PT1533884E - Acumulador de energia cinética - Google Patents

Description

PE1533884 1 DESCRIÇÃO "ACUMULADOR DE ENERGIA CINÉTICA"

Este invento refere-se a um acumulador de energia cinética, mais precisamente, a um acumulador de grande reserva de energia cinética.

Sabe-se que se utilizam acumuladores de grande reserva de energia cinética em sistemas de alimentação eléctrica sem interrupção (ASI), onde a energia é armazenada numa massa metálica em rotação.

Os ASI são essencialmente destinados a salvaguardar utilizadores sensíveis às perturbações de uma rede eléctrica, ou seja, utilizadores como por exemplo serviços de cuidados intensivos de hospitais ou empresas de serviços fortemente informatizadas, para as quais uma interrupção da rede eléctrica durante poucos milissegundos coloca em perigo vidas humanas ou dá origem a custos financeiros importantes.

Entre os acumuladores de energia conhecidos, existem tipos ASI nos quais a reserva de energia cinética se efectua por meio de um cilindro maciço em rotação. 2 PE1533884

Um inconveniente deste tipo de acumulador de energia é que o cilindro tem um momento de inércia pequeno que deve ser compensado por uma velocidade de rotação rápida, porque a energia cinética acumulada no cilindro é proporcional ao quadrado da velocidade de rotação.

Um outro inconveniente ligado a esta velocidade de rotação rápida supracitada é que a complexidade dos problemas ligados às tensões mecânicas (como por exemplo as vibrações, o comportamento dos rolamentos, a lubrificação, etc.) aumenta consideravelmente, e isto em detrimento da fiabilidade e dos custos de fabrico.

Um outro tipo de acumulador de energia cinética conhecido está dotado com um tambor em aço em rotação no qual a energia cinética é acumulada.

Nestes casos conhecidos, o tambor em rotação está, indirectamente, ligado a um gerador síncrono que permite converter a energia cinética acumulada em electricidade.

Um inconveniente deste tipo de acumuladores supracitados é que, se se quiser construir um acumulador de energia que, com um mesmo peso e dimensões, tenha o dobro da capacidade dos sistemas conhecidos, deve-se utilizar um diâmetro interior de tambor importante. Um diâmetro importante destes é incompatível com a utilização de um rotor com bobinagens clássicas porque, nesse caso, as 3 PE1533884 tensões mecânicas devidas às forças centrífugas do rotor se tornam dificilmente superáveis.

Um outro inconveniente dos acumuladores de energia conhecidos é que, quando são aplicados como ASI com longa autonomia, necessitam de um sistema de accionamento eléctrico com uma potência não negligenciável, que permita acelerar o tambor supracitado o mais rápido possível. 0 sistema de accionamento mais simples e fiável conhecido até hoje seria constituído por um motor assíncrono padrão.

No entanto esta solução teria como inconveniente duplicar o comprimento do acumulador, o que aumenta consideravelmente a superfície de apoio.

Um acumulador conhecido é descrito no documento US2002/0167234. A fim de resolver eficientemente, as insuficiências dos acumuladores de energia cinética conhecidos, o presente invento tem como objectivo um acumulador de energia cinética compreendendo, essencialmente: - um veio que suporta um rotor dotado com bobinas e um rotor de excitação com bobinas, um tambor envolvendo o rotor supracitado, tambor esse que comporta chumaceiras que lhe 4 PE1533884 permitem rodar livremente em torno do veio supracitado, - uma armação que sustenta o veio supracitado, e o estator de excitação mencionado anteriormente, caracterizado por: - o rotor supracitado ser um rotor com garras, dotado com bobinas que estão conectadas às bobinas do rotor de excitação através de uma ponte rectificadora, - e compreender um anel de Gramme comportando bobinas, sendo o anel de Gramme (28) circundado pelo tambor, e estando conectado a uma fonte de electricidade.

Uma vantagem de um acumulador de acordo com o invento consiste no facto de se aplicar um rotor com garras a fim de acoplar de modo electromagnético o veio com o tambor no qual a energia cinética é armazenada.

Este rotor com garras necessita de uma potência de excitação reduzida por um factor 2 a 4 relativamente a um rotor com uma mesma potência aplicado num tipo de acumulador conhecido, o que permite a utilização de um excitador com pouco peso e dimensões pequenas.

Uma vantagem, ligada à aplicação de um motor assíncrono de accionamento do tambor que é constituído pelo 5 PE1533884 anel de Gramme com um comprimento curto, é que se pode construir um acumulador de energia cinética com dimensões relativamente pequenas.

Uma vantagem ligada à vantagem precedente é que um ASI construído com o acumulador de energia de acordo com o invento é relativamente compacto e só ocupa, por conseguinte, pouco espaço. A fim de compreender melhor o objectivo do presente invento, uma configuração prática e preferida de um acumulador de energia cinética é revelada em seguida com base nas figuras em anexo. Estas figuras ilustram os seguintes elementos: a figura 1 representa, esquematicamente, uma rede de electricidade dotada com um ASI que contém um acumulador de energia cinética de acordo com o invento; a figura 2 representa, numa escala ampliada, um corte transversal do ASI indicado pela seta F2 na figura 1; a figura 3 representa o corte indicado pela linha III-III na figura 2; a figura 4 representa a parte F4 indicada na figura 2; a figura 5 representa o corte indicado pela linha V-V na figura 4; 6 PE1533884 a figura 6 representa a mesma parte que a figura 4 de acordo com uma variante do acumulador de energia cinética; a figura 7 representa o corte indicado pela linha VII-VII na figura 6; a figura 8 representa, esquematicamente, a mesma rede de electricidade que a figura 1 de acordo com uma variante; a figura 9 representa, com uma escala ampliada, um corte transversal do ASI indicado pela seta F9 na figura 8. A figura 1 representa, esquematicamente, uma rede 1 de electricidade, que fornece energia a utilizadores 2 sensíveis, dotada com um sistema de alimentação eléctrica sem interrupção, em suma, um ASI 3. 0 ASI, que está representado na figura 2, é constituído, principalmente, por uma máquina síncrona 4 e por um acumulador de energia cinética 5 de acordo com o invento que estão montados numa armação 6. A máquina síncrona 4 é, de um modo conhecido, constituída por um veio 7 sendo suportado por uma chumaceira 8 e sustentando um rotor principal 9 dotado com bobinas 10. 7 ΡΕ1533884

Um estator principal 11, circundando o rotor 9 supracitado, está montado na armação 6 e está, igualmente, dotado com bobinas 12.

Unido ao rotor principal 9, um rotor 13 de excitação, dotado com bobinas 14, está fixado ao veio 7 supracitado, sendo este rotor 13 de excitação circundado por um estator 15 de excitação que está munido com bobinas 16. A máquina síncrona 4 contém, de seguida, um ventilador 17 de arrefecimento que pode proporcionar uma ventilação ao rotor principal 9 e estator 11 principal. 0 acumulador de energia cinética 5 compreende um veio 18 rigidamente ligado ao veio 7 da máquina síncrona 4 e sustentado pelas chumaceiras 19 e 20. 0 veio 18 sustenta, além disso, um volante 21 de inércia.

Na figura 5 está representado um rotor 22 com garras 23 que está fixado ao veio 18 supracitado, que constitui a parte, denominada a parte «fixa», de um acoplador electromagnético e que está dotada com bobinas 24. O rotor 22 com garras 23 é constituído, neste caso, por quatro placas 25 paralelas que, nas suas extremidades, estão munidas com garras 23.

PE1533S A outra parte do acoplador supracitado é constituído por um tambor 26 em aço que é sustentado por chumaceiras 27 e que pode ser levado a rodar relativamente ao veio 18 do acumulador 5 de enerqia cinética.

Um anel de Gramme 28 bem conhecido pelos especialistas com experiência na técnica está fixado à chumaceira 19 central da armação 6, envolvendo o veio 18 supracitado e sendo envolvido pela extremidade do tambor 26.

Este anel de Gramme 28, representado em pormenor na figura 3, é constituído por um conjunto de chapas 29 magnéticas empilhadas formando um núcleo laminado circular, que está dotado com entalhes 31 longitudinais, nos quais bobinas 30 são enroladas em torno do núcleo.

Por fim, como representado na figura 4, o acumulador de energia cinética 5 está dotado com um rotor 32 de excitação com bobinas 33, que estão ligadas às bobinas 24 do rotor 22 com garras 23 com 0 auxílio de condutores 34, que passam através de uma ponte 35 rectificadora rotativa bem conhecida.

Um estator de excitação 36 correspondente ao rotor 32 de excitação supracitado, está montado na armação 6 e está dotado com bobinas 3 7 que podem ser alimentadas por uma corrente. 9 PE1533884 A utilização do ASI 3 dotado com um acumulador de energia cinética 5 é simples e é descrita em seguida.

Como fontes de energia, tem-se uma rede 38 e um motor 39, de preferência um motor a gasóleo, que acciona um alternador 40. A rede 38 e o alternador 40 supracitado estão conectados à rede 41 local dos utilizadores 2, representados a titulo de exemplo por computadores, com o auxilio de dois disjuntores 42-43. A rede 41 local é constituída por um condutor 44 que conecta as fontes de energia, neste caso a rede 38 e o motor 39, aos utilizadores 2, condutor 44 esse que está dotado com um indutor 45.

Entre o indutor 45 supracitado e as fontes 38-39 de energia, este condutor 44 está dotado com um primeiro disjuntor 46, enquanto que, entre o indutor 45 e os utilizadores 2 sensíveis, o condutor 44 está acoplado à máquina síncrona 4 do ASI 3. A jusante deste acoplamento supracitado, o condutor 44 está dotado com um segundo disjuntor 47, que permite isolar o ASI 3 relativamente aos utilizadores 2. A fim de alimentar o acumulador 5 com energia cinética, um condutor 48 acopla as bobinas 30 do anel de Gramme 28 com as fontes 38-39 de energia, condutor esse que está dotado com um disjuntor 49. 10 PE1533884

Em regime normal, os utilizadores 2 são alimentados pela rede 38, os disjuntores 42, 46, 47 e 49 estão fechados, enquanto que o disjuntor 43 está aberto.

As bobinas 3 0 do anel de Gramme 2 8 são alimentadas por intermédio do disjuntor 49 com correntes alternas provenientes da rede 38 com uma frequência de, por exemplo, 50 ou 60 Hz (Hertz).

Os campos rotativos gerados pelas correntes alternas supracitadas nas bobinas 30 do anel de Gramme 28, como num motor assíncrono, induzem correntes de Foucault no tambor 26 que são necessárias à aceleração e à manutenção da velocidade do tambor 26 a uma velocidade próxima da de sincronismo. A fim de fazer arrancar o ASI depois da paragem do veio 4-18, é possível alimentar as bobinas 37 do estator 36 de excitação do acumulador de energia cinética 5 com uma corrente alterna. Esta gera correntes alternas na bobinagem 33 do rotor 34 de excitação supracitado. Esta corrente alterna é rectificada pela ponte 35 rectificadora rotativa, e é enviada para as bobinas 24 do rotor 22 com garras 23 e cria um binário que acciona o veio 18.

Quando a velocidade do veio 18 for suficiente, a corrente alterna fornecida às bobinas 37 do estator 36 supracitado pode ser substituída por uma corrente contínua. 11 PE1533884

Quando uma perturbação, ou corte, da rede 38 é detectada, esta rede 38 é desligada da rede 41 local accionando a abertura do disjuntor 46, bem como a abertura do disjuntor 49.

Neste caso, a máquina síncrona 4 torna-se, instantaneamente, um alternador fornecendo a energia absorvida pelos utilizadores 2. Esta energia provém da recuperação da energia cinética armazenada no tambor 26 em rotação.

Esta recuperação é efectuada modulando a corrente contínua injectada nas bobinas 37 do estator 36 de excitação do acumulador de energia cinética 5. 0 tambor 26 funciona, agora, como induzido no qual são geradas as correntes de Foucault que permitem que o rotor 22 com garras 23 accione o veio 7 da máquina síncrona 4 com uma velocidade desejada. A partir do momento em que a perturbação, ou corte, da rede 38 é detectada, faz-se com que o motor 39 arranque, accionando o alternador 40, e acelere até à sua velocidade nominal. A partir do momento em que essa velocidade é atingida, a alimentação da rede 41 local faz-se pela energia gerada pelo alternador 40 accionado pelo motor 39 devido ao fecho dos disjuntores 43 e 46 após sincronização. 12 PE1533884 0 tambor 26, que perdeu uma parte da sua energia, é, de novo, acelerado pela alimentação do anel de Gramme 28 com corrente eléctrica proveniente do alternador 40. É óbvio que, se a perturbação, ou corte, da rede 38 tiver uma duração inferior à duração da aceleração do motor 39, é a rede 38 que retoma a alimentação da rede 41 local.

Quando a perturbação da rede dura mais tempo, irá ser preciso, no momento em que se restabelece a rede, abrir os disjuntores 43 e 49, e fechar o disjuntor 42, por esta ordem, após o que se pode tornar a fechar o disjuntor 49 a fim de acelerar o tambor 26. A fim de aumentar a eficiência do acoplamento entre o anel de Gramme 28 e o tambor 26, anéis 50 de curto-circuito fabricados com materiais condutores podem ser introduzidos nas extremidades do tambor 26 envolvendo o anel de Gramme 28.

As figuras 6 e 7 mostram uma variante cujas placas 25 do rotor com garras 22 sao construídas com a forma de quatro placas 25 serrilhadas entre as quais se inserem as bobinas 24.

Uma outra variante está representada nas figuras 8 e 9 e é construída ligando o eixo de um motor 39 térmico 13 ΡΕ1533884 com o veio 7 e 18 do ASI com o auxílio de uma embraiagem 51.

Neste caso, a energia gerada pelo motor 39 não é convertida em electricidade por um alternador 40, mas pela máquina síncrona 4. É evidente que o invento não é, de modo nenhum, limitado pelas formas de realização descritas anteriormente, podendo o acumulador de energia cinética descrito anteriormente ser alvo de inúmeras modificações sem que isso signifique um desvio relativamente ao âmbito do invento tal como definido nas reivindicações que se seguem.

Lisboa, 5 de Janeiro de 2007

Claims (11)

1. ΡΕ1533884 1 REIVINDICAÇÕES 1. Acumulador de energia cinética compreendendo, essencialmente: - um veio que suporta um rotor dotado com bobinas e um rotor de excitação bobinado, um tambor envolvendo o rotor supracitado, tambor esse que comporta chumaceiras que lhe permitem rodar livremente em torno do veio supracitado, - uma armação que sustenta o veio supracitado, e o estator de excitação mencionado anteriormente, caracterizado por: - o rotor (22) supracitado ser um rotor com garras (23), dotado com bobinas (24) que estão conectadas por um condutor (34) às bobinas (33) do rotor (32) de excitação, através de uma ponte (35) rectificadora. - e compreender um anel de Gramme (28) comportando bobinas (30), sendo o anel de Gramme (28) circundado pelo tambor (26), e estando conectado por meio de um condutor (48) a uma fonte (38-39) de electricidade. 2 PE1533884
2. 2. Acumulador de energia cinética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estar ligado a uma máquina sincrona para formar um ASI (Alimentação Sem Interrupção) com grande autonomia.
3. 3. Acumulador de energia cinética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por estar ligado a uma máquina síncrona para formar um ASI (Alimentação Sem Interrupção) com grande potência.
4. 4. Acumulador de energia cinética de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por as bobinas (37) do estator (36) de excitação supracitadas poderem estar ligadas a uma fonte de electricidade alterna e/ou a uma fonte de electricidade contínua.
5. 5. Acumulador de energia cinética de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a fonte de electricidade ligada ao anel de Gramme (28) ser uma rede (38) eléctrica e/ou uma alimentação com frequência variável.
6. 6. Acumulador de energia cinética de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por a parte do tambor que envolve o anel de Gramme (28) estar dotada com anéis (50) de curto-circuito fabricados com materiais condutores. 3 PE1533884
7. 7. Acumulador de energia cinética de acordo com uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado por o veio (18) do acumulador de energia cinética estar ligado ao eixo de um motor (39).
8. 8. Acumulador de energia cinética de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por a ligação entre o veio (18) supracitado e o eixo do motor (39) ser efectuada por meio de uma embraiagem (51).
9. 9. Acumulador de energia cinética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o tambor (26) ser fabricado em aço.
10. 10. Acumulador de energia cinética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o rotor (22) com garras (23) ser constituído por várias placas (25) paralelas que, nas suas extremidades, estão munidas com garras (23).
11. 11. Acumulador de energia cinética de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o rotor (22) com garras (23) ser constituído por várias placas (25) serrilhadas, entre as quais se inserem as bobinas (24). Lisboa, 5 de Janeiro de 2007