BRPI1010336A2

BRPI1010336A2 - sistema de distribuição de energia

Info

Publication number: BRPI1010336A2
Application number: BRPI1010336-8A
Authority: BR
Inventors: Jonathan Childs; Allan David Crane
Original assignee: Converteam Technology Ltd
Priority date: 2009-10-13
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-12-18
Also published as: ES2393880T3; EP2312744A1; KR20110040715A; DK2312744T3; CN102044884B; EP2312744B1; JP2011135764A; RU2010141915A; SG170680A1; US8680707B2; JP5662757B2; CN102044884A; RU2551411C2; US20110084670A1

Abstract

SISTEMA DE DISTRIBUIçãO DE ENERGIA. A presente invenção se refere aos sistemas de distribuição de energia (por exemplo, um sistema marítimo de propulsão e de distribuição de energia) que, inclui primeira, e segunda, barras condutoras de distribuição de CA. A primeira barra condutora de distribuição de CA (MVAC1) tipicamente será uma barra condutora de média voltagem (MV) para os sistemas de acionamento de propulsão e a segunda barra condutora de distribuição de CA (LVAC1) tipicamente será de baixa voltagem (LV) para serviços de navio. Um retificador de 12 pulsos (PO) tem seus terminais de CA conectados eletricamente à primeira barra condutora de distribuição de CA (MVAC1). Um gerador de múltiplas saídas (DOG1) tem primeiro e segundo enrolamento de estator galvanicamente isolados. O primeiro enrolamento de estator provê uma saída de CA de seis fases e é conectado à primeira barra condutora de distribuição de CA (MVAC1). O segundo enrolamento de estator provê uma saída de CA de três fases e é conectado à segunda barra condutora de distribuição de CA (LVAC1). A saída de CA de seis fases é deslocada em fase em relação à saída de CA de três fases para reduzir o acoplamento problemático de distorção harmónica entre a primeira e a segunda barra condutora de distribuição de CA.

Description

SISTEMA DE DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA

DESCRIÇÃO

> *

Campo Técnico

A presente invenção se refere aos sistemas de distribuição de energia e, particularmente, aos sistemas de distribuição de energia que podem ser usados a bordo de embarcações marítimas para fornecer energia a um ou mais motores de propulsão, além dos serviços do navio.

Fiindamentos da Técnica Um exemplo de um sistema de distribuição e propulsão

de energia marítima convencional é mostrado na Figura 1. Uma série de motores a diesel D é usada para acionar os geradores G de CA, individuais. Esses fornecem energia de CA a um primeiro quadro de distribuição de média voltagem ou barra condutora MVACl e a um segundo quadro de distribuição de média voltagem ou barra condutora MVAC2. As barras condutoras de média voltagem são equipadas com engrenagens de comutação de proteção que compreendem disjuntores e controles associados e são representadas na Figura 1 pelo símbolo x. Conversores de energia PC são usados para estabelecer interface das barras condutoras de média voltagem com os motores de propulsão elétrica PM que acionam os propulsores. As barras condutoras de média voltagem são interconectadas por engrenagem de comutação de proteção.

A maioria dos serviços do navio requer baixa voltagem e é conveniente derivar isso a partir das barras condutoras de média voltagem mediante uso de um transformador. No sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia convencional mostrado na Figura 1, um primeiro quadro de distribuição ou barra condutora de baixa voltagem LVACl é conectado à primeira barra condutora de média voltagem MVACl através de um primeiro transformador Tl e engrenagem de comutação de proteção. Um segundo quadro de distribuição ou barra condutora de baixa voltagem LVAC2 é conectado a uma segunda barra condutora de média voltagem MVAC2 através de um segundo transformador T2 e engrenagem de comutação de proteção. As barras condutoras de baixa voltagem são interconectadas mediante engrenagem de comutação de proteção. Uma série de cargas elétricas não especificadas (rotuladas como cargas LVAC) pode ser conectada às barras condutoras de baixa voltagem.

Embora seja conveniente conectar as barras condutoras de baixa voltagem às barras condutoras de média voltagem, tal arranjo normalmente causa acoplamento problemático de distorção harmônica. Em outras palavras, distorção harmônica nas barras condutoras de média voltagem causadas pela operação dos motores de propulsão, por exemplo, será transferida através dos transformadores Tl e T2 para as barras condutoras de baixa voltagem. Se as cargas elétricas conectadas às barras condutoras de baixa voltagem exigir baixa distorção harmônica (isto é, uma alta qualidade de fornecimento de energia (QPS)) então isso pode causar potenciais problemas com sua operação normal. Além disso, algumas das cargas conectadas às barras condutoras de baixa voltagem podem elas próprias causar distorção harmônica nas barras condutoras de baixa voltagem. Isso será transferido através dos transformadores Tl e T2 para as barras condutoras de média voltagem.

Para suprimir tal distorção harmônica, filtros F grandes e caros normalmente são conectados às barras condutoras de média voltagem.

Outra opção para suprimir a distorção harmônica é a de utilizar transformadores de deslocamento de fase em vez dos transformadores Tl e T2.

Em outros sistemas marítimos de propulsão e distribuição de energia uma baixa voltagem de CA é então empregada e nesse caso o arranjo mostrado na Figura 1 ainda é aplicável, mas a primeira e a segunda barra condutora de média voltagem MVACl e MVAC2 operam simplesmente em baixa voltagem. Esse poderia ser o caso em que o regime de energia dos motores de propulsão PM é insuficiente para garantir o uso de um fornecimento de CA de média voltagem. É comum para os motores de propulsão PM ser supridos com um valor diferente de baixa voltagem do que o fornecimento de baixa voltagem que é provido para as cargas LVAC. Por exemplo, as cargas de propulsão podem ter um fornecimento de 690 V enquanto que as cargas de serviço do navio podem ter um fornecimento de 44 0 V.

Em tais sistemas de baixa voltagem é comum para as cargas elétricas auxiliares maiores tais como propulsores, bombas e guindastes, por exemplo, serem alimentadas pela mesma voltagem de fornecimento que os motores de propulsão. Embora apenas as cargas de propulsão sejam mostradas como sendo conectadas à primeira e à segunda barra condutora de média voltagem MVACl e MVAC2, será facilmente considerado que outras cargas elétricas também podem ser conectadas a elas.

Além disso, em alguns casos os conversores de propulsão PC são usados para estabelecer interface dos motores de propulsão PM com a primeira e a segunda barra condutora de baixa voltagem MVACl e MVAC2, em conjunto com quaisquer outras cargas elétricas auxiliares maiores, podem, com uma penalidade de custo e tamanho, incorporar recursos técnicos adicionais que minimizam a distorção harmônica naquelas barras condutoras. 0 uso de tais recursos técnicos adicionais eliminaria a exigência dos filtros F. Qualquer que seja a abordagem usada para minimizar a distorção harmônica há sempre uma penalidade em termos de tamanho e custo significativa para garantir que o QPS seja mantido na primeira e segunda barra condutora de média voltagem MVACl e MVAC 2 de tal modo que um QPS satisfatório seja similarmente mantido nas barras condutoras de baixa voltagem LVACl e LVAC2.

Sumário da Invenção A presente invenção procura resolver o acoplamento problemático de distorção harmônica mencionado acima e proporciona um sistema de distribuição de energia compreendendo: uma primeira barra condutora de distribuição; uma segunda barra condutora de distribuição; um retificador de múltiplos pulsos que tem terminais conectados eletricamente à primeira barra condutora de distribuição; e um gerador de saída múltipla que tem primeiro e segundo enrolamento de estator galvanicamente isolado, o primeiro enrolamento de estator proporcionando uma primeira saída de CA de múltiplas fases com η fases e sendo conectado à primeira barra condutora de distribuição (opcionalmente por intermédio do retificador de múltiplos pulsos no caso em que a primeira barra condutora de distribuição conduz uma voltagem de distribuição de CD) para fornecer uma primeira voltagem de distribuição para a primeira barra condutora de distribuição e o segundo enrolamento de estator proporcionando uma segunda saída de CA de múltiplas fases com m fases e sendo conectados à segunda barra condutora de distribuição para fornecer uma segunda voltagem de distribuição à segunda barra condutora de distribuição; em que as η fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase em relação às m fases da segunda saída de CA.

Deslocamento de fase da primeira saída de CA em relação à segunda saída de CA resulta em uma redução na distorção harmônica pelas razões explicadas em mais detalhe abaixo. Na prática a segunda saída de CA funciona como uma saída de referência e as fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase com relação a ela.

0 primeiro enrolamento de estator é preferivelmente dividido em dois ou mais enrolamentos secundários de estator, cada enrolamento de estator proporcionando uma proporção das η fases da primeira saída de CA.

Os enrolamentos secundários de estator são preferivelmente isolados galvanicamente uns dos outros e a partir do segundo enrolamento de estator.

0 primeiro e o segundo enrolamento de estator incluem individualmente uma pluralidade de bobinas conectadas em conjunto e são enrolamentos de estator de múltiplas fases (ou polifásicos). Os grupos de corrente de linha para o gerador de múltiplas saídas operarão em diferentes voltagens e diferentes relações de fase d distorção de harmônica. Os grupos de correntes de linha também podem operar em diferentes fatores de energia. As η fases da primeira saída de CA preferivelmente são substancialmente, deslocadas simetricamente em fase em relação às m fases da segunda saída de CA. Tipicamente, uma primeira proporção das η fases da primeira saída de CA é deslocada em fase por intermédio de um ângulo positivo predeterminado relativo às m fases da segunda saída de CA e uma segunda proporção das η fases da primeira saída de CA é deslocada em fase mediante um ângulo negativo predeterminado relativo às m fases da segunda saída de CA. 0 ângulo positivo predeterminado e o ângulo negativo predeterminado têm preferivelmente substancialmente a mesma magnitude.

Em um primeiro arranjo possível a primeira saída de CA é uma saída de CA de seis fases e a segunda saída de CA é uma saída de CA trifásica. Três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase mediante um ângulo positivo predeterminado relativo à segunda saída de CA e três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase por um ângulo negativo predeterminado relativo à segunda saída de CA. 0 ângulo positivo predeterminado é de aproximadamente +15 graus e o ângulo negativo predeterminado é de aproximadamente -15 graus. 0 retificador de múltiplas fases é um retificador de 12 pulsos.

Em um segundo arranjo possível a primeira saída de CA é uma saída de CA de doze fases e a segunda saída de CA é uma saída de CA de três fases. Três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase por um primeiro ângulo positivo predeterminado em relação à segunda saída de CA, três fases da primeira saída são deslocadas em fase por um segundo ângulo positivo predeterminado em relação à segunda saída de CA, três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase por um primeiro ângulo negativo predeterminado em relação à segunda saída de CA, e três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase por um segundo ângulo negativo predeterminado em relação à segunda saída de CA. 0 primeiro ângulo positivo predeterminado é de aproximadamente +22,5 graus, o segundo ângulo positivo predeterminado é de aproximadamente +7,5 graus, o primeiro ângulo negativo predeterminado é de aproximadamente -7,5 graus; e o segundo ângulo negativo predeterminado é de aproximadamente -22,5 graus. O retificador de múltiplos pulsos é um retificador de 24 pulsos.

Um grupo de capacitores pode ser conectado à segunda saída de CA para prover uma redução adicional em distorção harmônica e para influenciar a excitação do gerador de múltiplas saídas. No primeiro arranjo possível as correntes harmônicas da ordem superior a 7 não se beneficiam do cancelamento de fase dentro do gerador e harmônicas de ordem inferior a 8 podem ter cancelamento de fase 2 0 imperfeito. No segundo arranjo possível, correntes harmônicas de ordem superior a 13 não se beneficiam do cancelamento de fase dentro do gerador e harmônicas de ordem inferior a 14 podem ter cancelamento de fase imperfeito. Assim, a segunda saída de CA do gerador conterá distorção harmônica de voltagem. A ação do grupo de capacitores, em conjunto com a impedância reativa e resistiva da máquina elétrica, é comparável àquela de um filtro LC de retardo de segunda ordem amortecido, mas a natureza prática da máquina elétrica é tal que a filtração se desvia da característica ideal. Apesar disso, a ação do grupo de capacitores proporciona filtração benéfica de harmônica. Mediante retirada de um componente fundamental de corrente em um fator de energia avançado, o grupo de capacitores também proporciona excitação do gerador. 0 regime MVAR fundamental do grupo de capacitores não deve ser excessivo a partir de uma perspectiva de estabilidade convencional e o grupo de capacitores deve incluir provisão para limitação de corrente de influxo.

A primeira barra condutora de distribuição (MVACl) pode conduzir uma voltagem de distribuição de CA que é provida pelo primeiro enrolamento de estator do gerador de múltiplas saídas.

A segunda barra condutora de distribuição (LVACl) também pode conduzir uma voltagem de distribuição de CA que é provida pelo segundo enrolamento de estator do gerador de múltiplas saídas.

A primeira barra condutora de distribuição de CA normalmente funcionará como uma barra condutora de média voltagem (MV), ou de baixa voltagem (LV); e a segunda barra condutora de distribuição de CA normalmente funcionará como uma barra condutora de baixa voltagem. Assim, no caso em que o sistema de distribuição de energia é um sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia, a energia de CA gerada pelo gerador de múltiplas saídas pode ser distribuída em média ou baixa voltagem (por exemplo, 6,6 kV ou 690 V) para um ou mais sistemas de acionamento de propulsão através da primeira barra condutora de distribuição de CA e em baixa voltagem (por exemplo, 44 0 V) para serviços de navio através da segunda barra condutora de distribuição de CA. O retificador de múltiplos pulsos pode ser conectado eletricamente entre a primeira barra condutora de distribuição e um motor de propulsão. Em outras palavras, o retificador de múltiplas fases pode formar parte de um conversor de energia que também inclui uma ligação de CD e um inversor que é conectado eletricamente aos terminais de CA de um motor e propulsão de CA. Se um motor de propulsão de CD for usado, então seus terminais de CD podem em alguns casos ser conectados diretamente aos terminais de CD do retificador de múltiplos pulsos e em outros casos podem ser conectados aos terminais de CD do retificador de múltiplos pulsos por intermédio de um conversor mediador de energia de CD/CD.

A primeira barra condutora de distribuição pode conduzir uma voltagem de distribuição de CD. Nesse arranjo o retificador de múltiplos pulsos é conectado eletricamente entre o primeiro enrolamento de estator do gerador de múltiplas saídas e a primeira barra condutora de distribuição para retificar a primeira saída de CA. Em outras palavras, a voltagem de distribuição de CD que é conduzida pela primeira barra condutora de distribuição é derivada diretamente da primeira saída de CA do gerador por intermédio da ação retificadora do retificador de múltiplos pulsos.

0 sistema de distribuição de energia pode incluir barras condutoras de distribuição, adicionais. As barras condutoras de distribuição conduzindo a mesma voltagem de distribuição podem ser interconectadas em conjunto por intermédio da engrenagem de comutação de proteção. Todos os componentes (por exemplo, geradores de múltiplas saídas, conversores de energia e cargas de baixa voltagem) podem ser conectados às barras condutoras de distribuição por intermédio da engrenagem de comutação de proteção que compreende disjuntores e controles associados. Cada barra condutora de distribuição pode receber

energia a partir de geradores de múltiplas saídas, adicionais. Por exemplo, em um possível arranjo o sistema de distribuição de energia pode incluir dois ou mais geradores de múltiplas saídas cujas primeiras saídas de CA são providas à primeira barra condutora de distribuição (opcionalmente após serem retificadas pelo retificador de múltiplos pulsos no caso em que a primeira barra condutora de distribuição conduz uma voltagem de distribuição de CD) e cujas segundas saídas de CA são providas à segunda barra condutora de distribuição. Qualquer sistema prático de distribuição de energia pode operar com diversos números de "núcleos" de distribuição de energia, mas o compartilhamento de geradores de múltiplas saídas conectados em paralelo e transistores entre os modos de

2 0 operação deve ser cuidadosamente controlado. Os núcleos

podem ser conectados juntos, em paralelo, para proporcionar um único arranjo de núcleo (por exemplo, para um único motor de propulsão em funcionamento) ou podem ser separadas para proporcionar redundância e degradação atrativa de capacidade após falhas do equipamento. Cada gerador de múltiplas saídas é preferivelmente regulado por um Regulador Automático de Voltagem (AVR) convencional de acordo com um método ou algoritmo de controle analógico ou digital, adequado.

3 0 Um motor de propulsão pode ser conectado ao retificador de múltiplos pulsos utilizando um conversor mediador de energia, apropriado e pode ser de qualquer tipo adequado (indução, sincrono, etc.). Contudo, será facilmente considerado que outras cargas elétricas também podem ser conectadas, conforme exigido, ao retificador de múltiplos pulsos.

0 retificador de múltiplos pulsos pode ser de um tipo industrial ou marítimo convencional. A forma exata do componente que é empregado influenciará o comportamento operacional e a capacidade do sistema de distribuição de energia, particularmente durante falhas do equipamento. 0 retificador de múltiplos pulsos pode ter uma configuração em série ou em paralelo, padrão e empregar diodos ou tiristores, por exemplo. Se tiristores forem utilizados, então eles serão normalmente operados com o ângulo de retardo de disparo prático mínimo, mas eles também podem ser controlados em fase para proporcionar recursos de proteção ou outros recursos regulatórios. Qualquer que seja a configuração e os dispositivos de energia de semicondutor empregados, então no caso em que a primeira barra condutora de distribuição conduz uma voltagem de distribuição de CA, é essencial que o sistema de controle de retificador de múltiplos pulsos, modelo de comutação de retificador e filtração de ligação de CD considerem a exigência de para equilíbrio de fase em todas as linhas de CA da primeira barra condutora de distribuição. Por exemplo, quando a configuração em série padrão é utilizada, então uma voltagem de polarização de CD é experimentada entre os grupos de fases individuais do primeiro enrolamento de estator. O retificador de múltiplas fases pode ser usado em combinação com qualquer tipo de inversor de fonte de voltagem conveniente tal como, por exemplo, o tipo modulado de largura de pulso (PWM) de dois níveis baseado em IGBT e o PWM de três níveis. Sujeito à exigência para equilíbrio de fase nas linhas de CA da primeira barra condutora de distribuição, o retificador de múltiplos pulsos também pode ser usado em combinação com outros conversores de freqüência de ligação de CD de inversor de fonte de corrente, bem conhecidos. 0 inversor pode formar parte de um conversor de energia que inclui o retificador de múltiplos pulsos ou estar localizado entre a primeira barra condutora de distribuição e um motor de propulsão no caso em que a primeira barra condutora de distribuição conduz uma voltagem de distribuição de CD, por exemplo.

Dois ou mais retificadores de múltiplos pulsos podem ser conectados à primeira barra condutora de distribuição conforme exigido.

Outras cargas elétricas de transmissão de velocidade variável de múltiplas fases, de transmissão de velocidade fixa e cargas elétricas do tipo de não transmissão podem ser conectadas à primeira barra condutora de distribuição. No caso em que a primeira barra condutora de distribuição conduz uma voltagem de distribuição de CA então é essencial que seus retificadores de múltiplos pulsos estejam de acordo com a exigência de equilíbrio de fase nas linhas de CA da primeira barra condutora de distribuição.

Cargas elétricas de múltiplas fases não baseadas em conversor também podem ser conectadas à primeira barra condutora de distribuição. No caso em que a primeira barra condutora de distribuição conduz uma voltagem de distribuição de CAf então é essencial que as cargas de múltiplas fases estejam de acordo com a exigência de equilíbrio de fase nas linhas de CA da primeira barra condutora e distribuição. Adicionalmente, quando retificadores de múltiplos pulsos conectados em série puxam a energia a partir da primeira barra condutora de distribuição, é essencial que tais cargas de múltiplas fases baseadas em não conversor estejam de acordo com as exigências para resistir à voltagem de polarização de CD que é experimentada entre os grupos de fases individuais do primeiro enrolamento de estator.

Desenhos

A Figura 1 é um diagrama esquemático de um sistema marítimo convencional de propulsão e de distribuição de energia;

A Figura 2 é um diagrama esquemático de um sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia de acordo com uma primeira modalidade da presente invenção;

A Figura 3 é um diagrama esquemático em detalhe de um gerador de saída dupla (DOG) que tem uma saída de CA de seis fases e uma saída de CA trifásica;

A Figura 4 é um diagrama esquemático mostrando cancelamento de fase harmônica;

A Figura 5 é um diagrama esquemático em detalhe de um DOG que tem saída e CA de doze fases e uma saída de CA trifásica; e

A Figura 6 é um diagrama esquemático de um sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia de acordo com uma segunda modalidade da presente invenção com uma arquitetura de distribuição de CD.

Embora a descrição a seguir seja dirigida a um sistema de distribuição de energia para aplicações marítimas e, particularmente, aos sistemas de propulsão e distribuição de energia que são altamente adequados para embarcações comerciais, navios e submarinos navais, será facilmente entendido que uma topologia similar e método de controle podem ser usados em outros tipos de sistemas de distribuição de energia tais como sistemas baseados em terra e baseados em aeronave, por exemplo.

A Figura 2 mostra um primeiro sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia de acordo com a presente invenção. 0 sistema utiliza geradores duplos de CA de saída (DOGs) que tem dois enrolamentos de estator de múltiplas fases, galvanicamente isolados, cada enrolamento de estator sendo conectado a uma carga independente.

Um gerador de CA de saída dupla a diesel principal DOGl e um gerador de CA de saída dupla a diesel auxiliar D0G2 fornecem individualmente energia de CA a um primeiro quadro de distribuição de média voltagem ou barra condutora MVACl a partir de um de seus enrolamentos de estator de múltiplas fases e fornecem energia de CA a um primeiro quadro de distribuição de baixa voltagem ou barra condutora LVACl a partir do outro de seus enrolamentos de estator de múltiplas fases. De uma maneira similar, um gerador de CA de saída dupla a diesel principal D0G3, e um gerador de CA de saída dupla a diesel auxiliar D0G4 fornecem ambos, energia de CA a um segundo quadro de distribuição de média voltagem ou barra condutora MVAC2 a partir de um de seus enrolamentos de estator de múltiplas fases e fornecem energia de CA a um segundo quadro de distribuição de baixa voltagem ou barra condutora LVAC2 a partir do outro de seus enrolamentos de estator de múltiplas fases. Será facilmente considerado que cada enrolamento de estator de cada gerador de saída dupla provê uma voltagem de saída de CA diferente (por exemplo, 6,6 kV e 440 V ou, no caso em que as barras condutoras de média voltagem conduzem uma baixa voltagem, 690 V e 440 V).

A exigência para um transformador entre as barras condutoras de média voltagem e de baixa voltagem é eliminada, desse modo aperfeiçoando a eficiência do sistema marítimo de propulsão e de distribuição de energia, global enquanto ao menos tempo reduzindo o ruído, a vibração, o volume de maquinaria e massa.

As barras condutoras de média voltagem conduzem uma voltagem de distribuição de CA de média voltagem (MV) (por exemplo, 6,6 kV, 60 Hz) e são equipadas com engrenagem de comutação de proteção. A engrenagem de comutação de proteção compreende disjuntores e controles associados e são representadas na Figura 2 pelo símbolo x. As barras condutoras de média voltagem MVACl e MVAC2 são interconectadas por engrenagem de comutação de proteção. Será facilmente considerado que as barras condutoras de média voltagem MVACl e MVAC2 podem conduzir qualquer voltagem conveniente (incluindo uma baixa voltagem, por exemplo, 690 V, 60 Hz) e que tais arranjos estariam dentro do escopo da presente invenção.

Os geradores de CA de saída dupla a diesel, principal e auxiliar, DOGl, D0G2 são conectados à primeira barra condutora de média voltagem MVACl por intermédio de engrenagem de comutação de proteção. De uma maneira similar, os geradores de CA de saída dupla, a diesel, principal e auxiliar, D0G3, D0G4 são conectados à segunda barra condutora de média voltagem MVAC2 por intermédio de engrenagem de comutação de proteção. Embora não seja mostrado, as barras condutoras de média voltagem podem ser divididas em duas ou mais seções separadas que são interconectadas pela engrenagem de comutação de proteção. As seções separadas de cada barra condutora de média voltagem, e as próprias primeira e segunda barras condutoras de média voltagem, portanto, podem ser seletivamente isoladas entre si sob certas condições de operação. A operação de um único núcleo e de múltiplos núcleos do sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia é, portanto, possível utilizando-se um número apropriado de geradores de CA de saída dupla (ou múltipla), barras condutoras de média voltagem e seções de barras condutoras.

0 primeiro e o segundo sistema de acionamento de propulsão incluem individualmente um conversor de energia PC que é usado para estabelecer interface das barras condutoras de média voltagem MVACl e MVAC2 com um motor de propulsão PM de AC que aciona um propulsor. 0 sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia inclui também primeiro e segundo sistemas de acionamento de propulsor. Cada sistema de acionamento de propulsor inclui um conversor de energia PC que é usado para estabelecer interface das barras condutoras de média voltagem MVACl e MVAC2 com um motor de propulsor PM de CA que aciona um propulsor. Cada conversor de energia PC mostrado na Figura 2 inclui um retificador de 12 pulsos, ligação de CD e um inversor. Contudo, em um arranjo alternativo em que o primeiro e o segundo sistema de acionamento de propulsão incluem os motores de propulsão de CD ou motores de propulsor então cada conversor de energia PC incluirá apenas um retificador de doze pulsos.

Os geradores de CA de saída dupla a diesel, principais e auxiliares, DOGl, D0G2 são conectados à primeira barra condutora de baixa voltagem LVACl por intermédio da engrenagem de comutação de proteção. De uma maneira similar, os geradores de CA de saída dupla a diesel, principais e auxiliares, D0G3, D0G4 são conectados à segunda barra condutora de baixa voltagem LVAC2 mediante engrenagem de comutação de proteção. As barras condutoras de baixa voltagem LVACl e LVAC2 são interconectadas mediante engrenagem de comutação de proteção.

As barras condutoras de baixa voltagem LVACl e LVAC2 conduzem uma voltagem de distribuição de CA de baixa voltagem (LV) (por exemplo, 440 V, 60 Hz) e algumas cargas não especificadas, tais como sistemas de distribuição de serviço de navio (rotuladas cargas LVAC), são conectadas às barras condutoras de baixa voltagem por intermédio da engrenagem de comutação de proteção.

As características técnicas de um dos geradores de CA de saída dupla (DOGs) serão descritas agora em mais detalhe com referência à Figura 3. 0 DOG tem um rotor (não mostrado) que é acionado por um motor primário tal como um motor a diesel, por exemplo. Um primeiro enrolamento de estator inclui uma pluralidade de bobinas (não mostradas) conectadas em conjunto e define uma primeira saída de CA tendo seis fases. Um enrolamento de estator de seis fases tem todas as seis fases enroladas de uma maneira que proporciona a eles uma relação operacional específica e isso é verdadeiro embora o primeiro enrolamento de estator seja dividido em, ou incorpore dois enrolamentos de estator auxiliares que são isolados galvanicamente um do outro. Um primeiro enrolamento de estator auxiliar provê três fases da primeira saída de CA e um segundo enrolamento de estator auxiliar provê três fases da primeira saída de CA. 0 primeiro e o segundo enrolamento de estator auxiliar tipicamente terão reatâncias equilibradas e deve operar com cargas que tem correntes fundamentais equilibradas, correntes harmônicas e fatores de energia fundamentais para o processo de cancelamento de fase ser perfeitamente eficaz. 0 primeiro enrolamento de estator, portanto, deve ser especificamente projetado e construído para estar de acordo com essas exigências operacionais.

Um segundo enrolamento de estator inclui uma pluralidade de bobinas (não mostradas) conectadas juntas e define uma segunda saída de CA que tem três fases. 0 primeiro e o segundo enrolamento de estator são isolados galvanicamente um do outro. Mais particularmente, o segundo enrolamento de estator é isolado galvanicamente do primeiro e do segundo enrolamento de estator secundário que em conjunto formam o primeiro enrolamento de estator.

Embora os princípios básicos de cancelamento de fase harmônica e deslocamento de fase sejam bem conhecidos, o deslocamento de fase específico que é usado com a presente invenção requer explanação detalhada adicional, conforme a seguir. Conforme mostrado na Figura 3, os dois grupos trifásicos da primeira saída de CA são deslocados em fase simetricamente em torno da segunda saída de CA de três fases. Mais particularmente, três fases da primeira saída de CA que são providas pelo primeiro enrolamento de estator auxiliar são deslocadas em +15 graus em relação às três fases respectivas da segunda saída de CA, e as outras três fases da primeira saída de CA, as quais são providas pelo segundo enrolamento de estator secundário, são deslocadas em -15 graus em relação às três fases respectivas da segunda saída de CA.

Os ângulos de deslocamento de fase são aplicados com relação aos componentes fundamentais das voltagens de estator e são selecionados especificamente para fazer com que a 5a e a 7 a voltagem harmônica (isto é, as ordens de voltagens harmônicas 5 e 7) do primeiro grupo trifásico da primeira saída de CA estejam em fase contrária com as respectivas 5a e 7a voltagens harmônicas do segundo grupo trifásico da primeira saída de CA. Há um deslocamento de fase relativo de 3 0 graus entre essas voltagens fundamentais, 30 graus correspondentes "mais" 5 χ 30 = deslocamento de fase de 180 graus entre a 5 a voltagem harmônica e 3 0 graus correspondentes "menos" 7 χ 30 = deslocamento de fase de -180 graus entre a 7a voltagem harmônica; os termos "mais" e "menos" 30 graus sendo associados a uma seqüência negativa ou a 5a voltagem harmônica e a seqüência positiva da 7a voltagem harmônica, respectivamente. Como as voltagens harmônicas estão em fase contrária, todas as correntes harmônicas que se originaram na carga de 12 pulsos calculam entre os dois grupos trifásicos da primeira saída de CA sem acoplamento no enrolamento de rotor do DOGs em um grau significativo. Pelo fato de ser colocada simetricamente entre os dois grupos trifásicos da primeira saída de CA, e como resultado de sua falta de acoplamento com os rotores, a segunda saída de CA não é acoplada com a primeira saída de CA na 5 a e 7 a voltagem harmônica.

Cancelamento e acoplamento de fase podem ser explicados com referência à Figura 4 na qual o primeiro enrolamento de estator secundário que provê as primeiras

três fases da primeira saída de CA é rotulado como Estator 1/1 e o segundo enrolamento de estator secundário que provê as segundas três fases da primeira saída de CA é rotulado como Estator 1/2. 0 segundo enrolamento de estator que provê a segunda saída de CA é rotulado como Estator 2.

Conforme descrito acima, a 5a e a 7a voltagem harmônica circulam em fase contrária entre o primeiro e o segundo enrolamento de estator secundário, Estator l/l e Estator 1/2. 0 primeiro e o segundo enrolamento de estator secundário, Estator 1/1 e Estator 1/2 são inerentemente bem

2 0 acoplados porque em conjunto eles definem o primeiro

enrolamento de estator. Consequentemente há vazamento mínimo da 5 a e a 7 a voltagem harmônica para ambos, um enrolamento de estator e o segundo enrolamento de estator, Estator 2 que provê a segunda saída de CA. A forma de fase

única simplificada foi usada na Figura 4 por razões de clareza. Contudo, na prática será facilmente considerado que o primeiro e o segundo enrolamento de estator secundário, Estator 1/1 e Estator 1/2, o segundo enrolamento de Estator, Estator 2, e o enrolamento de rotor

3 0 terão individualmente três fases respectivas e as relações de fase para as primeiras fases respectivas que são mostradas na Figura 4 também serão mantidas entre a segunda e terceira fase, respectivas. Os ângulos mostrados na Figura 2 são aplicáveis à freqüência fundamental de estator e aqueles versados na técnica entenderão que os ângulos físicos equivalentes serão dependentes do número de polos de rotor.

A primeira saída de CA é conectada a uma barra condutora de média voltagem de seis fases que pode ser a primeira ou segunda barra condutora de média voltagem MVACl, MVAC2, mostrada na Figura 2. Mais particularmente, a barra condutora de média voltagem inclui uma primeira barra condutora de CA ACl conduzindo as três fases da primeira saída de CA que são providas pelo primeiro enrolamento de estator secundário e uma segunda barra condutora de CA AC2 conduzindo as três fases da primeira saída de CA que são providas pelo segundo enrolamento de estator secundário. Na Figura 3, a barra condutora de média voltagem é rotulada como barra de propulsão MVAC porque ela se destina ao uso para fornecer energia aos sistemas de acionamento de propulsão. Dois retificadores de 12 pulsos são conectados à barra condutora de média voltagem por intermédio de engrenagem de comutação de proteção. Um primeiro terminal de entrada de CA de cada retificador de 12 pulsos é conectado à primeira barra condutora de CA ACl e um segundo terminal de entrada de CA de cada retificador de 12 pulsos é conectado à segunda barra condutora de CA AC2.

Os retificadores de 12 pulsos formam parte dos sistemas de acionamento de propulsor e propulsão. Mais particularmente, os retificadores de 12 pulsos constituem uma parte integral dos conversores de energia PC, mostrada na Figura 2. Os terminais de CD de cada retificador de 12 pulsos são conectados ao motor de propulsão PM de a, associado e motor de propulsor TM de CA por intermédio de uma ligação de CD e um inversor de 12 pulsos (não mostrado).

A Figura 3 mostra uma conexão em série de 12 pulsos, mas será prontamente considerado que uma conexão paralela também pode ser usada.

A 5 a e a 7 a voltagem harmônica que são consumidas pelos retificadores de 12 pulsos circulam através do DOG de acordo com o principio de deslocamento de fase, bem conhecido que é descrito acima e isso significa que o rotor do DOG não experimenta, em qualquer grau significativo ou problemático, os efeitos adversos e problemáticos da 6a voltagem harmônica que são associados aos sistemas de retificador de 6 pulsos, trifásicos. Componentes harmônicos de ordem superior não se beneficiam do cancelamento de fase e o rotor do DOG, portanto, experimentará os efeitos da 12a, 18a, 24a voltagem harmônica, mas essas não são consideradas como particularmente problemática.

A segunda saída de CA é conectada a uma barra condutora de baixa voltagem trifásica que pode ser a primeira ou segunda barra condutora de baixa voltagem LVACl, LVAC2, mostrada na Figura 2. Embora a segunda saída de CA contenha 5a e 7a voltagem harmônica mínima como resultado do deslocamento de fase, 11a, 13a, 17a, 19a, 23a voltagem harmônica estão presentes uma vez que elas também estão presentes nas correntes de linha de retificador. Esses componentes harmônicos podem ser moderados mediante emprego de retificadores de ponte de diodo e mediante aumento da reatância de comutação de seis fases do DOG. Se atenuação adicional for exigida então um grupo de capacitores pode ser conectado à segunda saída de CA para prover uma resposta de filtro passa-baixa em combinação com a reatância de fuga de 6 fases a 3 fases do DOG, desse modo proporcionando a atenuação desejada dos componentes harmônicos de ordem superior. Tal grupo de capacitores é mostrado nas Figuras 2 e 3 e proporcionaria excitação de estator, vantajosa.

A Figura 5 mostra o cancelamento de fase para um arranjo alternativo em que o primeiro enrolamento de estator de cada DOGs define uma primeira saída de CA tendo doze fases. 0 primeiro enrolamento de estator é dividido em quatro enrolamentos de estator secundários, cada um deles proporcionando três fases da primeira saída de CA. Os quatro enrolamentos de estator secundários são isolados galvanicamente entre si. 0 segundo enrolamento de estator define uma segunda saída de CA tendo três fases. 0 primeiro e o segundo enrolamento de estator são isolados galvanicamente entre si. Mais particularmente, o segundo enrolamento de estator é isolado galvanicamente dos quatro enrolamentos de estator secundários que em conjunto formam o primeiro enrolamento de estator. Os quatro grupos trifásicos da primeira saída de CA

são deslocados em fase simetricamente em torno da segunda saída de CA trifásica. Mais particularmente, três fases da primeira saída de CA que são providas pelo primeiro enrolamento de estator secundário são deslocadas em +25,5 3 0 graus em relação às três fases respectivas da segunda saída de CA, as três fases da primeira saída de CA que são providas pelo segundo enrolamento de estator secundário são deslocadas em +7,5 graus em relação às três fases respectivas da segunda saída de CA, as três fases da primeira saída de CA que são providas pelo terceiro enrolamento de estator secundário são deslocadas em -7,5 graus em relação às três fases respectivas da segunda saída de CA, e as três fases da primeira saída de CA, as quais são providas pelo quarto enrolamento de estator secundário, são deslocadas em -22,5 graus em relação às três fases respectivas da segunda saída de CA.

A presente invenção pode ser estendida simetricamente até qualquer número conveniente de fases para a primeira saída de CA dentro da série 3Ne em que Ne é um número inteiro par e em que ordens harmônicas nas séries 5, 7, 11, 13 até 6Ne±l se beneficiam do cancelamento de fase. Contudo, geralmente será impraticável distribuir energia de CA com o número excessivo de fases porque isso imporia uma exigência para um número não razoavelmente grande de barras condutoras de CA e contatos de comutação dentro do sistema de distribuição.

A Figura 6 mostra um segundo sistema marítimo de propulsão e distribuição de energia de acordo com a presente invenção. O sistema é idêntico àquele mostrado na Figura 2 exceto pelo fato de que a primeira saída de CA provida pelo primeiro enrolamento de estator de cada DOG é retificada por um retificador de múltiplos pulso R antes de ser fornecida a primeira e segunda barra condutora de média voltagem MVDCl e MVDC2. As barras condutoras de média 3 0 voltagem MVDCl e MVDC2, portanto, representam uma possível arquitetura de distribuição de CD. Mediante emprego de retificadores de múltiplos pulsos R e mediante distribuição de energia de CD, os benefícios de cancelamento de fase podem ser estendidos ao se permitir que o primeiro enrolamento de estator de cada DOG tenha qualquer número conveniente de fase sem incorrer na penalidade de distribuir energia de CA utilizando um número excessivo de fase.

No arranjo da Figura 6 os retificadores de múltiplos pulsos replicam a função de retificador de cada conversor de energia PC mostrados na Figura 2. Os retificadores R estão preferivelmente localizados em proximidade física estreita com cada DOG. Como a energia de CD é distribuída através da primeira e da segunda barra condutora de média voltagem MVDCl e MVDC2, apenas um inversor I precisa ser usado para estabelecer interface com os motores de propulsão PM de CA.

Claims

1. Sistema de distribuição de energia caracterizado por compreender: uma primeira barra condutora de distribuição (MVACl); uma segunda barra condutora de distribuição (LVACl); um retificador de múltiplos pulsos tendo terminais conectados eletricamente ã primeira barra condutora de distribuição (MVAC1, MVAC2); e um gerador de múltiplas saídas (DOGl) tendo primeiro e segundo enrolamento de estator galvanicamente isolados, o primeiro enrolamento de estator proporcionando uma primeira saída de CA de múltiplas fases com η fases e sendo conectado à primeira barra condutora de distribuição (MVACl) para fornecer uma primeira voltagem de distribuição para a primeira barra condutora de distribuição (MVACl) e o segundo enrolamento de estator proporcionando uma segunda saída de CA de múltiplas fases com m fases e sendo conectado à segunda barra condutora de distribuição (LVACl) para fornecer um segunda voltagem de distribuição para a segunda barra condutora de distribuição (LVACl); em que η fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase com relação à m fases da segunda saída de CA.

2. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro enrolamento de estator é dividido em dois ou mais enrolamentos de estator secundários, cada enrolamento de estator proporcionando uma proporção das η fases da primeira saída de CA.

3. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que as η fases da primeira saída de CA são substancialmente deslocadas simetricamente em fase em relação à m fases da segunda saída de CA.

4. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que uma primeira proporção das η fases da primeira saída de CA é deslocada em fase por um ângulo positivo predeterminado em relação às m fases da segunda saída de CA e uma segunda proporção das η fases da primeira saída de CA é deslocada em fase por um ângulo negativo predeterminado em relação à m fase da segunda saída de CA.

5. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o ângulo positivo predeterminado e o ângulo negativo predeterminado têm substancialmente a mesma magnitude.

6. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que η não é igual a m.

7. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a primeira saída de CA é uma saída de CA de seis fases e a segunda saída de CA é uma saída de CA de três fases.

8. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase por um ângulo positivo predeterminado em relação à segunda saída de CA e três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase por um ângulo negativo predeterminado em relação à segunda saída de CA.

9. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o ângulo positivo predeterminado é de aproximadamente +15 graus e o ângulo negativo predeterminado é de aproximadamente -15 graus.

10. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que o retificador de múltiplos pulsos é um retificador de 12 pulsos.

11. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a primeira saída de CA é uma saída de CA de doze fases e a segunda saída de CA é uma saída de CA de três fases.

12. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase mediante um primeiro ângulo positivo predeterminado em relação à segunda saída de CA, três fases da primeira saída são deslocadas em fase mediante um segundo ângulo positivo predeterminado em relação à segunda saída de CA, três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase mediante um primeiro ângulo negativo predeterminado em relação à segunda saída de CA, e três fases da primeira saída de CA são deslocadas em fase por um segundo ângulo negativo predeterminado em relação à segunda saída de CA.

13. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o primeiro ângulo positivo predeterminado é de aproximadamente +22,5 graus, o segundo ângulo positivo predeterminado é de aproximadamente +7,5 graus, o primeiro ângulo negativo predeterminado é de aproximadamente -7,5 graus; e o segundo ângulo negativo, predeterminado, é de aproximadamente -22,5 graus.

14. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que o retificador de múltiplos pulsos é um retificador de 24 pulsos.

15. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado por compreender ainda um grupo de capacitores conectados à segunda saída de CA.

16. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer reivindicação 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 15 12, 13, 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que a primeira barra condutora de distribuição (MVACl) conduz uma voltagem de distribuição de CA.

17. Sistema de distribuição de energia, de acordo com a reivindicação 16, caracterizado pelo fato de que o retificador de múltiplos pulsos (PC) é conectado eletricamente entre a primeira barra condutora de distribuição (MVAC) e uma carga elétrica (por exemplo, um motor de propulsão).

18. Sistema de distribuição de energia, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que a primeira barra condutora de distribuição (MVDCl) conduz uma voltagem de distribuição de CD e o retificador de múltiplos pulsos (R) é conectado eletricamente entre o primeiro enrolamento de estator e a primeira barra condutora de distribuição (MVDCl) para retificar a primeira saída de CA.