BRPI0721011A2 - Método para controlar carga com caráter predominantemente indutivo e dispositico que aplica tal método. - Google Patents

Método para controlar carga com caráter predominantemente indutivo e dispositico que aplica tal método. Download PDF

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Description

MÉTODO PARA CONTROLAR CARGA COM CARÁTER PREDOMINANTEMENTE INDUTIVO E DISPOSITIVO QUE APLICA TAL MÉTODO
A presente invenção abrange um método para controlar uma carga com um caráter predominantemente indutivo, por 5 exemplo, um motor elétrico, um gerador ou assemelhados, pelo qual para alimentar uma fase da carga acima mencionada, é feito uso de pelo menos duas voltagens de saída comutadas, aplicadas por um ou vários inversores eletrônicos de energia com um período dado de comutação, de 10 modulação, ou de amostragem, como um inversor com um circuito interestágio de corrente contínua, um inversor Buck ou de elevação (boost) ou assemelhado.
Em geral, são conhecidos dois tipos básicos de inversores com um circuito interestágio de corrente 15 contínua, isto é, um Inversor de Fonte de Voltagem (VSI) que emprega um capacitor de enlace de corrente contínua e que fornece uma voltagem de saída comutada, e um Inversor de Fonte Corrente (CSI) , que emprega uma indutância de enlace de corrente contínua e que fornece uma forma de onda 20 de corrente comutada em suas saídas. Ainda na descrição, apenas inversores de fonte de voltagem serão considerados.
Em um inversor de fonte de voltagem típico, cada perna do inversor pode ser simplificada em um comutador de duas vias que aplica uma forma de onda de voltagem comutada para 25 a carga, quer como o positivo ou negativo da voltagem de barramento de corrente contínua é aplicado por um curto tempo a uma das fases da dita carga.
Se a voltagem de barramento negativo for aplicada a certa fase, a corrente desta fase diminuirá, e vice versa,
3 0 a corrente da fase normalmente aumentará se uma voltagem positiva for aplicada.
Ao fazer uso de técnicas de modulação como a modulação de largura de pulso (PWM) ou de técnicas conhecidas como o controle de histerese, é possível fornecer uma voltagem média que, dentro de cada período PWM, é igual a uma voltagem de referência. Como as freqüências PWM são bem mais altas do que a freqüência da dita voltagem de referência, a voltagem de referência é refletida pela onda fundamental do padrão de pulso comutado. Além desta onda fundamental, o espectro da voltagem, por exemplo, nos terminais de um motor compreende muitas harmônicas mais altas. Em aplicação de acionamento elétrico, esta saída variada gera harmônicas de corrente adicionais que aumentam a pequena ondulação de torque que produz variações na velocidade aumentam, bem como as perdas, que resulta no aquecimento do motor.
Um método conhecido para reduzir a pequena ondulação de corrente resultante da fonte de onda da voltagem comutada consiste em fazer a freqüência de comutação de o 20 inversor subir. No entanto, a freqüência de comutação é limitada a um valor máximo que depende tanto da eletrônica de energia como na unidade de controle. Ademais, também as perdas do inversor aumentam como resultado de um aumento na freqüência de comutação.
Outra medida bem conhecida para reduzir a pequena
ondulação de corrente é fornecer uma reatância (choke) na saída do inversor, ou um filtro de sino que é formado da combinação de uma reatância e de um capacitor.
As desvantagens de aplicar uma reatância na saída do
3 0 inversor são o alto custo do preço, perdas adicionais e a queda da voltagem. Especialmente com aplicações de alta freqüência como acionamentos de alta velocidade, esta última desvantagem é importante, pois a queda de voltagem depende da freqüência da onda fundamental.
0 suprimento de conversor paralelo já é conhecido, que
é aplicado para restringir a classificação (rating) de energia de cada conversor em paralelo e pelo qual as pernas dos respectivos inversores são conectadas diretamente paralelas uma a outra.
Uma desvantagem de tal sistema é que as voltagens de
saída das pernas do inversor paralelo precisam ser idênticas, pois qualquer diferença na voltagem de saída, como o deslocamento dos pulsos PWM, poderá causar uma corrente de circulação perigosamente alta ou curto circuito
dentro da conexão paralela.
Em outros sistemas conhecidos, cada inversor paralelo é dotado de uma reatância separada, tal que os pulsos de voltagem de cada uma dessas respectivas pernas de saída paralela dos inversores podem ser deslocados.
Uma estratégia PWM conhecida para a perna de saída do
inversor paralelo consiste em aplicar a mesma forma de onda de voltagem, mas pela qual os pulsos de voltagem são deslocados pela metade de um período PWM.
As principais desvantagens de tal estratégia consistem
2 5 em que cada reatância é carregada com um campo magnético
que é gerado pela corrente de saída integral do inversor e em que a freqüência de comutação não pode ser reduzida.
Outras desvantagens de tais métodos conhecidos consistem em que o teor harmônico é apenas ligeiramente
3 0 reduzido e em que há uma queda de voltagem alta em freqüências fundamentais altas.
Outra desvantagem de tais métodos conhecidos consiste em que as reatâncias mencionadas acima, em energias altas, são muito grandes e caras.
Em um pedido de aplicação de patente do mesmo
solicitante já foi descrito um dispositivo que remedia algumas das desvantagens já citadas, cujo dispositivo é projetado como um dispositivo de modo diferencial que se certifica de que a parte principal do fluxo que é gerado 10 pela corrente em uma das pernas do inversor é contra-agida por um fluxo que é gerado pela corrente em uma ou várias outras pernas do inversor.
Comparado com a reatância padrão com uma energia permitida idêntica, o fluxo magnético resultante é muito baixo, resultando em dispositivos de modos diferenciais de baixo custo com pequenas dimensões.
A presente invenção tem como finalidade fornecer um método para controlar uma carga com um caráter predominantemente indutivo, pelo qual a freqüência de 20 comutação do inversor é reduzida, as harmônicas da corrente são reduzidas e/ou outras vantagens são obtidas sobre o método convencional que é aplicado para controlar a carga.
Para este fim, a presente invenção relaciona-se a um método para controlar uma carga com um caráter 25 predominantemente indutivo, pelo qual para alimentar uma fase da carga mencionada acima, é feito uso de pelo menos duas voltagens de saída comutadas, aplicadas por um ou vários inversores eletrônicos de energia, pelo qual as formas de onda das voltagens de saída em questão diferem ou
3 0 deslocam no tempo e pelo qual elas são aplicadas à carga através de um dispositivo projetado como um dispositivo de modo diferencial, pelo qual durante cada período completo mencionado acima, pelo menos uma das voltagens de saída mencionadas acima é mantida constante e assim ela não é comutada.
Uma vantagem principal de um método de acordo com a invenção consiste em que a freqüência de comutação dos inversores pode ser consideravelmente reduzida, como resultado do que as perdas neste inversor são reduzidas.
Outra vantagem de um método de acordo com a invenção
para controlar uma carga com um caráter predominantemente indutivo é que as harmônicas da corrente são reduzidas tal que a eficiência da carga aumenta e haverá menos aquecimento da carga.
Uma vantagem adicional de um método de acordo com a
invenção é que a voltagem de modo comum será consideravelmente mais baixa, como resultado do que, por exemplo, problemas relacionados com a compatibilidade eletromagnética (EMC) são reduzidos.
2 0 A presente invenção também se relaciona a um
dispositivo que é para a aplicação de um método conforme descrito acima, para controlar uma carga com um caráter predominantemente indutivo, pelo qual este dispositivo compreende um ou vários inversores eletrônicos de energia
2 5 com um período dado de comutação, de modulação, ou de
amostragem, para fornecer pelo menos duas voltagens de saída comutadas, pelo qual este dispositivo compreende pelo menos um dispositivo de modo diferencial sobre o qual o inversor ou inversores mencionados acima é ou são
3 0 conectados de modo a alimentar uma fase da carga mencionada acima e em que o inversor ou inversores mencionados acima e ou são dotados de um controle que se certifica que as formas de onda das voltagens de saída em questão diferem ou deslocam no tempo e em que durante cada período completo 5 mencionado acima, pelo menos uma das voltagens de saída mencionadas acima é mantida constante e assim não é comutada.
O dispositivo de modo diferencial mencionado acima é preferivelmente dotado de um ou vários componentes 10 indutores como reatâncias, transformadores, transformadores toróides, anéis de ferrite, cernes de ferro, reatâncias de modo comum, reatâncias compensadas pela corrente, ou assemelhados, tendo dois ou mais enrolamentos paralelos, tal que se torna possível abafar o modo diferencial da 15 voltagem, da corrente respectivamente, de duas ou mais pernas inversoras conectadas a este dispositivo.
Para melhor explicar as características da presente invenção, os métodos preferidos seguintes de acordo com a invenção são fornecidos doravante apenas por meio de exemplos, sem serem limitativos de modo algum, com referência aos desenhos acompanhantes, em que:
A Figura 1 representa uma disposição conhecida de duas pernas de inversor de inversor paralelo.
A Figura 2 representa um esquema de enrolamento de um dispositivo de modo diferencial.
A Figura 3 representa um circuito equivalente do esquema de enrolamento de acordo com a Figura 2.
A Figura 4 é uma disposição por meio de exemplo de um dispositivo de modo diferencial de acordo com a Figura 3.
3 0 As Figuras 5 e 6 representam variantes de acordo com a Figura 4.
A Figura 7 representa uma variante de um esquema de enrolamento de acordo com a Figura 2.
As Figuras 8 e 9 representam variantes de acordo com a Figura 7.
A Figura 10 é uma disposição por meio de exemplo de um dispositivo de modo diferencial para uma aplicação de três fases.
A Figura 11 representa a lógica de comutação aplicada em um método de acordo com a invenção.
A Figura 12 representa a voltagem de modo comum em uma aplicação trifásica.
A Figura 13 representa uma estratégia de comutação na faixa de modulação baixa.
A Figura 14 representa uma forma de onda de voltagem
na faixa de modulação baixa.
A Figura 15 representa uma voltagem de referência para diferentes sistemas e a voltagem de entrada de motor resultante na primeira fase de uma máquina elétrica trifásica.
A Figura 16 representa uma corrente de saida de um inversor para uma aplicação trifásica para diferentes sistemas.
A Figura 17 representa um exemplo, para sistemas diferentes, da corrente de entrada de uma máquina elétrica trifásica.
A Figura 1 representa uma disposição conhecida pela qual as pernas de saída 1 e 2 de dois inversores que não estão representados nas Figuras são conectados em paralelo
3 0 e são conectados a uma carga 3 com um caráter predominantemente indutivo, pelo qual esta carga 3 neste caso consiste de um motor 4, e em particular de uma fase deste motor 4.
Em cada uma das pernas de saída 1 e 2 dos respectivos 5 inversores é, como é conhecido, cada vez fornecida uma reatância 6.
Como já foi descrito na introdução, essa disposição conhecida tem numerosas desvantagens, como uma alta freqüência de comutação, uma redução limitada do conteúdo 10 harmônico, uma grande queda de voltagem no caso de freqüências fundamentais altas, um campo magnético forte em cada reatância, pois este campo é gerado por toda a corrente de saída dos inversores e reatâncias de alto custo 5 com grandes dimensões, em particular no caso de energias 15 altas.
A Figura 2 representa uma disposição básica de um dispositivo de modo diferencial 6, conforme descrito em um pedido de patente anterior do mesmo solicitante, pelo qual dois enrolamentos anti-paralelos 7 são fornecidos em um 2 0 cerne magnético comum 8, como um cerne de ferro.
Ambos os enrolamentos 7 mencionados acima são utilizados para conectar as duas pernas do inversor 1 e 2, fornecendo voltagens respectivas U1 e U2.
As extremidades distantes dos enrolamentos 7 são
2 5 conectadas através de um condutor comum 9 a uma fase de uma
carga que poderá consistir de uma grade ativa ou passiva com um caráter indutivo, por exemplo, uma fase de motor. De acordo com a lei de Kirchoff, a corrente de carga i que flui através do condutor 9 é igual à soma das correntes do
3 0 inversor I1 e i2 fornecidas através das pernas de inversor respectivas I e 2.
A Figura 3 representa a mesma disposição que na Figura
2 por meio de um circuito equivalente simplificado.
Para um controle de energia paralelo, as correntes das duas pernas inversoras 1 e 2 que geram um campo no cerne magnético 8 precisam ser iguais. Dependendo da direção da corrente, o fluxo que é gerado pelos enrolamentos 7 será paralelo ou oposto.
Com uma corrente de saída igual dos dois inversores e uma proporção de enrolamento de 1:1 com um acoplamento magnético de 100%, ambos os fluxos neutralizarão inteiramente um ao outro, e o campo magnético resultante no dispositivo de modo diferencial 6 será igual a zero.
No entanto, na presença de uma corrente de modo diferencial, pela qual ii difere de i2, haverá um fluxo magnético no cerne magnético 8, como resultado do qual a reatância funcionará como uma espiral de indução contra essa corrente indesejada.
Enquanto com uma reatância monofásica convencional um
2 0 campo magnético é gerado pela corrente de fase total, o
campo magnético dos dispositivos de modo diferencial 6 é essencialmente gerado pela diferença nas correntes de saída X1 e i2 dos respectivos inversores conectados em paralelo.
Esta corrente de modo diferencial (isto é, diferença 25 de corrente) só pode quantificar em uma fração da corrente de fase total. Como o cerne de ferro não vê os componentes fundamentais da corrente do inversor e da voltagem do inversor, o cerne de ferro pode ser dimensionado consideravelmente menor que uma reatância padrão ou
3 0 transformador como é utilizado para uma energia admissível idêntica.
Em uma disposição de teste, por exemplo, cernes de ferro de reatância de 2 kVA são utilizados para alimentar um motor de 300 kW com fornecimento de energia paralela, 5 pela qual as pernas de saída 1 e 2 de inversores diferentes são conectadas em paralelo.
Entretanto, essa disposição não é óbvia, pois o dispositivo de modo diferencial 6 fica saturado e assim não mais funcionará corretamente a um nível de corrente no modo diferencial relativamente baixo.
Como são ilustradas por meio das Figuras 4 a 10, muitas disposições diferentes são possíveis. 0 princípio básico sempre permanece o mesmo, contudo, pelo qual:
com correntes de saída idênticas das pernas do inversor 1 e 2 alimentarem uma e a mesma fase da carga 3 e quando negligenciar as perdas de vazamento, o campo magnético no dispositivo no modo diferencial 6 é de zero;
a voltagem de saída do dispositivo de modo diferencial 6 ê a soma das voltagens de entrada respectivas Ul e U2 deste dispositivo de modo diferencial 6, dividida pelo número de entradas.
Os dispositivos de modo diferencial 6 que são utilizados para o fornecimento de energia paralela podem ser realizados ao fazer uso de um ou vários componentes 25 indutores como reatâncias, transformadores, toróides, anéis de ferrite, cernes de ferro, reatâncias no 'modo comum', reatâncias com compensação de corrente ou assemelhados. Esses componentes de indução possuem dois ou mais enrolamentos paralelos (dependendo do número de pernas de
3 0 inversor paralelo) para abafar o modo diferencial da voltagem, corrente, respectivamente.
A Figura 4 representa uma disposição exemplar de um dispositivo de modo diferencial 6 de acordo com a Figura 3, que é conectado a uma carga 3 na forma de uma fase de motor, e que é alimentado por duas pernas de inversor 1 e 2 que fornecem as respectivas voltagens de saídas Ui e U2.
Neste exemplo, o dispositivo de modo diferencial 6, conforme representado na Figura 2, consiste de dois enrolamentos enrolados anti-paralelos 7 ao redor de um 10 cerne magnético 8, em que o campo magnético que é gerado pelos enrolamentos 7 é igual a zero quando as duas correntes de saída i2 e i2 dos respectivos inversores são iguais.
Como os enrolamentos enrolados anti-paralelo 7 são 15 conectados a um e o mesmo fluxo, as quedas de voltagem sobre os enrolamentos 7 são inversos. Se a voltagem resistiva cair, o fluxo de vazamento, o acoplamento capacitivo e outros efeitos parasíticos são negligenciados, pode-se dizer que as voltagens de saída Ui e U2 das
2 0 respectivas pernas de inversor 1 e 2 serão iguais a:
U1 = Uload + Ul (1)
U2 = Uload - U1 (2)
Ul por este representa a queda de voltagem que ocorre sobre o enrolamento 7 da primeira perna de inversor 1, enquanto Uloa(1 representa a voltagem aplicada à fase do motor.
De acordo com (1) - (2) , a soma das voltagens de saída dos respectivos inversores ê igual a:
U1 + U2 = 2 . Uload (3 )
3 0 Do que antecede segue-se que a queda de voltagem sobre a carga é igual a: Uioad — 1/2 [U1+U2]
(4)
Esta fórmula também pode ser derivada do sistema de equações seguinte, pelo qual Ul representa a voltagem de auto-indução da reatância e Ld o coeficiente de autoindução da reatância:
Do que precede, também se segue que a voltagem de auto-indução sobre a reatância é igual a:
A Figura 5 mostra um exemplo de um dispositivo de acordo com a invenção com três dispositivos de modo diferencial 6 para uma aplicação trifásica. Neste exemplo, uma carga multi-fase na forma de uma máquina elétrica, que neste caso consiste de um motor trifãsico 10, é alimentada por dois inversores trifásicos 11 e 12 que também são parte do dispositivo de acordo com a invenção.
Para este fim, cada vez que duas pernas de saída 13 e
14 dos respectivos inversores 11 e 12 são conectadas em paralelo por meio de um dispositivo de modo diferencial separado 6, e cada um dos três dispositivos de modo diferencial separados 6 alimenta uma respectiva fase do motor 15, 16 ou 17.
Os inversores eletrônicos de energia mencionados acima poderão aqui ser conectados ou não a uma voltagem de barramento DC comum.
(4)
Ui XJtoad*U c u2~ul í/w~
' d r 1
(5) O princípio de trabalho dos dispositivos de modo diferencial 6 e as equações resultantes são similares àquelas do exemplo anterior da Figura 4.
mencionados 11 e/ou 12 compreendem um controle que se certifica que as formas de onda das voltagens de saída em questão das respectivas perdas de inversor 13 e 14 que são conectadas ao um e ao mesmo dispositivo de modo diferencial 10 diferem no tempo ou são deslocados no tempo e que, durante cada período integral mencionado acima, pelo menos uma dessas voltagens de saída mencionadas acima é mantida constante e assim não é comutada.
conectar mais de duas pernas de inversor em paralelo, por exemplo, como é representado na Figura 6, que representa uma disposição por meio de exemplo de dois dispositivos de modo diferencial 6 que são conectados a três pernas de inversor 18, 19 e 20 e que alimentam uma fase de um motor
U^Uta
Motor
ιυ*+υΛ.
Em verdade, para este exemplo é verdadeiro:
5
De acordo com a invenção, os inversores acima
De acordo com o mesmo princípio, também é possível
21 .
Neste exemplo, o sistema seguinte de equações é
verdadeiro:
25
(6)
Para este exemplo, também as equações seguintes são verdadeiras:
ua=~kj~u] e υα=ψυ*-υ*
Nessas equações, Uli e UL2 representam as voltagens de auto-indução das respectivas reatâncias de cada ura dos dispositivos de modo diferencial 6, enquanto as voltagens Ui, U2 e U3 representam as voltagens de saída dos respectivos inversores .
Variantes da disposição na Figura 6, por exemplo, podem ser fornecidas com mais de dois dispositivos de modo diferencial 6 ou com outras distribuições de enrolamentos para os dispositivos de modo diferencial 6.
Também é possível fornecer dispositivos de modo diferencial 6 com apenas um cerne de ferro para desacoplar os inversores, como resultado do que uma fonte de energia
paralela é tornada possível.
De acordo com uma característica especial da invenção, o dispositivo de modo diferencial compreende enrolamentos ao redor de um cerne de ferro com mais de uma via de fluxo magnético.
2 0 As Figuras 7 a 9 representam três diferentes esquemas
de enrolamentos com cada um deles resultando na mesma equação de voltagem para a carga que a equação mencionada acima (6) do exemplo na Figura 6, com a condição de que uma proporção de enrolamento de 1:1:1 é tomada como a base e que perdas por vazamento são negligenciadas.
Em cada uma das Figuras, o dispositivo de modo diferencial 6 compreende um transformador trifásico 22 que é alimentado por três pernas de saída 23-25 de três inversores separados que não estão representados nas
3 0 Figuras. No exemplo da Figura 7, as extremidades distantes dos enrolamentos 26 ao redor das respectivas pernas do transformador 27 são conectadas em paralelo e elas são conectadas através do condutor comum 2 8 a uma carga 3 com
caráter predominantemente indutivo, como uma fase de motor.
Na disposição da Figura 8, dois enrolamentos separados
2 9 e 3 0 são fornecidos ao redor de cada perna de transformador 27, um primeiro enrolamento 2 8 sobre o qual é conectada uma perna de saída 23-25 de um respectivo LO inversor, e um segundo enrolamento 3 0 que é conectado a uma extremidade distante a uma extremidade livre do primeiro enrolamento 29 mencionado acima, respectivamente, e pelo qual as outras extremidades distantes dos segundos enrolamentos 3 0 são conectadas em paralelo de modo a L5 fornecer uma carga.
As conexões entre os respectivos primeiro e segundo enrolamentos 29 e 30 nas pernas do transformador 27 são, neste caso, feitas tal que cada primeiro enrolamento 28 é conectado a uma respectiva perna de transformador 27 com o 10 segundo enrolamento 3 0 ao redor de outra perna do transformador 27.
Na disposição representada na Figura 9, três enrolamentos separados 31-33 são fornecidos ao redor de cada uma das pernas do transformador, pelo qual esses
2 5 enrolamentos 31-33 são conectados um ao outro de maneira tal que cada corrente de saída fornecida pelos respectivos inversores flui através de três enrolamentos, pelo qual esses três enrolamentos são, cada um, fornecidos ao redor de outra perna do transformador 27.
Um exemplo de uma aplicação de um dispositivo de modo diferencial 6 de acordo com a Figura 8 é representado na Figura 10, que mostra um dispositivo de acordo com a invenção alimentando uma carga.
Neste exemplo, uma carga trifásica 3 na forma de um 5 motor 10 é alimentada por três inversores trifásicos 34-36, a saber, através de três dispositivos de modo diferencial 6 que são incorporados como o exemplo na Figura 8 com dois enrolamentos 2 9 e 3 0 ao redor de cada perna do transformador 27.
-0 Para este fim, cada inversor trifásico 34-36 é
utilizado para alimentar outra fase do motor 15-17, mas é claro que as pernas de saída 23-25 dos inversores 34-36 também podem ser combinadas de outras maneiras, por exemplo, ao utilizar uma primeira fase 23 de cada inversor .5 34-36 para alimentar uma fase do motor 15, ao utilizar as segundas fases do inversor 34 para alimentar a segunda fase
16 da carga 3 e ao alimentar a terceira fase da carga 17 com as terceiras fases dos respectivos inversores 34-36.
Em todas as aplicações do dispositivo de modo !0 diferencial 6, a voltagem que é aplicada a cada fase da carga é igual à soma das voltagens de saída dos respectivos inversores que alimentam o dispositivo de modo diferencial
6 em questão, dividida pelo número de saídas de inversor que são conectadas a este dispositivo de modo diferencial 6 .
A maneira mais óbvia de abordar uma voltagem de referência para a carga consiste em aplicar a mesma voltagem a todas as pernas do inversor paralelo, tal que uma fonte de alimentação convencional é obtida sem qualquer :0 desvantagem adicional. O método de acordo com a invenção para controlar uma carga com caráter predominantemente indutivo consiste em que as formas de onda das voltagens de saída das respectivas pernas de inversor que são conectadas a um 5 dispositivo de modo diferencial comum para alimentar uma fase da carga são diferentes ou são deslocadas no tempo e em que, durante cada período completo de comutação, de modulação, ou de amostra, pelo menos uma das voltagens de saída mencionadas acima é mantida constante e assim não é 10 comutada, por meio de um controle mencionado acima.
De acordo com uma característica preferida da invenção, durante cada período completo de comutação, de modulação ou de amostra, maximamente uma das voltagens de saída que são conectadas à mesma fase da carga ê comutada.
Durante esse mesmo período, todas as outras pernas do
inversor que são conectadas ao mesmo dispositivo de modo diferencial fornecem uma voltagem de saída constante.
A Figura 11 representa um exemplo para uma fase da carga que é alimentada por três pernas do inversor.
0 diagrama superior representa a voltagem de
referência Uref como uma lista serrilhada e ela representa a voltagem de fase resultante fornecida para a carga como uma linha cheia.
Os três diagramas inferiores novamente representam a voltagem de referência conforme sinalizada, e a lógica de comutação S1, S2 e S3 de uma respectiva perna do inversor é também representada a cada vez.
Este exemplo fornece um PWM simétrico que começa a cada ciclo de comutação com um estado 'alto' (isto é, com a 3 0 voltagem de saída positiva da perna de inversor respectiva).
O eixo horizontal representa o tempo t dividido pelo período PWM Tpwm .
Durante o primeiro período PWM ou de amostragem, as voltagens de saída das duas pernas do inversor superior estão 'altas', enquanto a terceira perna do inversor é comutada sucintamente 'baixa' durante este período de amostragem ou PWM.
Durante este período de amostragem ou PWM, a voltagem que é aplicada à fase da carga pelo dispositivo de modo diferencial será 'alta', e ela será temporariamente comutada para um nível de voltagem mais baixo.
Nos cinco períodos de amostra ou PWM seguintes, maximamente uma das pernas de saída dos inversores que está conectada ao dispositivo de modo diferencial em questão será comutada, enquanto todas as demais pernas de saída fornecerão uma voltagem continuamente 'alta'.
Durante os três períodos de amostra ou PWM seguintes, cada vez uma das voltagens de saída será continuamente 20 'baixa', enquanto outra voltagem de saída é continuamente 'alta' e uma terceira voltagem de saída será temporariamente comutada de 'alto' para 'baixo' desde um estado 'alto'.
Durante os oito períodos de amostragem ou PWM seguintes, duas voltagens de saída serão cada vez mantidas continuamente 'baixas', enquanto uma terceira voltagem de saída neste período de amostragem ou PWM será temporariamente comutada de 'alto' para 'baixo'.
Então novamente haverá um número de períodos de 3 0 amostragem ou PWM em que uma das voltagens de saída está continuamente 'baixa', enquanto uma segunda voltagem de saída está continuamente 'alta', e uma terceira voltagem de saída será temporariamente comutada 'baixa' desde um estado 'alto'.
Desta maneira, um sinal de referência é obtido,
conforme representado por meio de uma lista serrilhada no diagrama superior da Figura 11, pelo qual a voltagem é comutada entre um número discreto de níveis de voltagem, neste caso quatro níveis de voltagem.
De acordo com a invenção, em vez de um PWM simétrico
iniciar cada período 'alto', também outras estratégias PWM podem ser aplicadas, como um PWM simétrico iniciar cada período 'baixo' , um 'PWM alinhado pela borda' , um PWM assíncrono e síncrono, ou assemelhado.
A característica preferida da invenção, sendo que
durante cada período de amostragem maximamente uma perna do inversor é comutada, pode ser implementada em cada uma das ditas estratégias de comutação.
Em aplicações em tempo real, recursos adicionais são acrescentados como o retardo de tempo morto, detecção de pulso mínima e assemelhados.
Em todos os exemplos seguintes, a voltagem de saída de uma perna do inversor estará em proporção a um sinal de referência Xref/ pelo qual Xref está situado dentro da faixa -l<XreÊ<l.
Um sinal de referência '+1' aqui corresponde a uma perna do inversor que comutou continuamente na voltagem de barramento CC positiva, enquanto o sinal de referência '-1' corresponde a uma voltagem de saída de uma perna do
3 0 inversor que é igual à voltagem de barramento CC negativa. Em aplicações multi-fase, sem qualquer conexão neutra, a interação das diferentes fases pode ser utilizada.
Em vez de utilizar um inversor separado para cada fase, um sinal de referência complexo pode ser processado como um todo.
Dependendo da aplicação, essa técnica poderá oferecer vantagens adicionais. Um exemplo típico que é descrito na literatura é 'Space Vector Modulation'(SVM) para acionadores elétricos.
LO Ainda mais uma redução da freqüência de comutação pode
ser obtida de acordo com a invenção ao acrescentar uma voltagem de modo comum a todas as fases, de maneira tal que pelo menos uma das fase está continuamente alta ou baixa durante um período completo de comutação, de modulação ou 15 de amostragem (isto é, não há nenhuma ação de comutação em pelo menos uma fase) .
Essa variação de voltagem no modo comum não é observada pela carga, pois ela não tem qualquer influência nas voltagens linha-a-linha.
A Figura 12 mostra um exemplo do deslocamento de
voltagem para uma aplicação trifásica.
0 diagrama superior desta Figura mostra três sinais de referência sinusoidais U, V e W, deslocados por 120 graus.
Acrescentando a voltagem 'modo comum', representada por meio do exemplo como uma linha serrilhada, resulta nos sinais de referência Uref, Vref, e Wref, como representados nos três subgráficos inferiores.
Neste exemplo, uma referência que é igual a +1 ou -1 não leva a uma ação de comutação.
3 0 Conseqüentemente, a freqüência de comutação efetiva é consideravelmente reduzida, pois durante cada período de comutação, de modulação ou de amostragem, haverá ações de comutação em no máximo duas pernas do inversor.
Neste exemplo, por exemplo, cada uma das saídas do inversor que são utilizadas para alimentar a fase U durante o terceiro, quarto, quinto, nono, décimo, décimo primeiro, décimo quinto, décimo sexto período de amostragem ou PWM será mantido constante.
De maneira análoga, ao acrescentar a voltagem de modo
comum aos sinais de referência sinusoidais para as respectivas fases V e W, certifica-se de que essas fases também estão no estado +1 ou -1 durante certos períodos de amostragem ou PWM, que implica que nenhuma das voltagens de saída das pernas de inversor respectivas que estão
conectadas ao dispositivo de modo diferencial que alimenta a fase V ou W em questão são comutadas.
Outra redução da freqüência de comutação geral pode ser obtida ao aplicar técnicas conhecidas como a detecção de pulso mínimo e assemelhadas.
A presente invenção também oferece uma estratégia de
comutação especial que oferece vantagens adicionais para aplicações em que as voltagens de saída mencionadas acima estão situadas na faixa de modulação baixa, pelo que a voltagem de referência é pequena comparada com a voltagem
2 5 de barramento DC.
As duas vantagens principais são que as características não-lineares do inversor, como o efeito de tempo morto, são contra-agidos, e que a freqüência de comutação é reduzida.
3 0 De uma maneira análoga ao exemplo anterior da Figura 12, a idéia principal desta estratégia de comutação é acrescentar uma voltagem de modo comum a todas as fases, de maneira tal que, durante cada período de comutação, de modulação ou de amostragem, haverá ações de comutação em maximamente uma das pernas do inversor paralelo.
Durante aquele mesmo período PWM, todas as demais pernas do inversor estão na mesma voltagem de saída, o que implica que todas essas outras pernas do inversor estão continuamente 'altas' ou continuamente 'baixas' e que não 10 há qualquer mistura de voltagens constantemente altas e de voltagens constantemente baixas.
Um exemplo dessa aplicação trifásica é representado na Figura 13, que mostra uma construção análoga à Figura 12, e em que as voltagens de referência representadas são utilizadas na faixa de modulação baixa.
Na Figura 14, por exemplo, a lógica de comutação de três pernas de inversor ê representada que são utilizadas para alimentar uma fase da carga, neste caso a fase U.
As Figuras 15 a 17 são exemplos de ondas de voltagem
2 0 de uma aplicação trifásica. Neste exemplo, uma máquina
elétrica trifásica ê subseqüentemente alimentada por um, dois ou três inversores, respectivamente, que são conectados em paralelo por meio de dispositivos de modo diferencial e pelo qual características não-lineares são negligenciadas.
A Figura 15 mostra a voltagem de referência e a voltagem de entrada U12 do motor entre a primeira e a segunda fase, como uma função do tempo t.
Tipicamente, a voltagem de linha de um motor trifásico
3 0 que é alimentado por um único inversor trifásico consiste de três estados diferentes, a saber zero, uma voltagem de barramento CC positiva e negativa.
Assim, é possível com a presente invenção aplicar uma voltagem de linha que consiste de mais de dois estados.
Conseqüentemente, a voltagem fica mais sinusoidal, o
que implica que a voltagem fica mais similar à voltagem de referência.
No exemplo dado, o número de estados n é igual a:
n = 2.k + 1 (6)
k aqui representa o número de pernas do inversor
paralelo.
As Figuras 16 e 17 mostram, respectivamente, a corrente de saída iinv do inversor e a corrente de entrada imot do motor, como uma função do tempo t.
Naturalmente, para um motor que é alimentado por um
único inversor, a corrente de saída do inversor será idêntica à corrente de entrada do motor alimentada por este inversor.
Em um modo alimentar com vários inversores, a corrente de saída do inversor é acrescentada à corrente do motor.
Como pode ser derivado das Figuras, a corrente do motor imot fica mais equitativa no modo multi-inversor, pois a voltagem de suprimento é mais sinusoidal.
Sem qualquer restrição de qualquer tipo, a presente 25 invenção também pode ser aplicada a acionamentos elétricos com enrolamentos tendo várias camadas. Neste caso, não é necessário, mas é possível conectar os enrolamentos paralelos, pois os enrolamentos paralelos são acoplados ao mesmo fluxo do motor. Conseqüentemente, a queda de voltagem
3 0 dos enrolamentos paralelos também será igual. De acordo com a invenção, a carga mencionada acima que é conectada aos dispositivos de modo diferencial poderá consistir de todo tipo de carga passiva ou ativa, como um motor, um gerador, uma rede de fornecimento de energia, ou assemelhados.
Conseqüentemente, o método de acordo com a invenção não é limitado à aplicação para acionamentos elétricos; pelo contrário, esse método parece ser particularmente bem adaptado para aplicações de acionamento de compressores.
De acordo com uma característica especial, o método de
acordo com a presente invenção é aplicado a aplicações de alta velocidade e/ou a aplicações de extremidade frontal ativa e/ou de filtro ativa.
De acordo com a invenção, o dispositivo de modo diferencial mencionado acima pode ser pelo menos parcialmente fornecido na armação de um inversor eletrônico de energia.
Ademais, tal dispositivo de modo diferencial de acordo com a invenção pode ser parcialmente formado dos enrolamentos de uma máquina elétrica e/ou ele poderá ser parcialmente formado do cerne laminado de uma máquina elétrica.
Nem está excluído, de acordo com a invenção, para o dispositivo de modo diferencial ser feito na forma de um ou
2 5 vários enrolamentos que são fornecidos ao redor de um cerne de ferro ao redor do qual também são fornecidos enrolamentos de outro dispositivo de modo diferencial que alimenta outra fase.
A presente invenção não é de qualquer modo limitada ao método e dispositivo dado por meio de exemplo e representado nos desenhos acompanhantes; pelo contrário, tal método e dispositivo de acordo com a invenção pode ser feito em todos os tipos de maneiras enquanto ainda permanece dentro do escopo da invenção.

Claims (18)

1. Método para controlar uma carga com um caráter predominantemente indutivo, pelo qual, para alimentar uma fase da carga (3) mencionada acima, é feito uso de pelo menos duas voltagens de saída comutadas, aplicadas por um ou vários inversores eletrônicos de energia (11, 12, 34, 35, 36), com um período dado de comutação, de modulação, ou de amostragem, caracterizado pelo fato de as formas de onda das voltagens de saída em questão serem diferentes ou terem sido deslocadas no tempo, e em que elas são fornecidas à carga (3) através de um dispositivo de modo diferencial (6) , pelo qual durante cada período completo mencionado acima, pelo menos uma das voltagens de saída mencionadas acima é mantida constante e assim não é comutada.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de durante cada período completo mencionado acima, maximamente uma das voltagens de saída mencionada acima ser comutada.
3. Método, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a carga (3) mencionada acima ser feita na forma de uma carga multi-fase e em que várias fases desta carga são, cada uma delas, alimentadas através de um dispositivo de modo diferencial (6) acima mencionado.
4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de as voltagens de saída mencionadas acima estarem situadas na faixa de modulação baixa e em que uma voltagem de modo comum ser acrescentada a cada fase, tal que durante cada período, em cada fase, maximamente uma perna do inversor (13, 14; 18-20; 23-25) muda sua voltagem de saída, enquanto todas as demais pernas do inversor (13, 14; 18-20; 23-25) naquela mesma fase permanecem continuamente comutadas como 'alta'.
5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de as voltagens de saída mencionadas acima estarem situadas na faixa de modulação baixa e em que uma voltagem de modo comum ser acrescentada a cada fase, tal que durante cada período, em cada fase, maximamente uma perna do inversor (13, 14; 18-20; 23-25) muda sua voltagem de saída, enquanto todas as demais pernas do inversor (13, 14; 18-20; 23-25) naquela mesma fase permanecem continuamente comutadas como 'baixa'.
6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de vários inversores eletrônicos de energia (11, 12; 34, 35, 36) serem utilizados e em que esses inversores eletrônicos de energia (11, 12; 34, 35, 36) serem alimentados por uma voltagem de barramento CC comum.
7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de vários inversores eletrônicos de energia (11, 12; 34, 35, 36) serem utilizados e em que nem todos esses inversores eletrônicos de energia (11, 12; 34, 35, 36) são conectados à mesma voltagem de barramento CC.
8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6 ou 7, caracterizado pelo fato de ele ser utilizado para aplicações de acionamento elétrico.
9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato de ele ser utilizado em aplicações de alta velocidade.
10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de ele ser utilizado em aplicações de acionamento de compressor.
11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ou 10, caracterizado pelo fato de ele ser utilizado para aplicações de extremidade frontal ativa e/ou aplicações de filro ativas.
12. Dispositivo que é adequado para a aplicação de um método de qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6,7, 8, 9, 10 ou11 para controlar uma carga com um caráter predominantemente indutivo, pelo qual este dispositivo compreende um ou vários inversores eletrônicos de energia (11, 12; 34, 35, 36) com um período dado de comutação, de modulação ou de amostragem, para fornecer pelo menos duas voltagens de saída comutadas, caracterizado pelo fato de compreender pelo menos um dispositivo de modo diferencial (6) sobre o qual o inversor ou inversores (11, 12; 34, 35, 36) mencionados acima é ou são conectados para alimentar uma fase da carga (3) mencionada acima e em que o inversor ou inversores (11, 12; 34, 35, 36) mencionados acima é ou são fornecidos com um controle que se certifica de que as formas de onda das voltagens de saída em questão sejam diferentes ou foram deslocadas no tempo, e em que durante cada período completo mencionado acima, pelo menos uma das voltagens de saída mencionadas acima é mantida constante e assim não é comutada.
13. Dispositivo, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de o dispositivo de modo diferencial (6) mencionado acima ser fornecido com um ou vários componentes indutores como reatâncias, transformadores, toróides, anéis de ferrita, cernes de ferro, reatâncias de 'modo comum', reatâncias compensadas pela corrente, ou assemelhados, tendo dois ou vários enrolamentos paralelos, tal que o amortecimento do modo diferencial da voltagem, corrente, respectivamente, de duas ou mais pernas do inversor (13, 14; 18-20; 23-25) conectadas ao dispositivo de modo diferencial (6) é tornado possível.
14. Dispositivo, de acordo com as reivindicações 12 ou 13, caracterizado pelo fato de o dispositivo de modo diferencial (6) mencionado acima ser parcialmente formado dos enrolamentos de uma máquina elétrica.
15. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12, 13 ou 14, caracterizado pelo fato de o dispositivo de modo diferencial (6) mencionado acima ser parcialmente formado do cerne laminado de uma máquina elétrica.
16. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12, 13, 14 ou 15, caracterizado pelo fato de o dispositivo de modo diferencial (6) mencionado acima compreender enrolamentos ao redor de um cerne de ferro com mais de uma via de fluxo magnético.
17. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12, 13, 14, 15 ou 16, caracterizado pelo fato de o dispositivo de modo diferencial mencionado acima ser equipado com um ou vários enrolamentos, fornecidos ao redor de um cerne de ferro ao redor do qual também são fornecidos enrolamentos de outro dispositivo de modo diferencial (6) que alimenta outra fase.
18. Dispositivo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12, 13, 14, 15, 16 ou 17, caracterizado pelo fato de o dispositivo de modo diferencial (6) mencionado acima ser pelo menos parcialmente fornecido na armação de um inversor(ll, 12; 34, 35, 36) mencionado acima.
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