PT1913454E - Um dispositivo de regulação da voltagem - Google Patents

Description

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DESCRIÇÃO "UM DISPOSITIVO DE REGULAÇÃO DA VOLTAGEM" A presente invenção refere-se ao controlo da voltagem da alimentação eléctrica a uma propriedade com o objectivo de poupar energia e de melhorar o desempenho, e prolongar o tempo de vida, dos aparelhos eléctricos ligados à alimentação, e diz ainda respeito a um dispositivo de regulação de voltagem para um tal objectivo.

Em muitos locais do mundo, as companhias de distribuição eléctrica distribuem energia aos utilizadores finais na extremidade superior de uma amplitude de voltagens permitidas. Por exemplo, uma voltagem média de alimentação no Reino Unidos e em outras partes do mundo pode ser em torno dos 240 volt, sendo a amplitude de voltagens permitidas na Europa compreendida entre 216 e 252 V. A redução da voltagem de alimentação para, por exemplo, 230 V não teria um impacto negativo no consumidor e, na verdade, há muitos benefícios a ser ganhos através da manutenção da alimentação de 230 V. Tais benefícios incluem uma redução do custo da energia consumida e o aumento da esperança de vida dos aparelhos eléctricos, e uma redução nas emissões de C02 excessivas resultantes da alimentação de electricidade a um nível de voltagem indevidamente elevado. Foi mostrado que uma redução de 5% na voltagem irá dar origem a uma redução média de 8% no consumo de energia. A maioria dos electrodomésticos fabricados para serem usados na Europa está concebida para funcionar a uma voltagem nominal de 230 V. O funcionamento desses electrodomésticos a uma voltagem mais elevada irá reduzir a sua esperança de vida operacional. Com a voltagem 2 tipicamente fornecida a um nível igual ou superior a 240V, haverá não somente um desperdício de energia eléctrica mas também uma considerável diminuição da esperança de vida, por exemplo, das lâmpadas e dos artigos de consumo dispendiosos como sejam os aparelhos de televisão. A poupança de energia e a redução das emissões de carbono são grandes prioridades da maioria dos governos. 0 aumento da procura das redes eléctricas significa que os governos estão à procura de novas fontes de geração de energia ao mesmo tempo que têm de ir ao encontro das reduções de C02 acordadas em conformidade com o Protocolo de Quioto. Deste modo, a adopção de um dispositivo de redução da voltagem em particular, mas não em exclusivo, para instalações domésticas e comerciais, iria resultar num sistema de gestão da energia distribuída que iria reduzir as necessidades energéticas nas redes eléctricas e iria ajudar a reduzir as emissões resultantes das estações de energia. É, deste modo, um objecto da presente invenção proporcionar um dispositivo de regulação da voltagem que possa ser facilmente instalado numa propriedade e que seja suficientemente compacto e de fabrico pouco dispendioso para encorajar os consumidores a obter e a usar um tal dispositivo. São conhecidos os dispositivos de regulação voltagem. 0 documento EP-A-1294087 revela um dispositivo de regulação da voltagem que compreende um transformador adaptado para ser ligado a meios alimentação eléctrica, meios de comutação cíclica ligados ao transformador de modo a controlar a sua voltagem de saída e meios de resposta a um aumento na temperatura de funcionamento do transformador e ligados aos meios de comutação cíclica de modo a controlar a referida temperatura de funcionamento. 3 São também conhecidas disposições similares que consistem num auto-transformador ligado a um alimentador de electricidade e incluindo um ângulo de fase ou meios de comutação de largura de impulso (PWM) que podem ser usados para fazer a comutação ligando e desligando o auto-transformador do circuito conforme seja necessário para deste modo determinar e controlar a voltagem de saída fornecida aos electrodomésticos. 0 controlo PWN é usado para fazer variar a duração de tempo em que o auto-transformador é ligado e desligado do circuito, para deste modo controlar a voltagem de saída. 0 dispositivo de regulação da voltagem é usado para comutar cargas de indução. Habitualmente têm de ser usados circuitos de retentor com perdas para fazer a comutação de cargas de indução, mas pode ser usada uma técnica de comutação suave para melhorar a eficácia do dispositivo de regulação da voltagem. Um tal dispositivo encontra-se descrito num documento de Prasad N. Enjeti designado "An approach to realize higher power PWM ac controller" publicado na conferência de procedimentos de IEEE da APEC decorrida em 1993, e na patente US 5747972. Estas publicações descrevem o uso de um auto-transformador numa formação de "abaixador" ligado a uma fonte de alimentação eléctrica e controlado por um controlador PWM para determinar uma voltagem configurada que, para a Europa, pode ser de 230V. 0 auto-transformador é usado para regular a voltagem doméstica através da redução da voltagem até um ponto determinado se for demasiado elevada ou para a aumentar até ao ponto determinado se for demasiado baixa. 0 dispositivo descrito no documento US574972 é implementado através da sua ligação à fonte de alimentação de energia eléctrica de uma propriedade de modo a que o dispositivo regule a totalidade de alimentação de energia dessa propriedade incluindo as cargas predominantemente resistivas como sejam os fogões eléctricos e os chuveiros eléctricos, assim como as cargas 4 muito indutivas como sejam as das caldeiras, frigoríficos, etc.

Numa residência típica do Reino Unido, o quadro de disjuntores é muitas vezes protegido com um comutador de fusível de 100 amperes e, deste modo, qualquer dispositivo de regulação da voltagem adaptado para ser ligado a todos os circuitos deverá ser configurado para uma corrente máxima de 100 amperes. Isto requer um auto-transformador que tenha uma classificação de algo em torno de 24kVA, o que é fisicamente muito grande, pesado e dispendioso. Pode, por exemplo, pesar mais de 35 kg e em muitos casos o seu custo seria superior ao seu valor no controlo de níveis de voltagem em instalações domésticas. Deste modo, para que um controlador de voltagem seja eficaz e economicamente viável o seu tamanho, peso e custo têm de ser significativamente reduzidos.

Os testes confirmaram que algumas cargas beneficiariam grandemente da regulação da voltagem, por exemplo circuitos de iluminação, frigoríficos/congeladores e electrodomésticos contendo motores ou transformadores, enquanto que as cargas de aquecimento resistivas como sejam os chuveiros eléctricos, os aquecedores de imersão e os fogões eléctricos não beneficiam de controlo da voltagem. As cargas que beneficiam do controlo da voltagem tendem a constituir a maioria da carga de base de uma propriedade e contribuem para a maioria da energia eléctrica consumida (kWh). O controlo de voltagem dos circuitos contendo estas cargas irá conseguir as melhores poupanças ao mesmo tempo que minimiza o tamanho do auto-transformador. As cargas que não beneficiam ao controlo de voltagem constituem a maioria dos picos de carga de curta duração que resultam na ligação da propriedade à rede a ser classificada a uma corrente muito mais elevada do que a que seria requerida em relação 5 à carga de base. Circuitos específicos contendo cargas como os fogões eléctricos, os chuveiros eléctricos e os aquecedores de imersão não seriam, como tal, controlados. A redução no tamanho do auto-transformador foi conseguida de acordo com a presente invenção através do fornecimento das características da porção caracterizante da reivindicação 1.

Os meios de resposta de temperatura podem ser um termistor continuamente adaptado para medir a temperatura do auto-transformador ou um cálculo do modelo térmico para calcular a temperatura do núcleo de auto-transformador e, no caso de um aumento da referida temperatura, provoca a comutação lógica para aumentar a voltagem de saída do auto-transformador . 0 dispositivo pode incluir um comutador de derivação que funciona de um modo automático para passar ao lado do auto-transformador se a sua voltagem de saída for substancialmente igual à da alimentação eléctrica. 0 dispositivo pode estar albergado no interior de um quadro eléctrico em que são proporcionados pelo menos dois terminais de saída sendo que pelo menos um deles se destina a fornecer energia eléctrica a um ou mais circuitos que irão beneficiar da regulação de voltagem e pelo menos um outro se destina a fornecer energia eléctrica a um ou mais circuitos que não irão beneficiar de regulação de voltagem, sendo o dispositivo ligado entre a fonte de alimentação eléctrica principal e um ou cada um dos circuitos que beneficiam da regulação de voltagem. 6

Uma forma de realização da invenção será agora descrita a título meramente exemplificativo, sendo feita referência aos desenhos anexos nos quais: A Fig. 1 é uma ilustração da forma como o dispositivo de regulação da voltagem de acordo com a invenção pode ser incorporado numa unidade de disjuntores doméstica; e A Fig. 2 é um diagrama em blocos do circuito do dispositivo de regulação da voltagem incorporado no mesmo.

Para a finalidade da presente descrição irá partir-se do principio que o dispositivo de regulação da voltagem se encontra adaptado para ser ligado a uma fonte de alimentação eléctrica variável que funciona dentro de um intervalo de 230V mais ou menos 10%, que é a amplitude de funcionamento exigida de acordo com a legislação Europeia em termos de energia eléctrica, indo assumir-se que será mantida pelo dispositivo uma voltagem de saída constante de 230V.

Fazendo agora referência à Fig. 1, uma unidade de disjuntores domésticos está representada em 10 e é alimentada com electricidade proveniente de um contador 11 tendo terminais de saída activa e neutro 12 e 13, respectivamente. Dentro da unidade de disjuntores 10 a corrente activa é dividida para alimentar dois terminais de corrente de saída 14 e 15 e um terminal de saída neutra 16. As BCMs ou outros dispositivos de segurança 17 encontram-se incluídos no que é fornecido às alimentações de cada um dos terminais 14 e 15. Os terminais 14 e 16 estão ligados por um comutador de isolamento de tomadas 18 directamente aos terminais 12 e 13, através dos MCBs associados 17 no caso do terminal 14. 7

De acordo com a invenção, o terminal de saída 15 é ligado ao terminal activo 12 através de um fusível 19 e, nesta forma de realização, um dispositivo de controlo da voltagem 20 é ligado a uma unidade de medição da voltagem 21 para proporcionar uma resposta ao controlo do dispositivo 20. A unidade de medição da voltagem 21 poderia ser também ligada entre o fusível 19 e o dispositivo de controlo da voltagem 20, de modo a proporcionar o controlo de alimentação do dispositivo 20. Fazendo agora referência à Fig. 2, o dispositivo de controlo da voltagem 20 compreende um auto-transformador comutado 22 , um micro-controlador 23, um dispositivo de medição da temperatura 24, o dispositivo de medição de voltagem 21 e um comutador de derivação 26. O micro-controlador 23 inclui o sistema lógico de comutação 25 e uma unidade de controlo de modulação da largura do impulso (PWM)/ângulo de fase 27. O sistema lógico de comutação está concebido de modo a produzir um sinal representativo de um ponto de voltagem configurado adequado para a aplicação do dispositivo, em que o referido sinal é introduzido na unidade PWM 27 para controlar a comutação cíclica do auto-transformador 22.

Conforme foi descrito, o dispositivo de regulação da voltagem está adaptado para fornecer uma voltagem constante previamente determinada (ponto configurado) para os circuitos que irão beneficiar da regulação de voltagem ligada no circuito ao terminal 15 da unidade de disjuntores. Os circuitos que não irão beneficiar da regulação de voltagem estão ligados de um modo directo à alimentação no terminal 14. 8 A corrente puxada pelo circuito regulado estará habitualmente dentro da área dos 3 amperes ou menos, mas irá variar de acordo com o número de electrodomésticos a serem usados em qualquer momento. É geralmente aceite que durante aproximadamente 30% de qualquer período de tempo de vinte e quatro horas, a procura seja habitualmente de 0,5 amperes exigida por dispositivos como sejam os aparelhos de televisão e outros componentes electrónicos em que existe um modo de "standby". Nos restantes 65% do tempo, a carga está geralmente compreendida entre 1 e 4 amperes mas por curtos períodos de uma hora, ou aproximadamente, podendo aumentar esta procura por exemplo até cerca de 20 amperes, quando as máquinas de lavar a roupa ou as marcas de secar a roupa estão a ser usadas. É também sabido que podem haver períodos transitórios de duração muito curta em que a procura pode ser de até 40 amperes, sendo esses períodos de talvez quinze minutos por qualquer período de vinte e quatro horas.

Deste modo, o auto-transformador 22 pode ser configurado para uma carga de base de, por exemplo, 20 amperes ao invés de para uma classificação total máxima do circuito de alimentação que poderia, por exemplo, ser de 100 amperes, isto é, menos de um quarto do total e pode ser derivado de um transformador de isolamento de fase simples de 500 VA reconfigurado para produzir um auto-transformador de 5KVA capaz de fornecer continuamente 20 amperes. Um tal dispositivo é compacto e pesa somente cerca de 3,5 kg, sendo assim suficientemente pequeno e leve para ser albergado no interior de um conjunto de disjuntores comum. Um tal pequeno transformador é também de fabrico relativamente barato.

Conforme acima indicado, em certos momentos a procura do dispositivo de regulação da voltagem pode exceder 20 9 amperes e, em tais circunstâncias, o auto-transformador irá começar a aquecer. Com este objectivo é proporcionado um componente de medição da temperatura como seja um termistor que está ligado a um circuito de alimentação com o auto-transformador através de um circuito lógico de comutação 25 do micro-controlador 23. Deste modo, a comutação cíclica do auto-transformador, quando a sua temperatura aumenta, irá ser ajustada para aumentar a voltagem de saída, reduzindo deste modo a tensão no auto-transformador e permitindo o seu arrefecimento. 0 ponto de configuração da voltagem será aumentado de um modo gradual de modo a não produzir uma mudança perceptível no desempenho dos electrodomésticos em funcionamento no momento em que a voltagem é aumentada. De um modo alternativo, um modelo térmico pode ser usado para calcular a temperatura do núcleo do auto-transformador. A temperatura estimada pode se usada do mesmo modo que foi anteriormente descrito para ajustar a comutação cíclica do auto-transformador. Isto proporciona um mecanismo para reduzir a tensão sobre o auto-transformador permitindo o seu arrefecimento.

Em momentos de carga elevada, a temperatura do auto-transformador pode aumentar a um nível tal que o seu ponto de configuração da voltagem é aumentado pela lógica de comutação para um nível em que é substancialmente igual à voltagem de entrada. Neste pondo a lógica de comutação irá funcionar automaticamente o comutador de derivação 26 para deste modo colocar o auto-transformador fora do circuito até ter arrefecido adequadamente de acordo com o detectado pelo termistor 24, ou modelo térmico.

Será notado que ao fazer os cálculos de carga estimada, e ao controlar deste modo o auto-transformador nas raras ocasiões em que é aplicada uma carga excessiva, é possível proporcionar um transformador muito mais pequeno e menos 10 dispendioso do que o que seria necessário para suportar tais cargas elevadas sem controlo de temperatura. Isto permite adoptar um transformador leve e barato que pode ser facilmente albergado no interior de um dispositivo de disjuntores de um tipo usado em casas particulares. O controlo sobre a voltagem que é fornecido pelo conjunto de disjuntores aos circuitos que irão beneficiar da regulação da voltagem tem como resultado uma economia considerável de custos em termos do consumo de energia e tal economia ultrapassa largamente o custo adicional de um conjunto de disjuntores equipado com um tal dispositivo. Por outro lado, o consumo de energia a uma voltagem geral reduzida serve para assegurar uma procura geral reduzida na rede de alimentação e menores emissões de CO2 das estações energéticas. Não se pretende limitar a invenção aos pormenores descritos. Por exemplo, um dispositivo compacto de regulação do tipo descrito pode estar localizado no exterior do conjunto de disjuntores mas no seu alinhamento e estar, deste modo, talvez disponível como dispositivo a ser ligado a um conjunto de disjuntores existente com uns pequenos ajustes nos seus circuitos para deste modo dividir o circuito de alimentação em duas partes, uma para os circuitos que não vão beneficiar da regulação de voltagem e a outra para os circuitos que irão beneficiar da regulação da voltagem, em que uma voltagem reduzida e constante irá poupar energia e prolongar a duração dos electrodomésticos.

De um modo adicional, o dispositivo pode ser elaborado e posto em funcionamento a distintos níveis de voltagem como os que são habituais em outros países.

Para além de proporcionar uma economia de energia, o dispositivo de controlo da voltagem proporciona um nível de 11 correcção do factor de energia para os circuitos que regula. A densidade de fluxo nos circuitos de ferro é proporcional à voltagem e quanto maior for a densidade de fluxo maior serão as perdas de ferro no circuito. Deste modo, através da redução da voltagem haverá uma redução na densidade de fluxo e uma correspondente redução nas perdas de ferro. Isto irá resultar num factor de energia melhorado para o circuito. Esta melhoria no factor de energia irá beneficiar as companhias de distribuição, de transmissão e de geração de energia.

Lisboa, 19 de Outubro de 2010

Claims (18)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Um dispositivo (20) de regulação da voltagem que compreende um transformador (22) adaptado para ser ligado a uma alimentação eléctrica (11, 12, 13), meios de comutação cíclica (23) ligados ao transformador para controlar a sua voltagem de saída, e meios (24) de resposta a um aumento na temperatura de funcionamento do transformador e ligados aos meios de comutação cíclica de modo a controlar a referida temperatura de funcionamento, caracterizado por o transformador ser um auto-transformador (22) e por os referidos meios de comutação cíclica aumentarem a referida voltagem de saída do auto-transformador como resposta a um aumento na referida temperatura de funcionamento, para assim controlar a referida temperatura de funcionamento.

2. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com a reivindicação 1, em que os meios de comutação cíclica funcionam com modulação de largura de impulso (27) ou com controlo de ângulo de fase.

3. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com a reivindicação 1 ou com a reivindicação 2, em que o auto-transformador é calibrado para uma carga de base de um circuito fornecido ao invés de os circuitos de corrente máxima calibrarem o circuito fornecido.

4. Um dispositivo de redução da voltagem de acordo com a reivindicação 3, em que o auto-transformador é calibrado de modo a que a carga de base não seja superior a um quarto da calibragem máxima de corrente do circuito fornecido.

5. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o auto- 2 transformador é calibrado de modo a fornecer uma corrente constante não superior a 50 amperes.

6. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o auto-transformador é calibrado de modo a fornecer uma corrente constante não superior a 20 amperes.

7. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que os meios de comutação cíclica compreende um micro-controlador (23) incluindo um dispositivo (27) de modulação de largura de impulso ou de controlo de ângulo de fase para fazer a comutação das cargas eléctricas sem que haja necessidade de circuitos de protecção.

8. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o ciclo de comutação pode ser ajustado de modo a determinar um ponto de referência para a referida voltagem de saída.

9. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que os meios de resposta da temperatura (24) são um termistor, ou um modelo térmico, continuamente adaptados para estimar ou medir ou estimar a temperatura de funcionamento do auto-transformador e, no caso de um aumento na referida temperatura fazer com que a lógica de comutação aumente o ponto de referência do auto-transformador.

10. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com a reivindicação 8, em que os meios de comutação cíclica se encontram configurados de modo a aumentar o ponto de referência de um modo gradual ao longo de um período 3 previamente determinado para fazer subir a voltagem de saida.

11. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com gualguer uma das reivindicações precedentes que inclui um comutador de derivação (26) que funciona de um modo automático para fazer a derivação em relação ao auto-transformador se a sua voltagem de saida for substancialmente igual à da alimentação eléctrica.

12. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, em que o ciclo de funcionamento dos meios de comutação cíclica é é modulado por uma medição (21) da voltagem de saída do auto-transformador .

13. Um dispositivo de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 11, em que o ciclo de funcionamento dos meios de comutação cíclica se encontra modulado por uma modulação da voltagem de entrada do transformador.

14. Um conjunto de disjuntores (10) compreendendo um dispositivo (20) de regulação da voltagem de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, e em que a unidade de consumidor se encontra adaptada para ser ligada a uma alimentação eléctrica principal (11, 12, 13) para uma propriedade e em que pelo menos dois conjuntos de terminais (14, 15) de saída se encontram presentes, em que pelo menos um (14) de entre eles se destina a fornecer energia eléctrica a um ou mais dos circuitos cujas cargas não irão beneficiar da regulação da voltagem e pelo menos um outro circuito (15) cujas cargas irão beneficiar da regulação da voltagem, sendo o dispositivo de regulação da voltagem ligado entre a alimentação eléctrica principal e os 4 circuitos cujas cargas irao beneficiar da referida regulação da voltagem.

15. Um conjunto de disjuntores de acordo com a reivindicação 14 contida no interior de um compartimento simples do conjunto de disjuntores e incluindo no seu interior pelo menos um circuito de fusível (17) em miniatura para os circuitos não regulados pelo dispositivo de regulação da voltagem e pelo menos um fuzível (17) em miniatura para os circuitos regulados pelo dispositivo de regulação da voltagem.

16. Um conjunto de disjuntores de acordo com a reivindicação 14 ou com a reivindicação 15, em que o dispositivo de regulação da voltagem se encontra calibrado para a carga de base ao invés de o estar para a calibragem de corrente máxima do circuito, ou de cada um dos circuitos, cujas cargas irão beneficiar da regulação da voltagem.

17. Um conjunto de disjuntores de acordo com qualquer uma das reivindicações de 14 a 16 em que a alimentação eléctrica principal é uma fase única. acordo com qualquer uma em que a alimentação

18. Um conjunto de disjuntores de das reivindicações de 14 a 16 eléctrica principal é trifásica. Lisboa, 19 de Outubro de 2010