BRPI0822356B1 - conversor de fonte de voltagem e instalação para transmissão de potência elétrica - Google Patents

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Abstract

conversor de fonte de voltagem. a presente invenção refere-se a um conversor de fonte de voltagem possuindo pelo menos uma extensão de fase conectada a polos o postos de um lado de voltagem direta do conversor e compreendendo uma conexão em série dos elementos de comutação (7') incluindo pelo menos um capacitor de armazenamento de energia e configurado para obter dois estados de comutação, isso é um primeiro estado de comutação e um segundo estado de comutação, no qual a voltagem através do dito pelo menos um capacitor de armazenamento de energia e uma voltagem zero, respectivamente, é aplicada através dos terminais do elemento de comutação, possui chips semicondutores dos ditos elementos de comutação dispostos nas pilhas (s) compreendendo cada um pelo menos dois chips semicondutores. o conversor compreende uma disposição (39) configurada para aplicar uma pressão às extremidades opostas de cada pilha.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para CONVERSOR DE FONTE DE VOLTAGEM E INSTALAÇÃO PARA TRANSMISSÃO DE POTÊNCIA ELÉTRICA .
Campo Técnico da Invenção e Antecedentes da Técnica [001] A presente invenção refere-se a um Conversor de Fonte de Tensão possuindo pelo menos uma extensão de fase conectando polos opostos de um lado de tensão direta do conversor e compreendendo uma série de conexões de elementos de comutação, cada um dos ditos elementos de comutação possuindo, por um lado, pelo menos dois chips semicondutores possuindo cada um, um dispositivo semicondutor do tipo desliga e um diodo de rotação livre conectado em paralelo com o mesmo e, por outro lado, pelo menos um capacitor de armazenamento de energia, um ponto intermediário da dita conexão em série formando uma saída de fase configurada para ser conectada a um lado de tensão alternada do conversor e para dividir a extensão de fase em uma ramificação de válvula superior e uma ramificação de válvula inferior, cada um dos ditos elementos de comutação sendo configurado para obter dois estados de comutação pelo controle dos ditos dispositivos semicondutores de cada elemento de comutação, isso é, um primeiro estado de comutação e um segundo estado de comutação, no qual a tensão através do dito pelo menos um capacitor de armazenamento de energia e uma tensão igual a zero, respectivamente, é aplicada através dos terminais do elemento de comutação, para obtenção de uma tensão alternada determinada na dita saída de fase.
[002] Tais conversores com qualquer número de ditas extensões de fase são constituídos, mas possuem normalmente três extensões de fase para possuírem uma tensão alternada de três fases no lado de tensão alternada dos mesmos.
[003] Um Conversor de Fonte de Tensão desse tipo pode ser uti
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2/18 lizado em todos os tipos de situações, nas quais a tensão direta deve ser convertida em tensão alternada ou inversamente, quando exemplos de tais utilizações estão em estações de instalações HVDC (Corrente Direta de Alta Tensão), na qual a tensão direta é normalmente convertida em uma tensão alternada trifásica ou inversamente, ou nas chamadas estações back-to-back nas quais a tensão alternada é primeiramente convertida em tensão direta e a mesma é então convertida em tensão alternada. Pode ser utilizada também para absorver ou injetar energia reativa na rede de tensão alternada.
[004] Um Conversor de Fonte de Tensão desse tipo é conhecido através, por exemplo, de DE 101 03 031 A1 e WO 2007/023064 A1 e é normalmente chamado de conversor multicelular ou M2LC. Referência é feita a essas publicações para o funcionamento de um conversor desse tipo. Os ditos elementos de comutação do conversor podem ter outras aparências do que as ilustradas nas ditas publicações, e é, por exemplo, possível que cada elemento de comutação tenha mais de um dito capacitor de armazenamento de energia, desde que seja possível se controlar o elemento de comutação a ser intercalado entre os dois estados mencionados na introdução.
[005] A presente invenção é basicamente, mas não exclusivamente, direcionada a tais Conversores de Fonte de Tensão configurados para transmitir altas energias, e o caso de transmissão de altas energias será, por essa razão, discutido abaixo doravante para iluminar, mas não restringir de forma alguma, a invenção. Quando tal Conversor de Fonte de Tensão é utilizado para transmitir altas energias isso também significa que as altas voltagens podem ser manuseadas, e a tensão do lado de tensão direta do conversor é determinada pelas voltagens através dos ditos capacitores de armazenamento de energia dos elementos de comutação e é normalmente configurada para ser metade da soma dessas voltagens. Isso significa que um número
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3/18 comparativamente alto de tais elementos de comutação deve ser conectado em série ou um alto número de dispositivos semicondutores, isso é, os ditos chips semicondutores, devem ser conectados em séries em cada um dos ditos elementos de comutação, e um Conversor de Fonte de Tensão desse tipo é particularmente interessante quando o número de elementos de comutação na dita extensão de fase é comparativamente alto, tal como pelo menos igual a 8. Um alto número de tais elementos de comutação conectados em série significa que será possível se controlar esses elementos de comutação para alterar entre o dito primeiro e o segundo estado de comutação e já na dita saída de fase obter uma tensão alternada muito próxima de uma tensão sinusoidal. Isso pode ser obtido já por meio de frequências de comutação substancialmente mais baixas do que tipicamente utilizadas nos Conversores de Fonte de Tensão conhecidos do tipo ilustrado na figura 1 em DE 101 03 031 A1 possuindo elementos de comutação com pelo menos um dispositivo semicondutor do tipo desliga e pelo menos um diodo de rotação livre conectado de forma antiparalela com o mesmo. Isso possibilita a obtenção de perdas substancialmente baixas e também reduz consideravelmente problemas de filtragem e correntes harmônicas e interferência de rádio, de forma que o equipamento para que possa ser mais econômico.
[006] No entanto, o grande número de elementos de comutação conectados em série e os capacitores de armazenamento de energia pertencentes a esses elementos de comutação tornam os Conversores de Fonte de Tensão desse tipo bem volumosos, de forma que, por exemplo, no caso de uma estação de uma instalação HVDC alojamentos para válvulas muito grandes precisem ser construídos para tais conversores.
Sumário da Invenção [007] O objetivo da presente invenção é fornecer um Conversor
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4/18 de Fonte de Tensão do tipo definido na introdução sendo aperfeiçoado em pelo menos alguns aspectos com relação a tais Conversores de Fonte de Tensão já conhecidos.
[008] Esse objetivo se dá de acordo com a invenção obtida pelo fornecimento de tal Conversor de Fonte de Tensão, no qual os ditos chips semicondutores dos ditos elementos de comutação são dispostos em pilhas compreendendo cada um pelo menos dois chips semicondutores, e o conversor compreender uma disposição configurada para aplicar uma pressão a extremidades opostas de cada uma das ditas pilhas para pressionar os ditos chips na direção um do outro de modo a obter o contato elétrico entre os chips semicondutores na dita pilha.
[009] Pela utilização da chamada técnica de presspack conhecida através da patente U.S. No. 5.705.853, esse tipo de Conversor de Fonte de tensão pode ser tornado mais compacto do que antes, de forma que as dimensões possam ser reduzidas para construções específicas na forma de alojamentos de válvula para tais conversores. Os chips semicondutores nos conversores desse tipo têm até agora sido conectados por conexões de parafuso, que exigem mais espaço para o fornecimento de acesso para os ditos parafusos ou cavilhas para o aperto das mesmas. A obtenção de contato elétrico entre os chips semicondutores pela disposição dos mesmos em uma pilha e o pressionamento dos mesmos na direção um do outro também resulta em uma confiabilidade aumentada de tais conexões com relação às soluções anteriores.
[0010] De acordo com uma modalidade da invenção a dita disposição compreende meios adaptados para aplicar uma pressão carregada por mola a cada uma das ditas pilhas empurrando as duas extremidades da pilha na direção uma da outra enquanto se libera a energia em potencial armazenada nos elementos dos ditos dispositi
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5/18 vos. Os ditos elementos podem ser de qualquer tipo armazenando energia em potencial quando comprimidos e são de acordo com outra modalidade da invenção molas agindo em pelo menos uma extremidade de cada uma das ditas pilhas, na qual as ditas molas podem ser molas mecânicas além de outros tipos de molas, tal como molas a gás. Isso significa que o contato elétrico entre os chips semicondutores na dita pilha pode ser obtido com uma alta confiabilidade independentemente das irregularidades na dimensão da mesma, tal como, por exemplo, no caso de conexão paralela dos chips semicondutores na dita pilha.
[0011] De acordo com outra modalidade da invenção, a dita disposição compreende duas placas de extremidade configuradas para serem dispostas perto de extremidades opostas de uma dita pilha e elementos alongados interconectando as ditas placas enquanto determinando a distância entre os mesmos, e os ditos elementos armazenando energia em potencial são dispostos para agir entre pelo menos uma das ditas placas e a extremidade correspondente da dita pilha para empurrar essa placa de extremidade e a extremidade da pilha para longe uma da outra enquanto pressiona a pilha junta. A dita disposição pode então compreender meios configurados para permitir um deslocamento de pelo menos uma das ditas placas ao longo dos ditos elementos de interconexão na direção longitudinal para alterar a dita distância e assim a pressão aplicada à dita pilha, de forma que o mesmo equipamento na forma da dita disposição possa ser utilizado e adaptado a diferentes pilhas.
[0012] De acordo com outra modalidade da invenção, a dita disposição compreende uma placa adicional configurada para ser aplicada a uma extremidade da dita pilha e móvel com relação aos ditos elementos alongados na direção longitudinal dos mesmos, e os ditos elementos armazenando energia em potencial são dispostos para empurrar a
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6/18 dita placa adicional e uma dita placa de extremidade próxima à mesma para longe uma da outra para pressionar a pilha junta.
[0013] De acordo com outra modalidade da invenção, os ditos chips semicondutores possuem uma estrutura tipo placa e são dispostos com lados grandes direcionados na direção da extensão da pilha.
[0014] De acordo com outra modalidade da invenção os ditos pelo menos dois chips semicondutores pertencem ao mesmo elemento de comutação, e chips semicondutores adjacentes pertencentes ao mesmo elemento de comutação são separados por uma placa metálica intercalada entre os mesmos para obtenção de uma conexão elétrica entre os dois chips pelo pressionamento dos mesmos contra a dita placa metálica. Isso significa que um contato elétrico confiável e excelente pode ser obtido entre os ditos chips semicondutores pertencentes ao mesmo elemento de comutação.
[0015] De acordo com outra modalidade da invenção, as ditas placas metálicas são dispostas em ambos os lados de cada chip semicondutor, o que é particularmente preferível para a possibilidade de utilização de tais placas metálicas para o resfriamento dos ditos chips semicondutores.
[0016] De acordo com outra modalidade da invenção, cada dita pilha compreende pelo menos todos os chips semicondutores pertencentes a um elemento de comutação.
[0017] De acordo com outra modalidade da invenção, cada pilha compreende os ditos chips semicondutores de uma pluralidade de ditos elementos de comutação, o que torna o conversor muito compacto. [0018] De acordo com outra modalidade da invenção, cada dita pilha possui chips semicondutores de um elemento de comutação dispostos em uma subpilha, todas as ditas subpilhas a serem pressionadas juntas por uma mesma dita disposição são dispostas em cima uma da outra em uma única pilha, uma camada eletricamente isolante
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7/18 é intercalada entre e separa as subpilhas adjacentes, e um condutor é disposto para conexão elétrica de subpilhas adjacentes e assim comutando de forma adjacente os elementos na dita conexão em série um ao outro. Esse desenho da dita pilha possibilita a disposição de um número de elementos de comutação, até mesmo todos os elementos de comutação de uma dita ramificação de válvula, em uma única pilha tornando o conversor muito compacto.
[0019] De acordo com outra modalidade da invenção, os ditos chips semicondutores a serem pressionados juntos por uma mesma disposição são dispostos em pelo menos duas pilhas paralelas, cada uma das ditas pilhas paralelas compreende uma pluralidade de elementos de comutação sobrepostos, cada um possuindo os ditos chips semicondutores dispostos em uma subpilha, todas as ditas subpilhas de cada uma das ditas pilhas sendo dispostas em cima uma da outra para formar uma das ditas pilhas paralelas, uma camada eletricamente isolante é intercalada entre e separa tais subpilhas adjacentes, cada elemento de comutação de subpilha compreende duas placas metálicas separadas por pelo menos um chip semicondutor desse elemento de comutação, e as ditas pilhas paralelas são mutuamente exibidas na direção longitudinal, de forma que para cada elemento de comutação as ditas duas placas metálicas pertencentes ao mesmo se conectam a são comuns aos elementos de comutação adjacentes diferentes da outra pilha paralela de forma a obter uma conexão em série de dois elementos de comutação separados por uma dita camada de isolamento em uma dita pilha paralela com um elemento de comutação da outra pilha paralela disposta nessa conexão em série entre os dois ditos elementos de comutação. Essa forma de obtenção de uma conexão em série dos ditos elementos de comutação ou células em um padrão em zigue-zague possibilita se tornar o conversor ainda mais compacto e reduzir o tamanho (comprimento) das construções de válPetição 870180152753, de 19/11/2018, pág. 11/33
8/18 vula.
[0020] De acordo com outra modalidade da invenção as ditas placas metálicas são fornecidas com canais e o conversor compreende meios configurados para circular um meio de refrigeração nos ditos canais para resfriar os ditos chips semicondutores adjacentes às ditas placas metálicas, nas quais o dito meio de refrigeração é preferivelmente água, apesar de outros tipos de meio de refrigeração são concebíveis. O uso dessa técnica de refrigeração resulta em uma vantagem adicional da modalidade definida acima possuindo pilhas paralelas, visto que isso significa que o número de conexões do meio de refrigeração para os elementos de comutação do conversor pode ser reduzido para metade do número necessário no caso de os elementos de comutação não compartilharem tais placas metálicas.
[0021] De acordo com outra modalidade da invenção, cada elemento de comutação compreende mais de dois ditos chips semicondutores dispostos em uma dita pilha. Uma vantagem de se possuir um número maior de chips semicondutores em cada elemento de comutação é que os custos podem ser economizados devido a um número menor de conexões necessárias para os elementos de comutação como consequência de um número menor de elementos de comutação. No entanto, é uma troca entre essa vantagem e a vantagem de uma melhor qualidade de tensão alternada obtida na dita saída de fase no caso de o número de elementos de comutação ou células ser maior.
[0022] De acordo com outra modalidade da invenção, cada um dos ditos elementos de comutação possui 2N dos ditos chips semicondutores seguindo um ao outro em uma dita pilha, na qual N é um inteiro > 2.
[0023] De acordo com outra modalidade da invenção, o número de elementos de comutação da dita extensão de fase é > 8, 12-32, 16-24
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9/18 ou 50-150. Um conversor desse tipo é, como já mencionado acima, particularmente interessante quando o número de elementos de comutação de uma dita extensão de fase é bem alto resultando em um número alto de possíveis níveis de pulsos de tensão distribuídos na dita saída de fase.
[0024] De acordo com outra modalidade da invenção, os ditos dispositivos semicondutores dos chips dos elementos de comutação são IGBTs (Transistor Bipolar de Porta Isolado) ou GTOs (Tiristor de Desligamento de Porta). Esses são dispositivos semicondutores adequados para tais conversores, apesar de outros dispositivos semicondutores do tipo desligar, tal como IGCTs também são concebíveis.
[0025] De acordo com outra modalidade da invenção, o dito conversor é configurado para ter o dito lado de tensão direta conectado a uma rede de tensão direta para transmissão de HVDC e o lado de tensão alternada conectado a uma linha de fase de tensão alternada pertencente a uma rede de tensão alternada. Isso se deve ao alto número de chips semicondutores necessários para uma aplicação particularmente interessante de um conversor desse tipo.
[0026] De acordo com outra modalidade da invenção, o conversor é configurado para ter uma tensão direta através dos ditos dois polos sendo 1 kV - 1200 kV, 10 kV - 1200 kV, ou 100 kV - 1200 kV. A invenção é mais interessante quanto maior a dita tensão direta.
[0027] A invenção também se refere a uma instalação para transmissão de energia elétrica de acordo com a concretização. O tamanho das estações de tal instalação pode ser reduzido com relação a tais instalações já conhecidas utilizando um Conversor de Fonte de Tensão do tipo definido na introdução.
[0028] Vantagens adicionais além de características vantajosas da invenção aparecerão a partir da descrição a seguir.
Breve Descrição dos Desenhos
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10/18 [0029] Com referência aos desenhos em anexo, segue abaixo uma descrição das modalidades da invenção citada como exemplos. [0030] Nos desenhos:
[0031] A figura 1 é uma vista muito simplificada de um Conversor de Fonte de Tensão do tipo de acordo com a presente invenção;
[0032] A figura 2 e a figura 3 ilustram dois elementos de comutação conhecidos diferentes, que podem ser uma parte de um Conversor de Fonte de Tensão de acordo com a invenção;
[0033] A figura 4 é uma vista simplificada ilustrando de forma muito esquemática um Conversor de Fonte de Tensão de acordo com a presente invenção;
[0034] A figura 5 é uma vista simplificada ilustrando como dois elementos de comutação podem ser sobrepostos em uma única pilha em um conversor de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção;
[0035] A figura 6 é uma vista simplificada ilustrando o princípio de obtenção e disposição de pilhas de elementos de comutação do tipo ilustrado na figura 5 em um conversor de acordo com a dita primeira modalidade da invenção;
[0036] A figura 7 é uma vista muito simplificada correspondendo à figura 5 de uma parte de uma chamada pilha paralela dos elementos de comutação de um conversor de acordo com uma segunda modalidade da invenção;
[0037] A figura 8 é um diagrama de circuito de parte da dita pilha paralela ilustrada na figura 7;
[0038] A figura 9 é um diagrama de circuito ilustrando um elemento de comutação de um conversor de acordo com uma terceira modalidade da invenção;
[0039] A figura 10 é uma vista muito simplificada ilustrando o elemento de comutação de acordo com a figura 9; e
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11/18 [0040] A figura 11 é uma vista muito simplificada a partir de cima do elemento de comutação ilustrado na figura 10.
Descrição Detalhada das Modalidades da Invenção [0041] A figura 1 ilustra de forma muito esquemática a construção geral de um Conversor de Fonte de Tensão 1 do tipo ao qual a presente invenção se refere. Esse conversor possui três extensões de fase 24 conectadas a polos opostos 5, 6 de um lado de tensão direta do conversor, tal como uma rede de tensão direta para transmissão de corrente direta de alta tensão. Cada extensão de fase compreende uma conexão em série dos elementos de comutação 7 indicada por caixas, no presente caso 16, e essa conexão em série é dividida em duas partes iguais, uma ramificação de válvula superior 8 e uma ramificação de válvula inferior 9, separadas por um ponto intermediário 1012 formando uma saída de fase sendo configurada para ser conectada a um lado de tensão alternada do conversor. As saídas de fase 10-12 podem possivelmente, através de um transformador, conectar a uma rede de tensão alternada trifásica, carga, etc. O equipamento de filtragem também é disposto no dito lado de tensão alternada para aperfeiçoar o formato da tensão alternada no dito lado de tensão alternada.
[0042] Uma disposição de controle 13 é disposta para controlar os elementos de comutação 7 e assim o conversor para converter a tensão direta em tensão alternada e vice-versa.
[0043] O conversor de fonte de tensão possui elementos de comutação 7 do tipo possuindo, por um lado, pelo menos dois chips semicondutores com cada dispositivo semicondutor do tipo desliga, e um diodo de rotação livre conectado em paralelo e, por outro lado, pelo menos um capacitor de armazenamento de energia, e dois exemplos de tais elementos de comutação são ilustrados na figura 2 e na figura
3. Os terminais 14, 15 do elemento de comutação são adaptados a fim de serem conectados aos elementos de comutação adjacentes na co
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12/18 nexão em série dos elementos de comutação formando uma extensão de fase. Os dispositivos semicondutores 16, 17 são, nesse caso, IGBTs conectados em paralelo com diodos 18, 19. Um capacitor de armazenamento de energia 20 é conectado em paralelo com a conexão em série respectiva dos diodos e os dispositivos semicondutores. Um terminal 14 é conectado ao ponto intermediário entre os dois dispositivos semicondutores além de o ponto intermediário entre os dois diodos. O outro terminal 15 é conectado ao capacitor de armazenamento de energia 20, na modalidade da figura 2 a um lado do mesmo e na modalidade de acordo com a figura 3 ao outro lado do mesmo. É destacado que cada dispositivo semicondutor e cada diodo como ilustrado na figura 2 e na figura 3 podem ser mais de um conectado em série, capazes de manusear as voltagens a serem manuseadas, e os dispositivos semicondutores conectados em série dessa forma podem então ser controlados simultaneamente de modo a agirem como um único dispositivo semicondutor.
[0044] Os elementos de comutação ilustrados na figura 2 e na figura 3 podem ser controlados para obter um dentre a) um primeiro estado de comutação e b) um segundo estado de comutação, no qual para a) a tensão através do capacitor 20 e b) uma tensão igual a zero é aplicada através dos terminais 14, 15. Para obtenção do primeiro estado na figura 2, o dispositivo semicondutor 16 é ligado e o dispositivo semicondutor 17 desligado e na modalidade de acordo com a figura 3 o dispositivo semicondutor 17 é ligado e o semicondutor 16 é desligado. Os elementos de comutação são comutados para o segundo estado pela alteração do estado dos dispositivos semicondutores, de modo que na modalidade de acordo com a figura 2, o dispositivo semicondutor 16 é desligado e 17 ligado e na figura 3 o dispositivo semicondutor 17 é desligado e 16 ligado.
[0045] A figura 4 ilustra um pouco mais detalhadamente como uma
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13/18 extensão de fase do conversor de acordo com a figura 1 é formada pelos elementos de comutação do tipo ilustrado na figura 3, onde a totalidade de dez elementos de comutação foi deixada de fora para simplificar o desenho. A disposição de controle 13 é adaptada para controlar os elementos de comutação pelo controle dos dispositivos semicondutores, de forma que distribuam uma tensão igual a zero ou a tensão através do capacitor seja adicionada às voltagens dos outros elementos de comutação na dita conexão em série. Um transformador 21 e equipamento de filtragem 22 são indicados aqui também. É ilustrado como cada ramificação de válvula passa através de um reator de fase 23, 24 conectado à saída de fase 10, e tais reatores de fase também devem estar presentes na figura 1 para as saídas de fase 10, 11 e 12, mas foram deixados de fora para simplificar a ilustração.
[0046] A figura 5 ilustra de forma muito esquemática uma parte de uma pilha na forma de dois elementos de comutação 7' sobrepostos do tipo ilustrado na figura 2. Cada elemento de comutação 7' compreende dois chips semicondutores 30, 31 possuindo, cada um, um dispositivo semicondutor do tipo desliga e um diodo de rotação livre conectado em paralelo ao mesmo e possuindo uma estrutura tipo placa com uma placa metálica 32-34 em cada lado de cada chip semicondutor em uma subpilha 35 formada assim. É ilustrado como os elementos de comutação que seguem um ao outro na dita pilha são isolados eletricamente com relação um ao outro através de uma camada isolante 36 separando as placas metálicas 34 e 32. Elementos de comutação adjacentes são conectados um ao outro por um condutor elétrico 37 na forma de um fio.
[0047] É ilustrado como dutos 38 transportando um meio de refrigeração, tal como água de resfriamento, são conectados aos canais nas placas metálicas 32-34 para resfriar os chips semicondutores localizados entre essas placas metálicas. No presente caso, a água é le
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14/18 vada através das placas 32, 33 e 34 para obtenção de um efeito de refrigeração com a relação 9:10:1, que indica a necessidade de refrigeração de diferentes placas metálicas. Tal refrigeração é, obviamente, fornecida para todas as placas metálicas nos elementos de comutação no conversor, apesar de ter sido ilustrado apenas para o elemento de comutação inferior na figura 5 para simplificar os desenhos. Isso, obviamente, também é válido para, por exemplo, os capacitores de armazenamento de energia 20 e o condutor elétrico 37, que são apenas ilustrados para um elemento de comutação.
[0048] A figura 6 ilustra como quatro subpilhas 35 dos elementos de comutação 7' de acordo com a figura 5 podem ser dispostos em uma única pilha e fornecidos com uma disposição 39 configurada para aplicar pressão às extremidades opostas 40, 41 da pilha S para pressionar os chips semicondutores 30, 31 na direção das placas metálicas respectivas e na direção uma da outra de forma a obter o contato elétrico entre os chips semicondutores na mesma subpilha. Essa disposição 39 compreende meios 42 adaptados para aplicar uma pressão carregada por mola a cada dita pilha. A disposição possui duas placas de extremidades 43, 44 configuradas a serem dispostas perto de extremidades opostas da pilha e elementos alongados 45 na forma de hastes, por exemplo, de fibras de vidro, interconectando as placas 43, 44 enquanto determina a distância entre os mesmos. As placas 43, 44 podem ser deslocadas com relação uma à outra pelo aperto ou liberação de porcas 46 localizadas em extremidades rosqueadas das hastes 45. Uma placa adicional 47 é configurada a fim de ser aplicada a uma extremidade da pilha e móvel com relação às hastes 45 na direção longitudinal. Os elementos flexíveis 48 armazenando a energia potencial são dispostos para empurrar a dita placa adicional 47 e a placa de extremidade 44 perto da mesma para longe uma da outra para pressionar a pilha. Isso resulta em um contato mútuo muito confiável dos
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15/18 chips semicondutores na pilha.
[0049] Apenas a ramificação de válvula superior 8 do conversor e a saída de fase 10 é ilustrada na figura 6, e esse conversor possui de acordo 8 elementos de comutação conectados em série em cada ramificação de válvula. Outro número de elementos de comutação é, obviamente, concebível, e o mesmo pode ser dividido em um número de pilhas sendo julgado o mais adequado para a aplicação respectiva. Seria, por exemplo, possível se ter todos os elementos de comutação da ramificação de válvula dispostos em uma única pilha mantida junta por uma única disposição 39. Essa forma de disposição de elementos de comutação torna a disposição dos chips semicondutores muito compacta com a possibilidade de se manter as dimensões dos alojamentos de válvula reduzidas.
[0050] É ilustrado através do círculo 50 para a direita da figura 6 como, por exemplo, quatro chips semicondutores 30 podem ser dispostos em paralelo entre cada placa metálica 32-34 de um elemento de comutação para ser capaz de juntos retirarem a corrente que possa fluir através do mesmo. Dessa forma, os chips semicondutores 30, 31 ilustrados na figura 5 e também na figura 6 e 7 podem representar tal conexão paralela de uma pluralidade de chips semicondutores.
[0051] A figura 7 ilustra de forma esquemática como os elementos de comutação em um conversor de acordo com uma segunda modalidade da invenção podem ser dispostos em uma chamada pilha dupla, e o diagrama de circuito é ilustrado na figura 8. Cada uma das duas pilhas paralelas 51, 52 compreende uma pluralidade de elementos de comutação sobrepostos 7b, 7d e 7a, 7c, respectivamente, cada possuindo chips semicondutores 30,31 dispostos em uma subpilha. Uma camada eletricamente isolante 53 é intercalada entre e separa subpilhas adjacentes, dispostas aqui no lado coletor do chip semicondutor 30. Cada elemento de comutação de subpilha compreende duas
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16/18 placas metálicas 54, 55, se estendendo para a outra subpilha. As pilhas paralelas 51, 52 são mutuamente deslocadas na direção longitudinal da mesma, de forma que para cada elemento de comutação as ditas duas placas metálicas 54, 55 pertencentes ao mesmo se conectem e estejam em comum com os elementos de comutação adjacentes diferentes da outra pilha paralela de modo a obter uma conexão em série de dois elementos de comutação separados por uma dita camada isolante 53 em uma dita pilha paralela com um elemento de comutação da outra pilha paralela disposta na conexão em série entre os dois ditos elementos de comutação. Isso significa que as duas placas metálicas 54, 55 do elemento de comutação 7b também pertençam aos elementos de comutação 7a e 7c, respectivamente. Isso resulta em uma conexão em série dos elementos de comutação nas pilhas paralelas de acordo com um padrão em zigue-zague na ordem 7a, 7b, 7c e 7d.
[0052] As pilhas paralelas 51, 52 ilustradas na figura 7 podem conter qualquer número adequado de elementos de comutação sobrepostos e são mantidos juntos por uma disposição do tipo ilustrado na figura 6 pressionando os chips semicondutores na direção das placas metálicas. Uma vantagem desse desenho com relação ao desenho ilustrado na figura 5 é que a altura da pilha pode ser um número determinado de elementos de comutação conectados em série reduzido e o número de conexões de meio de refrigeração (água) para as placas metálicas também será reduzido.
[0053] A figura 9 ilustra de forma esquemática um elemento de comutação em um conversor de acordo com uma terceira modalidade da invenção. Esse elemento de comutação possui no total 16 chips semicondutores 30, 31 conectados em série. As unidades de acionamento de porta 60 utilizadas para controlar o respectivo dispositivo semicondutor dos chips semicondutores são ilustradas de forma es
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17/18 quemática. Um divisor de tensão de capacitor externo 61 utilizando dois resistores de divisor de tensão 62, 63 para medir a tensão total através dos capacitores 20 + 20' além da diferença das voltagens U20 e U20' através desses capacitores é disposta para detecção de possíveis falhas em qualquer um dos ditos capacitores. A medição de tensão de capacitor também é utilizada no controle da divisão de tensão entre os elementos de comutação na mesma ramificação.
[0054] O elemento de ramificação formado pelos 16 chips semicondutores dispostos em uma pilha com placas metálicas intercaladas entre os mesmos e mantidas juntas por uma disposição 39 do tipo descrito acima é ilustrado de forma muito esquemática na figura 10. A figura 11 ilustra o elemento de comutação a partir de cima, no qual é indicado de forma esquemática por setas 70 como os capacitores são conectados aos chips semicondutores. Tal elemento de comutação pode ter tipicamente uma tensão (U20 + U20') da ordem de 20 kV através dos capacitores do mesmo.
[0055] Tal número grande de chips semicondutores no mesmo elemento de comutação ou célula resulta em um número reduzido de elementos de comutação no conversor, de forma que os custos com relação às conexões com o conversor possam ser reduzidos. No entanto, isso também significa que um número menor de níveis diferentes possíveis para obtenção de pulsos na dita saída de fase, de forma que a tensão alternada resultante da dita conversão terá uma qualidade inferior.
[0056] A invenção não é, obviamente, restringida de forma alguma às modalidades descritas acima, mas muitas possibilidades para as modificações da mesma serão aparentes a uma pessoa versada na técnica sem se distanciar da ideia básica da invenção como definida nas concretizações.
[0057] Placas como utilizado nessa descrição para os elementos
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18/18 da disposição pressionados contra extremidades opostas das pilhas devem ser interpretadas de forma ampla e também cobre elementos mais tipo caixa e elementos possuindo diferentes tipos de recessos, espaços ocos e similares.

Claims (17)

  1. reivindicações
    1. Conversor de fonte de tensão multicelular possuindo pelo menos uma extensão de fase (2-4) conectando a polos opostos (5, 6) de um lado de tensão contínua do conversor e compreendendo uma conexão em série de elementos de comutação (7), cada dito elemento de comutação possuindo, por um lado, pelo menos dois chips semicondutores (30, 31) e, por outro lado, pelo menos um capacitor de armazenamento de energia (20), um ponto intermediário da dita conexão em série formando uma saída de fase (10-12) sendo configurada para ser conectada a um lado de tensão alternada do conversor e para dividir a extensão de fase em uma ramificação de válvula superior (8) e uma ramificação de válvula inferior (9), caracterizado pelo fato de os ditos chips semicondutores (30, 31) dos ditos elementos de comutação ser dispostos em pilhas (S, 51, 52) compreendendo cada uma pelo menos dois chips semicondutores, e o conversor compreender uma disposição (39) configurada para aplicar uma pressão às extremidades opostas (40, 41) de cada dita pilha para pressionar os ditos chips na direção um do outro de forma a obter contato elétrico entre os chips semicondutores na dita pilha, onde os ditos chips semicondutores (30, 31) possuem uma estrutura tipo placa e são dispostos com os lados grandes direcionados na direção da extensão da pilha, pelo menos dois chips semicondutores (30, 31) pertencendo ao mesmo elemento de comutação e chips semicondutores adjacentes pertencentes ao mesmo elemento de comutação são separados por uma placa metálica (32-34, 54, 55) intercalada entre os mesmos para obtenção de uma conexão elétrica entre os dois chips pelo pressionamento dos mesmos contra a dita placa metálica, sendo que cada dita pilha possui chips semicondutores (30, 31) de um elemento de comutação dispostos em uma subpilha (35), de todas as ditas subpilhas a serem pressionadas juntas por uma e a
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  2. 2/5 mesma dita disposição serem dispostas em cima uma da outra em uma única pilha, de uma camada eletricamente isolante (36) ser intercalada entre e separar as subpilhas adjacentes, e de um condutor (37) ser disposto para conectar eletricamente as subpilhas adjacentes e assim elementos de comutação adjacentes na dita conexão em série, uns aos outros.
    2. Conversor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de a dita disposição (39) compreender meios (42) adaptados para aplicar uma pressão carregada por mola a cada dita pilha empurrando as duas extremidades (40, 41) da pilha na direção uma da outra enquanto libera a energia potencial armazenada nos elementos (48) dos ditos meios.
  3. 3. Conversor, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de os ditos elementos serem molas (48) agindo em pelo menos uma extremidade de cada dita pilha.
  4. 4. Conversor, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de a dita disposição compreender duas placas de extremidade (43, 44) configuradas para serem dispostas perto de extremidades opostas (40, 41) de uma dita pilha e elementos alongados (45) interconectando as ditas placas enquanto determinando a distância entre os mesmos, e os ditos elementos (48) armazenando a energia em potencial serem dispostos para agir entre pelo menos uma das ditas placas e a extremidade correspondente da dita pilha para empurrar essa placa de extremidade e a extremidade de pilha para longe uma da outra pressionando a pilha.
  5. 5. Conversor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de a dita disposição compreender meios (45, 46) configurados para permitir um deslocamento de pelo menos uma das ditas placas ao longo dos ditos elementos de interconexão na direção longitudinal para alterar a dita distância e pelo fato de a pressão ser aplicaPetição 870180152753, de 19/11/2018, pág. 24/33
    3/5 da à dita pilha.
  6. 6. Conversor, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de a dita disposição compreender uma placa adicional (47) configurada para ser aplicada a uma extremidade da dita pilha e móvel com relação aos ditos elementos alongados (45) na direção longitudinal, e de os ditos elementos (48) armazenando energia em potencial serem dispostos para empurrar a dita placa adicional (47) e uma dita placa de extremidade (44) perto da mesma para longe uma da outra pressionando a pilha.
  7. 7. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de as ditas placas metálicas (32-34, 54, 55) serem dispostas em ambos os lados de cada dito chip semicondutor.
  8. 8. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de cada dita pilha compreender pelo menos todos os chips semicondutores (30, 31) pertencentes a um elemento de comutação (7, 7').
  9. 9. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de cada dita pilha compreender os ditos chips semicondutores (30, 31) de uma pluralidade de elementos de comutação (T).
  10. 10. Conversor, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de as ditas placas metálicas (32-34, 54, 55) serem fornecidas com canais e o conversor compreender meios (38) configurados para circular um meio de resfriamento nos ditos canais para resfriar os ditos chips semicondutores (30, 31) adjacentes às ditas placas metálicas.
  11. 11. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de cada elemento de comutação compreender mais de dois ditos chips semicondutores (30, 31)
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    4/5 dispostos em uma dita pilha.
  12. 12. Conversor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de cada dito elemento de comutação possuir 2N ditos chips semicondutores (30, 31) seguindo um ao outro em uma dita pilha, em que N é um inteiro > 2.
  13. 13. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de o número de elementos de comutação (7, 7') da dita extensão de fase ser > 8, 12-32, 16-24 ou 50-150.
  14. 14. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de os ditos dispositivos semicondutores (16, 17) dos chips de elemento de comutação serem IGBTs (Transistor Bipolar de Porta Isolada) ou GTOs (Tiristor de Desligamento de Porta).
  15. 15. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de ser configurado para ter o dito lado de tensão direta conectado a uma rede de tensão direta para transmissão de Corrente Direta de Alta Tensão (HVDC) e o lado de tensão alternada conectado a uma linha de fase de tensão alternada pertencente a uma rede de tensão alternada.
  16. 16. Conversor, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato ser configurado para ter uma tensão direta através dos ditos dois polos sendo de 1 kV - 1200 kV, 10 kV - 1200 kV ou 100 kV - 1200 kV.
  17. 17. Instalação para transmissão de potência elétrica compreendendo uma rede de tensão direta e pelo menos uma rede de tensão alternada conectada à mesma através de uma estação, a dita estação sendo adaptada para realizar a transmissão de potência elétrica entre a rede de tensão direta e a rede de tensão alternada e compreende pelo menos um Conversor de Fonte de Tensão adaptado
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    5/5 para converter a tensão direta em tensão alternada e inversamente, caracterizada pelo fato de a dita estação da instalação compreender um Conversor de Fonte de Tensão, como definido em qualquer uma das reivindicações de 1 a 16.
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