BRPI1100945A2 - célula conversora e unidade de ligação - Google Patents

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Abstract

CéLULA CONVERSORA E UNIDADE DE LIGAçãO. A presente invenção refere-se a uma célula conversora (18) dotada de uma unidade de ligação (26) que tem um relé biestável mecânico (34) e um comutador eletrónico (36).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "CÉLULA CONVERSORA E UNIDADE DE LIGAÇÃO".
Campo Técnico
A presente invenção refere-se ao campo de eletrônica de ener- gia e mais especificamente refere-se a uma unidade de ligação para causar curto-circuito em uma célula conversora, a uma célula conversora, a um conversor e a um processo para causar curto-circuito em uma célula conver- sora.
Técnica Anterior
Determinados tipos de conversores, por exemplo, conversores
multinível modulares (conversores M2LC) podem ter uma pluralidade de cé- lulas conversoras que compreendem os comutadores eletrônicos de energia por intermédio dos quais a corrente a ser comutada pelo conversor é comu- tada em células tais como estas, é sempre possível para o problema ocorrer de que uma ou mais das células em um conversor necessite ser ultrapassa- da ou colocada em curto-circuito. Este pode ser o caso, por exemplo, quan- do uma sobrecorrente ou uma sobretensão está presente sobre uma célula ou uma pluralidade de células, que pode ser causada por uma falha externa (por exemplo, uma falha no aterramento elétrico) ou por uma falha interna na célula conversora.
No caso de uma falha interna significativa na célula conversora, pode ser vantajoso para a célula conversora ficar ligada em ponte de manei- ra permanente. Um contato estabelecido de maneira pirotécnica (WO 2009/092621 A1), um interruptor a vácuo (WO 2008/125494 A1), ou outros componentes semicondutores defeituosos (DE 103 232 20 A1, WO 2007/023064) já foram propostos para esta finalidade.
No caso de falhas externas, pode ser necessário passar corren- tes de surto brevemente através da unidade de ligação e para tais correntes de surto terem de ultrapassar a célula conversora. Para esta finalidade, foi proposto que, por exemplo, um tiristor seja disposto em paralelo com o diodo de freqüência autônoma para os comutadores conversores (WO 2008/067786 A1). Unidades de ligação não reajustáveis (por exemplo, um contato pirotecnicamente estabelecido ou componentes interrompidos) têm de ser removidas das células conversoras e substituídas por novas unidades de ligação que não foram usadas, e isto envolve esforço. Isto pode ser altamen- te consumidor de tempo e dispendioso.
Tiristores estão também sujeitos ao problema da unidade de li- gação retornar para o estado aberto sem energia externa. Uma pane de e- nergia completa do conversor neste caso também trocaria as unidades de ligação de células defeituosas de volta ao estado desligado mais uma vez. O documento GB 1 163 507 A especifica uma unidade de liga-
ção deste tipo genérico para causar curto-circuito em uma primeira entrada e uma segunda entrada de uma célula conversora em um conversor. Outros- sim, o documento US 5.986.909 apresenta uma unidade de ligação para uma célula conversora por intermédio de um relé. Descrição da Invenção
O objetivo da invenção é fornecer um conversor tendo células conversoras de manutenção amistosa e confiável.
Este objetivo é alcançado pelo objeto das reivindicações inde- pendentes. Modalidades adicionais da invenção são especificadas nas rei- vindicações subordinadas.
Um primeiro aspecto da invenção refere-se a uma unidade de li- gação para causar curto-circuito uma primeira entrada e uma segunda en- trada de uma célula conversora de um conversor modular.
O conversor pode ser um conversor de energia, que é projetado para converter correntes de várias dezenas ou várias centenas de Amperes e vários milhares de Volts. Neste caso, conversão significa o processo pelo qual uma tensão de CA é produzida a partir da uma tensão de CC1 uma ten- são de CC é produzida a partir de uma tensão de CA1 ou uma tensão de CA a uma segunda freqüência é produzida a partir de uma tensão de CA a uma primeira freqüência. O conversor pode ser um conversor multinível modular (M2LC), um conversor indireto ou um conversor direto. Estes dois tipos de conversores são, com freqüência, também designados de conversores en- cadeados, uma vez que suas células conversoras são dispostas na forma de uma cadeia.
Uma célula conversora pode ser uma célula unipolar (uma meia ponte), por exemplo, no caso de um conversor indireto, ou outra pode ser uma célula bipolar (uma ponte completa), por exemplo, no caso de um con- versor direto M2LC ou de um conversor em cadeia. Uma célula conversora tem genericamente uma pluralidade de comutadores eletrônicos, tais como tiristores ou IGBTs. Outrossimf uma célula conversora tem uma armazena- gem de energia, por exemplo, um capacitor. Uma pluralidade de células conversoras pode ser conectada em série através de suas entradas para formar um conversor.
De acordo com uma modalidade da invenção, a unidade de liga- ção compreende um relê mecânico biestável, em que o relê mecânico bies- tável é configurado para ligar eletricamente a primeira entrada com a segun- da entrada, e/ou voltar a interromper a conexão. Um relê mecânico biestável não altera o seu presente estado de comutação quando a sua entrada de controle é desconectada.
De acordo com uma modalidade da invenção, a unidade de liga- ção compreende um comutador eletrônico de energia. O comutador eletrôni- co pode ser configurado para conectar eletricamente a primeira entrada com a segunda entrada da célula conversora, e a voltar a interromper a conexão.
Um comutador eletrônico de energia pode comutar várias ordens de magnitude mais rápido que um relé. Por exemplo, a unidade de ligação pode de maneira simultânea enviar um sinal de controle para o comutador eletrônico de energia e o relé mecânico biestável, em resposta ao qual o comutador eletrônico de energia fecha-se em primeiro lugar após um perío- do de tempo muito curto (microssegundo) e o relé mecânico biestável então fecha-se (milissegundos).
De acordo com uma modalidade da invenção, o comutador ele- trônico de energia é projetado para fechar-se dentro de uns poucos ou de algumas dezenas de microssegundos.
De acordo com uma modalidade da invenção, o relé mecânico bíestável é projetado para fechar-se dentro de uns poucos ou algumas de- zenas de milésimos de segundos.
Mesmo se a célula conversora perder a alimentação interna a- pós um determinado período de tempo, por exemplo, devido a unidade de ligação ter se fechado, o relê mecânico biestável permanece no seu estado fechado.
A unidade de ligação pode ser construída pelo emprego de uma tecnologia simples. Nenhuma pirotécnica para realizar contatos ou interrup- tores a vácuo é exigida. Devido ao relê mecânico biestável, a unidade de ligação permanece seguramente em um estado estável após a operação, mesmo na ausência de energia externa. Uma vez que o relê mecânico bies- tável e o comutador eletrônico de energia podem ser construídos para ser rearmáveis, a unidade de ligação pode também ser designada para ser re- armável. Outrossim, a unidade de ligação com a célula conversora pode ser conectada em paralelo com as entradas, em contraste com os componentes semicondutores defeituosos. Além disso, a unidade de ligação pode permitir limitação de sobretensão bipolar para uma célula conversora de alta impe- dância.
Outrossim, uma multiplicidade de situações defeituosas no nível de conversor podem ser cobertas pela unidade de ligação, em particular in- cluindo falhas de terra e curtos. Além disso, a unidade de ligação pode ofe- recer um trajeto redundante, por exemplo, para um trajeto de curto-circuito de ligação de CC.
De acordo com uma modalidade da invenção, o comutador ele- trônico de energia compreende dois tiristores paralelos contrapostos. De maneira mais geral, é também possível para a unidade de ligação compre- ender pelo menos um tiristor.
De acordo com uma modalidade da invenção, o comutador ele- trônico de energia compreende um triac. De acordo com uma modalidade da invenção, a unidade de liga-
ção compreende uma armazenagem de energia de maneira a fornecer ener- gia à unidade motriz, ao relê mecânico e ao comutador eletrônico de energi- a. Uma armazenagem de energia tal como esta pode, por exemplo, ser um capacitor que pode, por exemplo, ser carregado de maneira direta ou indire- ta através da tensão aplicada à célula conversora. Mais especificamente, também pode ser possível para a armazenagem de energia ou o capacitor ser especificamente carregado adicionalmente por uma sobretensão sobre a célula conversora.
De acordo com uma modalidade exemplar da invenção, a unida- de de ligação compreende acionamento para comutar o relê mecânico bies- tável e o comutador eletrônico de energia.
De acordo com uma modalidade, o acionamento é projetado pa- ra receber um sinal de fechamento ou restaurador para o relê e/ou comuta- dor eletrônico de energia, e para fechar ou abrir o relê e/ou o comutador ele- trônico de energia (isto é, efetuar sua restauração) em reação ao sinal de fechamento ou ao sinal de restauração.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acionamento é projetado para determinar uma sobretensão e/ou sobrecarga entre a primei- ra entrada e a segunda entrada da célula conversora. A título de exemplo, isto pode ser realizado pelo acionamento receber sinais de medição de uma unidade de medição de tensão e de uma unidade de medição de corrente na primeira e/ou segunda saída da célula conversora e pelo seu processamento ulterior.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acionamento é projetado para fechar o relê e/ou o comutador eletrônico de energia quando sobretensão e/ou sobrecarga são determinadas. Por exemplo, o acionamen- to pode fechar os dois elementos de comutação quando a tensão entre a primeira entrada e a segunda entrada excede um valor limiar predetermina- do. Da mesma maneira, o acionamento pode fechar os dois elementos co- mutadores quando uma corrente na primeira entrada e/ou na segunda en- trada excede um valor limiar predeterminado.
De acordo com uma modalidade da invenção, a unidade de liga- ção é ativada pela detecção de sobrecarga passiva entre X1 e X2. Neste caso, a detecção de sobrecarga passiva pode significar um componente ele- trônico que altera o estado interno exclusivamente como um resultado da presença de sobrecarga. Exemplos de componentes tais como estes são diodos de transição e diodos supressores.
A título de exemplo, a detecção de sobrecarga passiva poderia compreender pelo menos um diodo supressor ou poderia compreender uma cadeia supressora composta de diodos supressores ligados em série. Dio- dos supressores principiam a conduzir a uma tensão limiar específica, e uma cadeia de diodos supressores pode, por conseguinte, ser usada para sele- cionar uma tensão limiar à qual a cadeia principia a conduzir. De acordo com uma modalidade da invenção, uma cadeia de
diodos supressores ligados em série, que são selecionados de tal modo que eles principiam a conduzir a uma tensão limiar predeterminada, produzem um sinal apropriado, de maneira a comutar o relê mecânico biestável e/ou o comutador eletrônico de energia na unidade de ligação. De acordo com uma modalidade da invenção, se a sobrecarga é
excedida, a armazenagem de energia é carregada ou adicionalmente carre- gada pela sobrecarga.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acionamento possui um comutador eletrônico adicional que é fechado quando uma tensão sobre a armazenagem de energia excede um valor predeterminado e o acio- namento fornece corrente de uma armazenagem de energia ao relê biestá- vel e/ou ao comutador eletrônico de energia.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acionamento tem histerese tal que, se a tensão na armazenagem de energia sofrer uma distorção, o relê e/ou comutador eletrônico de energia é/são ainda supridos de corrente pela armazenagem de energia. A título de exemplo, o relê pode ser suprido de corrente e tensão na armazenagem de energia quando a ten- são na armazenagem de energia exceder um valor específico, que assegura que o relê seja suprido de corrente até poder trocar para o estado aberto ou para o estado fechado. O relê é então munido de tensão pela armazenagem de energia até a tensão na armazenagem de energia assumir um valor es- pecífico e voltar a desconectar a armazenagem de energia por intermédio do relé. A título de exemplo, a determinação da histerese e do valor limiar para a tensão na armazenagem de energia pode ser realizada por intermédio de um diac, que é conectado em série com um diodo supressor.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acionamento para a unidade de ligação é projetado (por exemplo, adicionalmente ao sinal de fechamento por sobrecarga) para receber ou detectar um sinal de fecha- mento externo e/ou sinal restaurador. Este sinal de fechamento externo pode originar-se da unidade de diagnose da célula conversora ou de uma unidade de proteção do sistema do conversor.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acionamento é projetado para fechar o relé e/ou o comutador eletrônico de energia quando um sinal de fechamento externo tiver sido detectado.
De acordo com uma modalidade da invenção, o acionamento é projetado para abrir o relé e/ou o comutador eletrônico de energia quando um sinal restaurador externo tiver sido detectado.
Um outro aspecto da invenção trata de uma célula conversora.
De acordo com uma modalidade da invenção, a célula converso- ra compreende uma unidade de ligação conforme é descrita acima e no tex- to a seguir.
De acordo com uma modalidade da invenção, a célula converso- ra compreende uma unidade de diagnose que é construída para transmitir um sinal de fechamento e/ou um sinal restaurador para a unidade de liga- ção. Outrossim1 a unidade de diagnose pode fornecer importantes variáveis de medição e de estado para o conversor central e o controle do sistema.
De acordo com uma modalidade da invenção, a célula converso- ra compreende desconexão por corrente excessiva, que pode ser desconec- tada por corrente excessiva que atua independentemente da unidade de li- gação. Por exemplo, a desconexão por corrente excessiva pode desconectar os semicondutores na célula conversora no caso de uma sobretensão ou sobrecorrente.
De acordo com uma modalidade da invenção, a célula converso- ra pode automaticamente interromper a corrente de falha nos comutadores ativos na célula conversora (IGBTs, IGCTs) dentro de mícrossegundos no caso de uma sobrecorrente pronunciada (ou uma corrente de sobretensão).
De acordo com uma modalidade da invenção, a célula converso- ra compreende monitoração de dessaturação de um IGBT na célula conver- sora. Falhas ou problemas tais como estes podem ser identificados na base de monitoração de IGBTs ou transistores. Todavia, também pode ser basea- do sobre detecção de sobrecorrente muito rápida no caso de IGCTs ou ou- tros elementos que podem ser desativados.
Um aspecto adicional da invenção refere-se a um conversor. De acordo com uma modalidade da invenção, o conversor com-
preende uma pluralidade de células conversoras, como descrito acima e no texto a seguir.
De acordo com uma modalidade da invenção, o conversor com- preende uma unidade protetora do sistema. A unidade protetora do sistema pode ser projetada para fechar todos ou uma seleção dos comutadores ele- trônicos de energia e/ou o relê nas unidades de ligação das células conver- soras no caso de uma falha de conversor e/ou de sistema, e para seletiva- mente efetuar sua restauração mais uma vez após a falha ter sido retificada (isto é, aberta). Isto é projetado para transmitir um sinal de ligação e/ou um sinal de restauração para cada célula conversora da pluralidade de células conversoras. Em determinadas situações de pane, rápida e autônoma des- conexão no nível de célula conversora não é suficiente, e a unidade proteto- ra do sistema emite um sinal de ligação coordenado para todas as células, ou células selecionadas. Um aspecto adicional da invenção trata de um processo para
causar curto-circuito em uma célula conversora.
De acordo com uma modalidade da invenção, o processo com- preende as etapas de: recebimento ou determinação de um sinal de fecha- mento para uma unidade de acionamento, por exemplo, na base da identifi- cação de uma sobretensão e/ou de uma sobrecarga nas entradas da célula conversora ou de um sinal externo; fechamento de um comutador eletrônico de energia pela unidade de acionamento em reação ao sinal de fechamento; fechamento de um relê mecânico biestável pela unidade de acionamento em reação ao sinal de fechamento; recebimento de uma potência de uma arma- zenagem de energia (por exemplo, de uma armazenagem de energia local) de maneira a fechar o comutador eletrônico de energia e/ou o relê biestável.
Neste caso, o sinal de fechamento pode ser emitido pela unida-
de acionadora ao mesmo tempo para o comutador eletrônico de energia e o relê biestável, em resposta ao qual o comutador eletrônico de energia então principia a conduzir na faixa de milissegundos, porém o relê biestável reage somente após milissegundos. De acordo com uma modalidade da invenção, o processo adi-
cionalmente compreende a etapa de: carregamento da armazenagem de energia por uma fonte de alimentação de tensão para a célula conversora durante a operação normal ou carregamento da armazenagem de energia por uma (sobre)tensão nas entradas da célula conversora. De acordo com uma modalidade da invenção, o processo, além
disso, compreende a etapa de: abertura do relê biestável e/ou do comutador eletrônico de energia em reação a um sinal restaurador.
Sobretudo, deve também ser entendido que os módulos descri- tos, tais como o controle, a unidade de diagnose e o acionamento, podem ser implementados como módulos de software programados ou funções. Todavia, é possível para estes módulos funcionais também ser implementa- dos parcialmente ou inteiramente como hardware.
Um aspecto adicional, por conseguinte, também trata de um programa de computador que, quando executado em um processador, cau- sa o processador a executar o processo descrito acima e no texto a seguir.
Outro aspecto da invenção é também um meio legível por com- putador, no qual um programa tal como este é armazenado.
Neste caso, um meio legível por computador pode ser um disco flexível (floppy disk), um CD, um DVD, um disco rígido, um dispositivo de memória USB, um RAM, um ROM, um EPROM, um EEPROM ou Flash- PROM. Um meio legível por computador também pode ser uma rede de co- municação de dados, tal como a Internet, que permite um código de progra- ma a ser baixado.
Modalidades típicas da invenção serão descritas em detalhe no texto a seguir com referência às figuras apensas. Breve Descrição dos Desenhos A figura 1 mostra um conversor de acordo com uma modalidade
exemplar da invenção.
A figura 2 mostra um outro conversor de acordo com uma moda- lidade exemplar da invenção.
A figura 3 mostra uma cadeia de células conversoras de acordo com uma modalidade da invenção.
A figura 4 mostra uma célula conversora unipolar de acordo com uma modalidade exemplar da invenção.
A figura 5 mostra uma célula conversora bipolar de acordo com uma modalidade exemplar da invenção. A figura 6 mostra uma célula conversora de acordo com uma
modalidade exemplar de invenção.
A figura 7 mostra uma célula conversora de acordo com uma modalidade exemplar da invenção.
A figura 8 mostra um fluxograma para um processo para causar curto-circuito em uma célula conversora de acordo com uma modalidade exemplar da invenção.
A figura 9 mostra uma modalidade típica de uma unidade de li- gação de acordo com uma modalidade exemplar da invenção.
A figura 10 mostra um diagrama com perfis de tensão para a unidade de ligação como mostrada na figura 9 de acordo com uma modali- dade exemplar da invenção.
Os símbolos de referência usados nas figuras e seus significa- dos são listados em forma sumária na lista de símbolos de referência. Em princípio, partes idênticas ou similares são munidas de símbolos de referên- cia idênticos.
Abordagens para Implementação da Invenção
A figura 1 mostra um conversor indireto 10, que pode converter uma tensão de CC UCc em uma tensão de CA Uca- Para esta finalidade, o conversor indireto 10 tem duas ramificações de conversão 12, que conectam as entradas do conversor indireto 10, entre as quais a tensão Ucc é aplicada a uma saída na qual a tensão Uca é produzida, em cada caso via um indutor 14. As ramificações conversoras 12 cada uma compreende uma pluralidade de células conversoras ligadas em série.
O conversor indireto 10 ilustrado na figura 1 é projetado para converter uma fase de uma corrente. Conversores são também conhecidos, os quais podem converter uma corrente tendo uma pluralidade de fases, por exemplo, polifases (como ilustrado na figura 1). Estes conversores têm um conversor 10 para cada fase R, Y e B cujas saídas são respectivamente as- sociadas com uma das fases, e cujas entradas são respectivamente associ- adas com as entradas, dos outros conversores.
A figura 2 mostra um conversor direto que produz uma tensão de saída UCA2 a uma freqüência 2 da tensão de entrada UCai das três fases de entrada R, Υ. B à freqüência 1. O conversor direto 16 é apto a conectar uma tensão de fase de UCai a uma primeira freqüência com uma tensão de fase de UCA2- Para esta finalidade, o conversor direto 16 mais uma vez tem uma ramificação de conversor 12 que conecta as duas entradas às quais as du- as tensões Ucai e UCA2 são aplicadas através de um indutor 14. Uma plurali- dade de tensões de saída UCA2 à freqüência 2 pode ser produzida de uma maneira correspondente, por exemplo, para sistemas Uca2 polifásicos. A ten- são de saída Uca2 também pode ser correspondentemente mantida na vizi- nhança de 0, por exemplo, para proporcionar dispositivos de correção de fator de potência.
A figura 3 mostra um ramal conversor 12 compreendendo uma pluralidade de células conversoras 18. Cada uma das células conversoras 18 tem uma primeira entrada X1 e uma segunda entrada X2 que são conec- tadas quer com a entrada quer com a saída do ramal conversor 12 ou de outra célula conversora 18. As células conversoras 18 são conectadas em série através de suas entradas e saídas Χ1, X2.
A figura 4 mostra uma célula conversora unipolar 18a que é u- sada nas ramificações conversoras 12 do conversor indireto 10 mostrado na figura 1. A célula conversora 18a tem dois diodos de freqüência própria 20, dois comutadores eletrônicos de potência 22, uma armazenagem de energia 24 na forma de um capacitor, e uma unidade de ligação 26. A título de e- xemplo, os comutadores eletrônicos de potência 22 podem ser tiristores, IGCTs ou ICBTs. A unidade de ligação 26 é conectada em paralelo com os outros componentes da célula conversora 18a e é conectada com as entra- das X1 e X2 da célula conversora 18a.
Em princípio, a unidade de ligação 26 é um componente que tem uma impedância muito baixa em um primeiro estado ativado, de tal maneira que uma corrente entre as entradas X1 e X2 flui através da unidade de liga- ção 26 e não através dos outros componentes físicos da célula conversora 18a. Em um segundo estado desativado, no qual a unidade de ligação 26 tem uma impedância muito alta, nenhuma corrente ou somente uma corrente muito pequena pode passar através do elemento de ligação 26. Nesta situa- ção, a célula conversora 18a comporta-se como se a unidade de ligação 26 não estivesse presente.
A figura 5 mostra uma célula conversora bipolar que é formada, em princípio, de duas células conversoras unipolares 18a que compartilham a mesma armazenagem de energia 24. A célula conversora bipolar 18b pode ser usada em um conversor direto 16. Além disso, a célula conversora bipo- lar 18b tem quatro comutadores eletrônicos de potência 22 e quatro diodos de freqüência própria 20. A titulo de exemplo, os comutadores eletrônicos de potência 22 podem ser tiristores, IGCTs ou IGBTs. Outrossim, a célula con- versora 18b também tem uma unidade de ligação 26 que é conectada em paralelo com os outros componentes da célula conversora 18b, e é conecta- da em paralelo com as entradas X1 e X2 da célula conversora 18b. Neste caso, o elemento de ligação 26 tem as mesmas características do elemento de ligação 26 mostrado na figura 4. Além disso, uma pequena indutância pode ser montada entre a célula conversora unipolar ou bipolar e o elemento de ligação 26.
Alternativamente, duas unidades de ligação podem ser usadas para uma célula conversora bípolar, que cada uma conecta uma conexão externa (X1, X2) com a mesma conexão do capacitor. A célula bipolar então corresponde precisamente com duas células unipolares que foram conec- tadas com as duas conexões do capacitor.
A figura 6 mostra uma célula conversora 18 que pode ser uma
célula conversora unipolar 18a ou com uma célula conversora bipolar 18b. Neste caso, a unidade de ligação 26 tem dois componentes que são conec- tados em paralelo entre si, um elemento de corrente de surto 28 e um ele- mento redundante 30. O elemento de corrente de surto 28 fornece a resistência da célula conversora 18 às correntes de surto. A título de exemplo, correntes de surto externamente aplicadas no caso de várias falhas de conversor ou panes de sistema externo são absorvidas brevemen- te através das entradas X1 e X2 pela célula conversora, com o auxílio do elemento de corrente de surto 28. Além disso, o mesmo elemento de prote- ção também pode ser usado para absorver correntes de surto internas de célula para proteção dos elementos redundantes. A título de exemplo, isto é possível de maneira a descarregar o circuito intermediário com o capacitor 24 quando, por exemplo, o comutador eletrônico de energia 22 ilustrado no topo na figura 4 é fechado no caso da célula conversora unipolar 18a. O elemento redundante 30 assegura a capacidade de redundân- cia para a célula conversora 18. Neste caso, a capacidade de redundância de uma célula conversora significa um permanente curto-circuito da célula como uma conseqüência do funcionamento errôneo de uma célula.
A figura 7 mostra outra modalidade de uma unidade de ligação 26. Uma unidade de ligação eletrônica de energia e mecânica combinada inteligente 26 é inserida entre as entradas e as saídas X1 e X2 de uma célu- la conversora 18 unipolar ou bipolar possibilitando assegurar provisão con- trolada de redundância (falha de uma ou mais células conversoras 18) e a capacidade de conduzir correntes de surto no caso de panes de sistema ex- ternas.
A unidade de ligação 26 compreende um elemento de ligação eletromecânico combinado 32 formado de um relê mecânico biestável 34 e de um comutador eletrônico de energia 36, que compreende dois tiristores contrapostos 38 ou um triac. O comutador eletrônico de energia 36 tem um controle de porta 40 ou acionamento de porta 40 que pode comutar os ele- mentos comutadores eletrônicos 38, por exemplo, tiristores 38 através de suas portas. O elemento de ligação eletromecânico combinado 32 é aciona- do por uma transmissão 42, que pode enviar um sinal de abertura ou fecha- mento através de uma primeira linha de sinal 44 para o relê mecânico 34, e um sinal de abertura ou fechamento através de uma segunda linha de sinal 46 para o controle de porta 40, e, por conseguinte, para o comutador eletrô- nico de energia 36.
A transmissão 42 e os componentes do elemento de ligação 32, isto é, o relê 34, o controle de porta 40 e os dois tiristores 38 são munidos de energia por uma armazenagem de energia 48. A armazenagem de energia 48 é projetada para fornecer energia suficiente à energia de alimentação no caso de uma pane no elemento de ligação mecânica e de energia eletrônica 32, assim como sua inteligência de proteção associada, na forma da trans- missão 42. A armazenagem de energia 48 é conectada em paralelo com o relê 34 e os dois tiristores 36 com as entradas X1 e X2 da célula conversora 18 e podem extrair energia da tensão que é aplicada à célula conversora 18 através destas duas entradas X1, X2. Todavia, é também possível para a armazenagem de energia 48 extrair energia de uma fonte de alimentação para a célula conversora 18.
O relê mecânico 34, por exemplo, um relê mecânico comercial- mente disponível, que é conectado com as saídas X1 e X2 pode ser operado com a tensão de controle aplicada sobre o comutador que está fora da es- pecificação. Isto possibilita abreviar o tempo de ligação do relê 34. Outros- sim, o relê 34 pode ser operado com a tensão de comutação sobre os conta- tos fora de especificação, contanto que seja possível satisfazer as separa- ções de isolamento funcional requeridas. O relê 34 pode ser um relê biestá- vel comercialmente disponível.
A transmissão 42 é configurada para implementar comandos de proteção externos que, por exemplo, se originam de uma unidade de prote- ção de sistema 60, para avaliar panes locais, tais como uma sobretensão, uma sobrecarga ou uma mensagem de pane do diagnóstico de célula con- versora 58. Para esta finalidade, uma medição de tensão 50 pode ser conec- tada entre as duas entradas Χ1, X2, e/ou um dispositivo de medição de cor- rente 52 pode ser conectado na entrada X1 ou na entrada X2. A transmissão 42 pode receber a tensão instantânea Uca entre as entradas X1 e X2 do dis- positivo de medição de tensão 50 através de uma linha de sinal 54 e pode receber a corrente instantânea Ica do dispositivo de medição de corrente 52 através da linha de sinal 56. Outrossim, a transmissão 42 pode receber sinais de abertura e
fechamento através de uma linha de sinal 62 de uma unidade de controle e diagnose 58 para a célula conversora 18. A título de exemplo, de maneira a determinar panes na célula conversora 18, a unidade pode receber os valo- res da tensão Uca, da corrente Ica, da tensão Ucc e da monitoração de des- saturação (no caso de IGBTs) ou através da condução da célula (no caso de IGCTs). A transmissão 42 pode opcionalmente também enviar um sinal de desconexão para a unidade de controle 58 para a célula conversora18, via a linha de sinal 62.
Além disso, é possível para a transmissão 42 receber sinais de abertura e fechamento de uma unidade protetora de sistema 60, que monito- ra o inteiro conversor 10, 16 no qual a célula conversora 18 é instalada.
A figura 8 ilustra um fluxograma para um processo por intermé- dio do qual a unidade de ligação 26 pode proteger a célula conversora 18.
A tensão Uca β/ou a corrente Ica entre as duas entradas X1, X2 da célula conversora 18 é/são determinadas em uma etapa S10.
Em uma etapa S12, a transmissão 42 determina se um valor limiar para a tensão Uca e/ou a corrente Ica foi excedida. Se este for o caso, a transmissão 42 decide fechar o elemento de ligação eletromecânico 32.
Em uma etapa S14, a unidade de diagnose 58 determina uma pane interna na célula conversora 18. Na etapa S16, a unidade de diagnose 58 envia um sinal de fechamento para a transmissão 42.
Em uma etapa S18, a unidade protetora do sistema 60 detecta uma pane externa ou interna no conversor 10,16. A unidade protetora do sistema 60 então envia um sinal de fechamento via a linha de sinal 62 para a transmissão 42.
As etapas S10 e S12, S14 e S16, assim como S18 e S20 podem ser executadas alternativamente entre si, ou então simultaneamente.
Em uma etapa S22, considerando todas as informações, a transmissão 42 opcionalmente envia um sinal de fechamento através da li- nha de sinal 44 para o relê 34, que fecha dentro de milissegundos, e um si- nal de fechamento via a linha de sinal 46 para o controle de porta 40, que então comuta sobre os dois tiristores 38. Os tiristores principiam a conduzir dentro de microssegundos.
Se a unidade de diagnose 58 ou a unidade de proteção do sis- tema 60 detectar que a pane interna foi retificada ou que a pane interna ou externa do conversor 10, 16 não está mais presente, transmite um sinal de abertura para a transmissão 42, que então, em uma etapa S24, envia um sinal de abertura para o relê e/ou o controle de porta 40, em resposta ao qual os elementos de comutação selecionados 34 e/ou 36 são abertos mais uma vez, e, se apropriado, a ligação do elemento de ligação 26 é desconec- tada mais uma vez.
Uma pane externa que pode ser detectada pela unidade proteto-
ra do sistema 60 pode, por exemplo, ser uma pane de aterramento elétrico. No caso de uma pane de aterramento elétrico, ou em geral, no caso de uma pane que é detectada pela unidade de proteção do sistema 60, um sinal de fechamento é enviado para a totalidade das unidades de ligação 26 em to- das as células conversoras 18 no conversor 18. Nestas situações, a indica- ção é fechar somente os comutadores eletrônicos de energia. Isto conduz a todas as células conversoras 18 no conversor serem ligadas pela unidade de ligação 26. Além disso, neste caso, os interruptores principais no conversor 10, 16 são também ativados pela unidade de proteção do sistema 60. A figura 9 mostra uma modalidade exemplar de uma parte de
uma unidade de ligação 26. Um ou mais relês biestáveis 34 e/ou um ou mais controles de porta 40 para comutadores eletrônicos de energia 36 podem ser acionados via as saídas Y1 e Y2 do circuito 26 ilustrado na figura 9. A entra- da U3 do circuito 26 é conectada com a entrada X1 da célula conversora 18, e a entrada GND é conectada com a saída X2 da célula conversora 18.
A potência que é requerida para simultânea comutação (por e- xemplo, de um ou mais relês biestáveis 34 e/ou de um ou mais comutadores eletrônicos de energia 36) é estabelecida em um capacitor C1 através da tensão ou da capacitância. A armazenagem de energia 48 compreende o capacitor C1.
O circuito de Y1 através do capacitor C1 para a saída Y2 é fe- chado por um tiristor T1, de maneira a desarmar o relê 34 e/ou controle de porta 40. Isto resulta na corrente passando para fora do capacitor C1 após um pulso ativador até o capacitor C1 ter sido completamente descarregado ou o circuito ser interrompido.
A energia para a armazenagem de energia 48 é tomada quer da fonte de alimentação de tensão associada com a célula conversora via a entrada U2 ou através de um circuito em série de diodos 70 de trânsito ou supressores (e sucedido pela retificação), da tensão que é aplicada às en- tradas Χ1, X2 da célula conversora (isto é, em paralelo com os contatos de relê ou em paralelo com os tiristores 38). O tiristor T1 pode ser ativado quer através de uma tensão ex-
cessivamente elevada na entrada U3 ou X1 do circuito 26, ou através de uma entrada de controle CTR.
De maneira a ativar o tiristor 11 através da entrada de controle CTR com a qual, por exemplo, a unidade de diagnose 58 e/ou a unidade de proteção de sistema 60 pode ser conectada, a carga e, por conseguinte, a tensão Ü1 sobre o capacitor C1 é mantida ao valor da tensão U2 por inter- médio da unidade de fonte de alimentação de energia que é integrada na unidade de controle 58, 60. Assim que a unidade de controle 58, 60 produz o comando ou o sinal de fechamento, liga a célula conversora 18, a conexão de controle do tiristor T1 é acionada diretamente através da entrada CTR, e o tiristor T1, por conseguinte, é ativado. Em conseqüência, o capacitor C1 é descarregado via o relê biestável conectado 34 ou o controle de porta 40. De maneira a ativar o tiristor T1 através de uma tensão excessi- vamente elevada U3, a tensão U1 através do capacitor C1 é descarregada, e é conectada com a conexão de controle do tiristor T1 através de um circui- to em série de diodos Zener 66 ou diodos de transição 66 e de um diac 68.
O circuito em série 66, 68 resulta em uma corrente fluindo para o interior da conexão de controle do tiristor T1, e efetuando sua ativação, acima de uma tensão limiar específica U1. Ao mesmo tempo, o diac 68 altera sua caracte- rística de passe de tal modo que a queda de tensão através do mesmo de- cresce a um nível maior. Isto aumenta a corrente de ativação para o tiristor T1 e adiciona histerese ao circuito ativador 26. Isto resulta em ação de de- sarmar confiável quando a tensão limiar U1 é excedida apenas uma vez.
A transmissão 42 compreende os elementos 66, 68 e T1.
A cadeia de transição 70, que compreende um ou mais diodos de transição ligados em série, possibilita estabelecer a tensão limiar para carregar o capacitor C1. A tensão limiar no bloco 66, 68 deve ser mais ele- vada que a tensão U2, caso contrário o mecanismo ativador do circuito limiar 26 será ativado mesmo durante a operação normal, quando a unidade fonte de alimentação de energia para a célula conversora conectada 28 está for- necendo a tensão U2. A figura 10 mostra um diagrama de perfis de tensão que foram
obtidos para uma medição do circuito de ligação 26, como mostrado na figu- ra 9. O tempo t é graficamente representado em segundos à direita e a ten- são é graficamente representada em volts para cima no diagrama. Neste caso, a tensão do capacitor 72 tem que ser divida por 10. O gráfico 72 mostra o perfil da tensão através do capacitor C1,
durante o qual a tensão U3 74 foi aumentada continuamente, até uma ten- são limiar à qual a cadeia de transição 70 principia a conduzir e o capacitor C1 é carregado, assim que a tensão limiar para ativação do tiristor T1 foi atingida, causando curto-circuito na tensão U3 e assim ligando a célula con- versora18.
Deve ser entendido que o circuito de ligação 26 ilustrado na figu- ra 9 também pode ser usado para ligar componentes eletrônicos de energia geral, e não apenas uma célula conversora 18. Para esta finalidade, o circui- to de ligação 26 pode ser conectado através das entradas U3 e da terra (GND) com as entradas do componente eletrônico de energia, e/ou pode ser conectado com uma fonte de alimentação de energia através da entrada U2.
Adicionalmente, deve ser notado que "compreendendo" não ex-
clui quaisquer outros elementos ou etapas e "um", "um" ou "um" não exclui qualquer múltiplo. Além disso, deve observar-se que aspectos característi- cos ou etapas que foram descritas com referência a uma das modalidades exemplares acima também podem ser usados em combinação com outros aspectos característicos ou etapas de outras modalidades exemplares des- critas acima. Os símbolos de referência nas reivindicações não devem ser considerados como tendo qualquer efeito limitador.
Lista de Símbolos de Referência
10 conversor indireto 12 ramificação conversora 14 indutor 16 conversor direto 18 célula conversora 18a célula conversora unipolar 18b célula conversora bipolar 20 diodo de freqüência própria 22 comutador eletrônico de energia 24 armazenagem de energia 26 unidade de ligação 28 elemento de corrente de surto 30 elemento redundante 32 elemento de ligação 34 relê 36 comutador eletrônico 38 tiristor 40 controle de porta 42 transição 44 linha de sinal 46 linha de sinal 48 armazenagem de energia 50 dispositivo de medição de tensão 52 dispositivo de medição de corrente 54 linha de sinal 56 linha de sinal 58 unidade de controle/diagnose 60 unidade protetora de sistema 62 linha de sinal 66 diodo de trânsito 68 diac 70 cadeia de trânsito 72 tensão de capacitor 74 tensão entre X1 e X2

Claims (11)

1. Unidade de ligação (26) para causar curto-circuito em uma primeira entrada (X1) e uma segunda entrada (X2) de uma célula conversora (18) de um conversor modular (10) caracterizada pelo fato de que compre- ende: - um relê mecânico biestável (34); - um comutador eletrônico de energia (36); - uma transmissão (42) para comutar o relê (34) e o comutador eletrônico de energia (36); em que o relê mecânico biestável (34) é configurado para conec- tar eletricamente a primeira entrada (X1) com a segunda entrada (X2); em que o comutador eletrônico de energia (36) é configurado para conectar eletricamente a primeira entrada (X1) com a segunda entrada (X2); em que uma armazenagem de energia (48) é prevista de manei- ra a fornecer energia ao relê mecânico (34), ao comutador eletrônico de e- nergia (36) e à transmissão (42); em que a transmissão (42) compreende detecção de sobreten- são passiva (70) e, se a sobretensão é excedida, a armazenagem de ener- gia (48) é carregada pela sobretensão; em que a transmissão (42) tem um comutador eletrônico adicio- nal (13) que é fechado quando uma tensão na armazenagem de energia (48) excede um valor predefinido e a transmissão fornece corrente da armazena- gem de energia ao relê biestável (34) e/ou ao comutador eletrônico de ener- gia (36) e em que a transmissão (42) tem histerese, de tal maneira que, se a tensão na armazenagem de energia (48) é colocada em lugar errado, o relê (34) e/ou o comutador eletrônico de energia (36) são/é alimentado com corrente da armazenagem de energia.
2. Unidade de ligação (26) de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizada_pelo fato do comutador eletrônico de energia (36) ser configura- do para fechar-se dentro de algumas a umas poucas dezenas de microsse- gundos; e/ou em que o relê mecânico biestável (34) é configurado para fe- char-se dentro de algumas a umas poucas a algumas dezenas de milisse- gundos.
3. Unidade de ligação (26) de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato do comutador eletrônico de energia (36) compreen- der dois tiristores paralelos contrapostos (38) e/ou em que o comutador ele- trônico de energia (36) compreende um triac.
4. Unidade de ligação (26) de acordo com uma das reivindica- ções precedentes, caracterizada pelo fato da transmissão (42) ser configu- rada para receber um sinal de fechamento; em que a transmissão (42) é configurada para fechar o relê (34) e/ou o comutador eletrônico de energia (36) em reação ao sinal de fechamento.
5. Unidade de ligação (26) de acordo com uma das reivindica- ções precedentes, caracterizada pelo fato da transmissão (42) ser configu- rada para receber um sinal de restauração; em que a transmissão é configu- rada para abrir o relê (34) e/ou o comutador eletrônico de energia (36) em reação ao sinal de restauração.
6. Unidade de ligação (26) de acordo com uma das reivindica- ções precedentes, caracterizada pelo fato da transmissão (42) ser configu- rada para determinar uma sobretensão e/ou uma sobrecarga entre a primei- ra entrada (X1) e a segunda entrada (X2), em que a transmissão (42) é con- figurada para fechar o relê (34) e/ou o comutador eletrônico de energia (36) quando a sobretensão e/ou a sobrecarga é/são determinadas.
7. Unidade de ligação (26) de acordo com uma das reivindica- ções precedentes, caracterizada pelo fato da transmissão (42) ser configu- rada para detectar um sinal de fechamento externo e/ou sinal de restaura- ção; em que a transmissão (42) é configurada para fechar o relê (34) e/ou o comutador eletrônico de energia (36) quando um sinal de fechamento exter- no tiver sido detectado, em que a transmissão (42) é configurada para abrir o relê (34) e/ou o comutador eletrônico de energia (36) quando um sinal de restauração externo tiver sido detectado.
8. Célula conversora (18) caracterizada pelo fato de que com- preende: uma unidade de ligação (26) como definida em uma das reivindica- ções 1 a 7.
9. Célula conversora (18) de acordo com a reivindicação 8, ca- racterizada ainda pelo fato de compreender: - desconexão por sobrecarga (58) e/ou - monitoração de dessaturação de um IGBT na célula conversora (18), em que a desconexão por sobrecarga (58) é configurada para desconectar elementos semicondutores na célula conversora (18) no caso de uma sobrecarga.
10. Conversor (10) caracterizado pelo fato de que compreende: - uma pluralidade de células conversoras (18), como definido na reivindica- ção 8 ou 9.
11. Conversor (10) de acordo com a reivindicação 10, caracteri- zado ainda pelo fato de compreender: - uma unidade de proteção do sistema; em que a unidade de proteção de sistema é configurada para fechar os comutadores eletrônicos de potência nas unidades de ligação (26) das células conversoras (18) na eventualidade de uma pane de conversor e/ou pane de sistema, e para seletivamente voltar a restaurar os mesmos após a pane ter sido retificada.
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