Patent BR-112013033828-A2 (BR)
Title: acondicionameto de alimentação de força utilizando módulos eletrônicos modulares
Inventor: EDWARD A NOVACK
IPC: H02M7/00
Filed: 2012-06-29
Abstract: relatório descritivo da patente de invenção para "acondicionameto de alimentação de força utilizando módulos eletrônicos modulares". referência cruzada a aplicações relacionadas este pedido reivindica o benefício de prioridade sobre o pedido de patente provisória dos eua nº 61/ 502,593 arquivada em 29 de junho de 2011 e intitulado "packaging of power supply using modular electronic modules", conteúdo do qual está aqui incorporado por referência na sua totalidade. antecedentes a presente invenção se refere à construção e de acondicionamento de uma alimentação de força. mais especificamente, a presente descrição se refere à construção e acondicionamento de uma alimentação de força de três fases utilizando módulos eletrônicos modulares. alimentações de força configuradas para controlar um fluxo de energia entre um primeiro sistema de corrente alternada (ca) e um segundo sistema de ca são usadas em uma variedade de aplicações comerciais e industriais. por exemplo, uma alimentação de força é normalmente usada em sistemas de operação e controle de motor de ca. várias alimentações de força convertem energia a partir de uma primeira frequência e tensão para uma segunda frequência e tensão. uma forma de executar tal alimentação de força é um acionamento que inclui uma ou mais células de força, cada célula de força incluindo múltiplos conversores de estado sólido com um enlace de corrente contínua intermediário (cc). um sistema exemplificativo que incorpora tais células de força é discutido na patente dos eua no. 5.625.545 para hammond (a patente '545), cuja divulgação é aqui incorporada por referência na sua totalidade. normalmente, uma alimentação de força tal como aquela discutida na patente '545 acondicionada em um invólucro único para facilitar o transporte e montagem. a fig. 1 ilustra uma alimentação de força 100 acondicionada em um invólucro com múltiplos gabinetes 102. o invólucro 102 dispõe os vários componentes da alimentação de força 100 de uma maneira linear. em uma extremidade do invólucro 102, um conector de entrada 104 é provido para operacionalmente conectar a alimentação de força 100 para uma entrada de múltiplas fases. neste exemplo, o conector de entrada 104 é configurado para uma entrada de potência de três fases. o conector de entrada 104 encontra-se operacionalmente conectado a um transformador 106 contido dentro de um gabinete de transformador no invólucro 102. o transformador 106 geralmente inclui um único enrolamento primário e múltiplos enrolamentos secundários. como discutido na patente '545, um exemplo de tal transformador inclui um único enrolamento primário e nove enrolamentos secundários. uma pluralidade de células de força 108 estão incluídas dentro de um gabinete de células de força no invólucro 102. cada uma das células de força 108 está conectada a um único enrolamento secundário do transformador 106. cada uma das células de força 108 inclui um chassis, um dissipador de calor, uma pluralidade de capacitores, uma pluralidade de barras de barramento, vários transistores bipolares de porta isolada (igbts) e uma pluralidade de diodos dispostos e configurados de tal modo que a célula de força produz uma saída de fase única em resposta a uma entrada de múltiplas fases. cada célula de força pode incluir um conjunto de ponte h, tais como aqueles mostrados nas figuras 1b e 1c. como mostrado na fig. 1b, um desenho de meia ponte 120 pode incluir, por exemplo, um par de comutadores de estado sólido 122, 123 conectados um ao outro em série, mas em paralelo com um capacitor 121. em alternativa, tal como mostrado na fig. 1b, um desenho de ponte-h de harmonia perfeita 130 pode incluir dois pares de comutadores de estado sólido 124a, 124b e 125a, 125b podem ser conectados em paralelo com um capacitor 121. as várias células de força 108 podem ser dispostas em colunas ou linhas, cada linha ou coluna relacionada a uma única posição ou fase das células de força. por exemplo, quatro células de força 108 são dispostas na linha 110a, quatro células de força são dispostas na linha 110b, e quatro células de força são dispostas na linha 110c. cada uma das quatro células de força 108, em qualquer linha dada, está operacionalmente conectada e configurada para contribuir para uma única saída. por exemplo, cada uma das células de força 108 pode ser configurada para produzir 750 volts. assim, a linha de células de força 110a produz um máximo de 3.000 volts linha-para-neutro em uma primeira fase, a linha de células de força 110b produz um máximo de 3.000 volts linha-para-neutro em uma segunda fase e a linha de células de força 110c produz um máximo de 3000 volts linha-para-neutro em uma terceira fase. tal como aqui utilizado, 3000 volts linha-para-neutro pode corresponder a 5196 volts, linha-para-linha. a saída de potência de três fases pelas linhas de células de força 110a, 110b e 110c é passada para um conector de saída de três fases (não mostrado na fig. 1), onde uma carga tal como um motor pode ser operacionalmente ligado à alimentação de força 100. a alimentação de força 100 também inclui vários circuitos de controle 112. o circuito de controle 112 está configurado para monitorar a entrada no enrolamento primário do transformador 106, monitorar a saída dos enrolamentos secundários, monitorar a operação de cada uma das células de força 108 e realizar outras várias funções relacionadas com a operação da alimentação de força, tais como controle da ventilação através do invólucro 102. o circuito de controle 112 é normalmente operacionalmente conectado a um painel de controle externo ou um dispositivo de computação remota. um usuário pode controlar a operação da alimentação de força no painel de controle ou dispositivo de computação remota e alterar vários aspectos da operação da alimentação de força. a fig. 1d ilustra uma disposição que utiliza um conjunto de meia-ponte m2c (tal como o conjunto 120, como mostrado na fig. 1b) no qual dois ou mais sistemas conversores multinível modulares 141, 142 estão ligados em paralelo a uma fonte de energia cc (identificada pelas entradas p-n) para formar um inversor que distribui energia para duas ou mais cargas 143, 144. cada sistema inclui três pernas do inversor 145, 146, 147 formados por um conjunto de submódulos de inversor conectados em série 148a,... 148n. embora a fig. 11 mostre oito submódulos em cada perna, qualquer número de submódulos é possível. a fig. 1d também inclui uma visão ampliada de um submódulo exemplificativo 150. o submódulo inclui dois semicondutores de energia t1, t2 que estão conectados em série e que podem ser ligados e desligados. os semicondutores t1, t2, também referidos como comutadores de estado sólido, podem ser transistores bipolares de porta isolada (igbts), tiristores de desligamento por porta (gtos), tiristores comutados por porta integrada (igcts) ou similares. cada semicondutor de energia tem um diodo correspondente d1, d2 conectado em paralelo com ele. um dispositivo de armazenamento de energia, tal como um capacitor, está conectado em paralelo com os semicondutores e os diodos. detalhes adicionais sobre tal submódulo estão divulgados na patente dos eua no. 7.269.037 para marquardt e patente dos eua no. 7.960.871 para dommaschk et al., as divulgações relevantes das quais estão aqui incorporadas por referência. cada perna de inversor tem uma saída monofásica de ca 151, 152, 153, que fornece uma fase da energia trifásica para a carga 143. a saída de ca está posicionada em um ponto médio de tal modo que um número igual de submódulos está em cada lado da conexão elétrica da saída de ca para a perna. a fig. 1e ilustra um diagrama de circuito de uma ponte de fase única 160 de um inversor de cinco níveis que combina dois npc (ponto neutro fixo) pernas de fase de três níveis 161 com um barramento de cc comum (com um trilho positivo 162, um trilho negativo 163 e um ponto médio 164) para prover uma ponte h npc. as pernas de fase de três níveis do npc incluem comutadores elétricos 165 que são mostrados como igbts (transistores bipolares de porta isolada). outros comutadores úteis incluem gtos (tiristores de desligamento por porta) e igcts (tiristores comutados por porta integrada). os comutadores estão emparelhados com diodos independentes antiparalelos 166 para acomodar as correntes de carga do motor indutivas. um controlador 167 é utilizado para controlar cada um dos comutadores. um controlador pode compreender, por exemplo, um computador, um microcomputador, um microprocessador ou, em uma modalidade preferida, um processador de sinal digital. um ponto médio do banco 169 do capacitor 168 (no ponto médio de cc 164) e os diodos de fixação conectados entre o ponto médio do banco do capacitor e os comutadores s1/s2 e s3/s4, respectivamente, impede que a tensão máxima de trabalho de cc ao longo de qualquer comutador exceda a metade da tensão do barramento de cc (vcc/2), desde que a tensão no ponto médio do capacitor do filtro de cc seja mantida em vcc/2. reguladores são incorporados no modulador para manter a tensão no ponto médio em vcc/2 para se proteger contra a descarga desigual de longo prazo das duas metades do. a rede do resistor 170 em todo o banco do capacitor do barramento de cc serve como um resistor de sangria de segurança fixo e uma rede de equilíbrio para a carga inicial do capacitor. um exemplo de tal ponte é ainda instruído na patente dos eua n° 6.058.031 publicada em 02 de maio de 2000 para lyons et al. e intitulada "five level high power motor drive converter and control system", cujo conteúdo está aqui incorporado por referência na sua totalidade. alimentações de força, tal como a alimentação de força 100, são comumente utilizadas como acionamentos de motores em áreas remotas ou áreas em que o espaço é limitado. o desenho de gabinetes múltiplos do invólucro 102 provê transporte mais fácil uma vez que cada gabinete é transportado separadamente e operacionalmente conectado e configurado no local. no entanto, essa disposição requer um e