PT1554801E - Modulador de potência - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO

Modulador de potência ENQUADRAMENTO DO INVENTO 1. Campo do invento

Este invento refere-se a moduladores de potência e, mais especificamente, a moduladores de potência tendo módulos de geração de impulsos utilizando enrolamentos principais e secundários. 2. Descrição da técnica relacionada a. Descrição geral dos moduladores e definições da terminologia

Um modulador é um dispositivo que controla o fluxo de energia eléctrica. Quando se liga uma lâmpada eléctrica e se volta a desligar, pode dizer-se que se modula a corrente que alimenta a lâmpada. Na sua forma mais comum, um modulador envia um trem de impulsos eléctricos de elevada potência a uma carga especializada, tal como um gerador de micro-ondas. A maior parte dos conjuntos de radares mundiais de elevada potência usa moduladores para enviar impulsos de potência a uma fonte de micro-ondas que, por seu lado, alimenta a potência, na forma de rajadas periódicas de micro-ondas, a uma estrutura de antena. Outras aplicações possíveis deste modulador de potência estão listadas no texto abaixo.

Nas décadas posteriores à segunda guerra mundial, a estrutura básica dos moduladores de potência não mudou 1 significativamente. Um modulador convencional consiste num fornecimento de energia, que recebe energia de uma rede de energia de CA, ajusta a tensão, rectifica a potência para produzir energia em CC, e é usado para enviar energia a um reservatório, normalmente constituído por uma bateria de condensadores de energia. Isto é necessário porque a linha de entrada de energia não pode alimentar a potência de pico que é exigidas, pelo que o reservatório é usado para alimentar a potência de pico em pequenas doses de energia, e é reabastecido ou cheio de novo pelo DCPS com uma velocidade razoavelmente constante com uma potência média muito inferior.

Parte da energia neste reservatório é então transferida para um segundo reservatório mais pequeno, normalmente uma rede de formação de impulsos (PFN - pulse-forming network). A PFN é uma rede de condensadores e indutores concebida para enviar energia a uma carga na forma de um impulso rectangular (com topo plano) com tempos de subida e queda rápidos, quando comparados com a largura ou duração do impulso. A rede de formação de impulsos (uma linha de transmissão artificial ou de atraso) é então comutada para a ligar ao lado principal de um transformador de impulsos, normalmente, mas nem sempre, um transformador elevador de tensão. A tensão na PFN antes da comutação é V, e a tensão aplicada ao primário transformador de impulsos é V/2 ou um bit menos. Isto é uma desvantagem da tecnologia de PFN. A relação de espiras do transformador de impulsos (relação de elevação de tensão) tem de ter o dobro com uma PFN do que com o presente invento. A PFN descarrega completamente num tempo T (normalmente alguns microssegundos até alguns décimos de microssegundo) , mantendo uma tensão razoavelmente constante no primário transformador de impulsos e produzindo um impulso de saída 2 razoavelmente plano no secundário do transformador. Mas se for necessário uma planeza de impulsos de 0,1% ou semelhante, então a PFN tem de ter um grande número de secções de indutor-condensador (LC) e será difícil de ajustar. De igual forma, se qualquer componente na PFN falhar, a PFN exigirá um novo ajuste quando a nova peça for instalada, uma vez que todos os valores e posições das partes são muito críticas numa PFN.

Tendo enviado o impulso, a PFN tem de ser recarregada totalmente à tensão V para o impulso seguinte. Para manter uma repetibilidade impulso a impulso de algumas décimas de 1%, esta grande "oscilação" de tensão de carga tem de ocorrer com grande precisão. De igual forma, a carga e descarga completas de todos os condensadores da PFN para cada impulso, várias centenas a vários milhares de vezes por segundo, coloca uma grande tensão no material dieléctrico nestes condensadores, e isto obriga que os condensadores sejam concebidos com muito pouca tensão e, assim, com uma densidade de energia muito baixa. Isto transforma a PFN numa grande estrutura quando comparada com o novo conceito do invento, em que os condensadores não descarregam e carregam a cada impulso e podem ter, por isso, uma densidade de energia muito maior.

Em resumo, as desvantagens dos moduladores da técnica anterior são: • As tensões no lado principal do transformador de impulsos são elevadas, normalmente 10 kV ou mais. • A PFN tem de ser totalmente carregado num intervalo de 10 - 20 kV para cada impulso, e é totalmente descarregada durante o impulso, sujeitando os seus condensadores a elevado esforço. 3 • Os condensadores da PFN têm baixa densidade de energia pelos motivos acima, pelo que são bastante grandes em comparação com os condensadores de menor esforço usados no novo conceito. • Se ocorrer um curto-circuito na carga (o que acontece frequentemente com tubos de magnetrão) não há forma de interromper o fluxo de corrente, uma vez que o comutador PFN de alta tensão (um tiratron cheio com gás) não pode ser desligado até que a sua corrente caia para zero. • Se um componente na PFN falhar, é necessário voltar a afinar a PFN para uma forma de impulso óptimo depois do componente ter sido substituído. Isto é um trabalho demorado e perigoso, uma vez que tem de ser feito com alta-tensão aplicada à PFN. Se for necessária uma duração de impulso diferente, é necessário substituir e voltar a afinar a estrutura da PFN. b. Transformadores de impulso A história dos chamados transformador de impulso de espiras parciais começa com um invento de Nicholas Christofilos que foi atribuído ao Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) , do governo dos EUA, no princípio dos anos de 1960. Nessa altura, o laboratório chamava-se Lawrence Livermore Laboratory, ou LLL. Este invento revela uma forma de utilização de um grande número de núcleos magnéticos toroidais (em forma de donut), cada núcleo accionado por um gerador de impulsos de alta tensão a várias dezenas de kV (usando um comutador de faísca) e uma rede de formação de impulsos ou PFN) para gerar um potencial de aceleração de várias centenas de kV para vários 4 megavolts (MV) para acelerar um feixe de partículas carregadas. A ideia básica deste chamado acelerador linear de indução magnética (LMI) está ilustrado abaixo nas figuras 1 e 2. A figura 1 ilustra um conjunto de núcleos magnéticos toroidais dispostos para que os seus furos centrais envolvam uma linha direita, ao longo do qual o feixe de partículas será acelerado. A figura 2 ilustra a estrutura LMI com mais detalhes adicionados; é ilustrado um sistema accionador de alta-tensão (cada núcleo tem um) e o percurso do feixe de partículas está indicado. A característica chave deste tipo de acelerador é o facto de, à semelhança de todos os aceleradores LINAC, ter uma superfície exterior que tem um potencial da terra. As tensões que accionam os núcleos individuais aparecem todas em série ao longo do eixo central, mas não aparecem noutro lugar. Isto significa que o acelerador não irradia energia para o mundo exterior e é fácil de instalar no laboratório, uma vez que não precisa de ser isolada da sua envolvente. Um acelerador LMI de 800 kV foi construído no LLL nos anos 60 (o acelerador ASTRON) e foi usado para aceleração de feixes de electrões em experiência de fusão. Uma máquina LMI maior (FXR, para radiografia instantânea) foi construída nesse laboratório nos anos de 1970, e acelerou um impulso de feixe de electrões para um alvo de conversão de raios X. O FXR foi usado para radiografia no momento de explosões. O princípio operacional do acelerador LMI pode ser ilustrado com o auxílio da figura 3, que é um corte transversal da máquina num plano que inclui o eixo do feixe. 5 São necessárias algumas regras para discutir o comportamento da estrutura com múltiplos núcleos ilustrada na figura 3. Em primeiro lugar, é necessária a regra da mão direita. Esta regra (arbitrária) define que, se agarrarmos um condutor com a nossa mão direita, com nosso o polegar apontando na direcção do fluxo de corrente positiva, então os nossos dedos irão enrolar-se em torno do condutor na direcção das linhas de fluxo magnético que envolvem o condutor. Aplicando essa regra à figura 3, o fluxo magnético provocado nos núcleos magnéticos toroidais irá circular tal como está ilustrado. É usado um "ponto" para indicar vectores de fluxo apontando para o leitor, e é usado um X para representar vectores de fluxo apontando para fora do leitor.

Aplicando esta regra ao feixe de partículas que flui para a direita ao longo do eixo da estrutura na figura 3, verifica-se que o fluxo magnético gerado por este feixe circula na direcção oposta ao fluxo provocado pela corrente principal, o que é correcto. Se pensarmos nisto como um transformador, e o feixe como um curto-circuito através do enrolamento secundário, então a corrente neste enrolamento secundário fluirá numa direcção para cancelar o fluxo provocado pelo primário, não provocando fluxo de rede nos núcleos magnéticos e apresentando, assim, um curto-circuito à fonte de potência principal. Não haver mudança nos núcleos significa que não há tensão nos enrolamentos principais, e isto é, por definição, um curto-circuito. Um feixe de partículas carregadas positivamente (protões) seria desta forma acelerado para a direita pela estrutura, e um feixe de partículas carregadas negativamente (electrões), seria acelerada para a esquerda.

Aplica-se agora outra regra da electrónica, nomeadamente que a tensão induzida num condutor que envolve um fluxo 6 magnético é igual à velocidade de mudança desse fluxo magnético. Consideremos o percurso ABCD, que envolve o fluxo de todos os cinco núcleos. A tensão induzida num fio que segue este percurso seria igual à velocidade de mudança de fluxo em todos os cinco núcleos em conjunto. Mas cada núcleo é accionado por uma tensão principal V, pelo que cada núcleo tem uma velocidade de mudança de fluxo igual a V. Assim, a tensão induzida ao longo do percurso ABCD seria de 5V. A estrutura actua como um transformador elevador de tensão. Outra regra é o facto de, num transformador, a relação entre a tensão secundária e a tensão principal ser igual à relação entre as espiras secundárias e as espiras principais, pelo que o acelerador LMI da figura 3 tem uma relação efectiva de espiras de cinco, e ainda assim o percurso ABCD representa apenas uma espira única. Assim, o enrolamento principal tem de ser 1/5 de uma espira, pelo que o acelerador LMI pode ser pensado como um transformador com um enrolamento principal com espira parcial. c. Outra técnica relacionada A figura 4 é um esquema da ligação do transformador de impulsos que está revelada na patente US 5,905,646, Crewson et al, 18 de Maio de 1999. Por motivos de simplicidade estão ilustrados dois módulos de geração de impulso. Cada módulo, como pode ver-se , acciona um enrolamento principal de espira única (1) que se enrola em torno de um dos dois núcleos magnéticos. . Cada módulo contém um condensador carregado com uma tensão V, e tem um díodo de garra ou díodo inverso D para proteger o comutador de um pico de tensão inversa quando o comutador desliga. 7 A patente US n° 5,905,646 acima referida reforça a ideia de que cada módulo acciona uma espira independente na estrutura principal. Isto é feito para garantir que todos os comutadores de módulo conduziriam a mesma corrente. Mas esta restrição torna o modulador acessível a um modo de falha potencialmente destruidor. Para entender a falha destrutiva, assuma-se que os dois comutadores na figura 4 não conduzem precisamente em simultâneo. Se o comutador superior começar a conduzir uma fracção de um microssegundo mais cedo do que o comutador inferior (ou vice-versa) haverá problemas. Se isto ocorrer, o núcleo magnético superior transporta um fluxo na direcção ilustrada (descendo na página em X e para cima, para fora da página no símbolo "ponto"). Este fluxo provoca um fluxo de corrente no enrolamento secundário e carga, tal como está ilustrado. Ainda não existe nenhum fluxo no núcleo inferior, uma vez que o seu comutador de módulo não está ainda a conduzir. Mas a corrente que passa no enrolamento secundário provocará um fluxo no enrolamento inferior oposto à direcção indicada. Este fluxo induzirá uma corrente na ligação do módulo inferior, tal como está ilustrado, e esta corrente obriga o díodo D no módulo inferior a conduzir.

Agora, quando o comutador no módulo inferior conduz de facto, a tensão aplicada bloqueia o díodo inferior (que está a conduzir) e isto obriga o díodo a desligar. O desligar de um díodo condutor em alguns nano-segundos quando conduz uma elevada corrente normalmente destruirá o díodo. Quando o díodo é destruído, torna-se num curto-circuito. Este curto-circuito arrasta uma corrente quase ilimitada através do comutador de módulo inferior e destrói o comutador.

RESUMO DO INVENTO 8

Um objectivo do presente invento consiste em eliminar a desvantagem acima mencionada no modulador da técnica anterior, tal como o da patente US 5,905,646. Outro objectivo do presente invento consiste em proporcionar um modulador de potência com uma ligação de enrolamento principal que elimina a necessidade de haver um número igual de módulos de geração de impulsos e enrolamentos principais. Outro objectivo ainda do presente invento consiste em proporcionar um modulador de potência que elimine as desvantagens acima mencionadas nos moduladores de potência da técnica anterior pelo facto de: • as tensões no lado principal do transformador de impulso são baixas, normalmente 1 kV ou menos; • não há PFN, pelo que todas as desvantagens da PFN são evitadas, porque os comutadores do modulador são semicondutores, tal como IGBT ou MosFet, que podem ser desligados com correntes que correm para eles para terminar o impulso; • os condensadores de armazenamento de energia não descarregam mais do que uma percentagem reduzida durante um impulso, pelo que a sua densidade de energia pode ser muito maior do que para os condensadores da PFN; • se se verificar um curto-circuito na carga, isto pode ser detectado observando a queda súbita na tensão de carga, gerando um sinal que dispara um comparador rápido que remove os impulsos de porta de baixa tensão dos comutadores de semicondutor, terminando o impulso (os moduladores da técnica anterior são detectores de sobrecarga para este efeito, que são muito menos rápidos em operação e permitem uma passagem de corrente muito maior antes de serem desligados); e 9 • se for necessário uma duração de impulso diferente, isto pode ser proporcionado mudando simplesmente o timing dos disparadores de comutador em estado sólido, uma operação que ocorre com baixa tensão e que pode ser feita a partir da estação de controle do computador, permitindo um ajuste electrónico simples da duração do impulso.

Estas vantagens levam a vantagens consequentes de sistemas moduladores em estado sólido com uma dimensão muito mais pequena e um tempo de vida útil muito maior quando comparados com a velha tecnologia PFN / tiratron.

Outro objectivo ainda do presente invento consiste em proporcionar um modulador de potência no qual diferentes módulos de geração de impulsos possam ser ligados e desligados em momentos diferentes. Poder ligar ou desligar os módulos de geração de impulsos em tempos diferentes é útil para remover o sobreimpulso ou oscilação no inicio do impulso. 0 invento é definido pela reivindicação 1. Com o objectivo de clareza na descrição, a discussão será limitada ao caso de dois módulos de geração de impulsos. Isto não é, de forma alguma, uma restrição do invento, que pelo contrário funciona com qualquer número de módulos de geração de impulsos. 0 acrescento de duas espiras únicas, tal como está ilustrado na figura 5, eliminará por completo o modo de falha de sobretensão mencionado anteriormente, e eliminará simultaneamente a restrição de ter um número igual de módulos de geração de impulsos e enrolamentos principais. Nos moduladores da técnica anterior, construídos sob a patente US n° 5,975,646, estamos restringidos a ter um módulo gerador de impulsos por enrolamento principal, e pelo menos um enrolamento principal por secção de núcleo. Com o presente invento, esta 10 restrição é eliminada e pode usar-se qualquer número de módulos. A técnica anterior exige que cada secção de núcleo seja accionada pelo mesmo número de módulos. Mas, com o presente invento, pode usar-se qualquer número de módulos e, mesmo assim, proporcionar o mesmo sinal de accionamento para cada núcleo. Isto é uma vantagem económica forte a favor do presente invento.

Quando os fios 11 na figura 5 são acrescentados, então qualquer comutador de módulo que seja conduzido em primeiro lugar controlará o circuito até que o outro comutador feche. Se o comutador superior conduzir antes do inferior, então o módulo superior accionará o fluxo em ambos os núcleos, não apenas no núcleo superior. Isto evitará que o diodo inferior seja arrastado para condução, uma vez que este diodo será bloqueado. 0 efeito será quase o mesmo se todos os enrolamentos principais estivessem ligados em paralelo, pelo facto do comutador "recente" impor uma tensão positiva em todos os díodos nos módulos "tardios".

Ainda se poderiam simplificar as coisas, e ligar todos os enrolamentos principais em paralelo. Isto não é óbvio, mas um olhar para a figura 4 permitirá verificar-se que funciona. Se todos os comutadores fecharem de facto ao mesmo tempo, então não há tensão entre os pontos P e R na figura. Se os pontos Q e T forem ligados em conjunto, também não há tensão entre estes pontos. Se não houver tensão entre P e R, então também é possível ligar estes pontos em conjunto, sem provocar o fluxo de mais corrente, pelo que o circuito funcionará à mesma com todos os enrolamentos principais ligados em conjunto.

Ambas as ligações em cima servirão, de facto, para igualar as correntes do módulo, onde a ligação independente reivindicada na patente US n° 5,905,646 não consegue este 11 resultado. Isto deve-se ao facto de, pela primeira vez, se garantir que a impedância de carga apresentada a todos os módulos de geração de impulso é exactamente a mesma. Na técnica anterior, isto não era garantido. Das duas ligações principais que são dadas acima, a ilustrada na figura 5 é preferível relativamente à ideia de ligar simplesmente todos os enrolamentos principais em paralelo, uma vez que com todos os enrolamentos principais em paralelo qualquer falha de díodo em qualquer módulo arrastará toda a corrente de todos os módulos para a falha, e isto poderia ser bastante destrutivo para os comutadores. A ligação da figura 5 elimina esta possibilidade.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS a figura 1 é um arranjo de núcleo magnético para um acelerador LMI, a figura 2 é um acelerador LMI com uma PFN e um percurso de feixe, a figura 3 é uma estrutura para um acelerador LMI com cinco núcleos, a figura 4 é uma vista esquemática de uma ligação principal de meia-espira com dois módulos de geração de impulsos de acordo com a técnica anterior, a figura 5 é uma vista esquemática de uma ligação principal de meia-espira com dois módulos de geração de impulsos de acordo com o presente invento, a figura 6 é uma vista detalhada de um dos módulos de geração de impulsos numa forma de realização, a figura 7 ilustra várias vistas de transformadores típicos de impulsos de alta-tensão, 12 a figura 8 é uma vista tridimensional de um transformador de impulsos que contém dois núcleos lado a lado.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE FORMAS DE REALIZAÇÃO PREFERIDAS

Seguidamente será dada uma descrição detalhada de como conceber o modulador de potência no presente invento como exemplo, em conjunto com algumas formas de realização preferidas do invento. As formas de realização preferidas e o exemplo de concepção são apenas ilustrativos, e não deveriam, de forma alguma, ser vistos como limitações ao invento. 0 presente invento é um modulador de potência. 0 modulador de potência compreende: módulos de geração de impulsos, em que cada módulo gerador de impulsos tem uma ligação de enrolamentos principais que envolvem um conjunto de núcleos magnéticos, e um enrolamento secundário que envolve todos os núcleos magnéticos. Os módulos de geração de impulsos compreendem ainda um condensador de armazenamento de energia, meios de comutação e um diodo ou um conjunto de díodos ligados em série. 0 díodo, ou conjunto de díodos ligados em série, está ligado entre os meios de comutação e o condutor que retorna a corrente ao condensador. Os meios de comutação poderiam ser qualquer comutador conhecido de quem tem competência na técnica da electrónica tal como, por exemplo, um comutador de estado sólido IGBT. 0 módulo / módulos de geração de impulsos no modulador é/são, tal como mencionado acima, proporcionados com uma ligação dos enrolamentos principais, e que está ilustrado na figura 5 para o caso especial de um modulador de potência com dois módulos de geração de impulsos e dois núcleos magnéticos. É um modulador de potência com estas características que é referido nas formas de realização abaixo. 13

Como foi realçado anteriormente, a ligação ilustrada na figura 5 elimina completamente o modo de falha destrutivo que ocorre frequentemente nos moduladores da técnica anterior. A figura 5 ilustra esta ligação com dois módulos de geração de impulsos e dois núcleos. Isto é apenas uma ilustração, o número de módulos pode ser um qualquer, tal como o número de núcleos também pode. Tudo isto é necessário para se conseguir um modulador de potência com mais de dois módulos de geração de impulsos para ligar todos os módulos através de enrolamentos principais em torno de cada núcleo magnético, para que cada núcleo seja envolvido por um enrolamento principal de cada módulo. É por isso simples adicionar qualquer número de módulos a qualquer número de núcleos. Como exemplo, pode pensar-se no modulador de potência tendo N módulos de geração de impulsos e M núcleos magnéticos. Se se construísse um modulador de potência usando apenas enrolamentos principais de espira única e a ligação do presente invento, o número total de enrolamentos principais de espira única seria 2M x N, incluindo 2M enrolamentos principais de espira única de cada módulo gerador de impulso deveriam envolver M núcleos (uma espira principal por "perna" de núcleo, duas "pernas" por núcleo, tal como está ilustrado na figura 7), e N módulos de geração de impulsos. É importante notar que, numa forma de realização preferida, os módulos de geração de impulsos não estão ligados entre si por meio de uma ligação externa tal como um fio. A única ligação que existe entre os módulos é a induzida provocada pelo fluxo magnético nos núcleos. É claro que é possível interligar os módulos, ligando todos os primários em paralelo, mesmo se isto permite a possível falha mencionada acima que, com todos os enrolamentos principais em paralelo, qualquer falha de díodo em qualquer módulo arrastará toda a corrente de todos os módulos 14 para a falha e isto seria bastante destrutivo para os comutadores.

De notar que os enrolamentos principais referidos acima podem ser enrolamentos principais de espira única ou de múltiplas espiras. Neste último caso verifica-se a situação em que a tensão por espira em todos os enrolamentos principais é a mesma, isto é, há uma diferença na tensão V nos condensadores pertencentes a módulos de geração de impulsos diferentes, então esta diferença deveria reflectir-se no número N de espiras pertencentes aos enrolamentos principais, para que V/N seja igual para todos os enrolamentos principais. Se esta condição não for satisfeita, os enrolamentos principais lutarão entre si e arrastarão correntes excessivas dos módulos de geração de impulsos. Se todas as tensões nos condensadores forem iguais, então o número de espiras em cada espira múltipla tem ser o mesmo para satisfazer esta condição de tensão por espira. 0 modulador de potência tem, em geral, uma grande gama de aplicações, que vão desde sistemas de radar, lasers, tratamento do cancro, aquecimento por micro-ondas, em materiais de esterilização de processo, na aceleração de partículas (LINAC), aquecimento de plasma para fusão nuclear, limpeza de semicondutores, tratamento de superfície, bombagem de feixes de electrões de lasers a gás, secagem de tinta na indústria da impressão, accionamento piezoeléctrico ou transdutores magnetoestritivos para sonar, formação de imagem médica por ultrassons, accionamento de estruturas de antena para radares de banda larga de monopulso, accionamento de altas correntes e altas tensões em veículos aeroespaciais, simulação de efeitos de armas nucleares e raios, e para acionar directamente fontes de feixes de electrões para modificação de materiais, accionamento de clistrão, magnetrão, giroscópio ou tubos 15 amplificadores cruzados para gerar micro-ondas para radares, etc. E um modulador tal como o do presente invento pode ser usado, é claro, noutro lado, sempre que houver necessidade de impulsos eléctricos.

Um exemplo de concepção de modulador 0 que se segue é um exemplo de como conceber um modulador de potência de acordo com os princípios do invento. Este invento é apenas ilustrativo, e os números e dispositivos específicos só são incluídos por motivos pedagógicos e não devem ser vistos como restrições ao presente invento. a. Selecção do número de módulos de geração de impulsos

Uma aproximação produtiva ao entendimento do novo conceito modular consiste em trabalhar através de um exercício de concepção de primeira ordem para um tal modulador. Suponha-se que pretendemos ter impulsos de 120 kV, com uma corrente de pico de 70 A numa largura de impulso de 5 microssegundos (pS) e uma frequência de repetição de impulso (PRF) de 800 impulsos / s (800 Hz). Suponha-se ainda que queremos obter comutadores em estado sólido IGBT com potências nominais de 1600 V - 2200 A. O primeiro passo consiste em calcular o output de potência de pico, uma vez que isto tem uma grande influência no número necessário de comutadores. A potência de pico é de 120 kV x 70 A ou 8.4 MW. Permita-se uma margem de segurança para os comutadores, para que não funcionem à sua potência máxima. A experiência mostrou que 75% da potência de pico permite uma margem de segurança durante muito tempo. Então, os números operacionais para cada comutador não deveriam exceder os 16 0,75x1600=1200 V e 2200x0,75=1650 A. Como resultado, cada comutador pode desenvolver 1200x1650=1,98 MW. Para alimentar 8,4 MW, precisaremos de 8,4/1,98=4,24 comutadores, pelo que usaremos cinco comutadores para segurança da concepção.

Nos moduladores da técnica anterior, construídos sob a patente US 5,905,646, somos restringidos a ter um módulo de geração de impulsos por enrolamento principal, e pelo menos um enrolamento principal por secção de núcleo. Com o presente invento, tal como referido anteriormente na descrição, esta restrição é eliminada, e pode usar-se um número de módulos qualquer. Se por exemplo se utilizar um transformador de impulsos com dois núcleos para se obter um enrolamento principal com meia espira, então haverá quatro "pernas" ou secções de núcleo magnético num tal transformador. A técnica anterior exige que cada "perna" ou secção de núcleo seja accionada pelo mesmo número de módulos. Não é possível usar quatro módulos, uma vez que isto viola a margem de segurança seleccionada neste exemplo. Assim, com a técnica anterior, seríamos forçados a usar 8 módulos, accionando cada "perna" do núcleo com dois módulos. Mas com o presente invento, podem usar-se 5 módulos e, mesmo assim, proporcionar o mesmo sinal de accionamento a cada uma das quatro "pernas" do núcleo do transformador. b. Dimensão do condensador e planeza do impulso

Foi decidido que o número de módulos de geração de impulsos tem, neste exemplo, 5, pelo menos para o nosso modelo de primeira ordem. Outra iterações do modelo envolvendo a transferência de calor e o arrefecimento de comutadores, condensadores e outros componentes pode levar a que este número 17 se altere, mas esse nível de detalhe está fora do âmbito da presente discussão. Voltemo-nos agora brevemente para os condensadores usados em cada módulo. Se um condensador de valor C Farad for carregado com alguma tensão V, e for então ligado a uma carga arrastando uma corrente de I Ampere durante um tempo de T segundos, a tensão do condensador baixará ou descerá de acordo com a relação: AV = AQ/C = IT/C, em que Q é o símbolo para carga (em Coulombs) e o símbolo Δ significa "a mudança em". A equação deve ler-se então "a mudança em tensão V é igual à mudança na carga dividida pela capacitância C". Isto deriva imediatamente da definição de capacitância, que é a quantidade de carga no condensador por tensão aplicada:

C=Q/V

Suponhamos agora, como exemplo, que temos uma exigência de um impulso que tem um topo liso com não mais de 0,5% de desvio do valor médio da tensão de impulso. No presente invento, a tensão de arranque é de 1200 V, pelo que a tensão no fim do impulso não deveria ser inferior a 0,5% abaixo deste valor, ou 0, 995x1200=1194 V. O valor de V é então 6 V. A corrente por módulo foi determinada como sendo de 1650 A, e a duração de impulso T é 5 pS, pelo que a capacitância é:

C=Q/V=AQ/AV=IT/AV=1650x5x10~6/6=1375x10'6=1375pF 18

Isto é uma capacitância muito grande. Para reduzir a necessidade de uma tal capacitância tão grande, pode usar-se opcionalmente um circuito de achatamento de impulso, que pode reduzir a capacitância em aproximadamente 10 vezes. Se se usar um tal circuito, a capacitância pode ser reduzida para aproximadamente 137,5 pF em vez dos 1375 pF. c. Circuito de módulo

Decidiu-se o número de comutadores (5) e a dimensão dos condensadores de módulo (1200 V, 138 pF) . Por motivos de arrefecimento, pode dividir-se os condensadores em 2 ou 3 recipientes separados para aumentar a relação entre a área de superfície e o volume, uma vez que isto melhora a capacidade de remoção do calor perdido. Assim, o valor final do condensador podia ser de 1382/2= 69 pF ou 138/3=46 pF. Estes componentes são agora montados em módulos de geração de impulsos da forma ilustrada na figura 6.

Na figura 6, a ligação à terra está ilustrada ligada à extremidade negativa do condensador. Isto é uma escolha flexível - a ligação à terra poderia muito bem ser colocada na extremidade emissora do comutador. Fazê-lo permitiria ao circuito gerador de impulso desencadeador ser ligado à terra, eliminando o pequeno transformador de impulsos TI que isola a ligação da porta da terra no circuito, tal como está ilustrado. O díodo inverso está também ilustrado ligado através da saída do módulo. O díodo é bloqueado quando o comutador está a conduzir, mas quando o comutador é desligado (tornado não condutor) a corrente de saída continua a fluir devido à indutância do transformador de impulsos. O díodo inverso torna-se condutor e fixa a tensão de saída em próximo de 0 neste 19 momento, protegendo o comutador de uma condição de sobretensão destrutiva que o destruiria se o díodo inversos não estivesse presente. No modulador da técnica anterior, uma diferença no timing entre dois módulos de geração de impulsos adjacentes levará a que o diodo inverso desligue prematuramente. Então, quando o comutador que liga a este díodo ligar, o díodo condutor desliga subitamente. Este transiente normalmente destrói o díodo, transformando-o num curto circuito. Isto, por seu lado, destrói o comutador, permitindo que demasiada corrente passe para o comutador. 0 circuito opcional de alisamento de impulso está ilustrado ligado em série com a extremidade de baixa tensão do enrolamento secundário do transformador de impulso na figura 6. 0 circuito de amortecimento está ilustrado ligado em série com a saída de módulo da figura 6. Tal como descrito acima, o modulador da técnica anterior exigia apenas um circuito de arrefecimento para cada módulo, mas o novo conceito de ligação permite que os módulos se liguem em tempos diferentes, e esta característica permite-nos usar apenas um circuito de amortecimento. 0 módulo ligado a este circuito de amortecimento único liga em primeiro lugar, e quando o impulso de saída tiver atingido o seu pico e a tensão tiver estabilizado, os outros módulos são então ligados para executar a carga de impulso. Todos os módulos desligariam neste caso em simultâneo. Isto reduz custos e simplicidade. d. Considerações sobre o transformador de impulsos A figura 7 ilustra um transformador de impulso de alta tensão típico usado em moduladores de impulsos. 0 núcleo magnético está identificado com 15, e as ligações de saída de 20 alta tensão (anéis de calibragem) estão identificados com 16. As dimensões são proporcionais à tensão e potência de saida do modulador. Normalmente, estes transformadores são mergulhados num tanque cheio com um óleo isolante de base mineral ou à base de silicone para melhorar, quer o arrefecimento, quer o isolamento de alta-tensão. 0 núcleo magnético ilustrado na figura 7 é um conjunto de núcleo único. Num transformador com núcleo duplo, dois núcleos idênticos são colocados lado a lado e ambos são envolvidos pelos enrolamentos secundários, enquanto cada núcleo suporta um conjunto individual de enrolamentos principais. Isto proporciona um comportamento de enrolamento principal de meia espira tal como está descrito acima. Três ou mais núcleos podem ser colocados de forma semelhante, proporcionando um desempenho de enrolamento principal de 1/3 ou de 1/4 de espira, respectivamente. Os moduladores SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), por exemplo, usam mais de quatro núcleos, e muito poucas (uma a três) espiras no enrolamento secundário. 0 que guia as escolhas quanto ao número de núcleos e número de espiras secundárias? A subida dos impulsos e os tempos de queda guiam estas escolhas, como será agora descrito. Voltaremos ao exemplo de concepção para auxiliar nesta descrição. 0 espaço entre os dois núcleos é claramente visível na figura 8. Comparando as figuras 7 e 8 vemos que existe um volume de espaço entre os enrolamentos secundários (que envolvem todos os núcleos) e os enrolamentos principais. Quando o transformador está a funcionar, as leis de Ampere dizem-nos que quase não existe campo magnético em qualquer lado no transformador (incluindo no próprio material do núcleo) excepto neste volume entre os enrolamentos. Este campo magnético armazena energia magnética, e isto iguala uma indutância que 21 surge em série com a carga. A indutância é em série e não em paralelo, porque não há corrente que possa atingir a carga a menos que passe em primeiro lugar através dos enrolamentos e estabeleça o seu campo magnético. Este campo representa uma "taxa" no desempenho do transformador que tem de ser paga para se obter qualquer potência de saida. A indutância criada por este volume de campo magnético é chamada a indutância de fuga do transformador. É bem sabido que a indutância de um enrolamento é proporcional ao quadrado do número de espiras num enrolamento. Quando medido a partir do lado secundário ou de saida do

transformador, esta indutância de fuga é proporcional ao quadrado do número de espiras secundárias. Consequentemente, tudo o que possa reduzir o número de espiras secundárias terá um efeito significativo na indutância de fuga. Quanto mais pequena puder ser esta indutância, mais rapidamente pode subir o impulso de saida até ao seu nivel de potência máxima. A utilização de um enrolamento principal com espira parcial instalando os dois núcleos lado a lado, cada um com o seu próprio conjunto de espiras principais, reduzirá o número de espiras secundárias para metade para uma determinada tensão de entrada e de saída. Isto irá (quase) reduzir a indutância de fuga em quatro vezes, e permitirá que o impulso suba quase quatro vezes mais rapidamente do que se fosse usado um único núcleo.

Este argumento não é exacto, uma vez que a indutância de fuga é proporcional ao volume contido entre os conjuntos principal e secundário, assim como ao quadrado das espiras secundárias, e este volume aumentará à medida que se acrescentam mais núcleos ao transformador. A redução da indutância de fuga quando se passa de um para dois núcleos está 22 mais próxima de 1/3 do que de H por este motivo. Mas o efeito é ainda muito útil na obtenção de tempo de subida e de queda mais rápida para o transformador de impulso.

Examinando mais uma vez as figuras 2 e 3, vê-se que com os dois núcleos há quatro "pernas" verticais de material magnético que tem de ser envolvido com espiras parciais. Isto foi mencionado anteriormente nesta discussão, e o motivo subjacente é claramente evidente nas duas figuras. Como um único núcleo, há duas destas "pernas" verticais, etc. Em geral, com N núcleos há 2N "pernas", que precisam de espiras principais em torno delas. Basicamente, o transformador de núcleos múltiplos é equivalente a vários transformadores ligados em paralelo.

Para completar o exemplo do modelo, é preciso dimensionar o transformador. Suponha-se que o material magnético tem uma densidade de fluxo de saturação de Bmax Teslas. Os valores típicos para esta densidade de fluxo estão na proximidade de 1 Tesla, ou 10000 Gauss, usando o sistema de unidades magnéticas mais antigo. Enrola-se um conjunto de espiras em torno dos núcleos para transportar uma corrente CC para rearmar os núcleos. Estas voltas estão ligadas a uma fonte de alimentação de energia CC através de uma reactância de reajuste em série, uma vez que as espiras de reajuste desenvolverão uma tensão de impulsos quando o transformador é accionado pelos módulos de geração de impulsos, e será necessária uma impedância de série elevada para proteger a alimentação em CC deste impulso e para garantir que a corrente de reajuste não é afectada pelos impulsos. A reactância de reajuste mantém a corrente de reajuste a fluir constantemente independentemente da acção de impulsos no transformador. A corrente de reajuste CC induz uma densidade de fluxo CC nos núcleos igual a -Bmax, o sinal menos indicando que este 23 fluxo é directamente oposto ao fluxo que será induzido quando o transformador está com impulsos. Isto permite que os núcleos sejam feitos com metade do material magnético que seria necessário se não fosse usado o reajuste, porque a densidade de fluxo pode agora oscilar de -Bmax para +Bmax durante o impulso, para uma excursão de fluxo total de 2 8 Bmax. Cada núcleo magnético tem uma área da secção transversal (ver figura 2) de AC m2. A lei de Lenz refere que com uma dada tensão de módulo V e uma duração de impulso T, se usarmos um enrolamento principal de espira única a área da secção transversal de cada núcleo é calculada como AC=VxT / 2Bmax.

Introduzindo os valores V = 1200 V, t = 5 ps, Bmax = 1 Tesla, verificamos que AC = 0,03 m2 ou 30 cm2. Assim, a área da secção transversal de cada um dos dois núcleos tem uma largura de cerca de 5,5 cm e uma profundidade de 5,5 cm, típica de transformadores que construímos. Foram concebidos normalmente para maiores durações de impulso, de 10 a 12 ps, pelo que os núcleos têm sido maiores do que isto, mais uma vez devido à equação acima.

Pretendemos então um output de 120 kV com um input de 1,2 kV, pelo que o ganho de tensão é de 100:1. Isto exige 50 espiras em cada um dos "cestos" secundários ligados em paralelo ilustrados nas figuras 2 e 3. Isto reflecte o facto do enrolamento principal ser de efectivamente 1/2 espira. O ganho de tensão igual a relação de espiras, que neste caso é de 50/0,5=100.

Temos, como já foi mencionado acima, quatro "pernas" verticais de núcleo a envolver com espiras principais, uma vez 24 que pretendemos fazer, de facto, dois transformadores ligados em paralelo. Cada uma destas "pernas" precisa de cinco espiras em torno dela, uma vez que iremos usar cinco módulos. Cada módulo é então ligado a um conjunto de quatro enrolamentos primários de espira única, uma espira de cada conjunto para cada uma das quatro "pernas". Assim, o número total de espiras principais de que precisamos é de 5 módulos x 4 espiras por perna por módulo, ou 20 enrolamentos principais. Isto dá 5 voltas por "perna", o que confere.

Deverá mencionar-se que, para manter a indutância residual baixa, é necessário envolver cada "perna" de núcleo com uma boa aproximação de uma "folha de corrente" para manter os campos magnéticos entre os fios individuais a um mínimo. Cinco fios de diâmetro pequeno, espaçados ao longo de uma "perna de núcleo" que pode ter um comprimento de 15 cm para 120 kV, não é uma boa aproximação de uma folha uniforme de corrente, pelo que se poderia fazer as 5 espiras únicas enrolando, por exemplo, dez ou mesmo vinte fios únicos em torno da "perna" do núcleo, e então separar estas voltas únicas em cinco molhos de duas ou três ou quatro espiras únicas cada, ligando cada molho em paralelo para fazer o equivalente de uma espira larga única.

No exemplo de concepção, pretendemos uma PRF de 800 Hz, e cada impulso envia uma energia de saída de V segundos x 1 segundos x T impulso = 120 kV x 70 A x 5 ps = 42 J/impulso. Com uma velocidade de repetição de 800 Hz, isto representa uma potência média de 800 x 42 = 33600 W ou 33,6 kW. O factor de utilização é a relação entre a duração do impulso e o tempo entre impulsos, neste caso 800 x 5 ps = 0,004 ou 0,4%. O valor quadrático médio da corrente é a corrente de pico x a raiz quadrada do factor de utilização, que neste caso é de 70 A x 0,063 ou 4,4 A para a corrente secundária total. O enrolamento 25 secundário é constituído por dois enrolamentos ligados em paralelo, de acordo com as figuras 7 e 8, pelo que cada enrolamento transporta um valor quadrático médio da corrente de 2,2 A. A secção transversal do fio está dimensionada em conformidade com as tabelas de fio normalizado, para transportar esta corrente.

De forma semelhante, para cada enrolamento principal, a corrente de pico é de 1650 A, pelo que o valor quadrático médio da corrente é de 104 A. De novo, os condutores principais estão dimensionados a partir de tabelas normalizadas para transportar esta corrente, tomando em consideração os meios de transferência de calor / meios de arrefecimento que estão disponíveis para arrefecer os condutores até um nível seguro.

Isto completa a ligação do modulador, excepto para o dimensionamento do enrolamento de reajuste e corrente de reajuste. Isto envolve a permeabilidade do material magnético, que é a relação entre a densidade de fluxo magnético B em Teslas e a força magnetomotriz H em Amperes-espiras por metro, e é uma propriedade que está tabelada em catálogos de material magnético. Quando este número é determinado, a selecção de espiras de reajuste e corrente de reajuste envolve uma única aplicação da lei de Ampére, não se justificando mais elaboração. É uma tecnologia muito bem conhecida.

As formas de realização e o exemplo da concepção dada acima são meras ilustrações. Há outras formas de realização que ocorrerão rapidamente a quem tem experiência na técnica e que estão no âmbito do invento. O invento deveria, por isso, ser definido tal como está nas reivindicações anexas.

Lisboa, 31 de Outubro de 2011. 26

Claims (9)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Modulador de potência compreendendo: pelo menos dois módulos de geração de impulsos; e compreendendo pelo menos um enrolamento secundário que envolve a totalidade de uma pluralidade de núcleos magnéticos, em que cada um dos ditos pelo menos dois módulos de geração de impulsos compreende: um condensador de armazenamento de energia; e meios de comutação que podem ser comandados de forma electrónica para ligar e desligar; e pelo menos um diodo ligado em paralelo com os condutores de saida do dito módulo de geração de impulsos; caracterizado por: cada módulo de geração de impulsos compreender ainda um conjunto de enrolamentos principais, cada um dos ditos enrolamentos principais em cada um do dito conjuntos de enrolamentos principais envolve um núcleo respectivo da dita pluralidade de núcleos magnéticos; e cada um dos ditos enrolamentos principais em cada um do dito conjunto de enrolamento principais estando ligado em paralelo a pelo menos um dos ditos módulos de geração de impulsos para proporcionar assim um modulador de potência em que cada um dos ditos dois módulos de geração de impulsos acciona a totalidade da dita pluralidade de núcleos de magnéticos. 1
2. 2. Modulador de potência de acordo com a reivindicação 1, no qual o dito pelo menos um díodo é um díodo ou um conjunto de díodos ligados em série, que são ligados entre os ditos meios de comutação e o condutor que retorna a corrente ao dito condensador.
3. 3. Modulador de potência de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual o dito pelo menos um díodo faz parte de um conjunto de díodos ligados em série.
4. 4. Modulador de potência de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual o dito conjunto de enrolamentos principais é um conjunto de enrolamentos principais com uma espira única.
5. 5. Modulador de potência de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual o dito conjunto de enrolamentos principais é um conjunto de enrolamentos principais com várias espiras.
6. 6. Modulador de potência de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual o conjunto de módulos de geração de impulsos é igual ao número de núcleos magnéticos.
7. 7. Modulador de potência de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual o número de módulos de geração de impulsos é diferente do número de núcleos.
8. 8. Modulador de potência de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual cada módulo de geração de impulsos pode ser ligado ou desligado, à mão ou por meios automáticos, em momentos diferentes. 2
9. 9. Modulador de potência de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual os ditos meios de comutação são um comutador estático de transístor bipolar de porta isolada (IGBT). Lisboa, 31 de Outubro de 2011. 3