BR112016030703B1

BR112016030703B1 - Sistema de conversão de energia elétrica

Info

Publication number: BR112016030703B1
Application number: BR112016030703-8A
Authority: BR
Inventors: David Russell Murray; Brett Watson
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2022-08-16
Also published as: MX2017000958A; NZ727817A; MX360607B; AU2014206162A1; US10091885B2; BR112016030703A2; AU2014206162B2; WO2016012899A1; ES2943358T3; EP3152826A1; CN106575924A; EP3152826B1; US20170202087A1; BR112016030703A8; CN106575924B

Abstract

SISTEMA DE CONVERSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. Um sistema de conversão de energia elétrica para converter uma alta voltagem (HV) a partir de um suprimento de alimentação elétrica de HV para uma baixa voltagem, em que o sistema de conversão de energia elétrica compreende: pelo menos um conversor de potência 103, e pelo menos uma rede de RC 105 compreendendo uma pluralidade de componentes resistivos e uma pluralidade de componentes capacitivos conectados eletricamente em série, em que a pelo menos uma rede de RC 105 está em conexão em série com o pelo menos um conversor de potência 103, e a pelo menos uma rede de RC 105 e pelo menos um conversor de potência 103 são arranjados para serem conectados por um potencial de linha do suprimento de alimentação elétrica de HV.

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção em geral se refere a um sistema de conversão de energia elétrica.

Fundamentos

[002] Em várias redes elétricas existem oportunidades crescentes para o uso de sistemas eletrônicos de carga para prover produtos aprimorados de proteção, automação e comunicação para o uso com estas redes elétricas. Portanto, se torna necessário prover um suprimento de alimentação adequado para o uso pelos sistemas eletrônicos de carga.

[003] Em localizações onde um suprimento de alimentação de baixa tensão (LV - Low Voltage) não está disponível, ou em aplicações onde os sistemas eletrônicos preferivelmente são flutuados em potencial de linha de alta tensão (HV - High Voltage), pode haver um custo proibitivo ou barreiras de espaço ao prover suprimento de alimentação extraindo a sua potência a partir da linha de HV em si. O problema de prover potência para sistemas eletrônicos de carga está se tornando mais grave conforme as aplicações para sistemas eletrônicos de carga se expandem.

[004] Como requisitos de potência para sistemas eletrônicos de carga estão diminuindo a cada ano com a introdução de novas tecnologias de semicondutor e comunicações, uma oportunidade é provida para o suprimento de alimentação limitada a partir da tensão de linha de suprimentos de alimentação de HV em baixo custo.

[005] Suprimentos de alimentação de tensão que usam redes elétricas de HV precisam superar vários problemas.

[006] Um tal problema é que redes elétricas de HV precisam resistir a altos estresses elétricos devido à alta tensão do sistema sendo aplicada. Portanto, estes necessitam de sistemas de isolamento apropriados com relação ao rastreamento de superfície, ruptura de material, descarga parcial e assim por diante. Existem testes de produção padrão que podem ser usados para monitorar estresse elétrico (electrical stress), tais como, por exemplo, testes de frequência industrial (PF - Power Frequency) e testes de descarga parcial.

[007] Adicionalmente, estas redes elétricas precisam resistir a altos impulsos de excesso de tensão que podem ocorrer em redes elétricas. Estes geralmente são causados por relâmpagos ou dispositivos de comutação conectados e podem ser de 100 kV ou mais nas redes elétricas. Existem testes de projeto padrão que podem ser usados para monitorar esta condição, tais como, por exemplo, testes de impulso atmosférico etc.

[008] Ainda, as consequências de falha de isolamento são comumente catastróficas e podem resultar em explosões por causa das altas tensões e altas energias envolvidas. Isso pode levar a um esforço de projeto significativo de maneira a limitar as consequências de falha. Ainda, isso pode resultar em excesso de projeto, que pode resultar adicionalmente em um custo de produção aumentado.

[009] Superar estes problemas, pode-se, portanto, levar a soluções grandes, pesadas e caras com altos custos de instalação para a utilidade.

[0010] É conhecida a derivação de potência a partir da conexão de linha em uma rede de HV para operar equipamento remoto, tal como um religador, por exemplo, onde a potência é obtida através de um transformador de tensão (VT) enrolado. Isso foi considerado necessário para o requisito de alta potência dos controladores (aproximadamente de 20 a 50W) que operam em potencial de terra.

[0011] No entanto, o projeto e a construção de um VT enrolado são complexos e custosos. Ainda, a redução dos requisitos de potência para o VT enrolado não reduz o custo na proporção. Por exemplo, um VT de 200mW não é um milhar do custo de um VT de 200W.

[0012] Um VT enrolado é uma solução bem estabelecida que vem em alto custo de instalação e compra. Além disso, para certos produtos, tais como o produto Fusesaver oferecido por Siemens, ou de fato outro equipamento rodando no potencial de linha, o requisito pode ser para múltiplos VTs ou um projeto de propósito especial com múltiplos enrolamentos secundários isolados de maneira a fornecer os eletrônicos que estão no potencial de linha em cada fase. Portanto, isto aumenta os custos ainda mais.

[0013] Apesar de o VT enrolado poder ser uma boa solução para aplicações que necessitam de vários watts de potência, não é considerado uma boa solução para o uso com aplicações que necessitam de menos do que um watt de potência. Estes podem incluir, por exemplo, aplicações tais como comutadores de banco de capacitor e religadores que operam no potencial de linha, bem como indicadores de falha e monitores de qualidade de linha etc.

[0014] Capacitores cerâmicos de alta tensão foram usados anteriormente para controladores de baixa potência. De acordo com este método, a linha de HV é alimentada através do capacitor para um transformador de potência (VT) aterrado com uma tensão primária que é muito menor do que a tensão de linha. Em teoria, o custo de transformador de tensão inferior é muito menor do que aquele de um transformador de alta tensão.

[0015] Capacitores de propósito especial também foram desenvolvidos para sistemas elétricos de alta tensão para este propósito. Apesar de eles serem mais baratos do que um VT enrolado, eles ainda necessitam que sistemas de isolamento sejam projetados. Adicionalmente, estes capacitores de propósito especial podem sofrer de problemas significativos. Por exemplo, estes capacitores de propósito especial podem não resistir a tensões de impulso atmosférico da magnitude necessária. Adicionalmente, no impulso eles podem oferecer baixa impedância para a frente de onda e assim aplicar um pico de tensão alta ou muito alta para o transformador, o que quer dizer que o projeto de transformador é complexo e/ou componentes de proteção adicionais devem ser incorporados.

[0016] Estes problemas fundamentais fazem o uso destes capacitores de propósito especial em conjunto com um transformador muito problemático e assim não são considerados uma solução viável para o problema.

[0017] Também pode ser possível usar um indutor em série com um transformador para limitar a corrente na linha de tensão. Isso tem a vantagem de limitar a tensão aplicada ao transformador durante o impulso, como a tensão de impulso é resistida através do indutor. No entanto, o projeto e a construção do indutor são quase tão complexos quanto o projeto para um VT, onde eles precisam resolver o problema de resistir à tensão de impulso completa em torno de um indutor enrolado.

[0018] Portanto, indutores em série não são considerados uma solução viável para o problema.

[0019] Outra solução possível pode ser usar um resistor em série com o transformador já que este é muito mais fácil de projetar a partir da perspectiva de resistir a uma alta tensão de impulso. No entanto, a dissipação de potência de resistor comumente será alta em tensões de linha normais. Por exemplo, para uma linha de 22kV com uma corrente de resistor de 1 mA, uma dissipação de 13W é necessária, o que pode resultar em um aquecimento significativo.

[0020] Quando se realiza um teste de PF, a dissipação de potência pode aumentar ainda mais. Por exemplo, a dissipação de potência de 13W pode se tornar 200W durante um teste de PF de 50kV, que pode ser impossível de gerenciar. Adicionalmente, se uma corrente primária mais alta é necessária (por exemplo, 2mA) então essas dissipações de potência podem dobrar novamente.

[0021] Portanto, um resistor em série em conjunto com um transformador não é considerado uma solução viável para o problema.

Sumário

[0022] São descritos arranjos que buscam se endereçar aos problemas acima limitando a corrente retirada em frequências de potência, limitando a corrente retirada em condições de impulso e resistindo a tensões de impulso. Os arranjos descritos aqui proveem uma solução compacta de baixo custo que pode ser construída no equipamento com a consequência de pouco ou nenhum custo de instalação para a utilidade.

[0023] De acordo com um primeiro aspecto da presente descrição, é provido um sistema de conversão de energia elétrica para converter uma alta tensão (HV) a partir de um suprimento de alimentação elétrica de HV para uma baixa tensão, em que o sistema de conversão de energia elétrica compreende: pelo menos um conversor de potência, e pelo menos uma rede de RC compreendendo uma pluralidade de componentes resistivos e uma pluralidade de componentes capacitivos conectados eletricamente em série, em que a pelo menos uma rede de RC está em conexão em série com o pelo menos um conversor de potência, e a pelo menos uma rede de RC e pelo menos um conversor de potência são arranjados para serem conectados por um potencial de linha do suprimento de alimentação elétrica de alta tensão.

[0024] Outros aspectos da invenção também são descritos.

Breve Descrição dos Desenhos

[0025] A FIG. 1 é um diagrama esquemático de um sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a presente descrição; a FIG. 2A mostra uma vista lateral de componente de uma placa de circuito eletrônico de acordo com a presente descrição; a FIG. 2B mostra uma vista lateral de fundo de uma placa de circuito eletrônico de acordo com a presente descrição; a FIG. 2C mostra uma vista de montagem de superfície de um par de resistor e capacitor de acordo com a presente descrição; a FIG. 3A é uma pilha de placas de circuito eletrônico interconectadas eletricamente de acordo com a presente descrição; a FIG. 3B é uma vista de seção transversal de uma pilha de rede de RC em um alojamento de acordo com a presente descrição; a FIG. 4 é uma vista do dispositivo na Fig. 2B conectada a um dispositivo de proteção de fusível de acordo com a presente descrição; a FIG. 5 mostra uma pilha de placas de circuito eletrônico interconectadas eletricamente dentro de copos de isolamento de acordo com a presente descrição; a FIG. 6 mostra um diagrama esquemático de um conversor de potência de acordo com a presente descrição; a FIG. 7 mostra um diagrama esquemático de um sensor de tensão de acordo com a presente descrição.

Descrição Detalhada incluindo Melhor Modo

[0026] Onde referência é feita em qualquer um ou mais dos desenhos anexos para etapas e/ou características, que possuem os mesmos numerais de referência, aquelas etapas e/ou características possuem para os propósitos desta descrição as mesmas funções ou operações, a menos que a intenção contrária apareça.

[0027] Deve ser notado que as discussões contidas na seção "Fundamentos" e aquela acima com relação aos arranjos da técnica anterior se referem às discussões de documentos ou dispositivos que formam conhecimento público através do seu respectivo uso e/ou publicação. Isso não deve ser interpretado como uma representação pelo(s) presente(s) inventor(es) ou o pedido de patente que tais documentos ou dispositivos de qualquer modo formam parte do conhecimento geral comum na técnica.

[0028] Será entendido que o sistema de conversão de potência descrito aqui pode ser adequado para um número de diferentes tipos de aplicação e produtos, tais como qualquer situação que necessita de energia elétrica inferior em baixa tensão onde não existe um suprimento de alimentação de HV pré-existente. O sistema de conversão de potência pode ser usado com comutadores de banco de capacitor, indicadores de falha, disjuntores inteligentes, religadores etc. Também pode ser usado em sistemas de comutação de potência, tais como dispositivos de comutação de HV, que são particularmente adequados para recuperar potência a partir do sistema de conversão de potência como descrito aqui. Outros exemplos de sistemas adequados incluem monitoramento remoto ou controle ou equipamento de proteção que encaixam na situação acima.

[0029] A FIG. 1 é um diagrama esquemático de um sistema de conversão de energia elétrica 101 para converter uma alta tensão a partir de um suprimento de alimentação elétrica de alta tensão (HV) para uma baixa tensão.

[0030] Será entendido que o termo baixa tensão se refere a um suprimento de alimentação em tensão adequada para a aplicação assim a aplicação não precisa resolver problemas de conversão de potência e isolamento. Tipicamente a aplicação está operando sistemas eletrônicos em tensão mais do que baixa, comumente 3 a 30VDC. No entanto outras aplicações devem necessitar, por exemplo, de 230VAC que podem necessitar de um projeto de conversor de potência diferente. Outros elementos do sistema de conversão de potência não necessariamente podem mudar, incluindo a rede de RC como descrita aqui.

[0031] Será entendido que o termo HV se refere a tensões de CA entre 1 kV e 38kV. Como uma alternativa, HV pode se referir a tensões de CA entre 5kV e 38kV. Como uma alternativa adicional, HV pode se referir a tensões de CA entre 5kV e 35kV. Como uma alternativa adicional, HV pode se referir a tensões de CA entre 1 kV e 35kV. Como mais uma alternativa adicional, será entendido que o termo HV pode se referir a tensões de CA acima de 35kV. Como mais uma alternativa adicional, HV pode se referir a tensões de CA acima de 38kV.

[0032] O sistema de conversão de energia elétrica descrito aqui possui um conversor de potência 103 para converter a alta tensão a partir do sistema de HV para prover um suprimento de alimentação elétrica de baixa tensão, e pelo menos uma rede de RC 105 conectada em série com o conversor de potência para prover uma fonte de corrente.

[0033] A rede de RC 105 possui uma pluralidade de (isto é, dois ou mais) componentes resistivos e uma pluralidade de (isto é, dois ou mais) componentes capacitivos, onde os componentes resistivos e os componentes capacitivos são conectados eletricamente em série.

[0034] De acordo com o exemplo mostrado na Fig.1, existem três componentes resistivos (resistores) R1, R2 e R3 e três componentes capacitivos (capacitores) C1, C2 e C3, onde os resistores e capacitores são conectados em uma cadeia em série e são alternados. Ou seja, dois resistores não são conectados diretamente e dois capacitores não são conectados diretamente. Este arranjo distribui o campo elétrico ao longo do comprimento na cadeia e assim permite o sistema de isolamento a ser gerenciado de maneira muito mais fácil.

[0035] Será entendido que, como uma alternativa, dois ou mais capacitores podem ser conectados diretamente, e dois ou mais resistores podem ser conectados diretamente. Por exemplo, todos os resistores podem ser conectados juntos em série em uma extremidade da rede de RC e todos os capacitores podem ser conectados em série na outra extremidade da rede de RC.

[0036] Adicionalmente, de acordo com este exemplo, R1 é conectado entre uma conexão terra e C1, C1 é conectado entre R1 e R2, R2 é conectado entre C1 e C2, C2 é conectado entre R2 e R3, R3 é conectado entre C2 e C3, e C3 é conectado entre R3 e o conversor de potência 103. O conversor de potência 103 é conectado entre a conexão de linha da rede de HV e da rede de RC 105.

[0037] De acordo com este exemplo, um módulo de detecção de tensão 107 também é provido e é conectado entre a conexão de linha da rede de HV e o conversor de potência 103. O módulo de detecção de tensão 107 é discutido em maior detalhe abaixo com referência à FIG. 7.

[0038] Portanto, a rede de RC 105 é arranjada para a conexão entre o suprimento de alimentação elétrica de HV e o conversor de potência 103. Este arranjo pode limitar a corrente retirada do suprimento de alimentação elétrica de HV de maneira a gerar um suprimento de alimentação elétrica de baixa tensão para prover potência para sistemas de comutação de potência.

[0039] Os capacitores na rede de RC 105 limitam a corrente em frequência industrial (PF) e garantem que a dissipação de potência nos resistores seja baixa e os resistores não sejam tensionados além das suas classificações de potência e tensão. Os resistores limitam a corrente durante condições de impulso e resistem à tensão de impulso de forma que os capacitores e o conversor de potência não são tensionados além das suas classificações.

[0040] Os valores da rede de RC são arranjados para prover a corrente e a tensão necessárias para o conversor de potência. Neste exemplo, a corrente retirada a partir da linha de potência é limitada aproximadamente para 1,5 mA em tensão nominal. Apesar de ser possível retirar significativamente mais corrente do que isto, os custos de componente associados podem surgir.

[0041] O conversor de potência 103 possui um retificador 109 para retificar a corrente. Esta corrente retificada é usada para carregar um capacitor C1 para uma tensão de aproximadamente 300V, que é limitado por um diodo Zener Z1. Este arranjo provê 450mW de potência disponível (300V x 1,5 mA) e é usado para fornecer um módulo de conversor de potência de CC-CC de comutação 111, que converte os 300V para a fonte necessária para os eletrônicos de carga. Uma fonte de tensão típica para os eletrônicos de carga podem ser de cerca de 6V.

[0042] Alternativamente um conversor de potência de comutação CC- CA pode ser provido se existe um requisito para fazer isto. Ainda, como uma alternativa adicional, o retificador 109 pode ser omitido e um conversor de potência CA-CC ou CA-CA provido. Será entendido que qualquer outra fonte de tensão adequada pode ser provida pelo módulo de conversor de potência 111 dependendo dos requisitos dos eletrônicos de carga conectados ao conversor de potência 103.

[0043] Consideração da implementação física dos vários componentes do sistema de conversão de energia elétrica é importante a partir de um ponto de vista de custo e confiabilidade.

[0044] Por exemplo, o arranjo de múltiplos resistores e múltiplos capacitores para formar uma rede de RC em uma cadeia espalha o estresse elétrico e permite o projeto de um sistema de isolamento de estresse elétrico previsível e controlado.

[0045] De acordo com esta modalidade, os resistores e capacitores são componentes de tecnologia de montagem de superfície (SMT) que são montados em máquina em placas de circuito impressas pequenas (PCBs), referidos como wafers. O uso de componentes de SMT dessa maneira reduz o custo e permite que um número predeterminado de múltiplos wafers seja arranjado um com relação ao outro de maneira a controlar estresses elétricos.

[0046] Após os wafers serem fabricados para criar um arranjo de resistores e capacitores de SMT nos mesmos, os wafers são montados em uma pilha. Os wafers então são interconectados de um modo em ziguezague para formar uma cadeia de rede de RC. Ou seja, um lado esquerdo de um primeiro wafer é conectado com o lado direito de um segundo wafer, onde o primeiro e o segundo wafers estão em níveis diferentes na pilha. O arranjo de wafers empilhados auxilia com o controle de estresses elétricos e ainda com a manutenção de baixo custo de montagem. Outros arranjos de cadeia de RC no wafer são possíveis e outros arranjos para interconexão de wafers são possíveis.

[0047] De acordo com uma alternativa, os componentes capacitivos e resistivos de SMT podem ser montados em uma placa de circuito impressa flexível em um arranjo em ziguezague e as placas de circuito impressas podem ser enroladas para um tubo. Isto provê um fator de forma diferente que pode ser mais estável para algumas aplicações.

[0048] O número de wafers na pilha pode ser ajustado para acomodar diferentes tensões de linha da rede de HV. Por exemplo, um único wafer pode ser usado, ou alternativamente uma pilha de wafers incluindo dois ou mais wafers podem ser usados. Portanto, um componente de wafer padrão pode ser usado para acomodar os vários requisitos de tensão e potência de diferentes redes de HV.

[0049] A FIG. 2A mostra uma vista lateral de componente de uma placa de circuito eletrônico (wafer) 201. A Fig. 2B mostra uma vista lateral de fundo da placa de circuito eletrônico. A Fig. 2C mostra uma vista de montagem de superfície de um par de resistor e capacitor.

[0050] De acordo com esta modalidade, o wafer tem aproximadamente 40 mm de diâmetro. Será entendido que outros diâmetros adequados de wafer podem ser usados como uma alternativa.

[0051] Um primeiro furo 203 é formado em torno da periferia do wafer 201. O primeiro furo passa através de um primeiro lado do wafer até um segundo lado oposto do wafer. O primeiro lado do wafer possui uma superfície superior em que os componentes de SMT são montados.

[0052] Um segundo furo diametricamente oposto 205 também é formado em torno da periferia do wafer 201. Um primeiro bloco eletricamente condutor 207 é posicionado em um primeiro lado do wafer 201 em torno do segundo furo 205. O bloco eletricamente condutor 207 é para prover uma conexão elétrica adequada para um wafer adjacente em uma pilha de wafers, como explicado em maior detalhe com referência à FIG. 3 abaixo.

[0053] Um segundo bloco eletricamente condutor 209 é posicionado em um segundo lado do wafer 201 em torno do primeiro furo 203 para prover uma conexão elétrica com outros wafers na pilha.

[0054] De acordo com esta modalidade, cada um do primeiro e do segundo furos é 4,1 mm de diâmetro. Será entendido que outros furos de diâmetro adequado podem ser formados através do wafer como uma alternativa.

[0055] A rede de RC de resistores e capacitores montados em superfície é arranjada na superfície do wafer 201 como indicado pela linha 211 entre o bloco 209 e o bloco 207. De acordo com este exemplo, a cadeia de rede de RC em cada wafer é aproximadamente de 132 mm de comprimento e possui múltiplas seções retas individuais (213A, 213B, 213C e 213D) que são conectadas juntas e que atravessam lado a lado pela superfície superior do wafer para criar uma rede de RC com um comprimento adequado e com esforço dielétrico (voltage stress) controlado entre cada travessia. Ou seja, cada seção (213A, 213B, 213C e 213D) é composta de múltiplos pares de um resistor de SMT 215 e um capacitor de SMT 217 conectados através de um bloco elétrico 219 como mostrado na Fig. 2C. O resistor e o capacitor são separados entre si por uma distância de aproximadamente 1 mm.

[0056] Na extremidade da cadeia de rede de RC, um furo passante metalizado (PTH) conecta eletricamente a rede de RC com o segundo bloco eletricamente condutor 209 localizado no lado inverso do wafer.

[0057] Será entendido que diferentes configurações de redes de RC podem ser arranjadas na superfície do wafer. Por exemplo, a rede de RC pode atravessar lado a lado através da superfície superior do wafer para criar uma rede de RC com um comprimento que é maior do que dois, três, quatro ou cinco vezes o diâmetro da superfície superior. Isto vai depender do ângulo entre cada seção reta transversal individual da rede de RC.

[0058] O ângulo de cadeia escolhido 223 entre cada uma das seções retas da rede de RC define o estresse elétrico colocada no wafer. De acordo com este exemplo, o ângulo de cadeia foi selecionado para ser 20 graus. Será entendido que, como uma alternativa, o ângulo de cadeia pode estar entre 15 graus e 25 graus. Como uma alternativa adicional, o ângulo de cadeia pode estar entre 10 graus e 30 graus. Como alternativas adicionais, o ângulo de cadeia pode ser maior do que 20 graus, maior do que 25 graus, maior do que 30 graus, maior do que 35 graus, maior do que 40 graus ou maior do que 45 graus.

[0059] Portanto, o sistema de conversão de energia elétrica como descrito aqui possui componentes resistivos que são componentes resistivos montados em superfície e componentes capacitivos que são componentes capacitivos montados em superfície. Os componentes resistivos montados em superfície e os componentes capacitivos montados em superfície são montados em um único lado de uma ou mais placas de circuito eletrônico (wafers) formando a rede de RC. Alternativamente os componentes resistivos e capacitivos podem ser montados em ambos os lados do wafer.

[0060] A FIG. 3A mostra uma pilha 301 de placas de circuito eletrônico interconectadas eletricamente ou wafers (201A, 201 B, 201C, 201 D). Cada um dos wafers (201 A, 201 B, 201C, 201 D) é como descrito acima com referência à FIG. 2A, à Fig. 2B e à Fig. 2C. Um wafer adicional 303 é provido o qual possui o conversor de potência e um módulo de detecção de tensão (se necessário) localizado no mesmo.

[0061] Um único interconector de wafer (305A, 305B, 305C, 305D) é provido entre cada wafer para prover uma conexão elétrica entre os wafers. No wafer adicional 303 um interconector de wafer adicional 305E conecta o wafer adicional com a conexão de linha da rede de HV. Portanto, o PTH do wafer adicional conecta a conexão de linha da rede de HV para o módulo de detecção de tensão (se necessário) e o sistema de conversão de potência. A saída do sistema de conversão de potência (através do conversor de potência) para os eletrônicos de carga é provida por meio de uma conexão elétrica adicional 307. A saída do módulo de detecção de tensão para os eletrônicos de carga é provida por meio de uma segunda conexão elétrica adicional 309.

[0062] O wafer superior 201 D da pilha de wafers é conectado à conexão terra da rede de HV.

[0063] Portanto, o sistema de conversão de energia elétrica como descrito aqui possui componentes resistivos montados em superfície e componentes capacitivos montados em superfície que são montados em uma pluralidade de placas de circuito eletrônico formando uma pluralidade de redes de RC. Existe uma rede de RC em cada placa de circuito eletrônico. As placas de circuito eletrônico são empilhadas e interconectadas eletricamente formando uma rede de RC empilhada. Adicionalmente, o conversor de potência pode ser montado em uma placa de circuito eletrônico adicional, onde a placa de circuito eletrônico adicional forma parte da pluralidade de placas de circuito eletrônico que são empilhadas.

[0064] A pilha de wafers pode ser montada em um tubo isolado eletricamente que possui terminais elétricos em extremidades opostas. O tubo isolado eletricamente possui propriedades de isolamento adequadas para a aplicação elétrica desejada. Um tal exemplo de um tubo isolado eletricamente pode ser o tipo de tubo usado para alojar um controlador de tensão ao ar livre.

[0065] A FIG. 3B mostra uma vista de seção transversal de uma pilha de rede de RC 401 em um alojamento 403. A Fig. 3B mostra como a pilha pode ser montada dentro de um alojamento de "controlador de tensão". No fundo do alojamento são conexões 405 para tomar o suprimento de alimentação de baixa tensão e o sinal de medição de tensão para um produto de Siemens chamado de um Fusesaver.

[0066] Fusesaver é uma nova classe de disjuntor de fase única inteligente, compacto e de baixo custo que minimiza minutos perdidos do consumidor protegendo os fusíveis da linha lateral (linha de estímulo ou Toff) de soprar em falhas transientes. Com controle de microprocessador em placa e conectividade sem fios, Fusesaver possui proteção configurável, funções de operação de múltiplas fases, história de evento de bordo e pode ser integrado para um sistema de SCADA para o controle remoto.

[0067] O produto Fusesaver da Siemens que pode ser energizado a partir da corrente de linha obtida a partir de redes de HV. No entanto, pode ser vantajoso se Fusesaver foi energizado a partir da tensão de linha. Será entendido que, apesar de os princípios descritos aqui se referirem ao produto de Fusesaver, os princípios podem ser aplicáveis em geral a outros tipos de produtos e aplicações.

[0068] A pilha de wafer 401 com wafers interconectados através de interconectores 305 está localizada dentro de um tubo de alojamento isolado cilíndrico 407. Uma sobremoldagem de silicone 409 é fabricada e posicionada de forma que está localizada em torno da superfície externa do tubo de alojamento 407.

[0069] Uma primeira tampa de extremidade condutora 411 é posicionada em uma primeira extremidade do tubo de alojamento 407 e conecta o wafer superior 413 da pilha de wafer para a linha de terra da rede de HV. Ou seja, a primeira tampa de extremidade condutora 411 provê uma conexão elétrica entre uma extremidade da rede de RC localizada no wafer superior 413 e a linha de terra.

[0070] Uma segunda tampa de extremidade condutora 415 está posicionada em uma segunda extremidade do tubo de alojamento 407 e conecta o wafer inferior 417 da pilha de wafer com o corpo de Fusesaver. Ou seja, a segunda tampa de extremidade condutora 415 provê uma conexão elétrica entre o conversor de potência (com ou sem o módulo de detecção de tensão) localizado no wafer inferior 417 e o corpo de Fusesaver, onde o corpo de Fusesaver está em conexão direta com a conexão de linha da rede de HV (ver a Fig. 4).

[0071] A FIG. 4 mostra uma vista do dispositivo descrita acima com referência à FIG. 3B conectada com o corpo de um dispositivo de Fusesaver. A Fig. 4 mostra como o sistema de conversão de energia elétrica 409 construído como acima na forma de uma rede de RC empilhada em um tubo isolado pode ser montado para um produto de Fusesaver da Siemens 421, que é instalado em uma linha de estímulo elétrico 423 com um fusível 425. A extremidade superior do sistema de conversão de energia elétrica (isto é a rede de RC) é conectado à terra 427 da rede de HV. A extremidade inferior do sistema de conversão de energia elétrica (isto é o conversor de potência) é conectada ao corpo de Fusesaver 429 que está em potencial de linha como é conectado à fonte de linha principal 421 da rede de HV. A saída de suprimento de alimentação a partir do conversor de potência de CC-CC de modo comutado e o sinal de medição de tensão a partir do módulo de detecção de tensão não são visíveis já que eles são conectados internamente dentro do produto de Fusesaver.

[0072] Será entendido que muitas outras configurações adequadas são possíveis além daquelas mostradas na Fig. 4.

[0073] Será entendido que o sistema de conversão de potência pode incluir uma ou mais redes de RC e um ou mais conversores de potência, onde os conversores de potência e redes de RC são conectados em série por um potencial de linha do suprimento de alimentação de HV.

[0074] De acordo com um primeiro exemplo, um sistema de conversão de potência pode ter uma única rede de RC e um único conversor de potência conectado em série, onde a rede de RC é conectada à conexão terra de uma rede de HV de fase única e o conversor de potência é conectado à conexão de linha da rede de HV de fase única. Alternativamente, a rede de HV pode ser uma rede de polifase. Alternativamente, a rede de HV pode ser uma rede de polifase onde a rede de RC é conectada à conexão terra e o conversor de fase é conectado a uma das conexões de linha.

[0075] De acordo com um segundo exemplo, um sistema de conversão de potência pode ter uma única rede de RC e um único conversor de potência conectado em série, onde a rede de RC é conectada à conexão de linha de uma rede de HV de fase única e o conversor de potência é conectado à conexão terra da rede de HV de fase única. Alternativamente, a rede de HV pode ser uma rede de polifase onde a rede de RC é conectada a uma das conexões de linha e o conversor de fase é conectado à conexão terra.

[0076] De acordo com um terceiro exemplo, um sistema de conversão de potência pode ter uma única rede de RC e um único conversor de potência conectado em série, onde a rede de RC é conectada a uma primeira conexão de linha de uma rede de HV de polifase e o conversor de potência é conectado a uma segunda conexão de linha da rede de HV de polifase. Ou seja, a rede de RC e o conversor de fase são conectados entre duas fases diferentes da rede de HV.

[0077] De acordo com um quarto exemplo, um sistema de conversão de potência pode ter uma única rede de RC e um primeiro e um segundo conversor de potência conectados em série em ambos os lados da rede de RC, onde o primeiro conversor de potência é conectado a uma primeira conexão de linha de uma rede de HV de polifase e o segundo conversor de potência é conectado a uma segunda conexão de linha da rede de HV de polifase. Ou seja, a rede de RC e dois conversores de fase são conectados entre duas fases diferentes da rede de HV.

[0078] De acordo com um quinto exemplo, um sistema de conversão de potência pode ter uma única rede de RC e um primeiro e um segundo conversor de potência conectado em série em ambos os lados da rede de RC, onde o primeiro conversor de potência é conectado a uma conexão de linha de uma rede de HV de fase única e o segundo conversor de potência é conectado a uma conexão terra da rede de HV de polifase.

[0079] A FIG. 5 mostra uma pilha de placas de circuito eletrônico interconectadas eletricamente (wafers) dentro de copos de isolamento (501 A, 501 B, 501 C). Os copos de isolamento suportam os wafers (201 A, 201 B, 201 C) com as redes de cadeia de RC (211 A, 21 1 B, 211C) localizadas nas mesmas. Molas de conexão eletricamente condutoras (503A, 503B) conectam eletricamente os wafers e proveem alguma flexibilidade para facilitar um esforço dielétrico axial. Ou seja, os copos de isolamento possuem um canal (505A, 505B) formado nos mesmos para receber as molas (503A, 503B) onde o canal se estende entre uma superfície inferior de um primeiro wafer para a superfície superior de um segundo wafer. Os copos de isolamento podem ser conformados para controlar o esforço dielétrico axial e transversal associado à pilha de wafer.

[0080] Portanto, o sistema de conversão de energia elétrica como descrito aqui possui um ou mais receptáculos de placa de circuito isolados que são arranjados para suportar as uma ou mais placas de circuito eletrônico (wafers). Cada um dos receptáculos de placa de circuito isolados pode ser arranjado para suportar um de um número de placas de circuito eletrônico interconectadas eletricamente em uma configuração empilhada.

[0081] A FIG. 6 mostra um diagrama esquemático de um conversor de potência incluindo um conversor de potência CC-CC de comutação 111 (suprimento de alimentação de modo de comutação). Um circuito de controle 601 provê controle de comutação de alta frequência do transistor de comutação Q1, que alimenta potência para o enrolamento primário de um transformador de degrau decrescente dianteiro T1. A saída do enrolamento secundário de T1 é retificado pelo diodo D1 e alimenta um capacitor de reservatório C2. O diodo Zener Z2 limita a tensão de saída para 6V. A potência de saída gerada pelo suprimento de alimentação de modo de comutação (SMPS) é provida para o sistema eletrônico de carga.

[0082] Como pode ser observado SMPS é operado com uma alta tensão na ordem de 300V no lado primário e em conjunto com a solução de cadeia de RC como descrito aqui. SMPS converte de aproximadamente 300V para a tensão de saída necessária pelos eletrônicos de carga.

[0083] A FIG. 7 mostra um diagrama esquemático de um módulo de detecção de tensão 701. A corrente que passa através da rede de cadeia de RC é essencialmente proporcional com a tensão de fase aterrada da rede de HV. Esta pode ser convertida eletronicamente para um sinal de detecção adequado para os eletrônicos de Fusesaver pelo módulo de detecção de tensão de linha mostrado na Fig. 7. Portanto este provê um sistema para monitorar o estado da tensão de fase aterrada.

[0084] Neste circuito a corrente de cadeia de RC é convertida para tensão por um resistor R100 em série com um capacitor C100. Através da seleção dos valores corretos para R100 e C100, o deslocamento de fase introduzido pela rede de cadeia de RC é corrigido de forma que a saída de tensão do módulo de detecção de tensão está em fase com o sinal de tensão de linha da rede de HV.

[0085] Será entendido que existem muitas outras implementações possíveis para corrigir o deslocamento de fase causado pela rede de cadeia de RC incluindo, por exemplo, processamento de sinal para derivar o sinal corrigido.

[0086] Portanto, o sistema de conversão de energia elétrica possui um módulo de detecção de tensão que é adaptado para medir uma corrente passando através da rede de RC e converter aquela corrente para um valor de tensão de sensor para o uso pelos eletrônicos de detecção. Adicionalmente, o módulo de detecção de tensão é arranjado para corrigir o deslocamento de fase causado pela rede de RC.

[0087] De maneira a superar a imprecisão inerente do método descrito da medição de sensor de tensão provida pelo módulo de detecção de tensão devido ao conversor de potência subtraindo 300V a partir da tensão de linha que aciona a corrente na cadeia de RC, um módulo de correção de perda de tensão pode ser incorporado aos eletrônicos a jusante que é o processamento de sinal a partir do módulo de detecção de tensão para corrigir o valor de tensão de sensor com base em perdas de tensão causadas pelo sistema de conversão de potência.

[0088] Sem o módulo de correção de perda de tensão, se a tensão de linha de pico está abaixo de 300V nenhuma corrente vai passar no resistor de detecção de tensão de linha. Ainda, nas linhas de tensão acima de pico de 300V, os 300V podem ser subtraídos do valor instantâneo medido pelo módulo de detecção de tensão.

[0089] Para corrigir para a imprecisão nas tensões acima do limite de 300V devido ao sistema de conversão de potência, 300V pode ser adicionado de maneira digital pelo módulo de correção de perda de tensão para cada uma das amostras. Para amostragem de 1 ms de um sinal de 6,3kV este método reduz o erro de medição de 4,5% para 0,02%. Será entendido que outros métodos de correção de erro são pensados.

[0090] O controle do estresse elétrico é crítico para a confiabilidade de longo prazo de produtos isolantes. Os sistemas descritos aqui permitem que o estresse elétrico seja prevista e bem controlada bem como sendo relativamente independente das variações de fabricação.

[0091] Estresses elétricos nos componentes resistivos e capacitivos podem ser calculados sob as várias condições de PF a serem resistidas (tais como tensão de fase/terra, teste de PF) usando práticas de projeto comuns. Esses valores podem ser usados para determinar o número de componentes necessários para satisfazer a classificação de fabricantes de componente, aspectos de tolerância etc.

[0092] O estresse elétrico transversal entre os elementos da cadeia de rede de RC é controlado pelo desenho do componente (isto é a configuração da rede de RC) no PCI de wafer. O requisito de projeto é satisfazer o estresse elétrico de superfície apropriado para o ambiente de produto e o material de PCI. A determinação do estresse apropriado e resultados de configuração no ângulo de cadeia como mostrado na Fig. 2A.

[0093] O estresse axial de wafer é dependente da tensão desenvolvida em cada wafer e do espaçamento de wafer. A análise de elemento finito pode ser usada para calcular estresses e o estresse pode ser adicionalmente controlado pelo uso de um revestimento de conformação (para reduzir estresse de ponto triplo), e interpondo elementos de isolamento. Neste exemplo, copos de empilhamento podem ser usados para montar a pilha de wafer e para prover isolamento adicional como mostrado na Fig. 5.

[0094] Várias vantagens são providas para certas características como descrito aqui como na sequência:

[0095] Uso de uma rede de RC para prover um suprimento de alimentação a partir de uma linha de potência de uma rede de HV: isso provê uma vantagem que corrente está limitada em ambas as condições de PF e impulso com a vantagem de dissipação de potência baixa em tensões normais. Adicionalmente, a potência pode ser fornecida para qualquer um dispositivo aterrado, para um dispositivo que flutua no potencial de linha ou para ambos.

[0096] Uso de SMPS para converter corrente para potência útil com comutação de frequência alta: isso provê uma vantagem no fato de que o custo e o tamanho de fabricação de um transformador de PF são negados. O uso de um SMPS permite alta eficiência, baixo custo, e pequena conversão de tamanho da potência a partir da rede de RC.

[0097] Uso de múltiplos componentes de SMT nas placas de circuito para fazer a rede de RC: isso provê várias vantagens incluindo, por exemplo, a minimização dos custos, controle de estresses elétricos e o fornecimento de degradação progressiva para falha de componente.

[0098] Uso de construção de wafer empilhada: isso provê várias vantagens incluindo, por exemplo, controlar estresses elétricos e permitir que várias tensões classificadas sejam alcançadas usando múltiplos conjuntos das mesmas partes de componente básico.

[0099] Uso de copos de empilhamento: isso provê várias vantagens incluindo, por exemplo, controle de estresses elétricos e custos de minimização.

[00100] Adição de rede de detecção de tensão para prover detecção de tensão a partir da corrente provida pela cadeia de RC: isso provê várias vantagens incluindo, por exemplo, permitir a medição da tensão da linha.

[00101] Correção digital de distorção de detecção de tensão para retirada de potência: isso provê várias vantagens incluindo, por exemplo, aprimorar a precisão da cadeia de RC.

[00102] Apesar de o exemplo mostrado na Fig.1 mostrar a rede de RC conectada à conexão terra da rede de HV, e o conversor de potência conectado à conexão de linha da rede de HV (através do módulo de detecção de tensão opcional), como mencionado acima, será entendido que, como uma alternativa, a rede de RC pode ser conectada à conexão de linha da rede de HV e o conversor de potência 103 pode ser conectado à conexão terra da rede de HV. Como uma alternativa adicional, como mencionado acima, a rede de RC pode ser conectada a uma primeira conexão de linha (isto é, uma primeira fase de rede de HV três fases) e o conversor de potência 103 pode ser conectado a uma segunda conexão de linha (isto é, uma segunda fase da rede de HV três fases.

[00103] Será entendido que, de acordo com alternativas adicionais, o conversor de potência do sistema de conversão de potência pode estar localizado i) na extremidade aterrada da rede de HV para fornecer um sistema eletrônico aterrado, ii) na extremidade de linha da rede de HV para fornecer uma flutuação de sistema eletrônico no potencial de linha, ou iii) onde existem múltiplos conversores de potência, em ambas as extremidades.

[00104] Será entendido que, de acordo com uma alternativa adicional, o módulo de conversor de potência pode ser um módulo de conversor de potência de CA-CC e que o conversor de potência 103 não necessita do retificador 109, do capacitor C1 e do diodo Zener Z1.

[00105] Como uma alternativa adicional, será entendido que o conversor de potência pode ser posicionado em um wafer de maneira a criar um sistema de conversão de energia elétrica autocontido que então pode ser conectado diretamente à rede de HV. Adicionalmente, o módulo de detecção de tensão pode estar localizado no wafer de conversor de potência para condicionar a corrente que passa na cadeia de rede de RC para um sinal para os eletrônicos de carga para medir a tensão terra da linha, como discutido em maior detalhe aqui.

[00106] De acordo com o exemplo descrito acima, existe um número igual de resistores e capacitores na cadeia de RC em série. No entanto, será entendido que, como uma alternativa, podem haver mais resistores do que capacitores, ou mais capacitores do que resistores.

[00107] Será entendido que, como uma alternativa, pode haver mais do que uma rede de RC de série. Por exemplo, múltiplas redes de RC em série podem ser conectadas entre o suprimento de alimentação elétrica de alta tensão e o conversor de potência tanto em série quanto em paralelo (por exemplo para prover um nível de redundância).

[00108] Será entendido que, como uma alternativa, existem muitos circuitos integrados que estão disponíveis para realizar a função de SMPS. Adicionalmente, pode ser entendido que existem muitas topologias de circuito possíveis tais como, por exemplo, dianteira ou traseira, isolada ou não isolada etc.

Aplicabilidade Industrial

[00109] Os arranjos descritos são aplicáveis para as indústrias de suprimento de alimentação.

[00110] O dito anteriormente descreve apenas algumas modalidades da presente invenção, e modificações e/ou alterações podem ser feitas para a mesma sem fugir do escopo e do espírito da invenção, as modalidades sendo ilustrativas e não restritivas.

[00111] No contexto desta especificação, a palavra "compreendendo" quer dizer "incluindo principalmente, mas não necessariamente somente" ou "tendo" ou "incluindo", e não "consistindo apenas de". Variações da palavra "compreendendo", tais como "compreendem" e "compreende" possuem significados variados correspondentes.

Claims

1. Sistema de conversão de energia elétrica (101) para converter uma alta tensão (HV) a partir de um suprimento de alimentação elétrica de HV para uma baixa tensão, em que o sistema de conversão de energia elétrica compreende: pelo menos um conversor de potência (103), e pelo menos uma rede de RC (105) compreendendo uma pluralidade de componentes resistivos (R1, R2, R3) e uma pluralidade de componentes capacitivos (C1, C2, C3) conectados eletricamente em série, caracterizado pelo fato de que: a pelo menos uma rede de RC está em conexão em série com o pelo menos um conversor de potência, e a pelo menos uma rede de RC (105) e pelo menos um conversor de potência (103) são arranjados para serem conectados por um potencial de linha do suprimento de alimentação elétrica de HV; e em que o conversor de energia (103) possui um retificador (109) para retificar uma corrente fornecida pela rede de RC (105).

2. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o conversor de potência (103) compreende um suprimento de alimentação de modo de comutação.

3. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: os componentes resistivos (R1, R2, R3) são componentes resistivos montados em superfície e os componentes capacitivos (C1, C2, C3) são componentes capacitivos montados em superfície, e os componentes resistivos montados em superfície e os componentes capacitivos montados em superfície são montados em uma ou mais placas de circuito eletrônico formando a rede de RC (105) nas uma ou mais placas de circuito eletrônico.

4. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que: os componentes resistivos (R1, R2, R3) montados em superfície e os componentes capacitivos (C1, C2, C3) montados em superfície são montados em uma pluralidade de placas de circuito eletrônico formando uma pluralidade de redes de RC com uma rede de RC em cada placa de circuito eletrônico, e a pluralidade de placas de circuito eletrônico é empilhada e interconectada eletricamente formando uma rede de RC empilhada.

5. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o conversor de potência é montado em uma placa de circuito eletrônico adicional, e a placa de circuito eletrônico adicional forma parte da pluralidade de placas de circuito eletrônico que são empilhadas.

6. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um ou mais receptáculos de placa de circuito isolados arranjados para suportar as uma ou mais placas de circuito eletrônico.

7. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende uma pluralidade de receptáculos de placa de circuito isolados, cada um arranjado para suportar uma de uma pluralidade de placas de circuito eletrônico interconectadas eletricamente em uma configuração empilhada.

8. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um módulo de detecção de tensão (107) adaptado para medir uma corrente fluindo através da rede de RC e é adaptado para converter a corrente para um valor de tensão de sensor.

9. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um módulo de correção de perda de tensão, em que o módulo de correção de perda de tensão é adaptado para corrigir o valor de tensão de sensor com base em perdas de tensão causadas pelo conversor de potência.

10. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma rede de RC (105) e pelo menos um conversor de potência (103) são arranjados para serem conectados entre uma conexão de linha do suprimento de alimentação elétrica de HV e uma conexão terra do fornecimento elétrico de HV.

11. Sistema de conversão de energia elétrica de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pelo menos uma rede de RC e (105) pelo menos um conversor de potência (103) são arranjados para serem conectados entre uma primeira conexão de linha do suprimento de alimentação elétrica de alta tensão e uma segunda conexão de linha do fornecimento elétrico de HV.