a um sinal de referência 550, como refletida aos enro-Iamentos primários do transformador fonte. Cada célula pode ter seu própriosinal de referência, e os sinais de referência para cada célula serão simila-res, mas não necessariamente os mesmos. O sinal portador em cada céluladeterminará quando o comando de chaveamento ocorre dentro daquela cé-lula. Como mostrado na figura 5, já que cada sinal portador é defasado dossinais portadores de outras células por uma quantidade predeterminada (20),o efeito dos comandos de chaveamento para cada célula como refletidas aoprimário do transformador serão espaçados por um período de tempo base-ado no valor 20, ou o espaçamento da interdigitação. Assim, ao invés de to-das as células implementarem efetivamente a mesma operação de chavea-mento ao mesmo tempo (o que causaria uma grande perturbação harmôni-ca), o efeito das operações de chaveamento no primário do transformadorocorre em seqüência rápida no deslocamento substancialmente uniformedos sinais portadores. Adicionalmente, já que a freqüência efetiva dos sinaisportadores vista no primário de transformador fonte é relativamente alta (talcomo na ordem de aproximadamente (fc. N), as harmônicas podem ser sua-vizadas ainda mais, já que a própria impedância do transformador fonte po-de filtrar algumas ou todas as altas freqüências harmônicas.

Em algumas modalidades, múltiplos acionamentos podem serconectados a um único transformador ou a um grupo de transformadorescompartilhando uma voltagem primária comum. Em tal situação, acionamen-tos múltiplos podem ter seus sinais portadores interdigitados ajustando oângulo de deslocamento de portador de acionamento (2r) para cada acio-namento e fixando cada acionamento para a mesma freqüência de portador.

Nas modalidades providas aqui, a interdigitação dos sinais por-tadores pode aumentar a freqüência das harmônicas de voltagem e reduziros picos das harmônicas de voltagem, o que por sua vez pode reduzir har-mônicas de corrente. Por exemplo, a figura 6 ilustra um traço exemplificativode uma fase de voltagem 610 e corrente 620 distribuída a uma carga de umacionamento que tem vinte e uma células de energia regenerativas usandoum transformador fonte para 7200 volts nominal de primário e 600 volts no-minal secundário. Nos dados mostrados na figura 6 embora o transformadorfonte tenha secundários defasados, a dessincronização (isto é, o desloca-mento dos sinais portadores por um deslocamento) não foi realizado, e avoltagem e corrente harmônicas são obvias nos traços. As figuras 7 e 8 mos-tram traços de corrente 720 e voltagem 810 no mesmo circuito depois daaplicação dos métodos de sincronização tais como aqueles descritos aqui.

Em algumas modalidades, interdigitação dos eventos de chave-amento podem ocorrer usando outros métodos conhecidos além de ajustede um sinal portador. Por exemplo, se é usado modulação de vetor espacialao invés de métodos triangulares de sincronização como descrito aqui, ométodo ainda pode incluir interdigitar a regulação efetiva dos eventos dechaveamento como refletidos ao primário.

Ainda outras modalidades se tornarão prontamente claras a a-queles versados na técnica pela leitura da descrição detalhada acima recita-da e desenhos de certas modalidades exemplificativas. Deve ser entendidoque númerosas variações, modificações, e modalidades adicionais são pos-síveis, e correspondentemente, todas tais variações, modificações e modali-dades são para serem consideradas como estando dentro do espírito e âm-bito deste pedido.

Claims

1. Método de controlar um sistema de distribuição de energia,compreendendo:operar um sistema compreendendo uma pluralidade de célulasde energia que são conectadas a um primeiro transformador compreenden-do um ou mais enrolamentos primários e uma pluralidade de enrolamentossecundários de tal forma que cada célula esteja eletricamente conectada aum dos enrolamentos secundários e uma pluralidade dos enrolamentos se-cundários são defasados em relação aos enrolamentos primários, em quecada célula inclui uma pluralidade de dispositivos de chaveamento; econtrolar a sincronização de ativação dos dispositivos de chave-amento dentro de cada célula de forma que uma freqüência efetiva da ativa-ção para todas as células como refletida ao primário seja pelo menos trêsvezes maior do que a freqüência de chaveamento de qualquer célula indivi-dual.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o controlenão requer o uso de um sinal de relógio de sincronização.

3. Método de acordo com a reivindicação 1, em que o controlecompreende:determinar um ângulo de deslocamento do portador;sincronizar, pela primeira célula de energia, um sinal portador àprimeira voltagem secundária baseado no ângulo de deslocamento do por-tador;

4. Método de acordo com a reivindicação 3, ainda compreen-dendo, sincronizar, por cada célula adicional no sistema, um sinal adicionalde portador a uma voltagem secundária para cada célula individual.

5. Método de acordo com a reivindicação 3, em que os sinais doportador para cada célula são interdigitados de forma que eles estejam dis-tribuídos substancialmente uniformemente quando refletidos em direção aosenrolamentos primários do transformador de fonte.

6. Método de acordo com a reivindicação 3, em que o sinal por-tador também controla a regulação de implementação de comandos quecontrolam os dispositivos de chaveamento.

7. Método de acordo com a reivindicação 6, em que os dispositi-vos de chaveamento são parte de uma parte de conversor CA para CC dacélula

8. Método de acordo com a reivindicação 6, em que quando umapluralidade das células determina que comandos de chaveamento devemser implementados, o ângulo de deslocamento do portador para cada célulagarante que os comandos sejam efetivamente interdigitados como refletidoao primário do transformador.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, em que:um comando é implementado pela primeira célula de energia auma freqüência substancialmente igual a um múltiplo de uma freqüênciafundamental.

10. Método de acordo com a reivindicação 3, em que o ângulode deslocamento do portador representa uma relação de fase entre o sinalportador da primeira célula e a primeira voltagem secundária.

11. Método de acordo com a reivindicação 3, ainda compreendendo:operar um segundo sistema compreendendo um segundo trans-formador e uma segunda pluralidade de células de energia, em que:o segundo transformador compreende um ou mais enrolamentosprimários e uma pluralidade de enrolamentos secundários;os enrolamentos primários do segundo transformador são co-nectados eletricamente aos enrolamentos primários do transformador defonte em um ponto comum; ecada célula de energia no segundo sistema gera um sinal portador;em que os sinais portadores para cada uma das células no se-gundo sistema são interdigitados de forma que eles são distribuídos subs-tancialmente uniformemente quando refletidos em direção aos enrolamentosprimários do transformador secundário.

12. Método de operar um sistema de distribuição de energia,compreendendooperar um sistema compreendendo uma pluralidade de célulasde energia que são conectadas eletricamente a um primeiro transformadorcompreendendo um ou mais enrolamentos primários e uma pluralidade deenrolamentos secundários de tal forma que cada célula esteja eletricamenteconectada a um dos enrolamentos secundários e uma pluralidade dos enro-lamentos secundários são defasados em relação aos enrolamentos primá-rios, em que cada célula inclui uma pluralidade de dispositivos de chavea-mento;em que um primeiro enrolamento secundário é conectado eletri-camente para distribuir energia a uma primeira célula de energia;determinar um ângulo de deslocamento do portador;passar o primeiro ângulo de deslocamento do portador para aprimeira célula de energia;sincronizar, pela primeira célula de energia, um sinal portador àprimeira voltagem secundária baseado no ângulo de deslocamento do por-tador; epara uma segunda célula que é conectada a um segundo enro-lamento secundário do transformador de fonte, em que o segundo enrola-mento secundário tem uma voltagem que está defasada em relação à volta-gem do primeiro enrolamento secundário sincronizando um segundo sinalportador à segunda voltagem secundária usando um segundo ângulo dedeslocamento de portador.

13. Método de acordo com a reivindicação 12, em que os sinaisportadores para cada célula que é conectada eletricamente ao transformadorde fonte são interdigitados de forma que eles estejam distribuídos substanci-almente uniformemente quando refletidos em direção aos enrolamentos pri-mários do transformador de fonte.

14. Método de acordo com a reivindicação 12, em que:o sinal portador também controla a regulação de implementaçãode comandos que controlam os dispositivos de chaveamento; ea sincronização controla a regulação da ativação dos dispositi-vos de chaveamento dentro de cada célula de forma que uma freqüênciaefetiva de ativação para cada uma das células enquanto refletida ao primárioé pelo menos três vezes maior do que a freqüência de chaveamento dequalquer célula individual.

15. Método de acordo com a reivindicação 14, em que os co-mandos controlam dispositivos de chaveamento que são parte de uma partede conversor CA para CC de cada célula.

16. Método de acordo com a reivindicação 14, em que quandouma pluralidade das células determina que comandos de chaveamento de-vem ser implementados, os comandos são efetivamente interdigitados comorefletidos ao primário do transformador.

17. Método de acordo com a reivindicação 14, em que:um comando é implementado pela primeira célula de energia auma freqüência substancialmente igual a um múltiplo de uma freqüênciafundamental.

18. Método de acordo com a reivindicação 12, em que o ângulode deslocamento do portador representa uma relação de fase entre o sinalportador da primeira célula e a primeira voltagem secundária.

19. Método de operar um sistema de distribuição de energia,compreendendooperar um sistema compreendendo uma pluralidade de célulasde energia que são conectadas eletricamente a uma máquina de múltiplosenrolamentos compreendendo um ou mais enrolamentos primários e umapluralidade de enrolamentos secundários de tal forma que cada célula estejaeletricamente conectada a um dos enrolamentos secundários e uma plurali-dade dos enrolamentos secundários são defasados em relação aos enrola-mentos primários;determinar para cada célula em um conjunto de células de ener-gia, um ângulo de deslocamento do portador;sincronizar, por cada célula no conjunto, um sinal portador à vol-tagem secundária para a célula baseado no ângulo de deslocamento do por-tador determinado para cada célula; eem que o sinal portador para cada célula controla a regulação deoperação dos dispositivos de chaveamento dentro da célula.

20. Método de acordo com a reivindicação 19, em que a fre-qüência de chaveamento para todas as células é menos três vezes maior doque a freqüência de chaveamento para o sinal portador de qualquer célulaindividual.

21. Sistema de distribuição de energia, compreendendo:uma pluralidade de células de energia que são conectadas ele-tricamente a um primeiro transformador compreendendo um ou mais enro-lamentos primários e uma pluralidade de enrolamentos secundários de talforma que cada célula esteja eletricamente conectada a um dos enrolamen-tos secundários e uma pluralidade dos enrolamentos secundários são defa-sados em relação aos enrolamentos primários; euma pluralidade de dispositivos de chaveamento incluídos den-tro de cada célula de energia é regulada, em que a regulação de ativaçãodos dispositivos de chaveamento dentro de cada uma das células de formaque uma freqüência efetiva da ativação para cada uma das células comorefletida ao primário é pelo menos três vezes maior do que a freqüência dechaveamento de cada célula individual.

22. Sistema de acordo com a reivindicação 21, em que um sinale relógio de sincronização não é requerido para ativação dos dispositivos dechaveamento.

23. Sistema de acordo com a reivindicação 21, em que a fre-qüência efetiva é determinada por um ângulo de deslocamento de portador,passando o ângulo de deslocamento de portador para a primeira célula deenergia, e sincronizando pela primeira célula de energia, um sinal portador àprimeira voltagem secundária baseada no ângulo de deslocamento de portador.

24. Sistema de acordo com a reivindicação 21, em que cada cé-lula inclui um sinal portador interdigitado de forma que eles sejam distribuí-dos substancialmente uniformemente quando refletido em direção aos enro-lamentos primários do transformador de fonte.