BRPI1101071A2 - disposição de circuito e processo para a geração de uma tensão alternada a partir de uma série de fontes de tensão com tensão continua de saìda que varia no tempo - Google Patents

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Abstract

DISPOSIçãO DE CIRCUITO E PROCESSO PARA A GERAçãO DE UMA TENSãO ALTERNADA A PARTIR DE UMA SéRIE DE FONTES DE TENSãO COM TENSãO CONTìNUA DE SAìDA QUE VARIA NO TEMPO. A presente invenção refere-se a uma disposição de circuito com uma ou com uma série de disposições de subcircuitos conectados em paralelo, para a alimentação de pelo menos um circuito inversor. Uma disposição de subcircuito é constituída por uma fonte de tensão não regulada com tensão continua de saída variável no tempo, um circuito de duplicação de tensão e um circuito de regulagem de tensão com dispositivo de regulagem. No âmbito do processo correspondente, o circuito de duplicação de tensão duplica a tensão da fonte de tensão não regulada. A regulagem da curva característica de corrente/tensão, o MPP-tracking, da fonte de tensão não regulada ocorre através do dispositivo de regulagem do circuito de regulagem de tensão.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSIÇÃO DE CIRCUITO E PROCESSO PARA A GERAÇÃO DE UMA TENSÃO AL- TERNADA A PARTIR DE UMA SÉRIE DE FONTES DE TENSÃO COM TENSÃO CONTÍNUA DE SAÍDA QUE VARIA NO TEMPO".
Descrição
A presente invenção refere-se a uma disposição de circuito, bem como a um processo para o seu controle, para a geração de uma tensão alternada a partir de uma série de fontes de tensão não reguladas com ten- são contínua de saída variável no tempo. Como fontes de tensão não regu- Iadas desse tipo são preferidas as instalações fotovoltaicas ou partes dessas instalações. Por uma instalação fotovoltaica deve-se entender aqui exclusi- vamente a disposição e a conexão elétrica de uma série de módulos fotovol- taicos, incluindo-se aí também subinstalações. Esses módulos fotovoltaicos são conectados para formar instalações fotovoltaicas e apresentam uma tensão contínua de saída condicionada pelo tipo de construção e dependen- te da irradiação solar e, por conseguinte, que varia lentamente no tempo. Essas variações da tensão contínua de saída apresentam constantes de tempo na faixa de minutos ou em unidades de tempo mais longas.
Para a alimentação da corrente de saída de uma instalação foto- voltaica desse tipo na rede elétrica pública ou local, é preciso que a tensão contínua de saída seja convertida, por meio de um circuito inversor, em uma tensão alternada de tensão e freqüência constantes.
Um exemplo de disposição de circuito para a geração de uma tensão alternada desse tipo acha-se descrito no DE 10 2008 034 955 A1. Lá, evidencia-se uma disposição de conversor de corrente que apresenta uma instalação fotovoltaica com tensão de saída que varia no tempo, um trans- formador de nível e um inversor. No processo correspondente, o primeiro e o segundo condensadores do transformador de nível são carregados, inde- pendentemente da tensão de saída, respectivamente com a metade do valor da tensão teórica de circuito intermediário. Uma desvantagem nesse tipo de disposição de circuito é que nesse caso a instalação fotovoltaica é sobrecar- regada com uma corrente oscilante por pouco tempo na faixa de freqüência do comando do transformador de nível.
Para esse tipo de disposição de circuito há uma série de exigên- cias em função do caso de aplicação e que se contradizem em parte. Por exemplo, os módulos fotovoltaicos individuais devem ser solicitados por car- ga do modo mais linear possível, isto é, a corrente de saída deles deve ser a mais constante possível no tempo dentro de intervalos de tempo, tal como são típicos para circuitos semicondutores de potência, ou seja, na faixa de tempo menor do que um segundo, respectivamente em uma faixa de fre- qüência acima de 1 Hz. Do mesmo modo, a tensão de entrada no circuito inversor deve ser a mais constante possível, assim como a transmissão da instalação fotovoltaica para o circuito inversor deve ser realizada com a mai- or tensão possível, para manter reduzidas as perdas de potência.
Por fim, toda a disposição de circuito deve operar com um alto grau de eficácia; neste caso a quantidade dos componentes necessários deve ser pequena e o seu dimensionamento, especialmente daqueles de bobinas e condensadores, também deve ser o menor possível. Ao mesmo tempo, a instalação fotovoltaica, respectivamente os seus módulos fotovol- taicos, deve ser operada de um modo tal que ela opere no ponto do maior fornecimento de potência possível (MPP - maximum power point). Para isso é necessária uma regulagem apropriada, ou seja, o assim chamado MPP- Tracking.
A invenção tem como objetivo apresentar uma disposição de cir- cuito e um processo correspondente, para a geração de uma tensão alterna- da a partir de uma série de fontes de tensão, respectivamente com tensão contínua de saída variável no tempo, sendo que a solicitação de carga de corrente dessas fontes de tensão é uniforme e a transmissão para o circuito inversor está sujeita a uma quantidade menor possível de perdas.
Esse objetivo é alcançado de acordo com a invenção através de uma disposição de circuito com as características da reivindicação 1, bem como através de um processo segundo a reivindicação 8. Formas de execu- ção preferidas acham-se descritas nas respectivas reivindicações dependen- tes. A disposição de circuito de acordo com a invenção apresenta uma ou uma série de subdisposições de circuito conectadas em paralelo, para a alimentação de pelo menos um circuito inversor, o qual pode estar conectado com pelo menos um respectivo transformador. Nesse caso, cada disposição de subcircuito é constituída por uma fonte de tensão não regula- da com tensão contínua de saída variável no tempo, por um circuito de du- plicação de tensão e um circuito regulador de tensão com dispositivo de re- gulagem correspondente.
No caso do processo, de acordo com a invenção, para o controle de uma disposição de circuito desse tipo, por meio do circuito de duplicação de tensão duplica-se a entrada de entrada, na medida em que os dois tran- sistores de potência do circuito em meia-ponte são deslocados temporal- mente e são conectados respectivamente com a mesma duração de período da respectiva metade do período de conexão. Desse modo, a fonte de ten- são não regulada é solicitada de modo constante, isto é, sua corrente de saída não apresenta nenhuma oscilação na faixa de curto tempo, ou seja, na faixa de um segundo ou mais rapidamente, tal como é preferido especial- mente para instalações fotovoltaicas, respectivamente módulos fotovoltaicos.
É preferível que o circuito de duplicação de tensão apresente po- laridades positiva e negativa por cada bifurcação, sendo que em suas entra- das são previstas respectivamente uma primeira e uma segunda indutivida- des, constituídas a partir de uma primeira e uma segunda bobinas ou mes- mo a partir somente da indutividade da respectiva linha adutora da fonte de tensão. A essas primeira e segunda indutividades conecta-se um circuito de meia-ponte de dois transistores de potência entre o ramal positivo e o ramal negativo. Em seguida, nos dois ramais é previsto respectivamente um diodo e um circuito em série a ele conectado de dois primeiros condensadores, que conecta os dois ramais.
Para a configuração do circuito de regulagem de tensão são previstas em especial basicamente duas variantes. A primeira variante apre- senta dois subcircuitos separados de um transformador a jusante e outro a montante. Para a disposição dos mesmos também são vantajosas duas va- riantes. Em uma primeira variante, os respectivos transformadores a mon- tante são previstos diretamente em conexão aos respectivos circuitos de duplicação de tensão, para elevar as suas tensões de saída para um mesmo potencial. O respectivo transformador a jusante é então previsto no circuito inversor, para lá abaixar a tensão de transmissão para um valor adequado da tensão de circuito intermediário. Essa variante tem a vantagem de colocar à disposição uma tensão particularmente alta para a transmissão de potên- cia entre uma instalação fotovoltaica e um circuito inversor e, consequente- mente, manter reduzidas, da melhor forma possível, as perdas de potência. Com isso, também é possível reduzir o dimensionamento dos cabos de transmissão e os custos correspondentes, devido ao valor mais reduzido da corrente de transmissão.
A segunda variante com dois subcircuitos separados apresenta o respectivo transformador a jusante na conexão direta com o circuito cor- respondente de duplicação de tensão, enquanto que o transformador a mon- tante está disposto no circuito inversor. Com isso, a transmissão ocorre com tensão menor comparando-se com a primeira variante. No entanto, isso po- de ser vantajoso para adequar a instalação como um todo às diretrizes de segurança e para não se ter, por exemplo, que concretizar normas de prote- ção especiais para tensões mais elevadas. No conjunto, o circuito de regula- gem de tensão com dois circuitos de transformador separados proporciona uma alta flexibilidade para adequação da disposição de subcircuito às condi- ções específicas de aplicação.
A segunda variante do circuito de regulagem de tensão está construída de forma basicamente idêntica ao circuito de duplicação de ten- são e pode, assim, ser produzida vantajosamente também com módulos semicondutores de potência idênticos. No entanto, esse circuito de regula- gem de tensão, de modo correspondente ao seu objetivo,é comandado dife- rentemente em relação ao circuito de duplicação de tensão e serve para a adequação da tensão de saída das diferentes disposições de subcircuitos a serem conectadas em paralelo entre si.
A regulagem da curva característica de corrente/tensão, neces- sária nas instalações fotovoltaicas, ou seja, o MPP-Tracking, também ocorre através do dispositivo de regulagem do circuito de regulagem de tensão adi- cionalmente à adequação descrita da tensão de saída do circuito de duplica- ção de tensão à tensão de circuito intermediário do circuito inversor.
Como circuito inversor podem ser previstos basicamente inver- sores de três fases diferentes. De modo particularmente vantajoso deve-se dispor dois inversores de três fases paralelamente e deve-se comandá-los com um deslocamento de meio período de conexão. Desse modo, obtém-se uma tensão aproximada suficientemente à saída senoidal desejada.
A solução, de acordo com a invenção, será ainda mais explicada com base nos exemplos de execução das figuras 1 a 5.
A figura 1 mostra o princípio básico de uma primeira disposição de circuito de acordo com a invenção, bem como alguns de seus componen- tes.
A figura 2 mostra outros componentes de uma disposição de cir- cuito, de acordo com a invenção.
A figura 3 mostra o princípio básico de uma outra configuração da disposição de circuito, de acordo com a invenção.
A figura 4 mostra outros componentes de uma disposição de cir- cuito, de acordo com a invenção.
A figura 5 mostra a simulação da corrente de saída de uma dis- posição de circuito, de acordo com a invenção, ao se aplicar um processo de acordo com a invenção.
A figura 1 mostra esquematicamente o princípio básico de uma primeira disposição de circuito, de acordo com a invenção, bem como alguns de seus componentes. Na figura 1 é mostrada uma fonte de tensão não re- gulada (12), que neste caso é uma instalação fotovoltaica, com as oscila- ções conhecidas da tensão contínua de saída, assim como também da cor- rente de saída, em função da variação da irradiação solar. Para a operação vantajosa desse tipo de instalação fotovoltaica (12) é preciso regular a ten- são e a corrente de saída de um modo tal que a potência fornecida seja má- xima. Isso é conhecido sob o conceito de MPP-Tracking. Além disso, é van- tajoso que a instalação fotovoltaica (12) seja solicitada de tal modo que a corrente de saída não apresente nenhuma oscilação de curta duração.
Por isso, de acordo com a invenção, à saída da instalação foto- voltaica (12) conecta-se um circuito de duplicação de tensão (20), o qual Ie- va a uma corrente de saída sem oscilações de curta duração. Esse circuito de duplicação de tensão (20), mostrado na figura 1b, com um respectivo ra- mal de polaridades positiva e negativa, apresenta em cada ramal uma indu- tividade associada (200, 202). Neste caso, essa indutividade (200, 202) é constituída pelas linhas de conexão entre a instalação fotovoltaica e os de- mais componentes do circuito de duplicação de tensão. Caso a indutividade (200, 202) dessas linhas adutoras não seja suficiente, então ainda podem ser previstas adicionalmente bobinas com indutividade menor em compara- ção com o estado da técnica. Formalmente, portanto, o circuito de duplica- ção de tensão (20) inclui, aqui, a linha de conexão com a instalação fotovol- taica (12). Essas linhas de conexão possuem uma dimensão de comprimen- to na ordem de grandeza de dez metros.
Em seguida às indutividades (200, 202) é previsto um circuito em meia-ponte entre o ramal positivo e o ramal negativo. Esse circuito em meia-ponte apresenta, por sua vez, um circuito em série de um primeiro (210) e de um segundo transistor de potência (212), eventualmente com dio- dos de curso livre conectados antiparalelamente.
Esse circuito em meia-ponte acha-se conectado, respectivamen- te por meio de um diodo (220, 222) por ramal, com um circuito em série (230, 232) de segundos condensadores (230, 232). Nesse caso, no primeiro ramal de polaridade positiva, o anodo do diodo está conectado com o circui- to em meia-ponte e o catodo está conectado com o circuito de condensador. No segundo ramal de polaridade negativa, o catodo está conectado com o circuito em meia-ponte e o anodo está conectado com o circuito de conden- sador.
É ainda preferível que as respectivas tomadas centrais do circui- to em meia-ponte e do circuito de condensador estejam conectadas entre si. Para o funcionamento sob a forma de circuito de duplicação de tensão (20), os dois transistores de potência (210, 212) são conectados alternadamente para o mesmo respectivo intervalo de tempo com uma freqüência de cone- xão moderada de, preferivelmente, entre 500 Hz e 2 kHz. Também são ade- quadas freqüências de conexão abaixo de 250 Hz e até 5kHZ, embora ge- ralmente não necessárias. Com isso, a qualquer momento se obtém um flu- xo de corrente através do primeiro ou através do segundo transistor de po- tência (210, 212) e, com isso, a solicitação de corrente da instalação fotovol- taica (12) é mantida constante. Neste caso, constante significa que não sur- ge nenhuma oscilação de curta duração, especialmente na ordem de gran- deza da freqüência de controle do transistor de potência (210, 212).
Ao circuito de duplicação de tensão se conecta um circuito de regulagem de tensão (30, 40), que pode ser configurado diferentemente em função das condições de aplicação. A primeira variante apresenta uma com- binação de um transformador a jusante (34) e um transformador a montante (32), cuja seqüência é basicamente facultativa. No entanto, neste caso é essencial que os dois circuitos de transformador não sejam dispostos dire- tamente adjacentes, mas sim que a linha de conexão (300) deles, conforme a figura 1c/d, conecte em ponte a distância essencial entre a instalação foto- voltaica (12) e o circuito inversor (50).
Com isso, através da disposição de um transformador a jusante (34) em conexão ao circuito de duplicação de tensão (20), a tensão na linha de conexão (300) pode ser ajustada para um valor abaixo de um limiar defi- nido, por exemplo, abaixo de 600 V ou abaixo de 1000 V. Isso pode simplifi- car substancialmente o dispêndio em proteção contra contato em função de normas nacionais em relação a tensões mais elevadas.
Uma configuração análoga com troca dos dois circuitos de trans- formador (32, 34) possibilita uma tensão a mais alta possível comparativa- mente na linha de conexão (300), a qual, desse modo, traz consigo um valor de corrente correspondentemente menor e, com isso, torna-se vantajosa no que se refere a perdas elétricas, dimensionamento e custos dessa linha de conexão (300).
A segunda variante apresenta como circuito de regulagem de tensão (40) um subcircuito que está configurado de modo idêntico ao circuito de duplicação de tensão (20), embora não seja controlado como este. Para a regulagem de tensão, os dois interruptores são comandados, de preferência, respectivamente para intervalos iguais de tempo, embora com uma extensão e eventualmente uma sobreposição adequadas para adequar a tensão de entrada oscilante à desejada tensão de saída constante.
Nas duas variantes, o MPP-Tracking da instalação fotovoltaica (12) é controlado pelo circuito de regulagem de tensão (30, 40) e não pelo circuito de duplicação de tensão (20). Com isso, não é necessário que o cir- cuito de duplicação de tensão (20) apresente uma conexão de controle de seu dispositivo de regulagem (250) com o circuito de regulagem de tensão (30, 40) ou com o circuito inversor (50).
A instalação fotovoltaica (12), o circuito de duplicação de tensão (20) e o respectivo circuito de regulagem de tensão (30, 40) formam uma disposição de subcircuito que está conectada com um circuito inversor (50) para formar uma disposição de circuito, de acordo com a invenção.
A figura 2 mostra componentes de uma disposição de circuito, de acordo com a invenção, neste caso os dois circuitos de transformador, que correspondem ao estado da técnica. O transformador a jusante (34), conforme a figura 2a, apresenta em seu primeiro ramal, isto é, aquele da polaridade positiva, um transistor de potência (340). A isso se conecta um diodo (342) que conecta o primeiro ramal com o segundo e uma indutividade no primeiro ramal, bem como um condensador (346) que conecta os dois ramais. Na aplicação acima mencionada, com uma linha de conexão conec- tada ao transformador a jusante (34), pode ser suficiente configurar a induti- vidade mencionada (344) através da indutividade da linha de conexão (300, conforme figura 1d), ou prever uma bobina dimensionada correspondente- mente pequena.
O transformador a montante (32), conforme a figura 2b, apresen- ta em seu primeiro ramal uma indutividade (320) que também está configu- rada vantajosamente por uma linha de conexão (300, conforme figura 1c), eventualmente com uma bobina adicional de indutividade menor. A isso se conecta um transistor de potência (322), que conecta o primeiro ramal com o segundo, e um diodo (324) no primeiro ramal, bem como um condensador (326) que conecta os dois ramais.
A figura 3 mostra o princípio básico de uma outra configuração da disposição de circuito, de acordo com a invenção. Na figura 3a é mostra- da a disposição de subcircuitos (10) que, segundo a primeira variante, con- forme descrito em relação à figura 1, acha-se construída com um circuito de regulagem de tensão constituído por dois circuitos de transformador (32, 34). Nesse caso, os subcircuitos na região das conexões (300) dos dois circuitos transformadores (32, 34) estão conectados entre si e conectados em parale- lo. As saídas dos respectivos subcircuitos estão, então, conectadas com um circuito inversor apropriado (50).
A figura 3b mostra uma disposição conforme a segunda variante mencionada acima em relação à figura 1, com dois circuitos de configura- ções iguais, porém controlados diferentemente, para a duplicação de tensão (20) e para a regulagem de tensão (40). Nesse caso, as saídas dos subcir- cuitos estão conectadas entre si e com um circuito inversor apropriado (50).
A figura 4 mostra outros componentes - neste caso duas confi- gurações do dispositivo inversor (50) - de uma disposição de circuito, de acordo com a invenção. No caso mais simples, o circuito inversor encontra- se configurado como um circuito em ponte de três fases (60) conforme o es- tado da técnica, mostrado na figura 4a.
No entanto, conforme mostrado na figura 4b, é vantajoso conec- tar em paralelo dois circuitos em ponte de três fases (60) desse tipo e com- passá-los um em relação ao outro com deslocamento de meio período de conexão. Nesse caso, o ponto central dos dois circuitos em ponte de três fases (60) pode se localizar no potencial terra (612) ou no potencial central (212) do circuito de duplicação de tensão (20). Igualmente, alternativamente também pode ser vantajoso prever como circuito inversor (50) um inversor de três pontos.
A figura 5 mostra a simulação da corrente de saída de uma dis- posição de circuito, de acordo com a invenção, com um circuito inversor (50) segundo a figura 4b, no caso de aplicação do processo de acordo com a invenção lá mencionado, em comparação com a corrente de saída de um circuito inversor segundo a figura 4a. Este apresenta, em função do emprego do circuito de regulagem de tensão (30, 40), uma evolução da curva senoidal correspondentemente com bastante interferência. Através do emprego do circuito inversor (50) segundo a figura 4b e através do compasso deslocado das duas partes desse circuito inversor, torna-se possível reduzir nitidamen- te a ondulação dentro das respectivas curvas senoidais das três fases da corrente de saída.
Por conseguinte, a disposição de circuito como um todo unifica as seguintes vantagens:
- solicitação constante da fonte de tensão;
- seleção flexível da tensão de transmissão para o circuito inver- sor;
- bobinas dimensionadas pequenas no circuito de duplicação de tensão e nos circuitos de regulagem de tensão;
- corrente de saída de pouca ondulação.

Claims (10)

1. Disposição de circuito com uma ou com uma série de disposi- ções de subcircuitos (10) conectados em paralelo, para a alimentação de pelo menos um circuito inversor (50), o qual pode ser conectado com um transformador (80), sendo que uma disposição de subcircuito (10) é constitu- ída por uma fonte de tensão não regulada (12) com tensão contínua de saí- da variável no tempo, um circuito de duplicação de tensão (20) e um circuito de regulagem de tensão (30, 40) com dispositivo de regulagem (328, 348).
2. Disposição de circuito de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito de duplicação de tensão (20) apresenta respectivamente um ramal de polaridade positiva e um ramal de polaridade negativa, sendo que em suas entradas é prevista respectivamente uma primeira indutividade (200) e uma segunda indutividade (202), formadas a partir de uma primeira e de uma segunda bobinas ou a partir das indutividades da respectiva linha adutora da fonte de tensão (12), e a isso se conecta um circuito em meia- ponte de dois transistores de potência (210, 212) entre o ramal positivo e o ramal negativo, e nos dois ramais é previsto respectivamente um diodo (220, 222) e conectado a este um circuito em série de dois primeiros condensado- res (230, 232) que conecta os dois ramais.
3. Disposição de circuito de acordo com a reivindicação 2, em que as tomadas centrais do circuito em meia-ponte (210, 212) e do circuito em série dos condensadores (230, 232) estão conectadas entre si.
4. Disposição de circuito de acordo com a reivindicação 1, em que o dispositivo de regulagem de tensão é constituído por um transforma- dor a jusante (34) com um transistor de potência (340) no ramal positivo, um diodo (342) que conecta os ramais positivo e negativo, e uma terceira induti- vidade (344), de preferência de uma terceira bobina, e por um transformador a montante (32) conectado antes ou depois, com uma quarta indutividade (320), de preferência de uma quarta bobina, um transistor de potência (322) que conecta os ramais positivo e negativo, e um diodo (324) no ramal positi- vo.
5. Disposição de circuito de acordo com a reivindicação 4, em que o transformador a jusante (34) está disposto diretamente adjacente ao circuito de duplicação de tensão (20) e este está disposto diretamente adja- cente à fonte de tensão (12) e em que o transformador a montante (32) está disposto diretamente adjacente ao circuito inversor (50).
6. Disposição de circuito de acordo com a reivindicação 4, em que o transformador a montante (32) está disposto diretamente adjacente ao circuito de duplicação de tensão (20) e este está disposto diretamente adja- cente à fonte de tensão (12) e em que o transformador a jusante (34) está disposto diretamente adjacente ao circuito inversor (50).
7. Disposição de circuito de acordo com a reivindicação 1, em que o circuito de regulagem de tensão (40) está configurado de forma análo- ga ao circuito de duplicação de tensão (20).
8. Processo para o controle de uma disposição de circuito como definida em qualquer uma das reivindicações anteriores, em que o circuito de duplicação de tensão (20) duplica a tensão da fonte de tensão não regu- lada (12), e em que a regulagem da curva característica de corrente/tensão, o MPP-tracking, da fonte de tensão não regulada (12) ocorre através do dis- positivo de regulagem (328, 348) do circuito de regulagem de tensão (30).
9. Processo de acordo com a reivindicação 8, em que o circuito de duplicação de tensão (20) duplica a tensão da fonte de tensão não regu- lada (12), na medida em que os dois transistores de potência (210, 212) do circuito em meia-ponte são deslocados temporalmente e são conectados respectivamente com a mesma duração de período da respectiva metade do período de conexão.
10. Processo de acordo com a reivindicação 9, em que os dois transistores de potência (210, 212) do circuito de duplicação de tensão (20) são controlados com uma freqüência entre 250 Hz e 5 kHz, de preferência entre 500 Hz e 2 kHz.
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