BRPI0708441A2

BRPI0708441A2 - modificador de derivação em carga hìbrido, e, método de operação do mesmo

Info

Publication number: BRPI0708441A2
Application number: BRPI0708441-2A
Authority: BR
Inventors: Donald Colin Murray Oates; Milan Saravolac
Original assignee: Areva T & D Sa
Priority date: 2006-03-08
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2011-06-07
Also published as: CA2645010C; CN101395555B; BRPI0708441B1; EP1991919A1; US20090230933A1; WO2007101849A1; DE602007007444D1; GB0604671D0; US8519682B2; GB2435943A; CA2645010A1; EP1991919B1; ES2348272T3; CN101395555A; ATE472766T1

Abstract

MODIFICADOR DE DERIVAçãO EM CARGA HìBRIDO, E, METODO DE OPERAçãO DO MESMO. Um modificador de derivação em carga híbrido (70), para uso transmissão de energia de corrente alternada de alta tensão, compreende um seletor (72) e um desviador (74) tendo duas pernas (80, 82) definindo respectivos percursos de corrente. Cada perna (80, 82) inclui um par (P 1, P2) de primeiro e segundo comutadores semicondutores opostos (84, 86). O modificador de derivação em carga híbrido (70) também inclui um controlador (76) configurado para comutar para um do primeiro ou segundo comutadores semicondutores (84, 86) de uma dada perna (80, 82) em um ponto predeterminado dentro do ciclo de corrente alternada de modo a comutar para desligamento um desejado comutador semicondutor (84, 86) na outra perna (80, 82).

Description

"MODIFICADOR DE DERIVAÇÃO EM CARGA HÍBRIDO, E, MÉTODODE OPERAÇÃO DO MESMO"

Esta invenção refere-se em particular, mas nãoexclusivamente, a um modificador de derivação em carga híbrido para uso emtransmissão de energia de corrente alternada de alta tensão, e um método deoperação de um tal modificador de derivação.

Transmissão de energia é caracterizada por níveis de tensão decorrente alternada (CA) em excesso de 200 kV juntamente com altos níveis desobre tensão e tensões e correntes transientes. Estas condições de operaçãocolocam demandas particulares às exigências de isolamento para oscomponentes usados em tal transmissão.

Um modificador de derivação é um dispositivo montado emum transformador para regular a tensão de saída do transformador para umnível requerido. Tal derivação é normalmente atingida por meio deseletivamente conectar para uma derivação particular do transformador,controlando assim o número de espiras na porção ativa do enrolamentoprimário ou secundário.

Um modificador de derivação em carga é projetado paraoperar quando da condução de corrente e requer que não exista interrupção nofluxo de corrente durante a mudança de derivações.

Um esquema simplificado de um convencional modificador dederivação é mostrado na figura 1. O convencional modificador de derivação10 inclui um primeiro seletor 12 e um primeiro desviador 18 conectado emsérie com um enrolamento primário 14 de um transformador 16. O primeiroseletor 12 e primeiro desviador 18 contam com isolamento a óleo para atingiros níveis de isolamento de contato-com-contato, requeridos para tensõesmáximas de transformador de energia.

O primeiro desviador 18 tem duas pernas 20, 22, cada dasquais define um respectivo percurso de corrente, e um primeiro comutadoreletromecânico 24. O primeiro comutador eletromecânico 24 seletivamenteconecta uma perna 20 ou a outra 22 com o enrolamento primário de modo aseletivamente conectar uma dada derivação, escolhida por meio do seletor, noenrolamento primário 14, regulando assim a tensão de saída do transformadorpara um nível requerido.

A fim de evitar uma interrupção do fluxo de corrente atravésdo enrolamento primário 14 durante uma mudança de derivações, o primeirocomutador eletromecânico 24 tem uma ação de "fecho antes de ruptura", pelaqual o comutador momentaneamente põe em derivação ambas as pernas 20,22, como mostrado na figura 1. Um alto nível de formação de arco ocorrequando uma tal derivação é feita ou interrompida.

A formação de arco conduz a uma degradação da propriedadede isolamento do óleo de isolamento no qual o primeiro desviador 18 écolocado. Isto resulta em uma necessidade de segregar óleo para o primeirodesviador a partir de óleo para o transformador principal e também anecessidade de substituir o óleo de desviador em uma base regular.

Uma variante deste arranjo usa um comutador a vácuo,mecanicamente operado, para conter a formação de arco e reduzir assim anecessidade de manutenção. Todavia, a inclusão de um comutador a vácuo,mecanicamente operado, adiciona complexidade, a qual, por sua vez, aumentao custo de capital de tal equipamento. Em adição, é necessário substituircomutadores a vácuo, mecanicamente operados, em intervalos regulares.

Em cada dos arranjos acima mencionados, o tempo requeridopara cada mudança de derivações é aproximadamente 5 segundos, dos quais aoperação do primeiro desviador 18 demora aproximadamente 150milisegundos. Como um resultado, um convencional modificador dederivação 10 levaria, por exemplo, mais que 2 minutos e 15 segundos pararealizar uma etapa de mudança prudente sobre uma faixa de derivação de -12 a +12.Comutadores semicondutores são atrativos em sua capacidadede operar rapidamente em seguida a um comando eletrônico bem definido, epara comutar para desligamento, isto é, desligamento, sem formação de arco.

A perda de energia e nível de correntes de sobre tensãopresentes em sistemas de transmissão de energia significa que é desejávelisolar tais comutadores semicondutores a partir de tais sistemas duranteoperação de estado estável usando, por exemplo, um comutadoreletromecânico.

Por conseguinte, é conhecido combinar comutadoressemicondutores com comutadores eletromecânicos para criar um assimchamado modificador de derivação de carga "híbrido", como mostrado nafigura 2.

O conhecido modificador de derivação em carga híbrido 30inclui um segundo seletor 32 e um segundo desviador 34 (indicado por meiodas linhas tracejadas) arranjado em série, por exemplo, no enrolamentoprimário 14 de um transformador 16. O conhecido modificador de derivaçãohíbrido 30 também inclui um primeiro controlador 36 para controlar aoperação do segundo desviador 34.

O segundo seletor 32 inclui um número de derivações 38, trêsno exemplo mostrado, e comutadores SI, S2, S3 para selecionar umaderivação particular 38. O segundo seletor 32 pode também incluir doissegundos comutadores eletromecânicos S4, S5 para seletivamente isolar umadada perna do segundo desviador 34, de modo a derivar os dispositivossemicondutores no mesmo.

O segundo desviador 34 tem duas pernas 40, 42, cada dasquais define um respectivo percurso de corrente. Cada perna 40, 42 inclui umpar de primeiro e segundo comutadores semicondutores opostos 44, 46. Oscomutadores semicondutores 44, 46 são arranjados para seletivamenteestabelecer um percurso de fluxo de corrente em uma dada perna 40, 42 dosegundo desviador 34.

Um tipo desejável de comutador semicondutor é um tiristor48, 50. Tais dispositivos têm uma capacidade de alta tensão e corrente, umaalta confiabilidade e pode operar com uma temperatura de junção superior a150°C. Em adição, eles são comutáveis por meio de um transformador depulso, omitindo assim a necessidade de um suprimento de energia auxiliar,isolado. Além disto, tiristores disparados por luz são disponíveis, os quais sãocomutáveis por meio de um pulso a partir de um díodo de laser conduzidoatravés de um cabo de fibra óptica.

Todavia, a despeito das vantagens precedentes, umdesvantagens de um tiristor é que ele continua a conduzir até que a corrente eânodo seja removida. Isto cria dificuldades em comutação de desligamento deum tal dispositivo.

Um método de comutação de desligamento de um tiristor éusar a assim chamada "comutação natural". Durante comutação natural, aremoção da corrente de ânodo ocorre naturalmente como um resultado de, porexemplo, flutuação durante um ciclo de CA em que a corrente de ânodo cruzazero, isto é, é removida. Por conseguinte, é possível permitir que um tiristorem um perna 40, 42 se recupere para um estado não conduzindo antescomutação de ligação de um tiristor na outra perna 42, 40.

Todavia, tiristores tendem a se recuperar lentamente,resultando assim em um retardo durante o qual nenhuma das pernas 40, 42 écapaz de prover um percurso de fluxo de corrente. Como um resultado, énecessário colocar em derivação as pernas com componentes passivosvolumosos e caros a fim de prover o necessário fluxo de corrente contínuo,isto é, evitar uma interrupção no fluxo de corrente. A duração da recuperação(em torno de 0,6 ms) é de modo que estes componentes passivos têm que sersuficientemente grandes (e conseqüentemente volumosos e caros) paracomutar a corrente e manter a tensão em um nível dentro do valor nominal dotiristor.

Um segundo método de comutação de desligamento de umtiristor emprega a assim chamada "comutação forçada ressonante". Acomutação forçada ressonante envolve tomar ação para remover ou comutar acorrente de ânodo para permitir que o tiristor se recupere para um estado nãoconduzindo.

Todavia, um tal método também requer a formação de pontedas pernas 40, 42 com componentes passivos volumosos e caros a fim deprover um fluxo de corrente contínuo.

O volume dos componentes de formação de ponte, requeridosem cada dos métodos acima cria dificuldades de instalação. Além disto, seualto custo aumenta o custo total de um tal modificador de derivação híbridopara um nível comercialmente inaceitável.

Outro tipo do modificador de derivação em carga é um assimchamado modificador de derivação em carga de estado sólido 60, comomostrado na figura 3. O modificador de derivação de estado sólido 60 incluisomente tiristores 62 no arranjo de ligação para fazer respectivas conexões dederivação. Os tiristores 62 são arranjados em pares opostos 64, 66, 68. Taismodificadores de derivação são inadequados para aplicações de transmissãode energia, uma vez que as limitações físicas de uma dado tiristor limitam asmudanças em tensão e corrente que ele é capaz de resistir.

Em conexão com o acima mencionado, um método propostode comutação envolve comutação de ligação de um tiristor 62 em um dospares não conduzindo 66 de modo a originar uma corrente de circulação CCacionada por meio da tensão de derivação. Em teoria, quando a corrente decirculação é igual em magnitude, mas fluindo em uma direção oposta àcorrente de carga LC fluindo através de um tiristor de condução 62, isto é,através do tiristor 62 dentro do par de conduções 68 que está ligado, então asrespectivas correntes CC, LC devem anular uma com relação à outra, demodo que o tiristor de condução 62 é capaz de comutar para desligamento. Acondução da corrente de carga LC seria mantida por meio do tiristor 62 quefoi ligado no par originalmente não conduzindo 66.

Todavia, o arranjo mostrado na figura 3 é completamenteinadequado para aplicação em transmissão de energia.

Em aplicações de transmissão de energia, o modificador dederivação é montado no enrolamento primário de um transformador. Isto éporque o arranjo das conexões de modificador de derivação nesta maneira criamenos dificuldades de isolamento. Em adição, um tal arranjo reduz o nível decorrente que torna a obrigação para comutação eletromecânica existentemenos onerosa.

Um modificador de derivação de estado sólido do tipomostrado na figura 3, arranjado na maneira acima mencionada, resultaria emexpor cada tiristor 62 a em excesso de 40 kV. Uma tal tensão é além daespecificação de operação prática de qualquer tiristor conhecido.

Por conseguinte, é um objetivo geral da invenção prover ummodificador de derivação em carga que permite a utilização de comutação desemicondutor sem as dificuldades inerentes associadas com a operação deapropriados comutadores semicondutores.

De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é providoum modificador de derivação em carga híbrido, para uso transmissão deenergia de corrente alternada de alta tensão, compreendendo:um seletor;

um desviador tendo duas pernas definindo respectivospercursos de corrente, cada perna incluindo um par de primeiro e segundocomutadores semicondutores opostos; e

um controlador para seletivamente comutar para um doprimeiro ou segundo comutadores semicondutores de uma dada perna em umponto predeterminado dentro do ciclo de corrente alternada de modo acomutar para desligamento um desejado comutador semicondutor na outraperna.

O arranjo precedente previne a necessidade de componentes deformação de ponte passivos, volumosos e caros, reduzindo assim o custo decapital do modificador de derivação em carga para um nível comercialmenteaceitável.

O modificador de derivação em carga provê esta vantagem,enquanto facilita o uso de comutadores semicondutores, melhorando assim avelocidade de operação do modificador de derivação.

Opcionalmente, cada perna ainda inclui pelo menos umelemento de proteção arranjado em comunicação elétrica com o par decomutadores semicondutores. Isto permite que comutadores semicondutoresoperem dentro de seus limites operacionais normais.

Preferivelmente, o elemento de proteção é ou inclui umatenuador arranjado em paralelo com cada par de primeiro e segundocomutadores semicondutores. Isto limita a taxa de mudança de tensão atravésdo comutador semicondutor sendo comutado para desligamento, quando damudança de uma derivação durante o suprimento de energia para uma cargade fator de energia negativo.

Opcionalmente, o elemento de proteção é ou inclui um indutorarranjado em série entre o par de primeiro e segundo comutadoressemicondutores e o seletor. A inclusão de um indutor ajuda a limitar aelevação em corrente que flui através de um dado par do primeiro e segundocomutadores semicondutores quando da realização de uma mudança dederivações.

Convenientemente, cada perna ainda inclui um capacitorarranjado de modo a situar-se em paralelo com um correspondente comutadorde isolamento eletromecânico do seletor. Cada capacitor limita a taxa demudança de tensão através do correspondente par de comutadoressemicondutores de modo a ajudar a assegurar que cada comutadorsemicondutor opere dentro das desejáveis condições de operação.

Em uma forma de realização preferida da invenção, cada pernaainda inclui um supressor de surto de tensão arranjado de modo a situar-se emparalelo com um correspondente comutador de isolamento eletromecânico doseletor. A inclusão de respectivos coletores de sobretensão protege umcorrespondente par de primeiro e segundo comutadores semicondutores comrelação à tensão de choque progressiva durante, por exemplo, uma greve deiluminação.

Opcionalmente, o seletor inclui dois comutadores deisolamento eletromecânico para seletivamente isolar uma respectiva perna docoletor de modo a derivar os comutadores semicondutores no mesmo.

Em outra forma de realização preferida da invenção, cadacomutador de isolamento eletromecânico do seletor inclui um indutorarranjado em série com ele. O indutor limita a taxa de mudança de correnteatravés de respectivos pares de comutadores semicondutores, ajudando assima assegurar que os ditos comutadores semicondutores operem dentro dasdesejáveis condições de operação.

De acordo com um segundo aspecto da invenção é provido ummétodo de operação de um modificador de derivação em carga híbrido,durante transmissão de energia de corrente alternada de alta tensão,compreendendo as etapas de:

(i) prover um seletor;

(ii) prover um desviador tendo duas pernas, cada definindo umrespectivo percurso de corrente;

(iii) prover cada perna com um par de primeiro e segundocomutadores semicondutores opostos; e

(iv) seletivamente comutar para um do primeiro ou segundocomutadores semicondutores de uma dada perna em um pontopredeterminado dentro do ciclo de corrente alternada de modo a comutar paradesligamento um desejado comutador semicondutor na outra perna.

Opcionalmente, a etapa (iii) ainda inclui prover pelo menosum elemento de proteção arranjado em comunicação elétrica com o par deprimeiro e segundo comutadores semicondutores.

Preferivelmente, a etapa (iii) inclui prover um atenuadorarranjado em paralelo com cada par de primeiro e segundo comutadoressemicondutores.

Opcionalmente, a etapa (iii) inclui prover um indutor arranjadoem série entre cada par de primeiro e segundo comutadores semicondutores eo seletor.

Convenientemente, o método ainda inclui a etapa de proverum capacitor arranjado de modo a situar-se em paralelo com umcorrespondente comutador de isolamento eietromecânico do seletor.

Um método da invenção preferido ainda inclui a etapa deprover um supressor de surto de tensão arranjado de modo a situar-se emparalelo com um correspondente comutador de isolamento eietromecânico doseletor. Cada supressor de surto de tensão protege um respectivo par deprimeiro e segundo comutadores semicondutores a partir da tensão de choqueprogressiva que pode ocorrer durante, por exemplo, uma greve de iluminação.

Outro método preferido da invenção ainda inclui a etapa deprover cada comutador de isolamento eietromecânico do seletor com umindutor arranjado em série com ele.

O método da invenção compartilha as vantagens dascorrespondentes características do aparelho da invenção.

Segue agora uma breve descrição de uma forma de realizaçãopreferida da invenção, a título de exemplo não limitativo, com referênciasendo feita aos desenhos acompanhantes, em que:

a figura 1 mostra uma vista esquemática do convencionalmodificador de derivação em carga;

a figura 2 mostra uma vista esquemática de um conhecidomodificador de derivação em carga híbrido;

a figura 3 mostra um conhecido modificador de derivação deestado sólido;

a figura 4 mostra uma vista esquemática de um modificador dederivação em carga híbrido de acordo com uma forma de realização dainvenção;

as figuras 5 (a) (i) a 5 (e) (ii) mostram possíveis condições decomutação;

A figura 6 (a) mostra um diagrama de Lissajous para umamudança de derivação;

a figura 6 (b) mostra um diagrama de Lissajous para umamudança de derivação;

as figuras 7 (a) e 7 (b) mostram respectivos efeitoscombinados de corrente de carga e corrente de circulação;

a figura 8 mostra figuras de Lissajous para cargas com altofator de potência; e

a figura 9 mostra o efeito sobre uma figura de Lissajous dealteração do tempo em que um particular comutador semicondutor que nãoestá conduzindo é ligado.

Um modificador de derivação em carga híbrido de acordo comum primeiro forma de realização da invenção é designado geralmente pormeio do número de referência 70, como mostrado na figura 4.

O modificador de derivação híbrido 70 inclui um terceiroseletor 72, um terceiro desviador 74 e um segundo controlador 76. Omodificador de derivação híbrido compartilha algumas características com oconhecido modificador de derivação híbrido 30. Tais características sãodesignadas usando os mesmos números de referência.O terceiro seletor 72 tem uma pluralidade de derivações 78 ecorrespondentes comutadores SI, S2, S3 para selecionar uma derivaçãoparticular 78. No exemplo mostrado, três derivações são incluídas. Outrasformas de realização da invenção podem incluir um número maior ou menorde derivações 78.

O terceiro seletor 72 também inclui dois segundoscomutadores eletromecânicos S4, S5 para seletivamente isolar uma dadaperna do terceiro desviador 74, de modo a isolar os dispositivossemicondutores no mesmo.

O terceiro desviador 74 tem duas pernas 80, 82, cada das quaisdefine um respectivo percurso de corrente. Cada perna 80, 82 inclui um parP1, P2 de primeiro e segundo tiristores opostos 84, 86. Os tiristores 84, 86 sãoarranjados para seletivamente estabelecer um percurso de fluxo de correnteem uma dada perna 80, 82 do terceiro desviador 74. Em outras formas derealização da invenção, um tipo diferente de comutador semicondutor podeser usado.

Cada perna 80, 82 do terceiro desviador 74 inclui umatenuador 88 arranjado em paralelo com o par P1, P2 de primeiro e segundotiristores 84, 86. Cada atenuador 88 inclui um resistor de atenuador 90 e umcapacitor de atenuador 92 arranjados em série um com o outro. Cadaatenuador 88, no uso, limita a taxa de mudança de tensão através de umrespectivo par P1, P2 de primeiro e segundo tiristores 84, 86.

Cada perna 80, 82 do terceiro desviador 74 também inclui aindutor de reator 94 arranjado em série entre o par P1, P2 de primeiro esegundo tiristores 84, 86 e o terceiro seletor 72. Cada indutor de reator 94, emuso, limita a taxa de mudança de corrente fluindo através de um respectivopar P1, P2 de primeiro e segundo tiristores 84, 86.

Em adição, cada perna 80, 82 inclui um capacitor de limitação96 arranjado para situar-se em paralelo com um correspondente segundocomutador de isolamento eletromecânico S4, S5 do terceiro seletor 72. Cadacapacitor de limitação 96, em uso, ajuda a ainda limitar a taxa de mudança detensão através de um respectivo par PI, P2 de primeiro e segundo tiristores84, 86.

Cada perna 80, 82 do modificador de derivação em cargahíbrido 72 forma de realização mostrado ainda inclui um supressor de surto detensão 98 arranjado em paralelo com um correspondente segundo comutadorde isolamento eletromecânico S4, S5. Em uso, cada supressor de surto detensão 98 protege um respectivo par PI, P2 de primeiro e segundo tiristores84, 86 a partir da tensão de choque progressiva durante, por exemplo, umagreve de iluminação.

Cada segundo comutador de isolamento eletromecânico S4, S5inclui um seletor indutor 98 arranjado em série com ele. Cada seletor indutor98, em uso, ajuda ainda a limitar a taxa de mudança de corrente em umrespectivo par PI, P2 de primeiro e segundo tiristores 84, 86.

Em uso, o segundo controlador 76 seletivamente comuta paraligação um do primeiro ou segundo tiristores 84, 86 de um dado par nãoconduzindo PI, P2 em uma dada perna 80, 82 em um ponto predeterminadodentro do ciclo de corrente alternada de modo a comutar para desligamentoum desejado tiristor de condução 84, 86 do outro par PI, P2 na outra perna80, 82.

Tal comutação permite que o número de espiras noenrolamento primário 14 seja aumentado ou diminuído, quando requerido,sem interromper o fluxo de corrente de carga LC.

No circuito do terceiro desviador 74 mostrado, o aumento donúmero de espiras no enrolamento primário executa uma mudança para baixode derivação, enquanto diminui o número de espiras que realiza uma mudançapara cima de derivação.

Quatro distintas condições de tensão de derivação e correntede carga LC ocorrem dentro do circuito do terceiro desviador 74, mostrado nafigura 4, durante metade de um dado ciclo de CA, por exemplo, quando atensão de suprimento é positiva. As quatro condições são: (i) tanto a tensão dederivação quanto a corrente de carga LC são positivas; (ii) a tensão dederivação é negativa e a corrente de carga LC é positiva; (iii) tanto a tensão dederivação quanto a corrente de carga LC são negativas; e (iv) a tensão dederivação é positiva e a corrente de carga LC é negativa.

Uma vez que as duas metades de um ciclo de CA (isto é,quando a tensão de suprimento é positiva e negativa, respectivamente) sãosimétricas, as outras quatro condições de tensão de derivação e corrente decarga LC para o segundo semi-ciclo negativo são essencialmente duplicatasdas primeiras quatro condições.

Em adição, quando retro-geração tem lugar, isto é, quando acarga regenera energia, outras quatro condições de tensão de derivação ecorrente de carga LC aparecem. Cada destas corresponde a uma das quatrodistintas condições de tensão de derivação e corrente de carga LC, delineadasacima.

A figura 5 (a) (i) ilustra a primeira condição de tensão dederivação e corrente de carga LC. O segundo tiristor do segundo par 86 estainicialmente conduzindo, isto é, comutado para ligação, e a corrente de cargaLC está sendo suprida pela fonte, isto é, está provindo do enrolamentoprimário 14 do transformador e, assim, é considerada positiva.

A tensão de suprimento é positiva, então o primeiroenrolamento de derivação 15 que é conectado através do segundo tiristor dosegundo par 86P2 é positivo com respeito ao segundo enrolamento dederivação 17, para o qual é desejado comutar. Por conseguinte, a tensão dederivação é considerada positiva nesta condição.

A figura 5 (a) (ii) mostra um esquema simplificado dascondições mostradas na figura 5 (a) (i).As figuras 5 (b) (i) e 5 (b) (ii) ilustram a segunda condição.Corrente de carga LC esta sendo regenerada, isto é, ela está fluindo para oenrolamento primário 14, e, assim, é considerada negativa. O primeiroenrolamento de derivação 15 é positivo com respeito ao segundo enrolamentode derivação 17, para o qual é desejado comutar. Por conseguinte, a tensão dederivação é considerada positiva.

As figuras 5 (c) (i) e 5 (c) (ii) ilustram a terceira condição.Corrente de carga LC está sendo suprida da fonte, a partir do enrolamentoprimário 14 e, assim, é considerada positiva. O segundo enrolamento dederivação 17 é negativo com respeito ao primeiro enrolamento de derivação15, para o qual é desejado comutar. Por conseguinte, a tensão de derivação éconsiderada negativa.

As figuras 5 (d) (i) e 5 (d) (ii) ilustram a quarta condição.Corrente de carga LC está sendo regenerada e, assim, é considerada negativa.O segundo enrolamento de derivação 17 é negativo com respeito ao primeiroenrolamento de derivação 15, para o qual é desejado comutar, então a tensãode derivação é também negativa.

É possível representar a relação entre a tensão de derivação ecorrente de carga LC em qualquer instante particular em um dado ciclo de CAdo sistema de transmissão de energia em um diagrama de Lissajous, comomostrado nas figuras 6 (a) e 6 (b).

Cada diagrama de Lissajous inclui um primeiro, segundo,terceiro e quarto quadrantes 102, 104, 106, 108, que correspondem arespectivas condições de tensão de derivação e corrente de carga LC.

As condições de tensão de derivação e corrente de carga LCem cada das primeiras a quarta condições correspondem àquelas em umrespectivo quadrante 102, 104, 106, 108. Por conseguinte, é possível mapearcada das primeiras a quarta condições sobre um diagrama de Lissajous.

Um primeiro diagrama de Lissajous 112 (figura 6 (a)) é parauma mudança de derivação, isto é, a redução da tensão no enrolamentosecundário de transformador por meio de comutação da conexão de derivaçãode modo a aumentar o número de espiras no enrolamento primário 14.

Para uma carga indutiva (como ilustrada), a relação entre5 tensão de derivação e corrente de carga LC varia com o tempo ao longo do"locus" do primeiro diagrama de Lissajous 112 em uma direção anti-horária.

Uma carga capacitiva (não ilustrada) causaria com que arelação entre tensão de derivação e corrente de carga LC varie com o tempoao longo do "locus" do primeiro diagrama de Lissajous 112 em uma direção10 horária.

Um segundo diagrama de Lissajous 114 (figura 6 (b)) ilustra arelação entre tensão de derivação e corrente de carga LC no terceiro circuitode desviador 74 quando da realização de uma mudança para cima dederivação, isto é, quando da diminuição do número de espiras no enrolamento15 primário 14.

O segundo diagrama de Lissajous 114 é uma imagem deespelho do primeiro diagrama de Lissajous 112, em torno do eixo vertical, detensão de derivação zero.

Para uma carga indutiva (como ilustrada), a relação entre20 tensão de derivação e corrente de carga varia com o tempo ao longo dasegunda figura de Lissajous 114 em uma direção horária.

Uma carga capacitiva (não ilustrada) causaria com que arelação entre tensão de derivação e corrente de carga LC variasse com otempo ao longo do "locus" do segundo diagrama de Lissajous 114 em uma25 direção anti-horária.

O "locus" de cada diagrama de Lissajous 112, 114 atravessacada quadrante, independentemente de se a mudança de derivações é parabaixo ou para cima. A natureza da mudança de derivações meramentedetermina a quantidade de tempo em que o "locus" de cada diagrama deLissajous 112, 114 permanece em um quadrante particular.

Uma vez que a primeira e segunda condições (figuras 5 (a) e 5(b)) são para uma mudança para baixo de derivação, elas correspondem aoprimeiro diagrama de Lissajous 112.

Na primeiro condição, tanto a corrente de carga quanto atensão derivação são positivas, de modo que corresponde ao primeiroquadrante 102 do primeiro diagrama de Lissajous 112. Na segunda condição,a corrente de carga é negativa e a tensão de derivação é positiva, então elacorresponde ao quarto quadrante 108 do primeiro diagrama de Lissajous 112.

Uma vez que a terceira e quarta condições (figuras 5 (c) e 5(d)) são para uma mudança para cima de derivação, elas correspondem aosegundo diagrama de Lissajous 114.

Na terceira condição, a corrente de carga é positiva e a tensãode derivação é negativa, então ela corresponde ao segundo quadrante 104 dosegundo diagrama de Lissajous 114. Na quarta condição, tanto a corrente decarga quanto a tensão derivação são negativas, então ela corresponde aoterceiro quadrante 106 do segundo diagrama de Lissajous 114.

A polaridade de tensão do enrolamento primário 14 em cadadas figuras 5 (a) a 5 (d) é ajustada por meio da tensão de suprimento, a qual épositiva durante o semi-ciclo considerado.

Em cada das figuras 5 (a) e 5 (b), um tiristor 84P2, 86P2 dosegundo par P2 está inicialmente conduzindo, enquanto cada dos outrostiristores 84P1, 86P1 do primeiro par Pl pode ser comutado para ligado, demodo a conduzir, isto é, é inicialmente não conduzindo. Conseqüentemente, atensão de derivação é positiva. Isto, em combinação com se a corrente decarga LC está sendo suprida da fonte ou regenerada, isto é, é ou positiva ounegativa, determina se comutação é possível.

Por exemplo, para as condições ilustradas nas figuras 5 (a) (i)e (ii) (isto é, a corrente de carga é positiva e a tensão de derivação é positiva),comutação de ligação do primeiro tiristor não conduzindo 84P1 do primeiropar Pl causa com que uma corrente de circulação CC acionada por meio dapolaridade de tensão do enrolamento primário 14, flua no circuito.

A corrente de circulação CC reforça a corrente de carga LCpara fornecer uma corrente combinada, sobretudo elevada, como mostrado nafigura 7 (a).

Para as condições nas figuras 5 (b) (i) e (ii), comutação deligação do primeiro tiristor não conduzindo 84P1 do primeiro par Pl causacom que uma corrente de circulação CC, acionada por meio da polaridade detensão do enrolamento primário 14, flua no circuito.

A corrente de circulação CC anula a corrente de carga LC,como mostrado na figura 7 (b), permitindo assim que o tiristor de condução(neste caso, o primeiro tiristor conduzindo 84P2 do segundo par P2) comutepara desligamento.

No meio tempo, o tiristor novamente ligado (o primeiro tiristor84P1 do primeiro par PI) é capaz de conduzir a corrente de carga principal,isto é, o primeiro tiristor 84P1 do primeiro par Pl define um novo percurso defluxo para a corrente de carga, como mostrado por meio da linha tracejada LCna figura 5 (b) (i). Desta maneira, o fluxo de corrente de carga é mantido,enquanto aumenta o número de espiras no enrolamento primário 14, isto é,enquanto executa uma mudança de derivações.

Em cada das figuras 5 (c) e 5 (d), um tiristor 84P1, 86P1 doprimeiro par Pl está inicialmente conduzindo, enquanto cada dos outrostiristores 84P2, 86P2 do segundo par P2 pode ser comutado para ligado demodo a conduzir, isto é, está inicialmente não conduzindo.Conseqüentemente, a tensão de derivação é negativa. Isto, em combinaçãocom se corrente de carga LC está sendo suprida da fonte ou regenerada, isto é,é ou positiva ou negativa, determina se comutação é possível.

Por exemplo, para as condições nas figuras 5 (c) (i) e (ii),comutação de ligação do segundo tiristor não conduzindo 86 do segundo parP2 causa com que uma corrente de circulação CC acionada por meio dapolaridade de tensão do enrolamento primário 14, flua no circuito.

A corrente de circulação CC anula a corrente de carga LC5permitindo assim que o tiristor de condução (neste caso o segundo tiristorconduzindo 86P1 do primeiro par PI) comute para desligamento.

Para as condições nas figuras 5 (d) (i) e (ii), comutação deligação do segundo tiristor não conduzindo 86 do segundo par P2 causa comque uma corrente de circulação CC acionada por meio da polaridade de tensãodo enrolamento primário 14, flua no circuito.

A corrente de circulação CC reforça a corrente de carga LCpara fornecer uma corrente combinada, sobretudo elevada.

Por conseguinte, a fim de comutar para desligamento umdesejado tiristor de condução 84P2, 86P1 é necessário para comutar para ligadoum particular tiristor não conduzindo 84P1, 86P2 quando as condições detensão de derivação e corrente de carga correspondem a uma condiçãoparticular, isto é, àquela no quarto quadrante 108 do primeiro diagrama deLissajous 112; e àquela no segundo quadrante 104 do segundo diagrama deLissajous 114.

Como um resultado, é necessário controlar quando, durante ociclo de CA, um particular tiristor não conduzindo 84P1, 86p2 é ligado. Isto épara assegurar que exista tempo suficiente para completa comutação de

P2 PJ

desligamento de um particular tiristor conduzindo 84 , 86 , enquanto acorrente de carga e tensão de derivação do sistema de transmissão de energiacorrespondem às condições no segundo ou quarto 104, 108 quadrantes.

O instante particular em que cada do segundo e quarto 104,108 quadrantes em que o particular o tiristor não conduzindo 84PI, 86P2 éligado é escolhido a fim de minimizar a taxa de mudança de corrente e tensãoexperimentada ou sofrida por meio dos tiristores de cada par PI, P2.Por exemplo, é desejável comutar para ligado o particulartiristor não conduzindo 84P1, 86P2, enquanto a tensão de derivação é baixa, demodo a limitar a elevação em corrente experimentado pelos respectivos paresde tiristores PI, P2.

Quando da realização de uma mudança para baixo dederivação (as figuras 5 (a) e 5 (b)), um primeiro período de tempo 122,durante o qual é desejável comutar para desligamento um particular tiristorconduzindo 84P2, é mostrado sobre o "locus" do primeiro diagrama deLiassajous 112 (figura 6 (a)).

Este período é escolhido de modo a limitar a taxa de mudançade corrente experimentada por meio de cada par de tiristores PI, P2 durantecomutação.

A limitação da taxa de mudança de corrente durantecomutação reduz o tamanho do indutor de reator 94 requerido, e,conseqüentemente, o custo de um tal indutor. Uma baixa taxa de mudança decorrente ocorre adjacente ao eixo de tensão de derivação zero.

Por conseguinte, por meio da comutação de ligação dosegundo tiristor não conduzindo 86P1 do primeiro par Pl quando o ciclo deCA é adjacente ao eixo de tensão de derivação zero, é possível limitar a taxade mudança de corrente experimentada por meio de cada par de tiristores PI,P2 to dentro dos parâmetros de operação físicos de cada tiristor 84P1, 86P1,84P2, 86P1, usando somente um indutor de reator 94 moderadamentedimensionado e menos caro.

Quando da realização de uma mudança para cima de derivação(figuras 5 (c) e 5 (d)) é desejável comutar para desligamento o tiristor decondução 86P1 durante um segundo período de tempo 124, como mostradosobre o "locus" do segundo diagrama de Lissajous 114 da figura 6 (b).

A fim de limitar a taxa de mudança de corrente experimentadapor meio de cada par de tiristores PI, P2 durante comutação, é desejável que acomutação tenha lugar enquanto a tensão de derivação é baixa, isto é,adjacente ao eixo de tensão de derivação zero. Todavia, para que a comutaçãotenha lugar dentro de um desejado quadrante, por exemplo, o segundoquadrante 104 do segundo diagrama de Lissajous 114, ela tem que ocorrerantes da tensão de derivação atingir zero Volt.

Como um resultado, existe uma alta taxa de mudança detensão através de cada par de tiristores Pl5 P2.

A fim de limitar o grau em que cada par de tiristores PI, P2experimenta esta taxa de mudança de tensão, é desejável incluir um atenuador88 em paralelo com cada par de tiristores Pl, P2.

A simetria de cada metade do ciclo de CA significa que,quando da realização de uma mudança para baixo de derivação, é tambémpossível comutar para desligamento o tiristor de condução 86 durante osegundo semi-ciclo negativo, como mostrado nas figuras 5 (e) (i) e (ii).

As condições de corrente de carga e tensão de derivaçãodurante este período correspondem àquelas no segundo quadrante 104 doprimeiro diagrama de Lissajous 112 (figura 6 (a)). Um terceiro período detempo 123, durante o qual é desejável comutar para desligamento do tiristorde condução 86P2 é mostrado sobre o "locus" do primeiro diagrama deLissajous 112.

Similarmente, quando da realização da mudança para cima dederivação, é também possível comutar para desligamento do tiristor decondução durante o segundo semi-ciclo negativo.

As condições de corrente de carga e tensão de derivaçãodurante este período correspondem àquelas no quarto quadrante 108 dosegundo diagrama de Lissajous 114 (figura 6 (b)).

Por conseguinte, é possível comutar para desligamento umrespectivo tiristor conduzindo durante cada meio ciclo, isto é, um tiristorconduzindo em cada dos segundo e quarto quadrantes 104, 108. Isto significaque a comutação do terceiro desviador poderia ter lugar duas vezes durantecada ciclo de CA.

Por conseguinte, é possível realizar duas mudanças dederivação durante cada ciclo de CA, sujeitas à seleção de desempenho, isto é,5 o tempo requerido para selecionar uma derivação particular, do terceiroseletor 72.

Quando da comutação de ligação de um tiristor nãoconduzindo, como delineado acima, é necessário que as condições de correntede carga e tensão de derivação do sistema de transmissão de energia10 permaneçam dentro do desejado quadrante 104, 108 por um tempo suficientepara permitir que a comutação tenha lugar. O tempo mínimo requerido em umdesejado quadrante 104, 108 é determinado por meio do tempo despendidopara um dado tiristor conduzindo comute para desligamento, isto é, recuperepara uma condição de não condução. Tipicamente, este é em torno de 650 με.15 Isto coloca uma restrição na relação de fase entre a corrente de

carga e tensão de derivação, ou o assim chamado "fator de potência" dosistema.

A figura 8 mostra a quarta até sexta figuras de Lissajous 126,

128, 130.

20 As quarta e quinta figuras de Lissajous 126, 128 são para

relações de fase de +0,98 e -0,98 entre corrente de carga e tensão dederivação. Os sinais + e - se referem a mudanças de derivação para baixo e dederivação para cima, respectivamente.

O período de tempo em que o "locus" de, por exemplo, a25 quarta figura de Lissajous 126 está no segundo quadrante 104, como indicadopor meio de um quarto período de tempo 132, é 650 με. Por conseguinte, umacarga de fator de potência de +/-0,98 é o fator de potência mais elevado quepermite que a comutação tenha lugar completamente dentro de um desejadoquadrante 104, 108.Maiores relações de fase entre corrente de carga e tensão dederivação, isto é, fatores de potência mais elevados, resultam em uma figura deLissajous crescentemente estreita, a qual despende menos que 650 ps em umdesejado quadrante 104, 108, como mostrado por meio da sexta figura de Lissajous130, a qual é para uma unidade, isto é, carga de fator de potência de +1,0.

Esta limitação na relação de fase pode ser superada por meioda comutação de ligação do tiristor não conduzindo, isto é, iniciando acomutação antes de cruzar o eixo de tensão de derivação zero e antes de entrarno terceiro quadrante 106, como indicado por meio de um quinto período detempo 134.

Preferivelmente, tal comutação ocorre aproximadamente nametade de tempo de recuperação de tiristor, isto é, 325 ps antes docruzamento do eixo de tensão de derivação zero.

Durante um tal modo de operação do indutor de reator 94, aindutância própria do transformador e a troca da polaridade de tensão doenrolamento primário 14 (isto é, a tensão de derivação) quando a tensão desuprimento se inverte, todos, ajudam a limitar a elevação em corrente queresulta do curto-circuito criado.

Quando da realização de uma mudança de derivação, acomutação da tensão de derivação no cruzamento do eixo de tensão dederivação zero cria a condição ilustrada na figura 5 (e). Isto gera uma correntede circulação CC que anula a corrente de carga LC, permitindo assim que o

• · D")

tiristor de condução 86 comute para desligamento.

Comutação de ligação do tiristor não conduzindo 86P1 antes docruzamento do eixo de tensão de derivação zero desloca a figura de Lissajous(como mostrado na figura 9), de modo a alterar o ponto em que seu "locus"entra em um desejado quadrante 104, 108 (nesse caso o quarto quadrante 108)a fim de prover suficiente tempo dentro do desejado quadrante 108 para que acomutação tenha lugar.

Claims

1. Modificador de derivação em carga híbrido, para uso emtransmissão de energia de corrente alternada de alta tensão, caracterizado pelofato de que compreende:um seletor;um desviador tendo duas pernas definindo respectivospercursos de corrente, cada perna incluindo um par de primeiro e segundocomutadores semicondutores opostos; eum controlador configurado para comutar para um do primeiroou segundo comutadores semicondutores de uma dada perna em um pontopredeterminado dentro do ciclo de corrente alternada de modo a comutar paradesligamento um desejado comutador semicondutor na outra perna.

2. Modificador de derivação em carga híbrido de acordo com areivindicacao 1, caracterizado pelo fato de que cada perna ainda inclui pelomenos um elemento de proteção arranjado em comunicação elétrica com opar de comutadores semicondutores.

3. Modificador de derivação em carga híbrido de acordo com areivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o elemento de proteção é ouinclui um atenuador arranjado em paralelo com cada par de primeiro esegundo comutadores semicondutores.

4. Modificador de derivação em carga híbrido de acordo com areivindicação 2 ou reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o elementode proteção é ou inclui um indutor arranjado em série entre cada par deprimeiro e segundo comutadores semicondutores e o seletor.

5. Modificador de derivação em carga híbrido de acordo comqualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que cada pernaainda inclui um capacitor arranjado de modo a situar-se em paralelo com umcorrespondente comutador de isolamento eletromecânico do seletor.

6. Modificador de derivação em carga híbrido de acordo comqualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que cada pernaainda inclui um supressor de surto de tensão arranjado de modo a situar-se emparalelo com um correspondente comutador de isolamento eletromecânico doseletor.

7. Modificador de derivação em carga híbrido de acordo comqualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que o seletorinclui dois comutadores de isolamento eletromecânico para seletivamenteisolar uma respectiva perna do desviador de modo a derivar os comutadoressemicondutores no mesmo.

8. Modificador de derivação em carga híbrido de acordo com areivindicação 7, caracterizado pelo fato de que cada comutador de isolamentoeletromecânico do seletor inclui um indutor arranjado em série com ele.

9. Método de operação de um modificador de derivação emcarga híbrido, durante transmissão de energia de corrente alternada de altatensão, caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de:(i) prover um seletor;(ii) prover um desviador tendo duas pernas, cada definindo umrespectivo percurso de corrente;(iii) prover cada perna com um par de primeiro e segundocomutadores semicondutores opostos; e(iv) seletivamente comutar para um do primeiro ou segundocomutadores semicondutores de uma dada perna em um pontopredeterminado dentro do ciclo de corrente alternada de modo a comutar paradesligamento um desejado comutador semicondutor na outra perna.

10. Método de operação de modificador de derivação em cargahíbrido de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que etapa(iii) ainda inclui prover pelo menos um elemento de proteção arranjado emcomunicação elétrica com o par de primeiro e segundo comutadoressemicondutores.

11. Método de operação de modificador de derivação em cargahíbrido de acordo com a reivindicação 10 caracterizado pelo fato de que etapa(iii) inclui prover um atenuador arranjado em paralelo com cada par deprimeiro e segundo comutadores semicondutores.

12. Método de operação de modificador de derivação em cargahíbrido de acordo com a reivindicação 10 ou reivindicação 11, caracterizadopelo fato de que etapa (iii) inclui prover um indutor arranjado em série entrecada par de primeiro e segundo comutadores semicondutores e o seletor.

13. Método de operação de um modificador de derivação emcarga híbrido de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 12, caracterizadopelo fato de que ainda inclui a etapa de prover um capacitor arranjado demodo a situar-se em paralelo com um correspondente comutador deisolamento eletromecânico do seletor.

14. Método de operação de um modificador de derivação emcarga híbrido de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 13, caracterizadopelo fato de que ainda inclui a etapa de prover um supressor de surto detensão arranjado de modo a situar-se em paralelo com um correspondentecomutador de isolamento eletromecânico do seletor.

15. Método de operação de um modificador de derivação emcarga híbrido de acordo com qualquer das reivindicações 9 a 14, caracterizadopelo fato de que ainda inclui a etapa de prover cada comutador de isolamentoeletromecânico do seletor com um indutor arranjado em série com ele.

16. Modificador de derivação em carga híbrido, para usotransmissão de energia de corrente alternada de alta tensão, caracterizado pelofato de que é geralmente como aqui descrito com referência às e/ou ilustradonas figura s 4 a 9 dos desenhos acompanhantes.

17. Método de operação de um modificador de derivação emcarga híbrido durante transmissão de energia de corrente alternada de altatensão, caracterizado pelo fato de que é geralmente como aqui descrito comreferência às e/ou ilustrado nas figuras 4 a 9 dos desenhos acompanhantes.