PT1933451E - Submarino com rede eléctrica de bordo - Google Patents

Description

ΕΡ 1 933 451/ΡΤ DESCRIÇÃO "Submarino com rede eléctrica de bordo" 0 invento refere-se a um submarino com uma rede eléctrica de bordo.

Nos submarinos a rede eléctrica de bordo é normalmente alimentada por inversores, os quais convertem a tensão continua fornecida pelas baterias ou por uma instalação de células de combustível em tensão alterna (corrente alterna ou corrente trifásica). Por questões de segurança contra falhas críticas são, nestes casos, sempre instalados vários conversores ou inversores. Até à data as redes de bordo em submarinos são para o efeito normalmente separadas em duas ou mais redes parciais, as quais são, respectivamente, abastecidas com corrente eléctrica por um inversor. Normalmente, está além disso previsto ainda, pelo menos, um inversor de reserva, o qual não está constantemente em serviço e que pode opcionalmente ser ligado a uma das redes parciais, no caso de naquela o inversor falhar. Para mais outra segurança contra falhas críticas ainda pode existir a possibilidade de fazer a interligação das duas redes parciais, de modo que estas são abastecidas com corrente eléctrica por um inversor comum. É desfavorável neste conceito que sejam determinados tempos de comutação inerentes, os quais somente permitem uma liberdade condicionada de interrupção da alimentação de corrente eléctrica, do que podem surgir como consequência quando da comutação a perda de dados, falhas dos relés, falhas do equipamento e similares.

Em DE 94 13 638 UI é referido um submarino com uma rede eléctrica de bordo, no qual dois inversores abastecem uma rede de bordo comum. É problemático nesta disposição sincronizar os inversores, de tal modo que os mesmos garantam em conjunto ou individualmente uma alimentação de corrente eléctrica sem interrupção. A WO 98/48497 descreve uma rede eléctrica de bordo para embarcações com um computador de protecção para um desligar rápido das secções da rede afectadas por um curto-circuito. 2 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ

Para este efeito são por intermédio de sensores de corrente registadas as correntes eléctricas que flúem em zonas individuais da rede e somados os fluxos de corrente por valor e fase. Pelo valor dos vectores de corrente somados pode ser detectado um caso de curto-circuito. É objectivo do invento realizar um submarino com uma rede eléctrica de bordo, a qual permite uma alimentação de corrente eléctrica praticamente sem interrupções e que possa evitar falhas do equipamento.

Este objectivo é atingido por meio de um submarino com as características mencionadas na reivindicação 1. AS formas de realização preferidas resultam das reivindicações subsequentes.

De acordo com o invento o submarino apresenta uma rede eléctrica de bordo com, pelo menos, dois dispositivos conversores de corrente ou inversores, os quais, por exemplo, convertem a tensão contínua fornecida por uma bateria em tensão alterna para a rede de bordo. Neste caso está previsto que os, pelo menos, dois inversores alimentam simultaneamente um barramento comum. Isto significa que a separação habitual até à data da rede de bordo em várias redes parciais com barramentos separados, as quais são, respectivamente, alimentadas por um único inversor, é aqui omitida.

Para o funcionamento simultâneo de dois inversores numa rede, é necessária a sincronização dos inversores. Para alcançar uma elevada segurança contra falhas críticas está prevista, de acordo com o invento, uma sincronização, a qual não necessita de uma comunicação directa entre os inversores ou de um comando central de nível superior.

Este objectivo é atingido quando cada inversor apresenta um dispositivo de regulação independente, o qual garante que o correspondente inversor é sincronizado em relação à rede. Para este efeito o dispositivo de regulação de cada inversor é configurado de tal modo que este pode detectar valores característicos eléctricos actuais no barramento e nessa base regular então o respectivo inversor e, em particular, a sua tensão de saída e a sua frequência, de tal modo que o 3 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ inversor abastece a rede de forma síncrona estando os restantes inversores no mesmo barramento. Isto significa que cada inversor realiza, devido ao seu dispositivo de regulação independente, automaticamente uma adaptação da sua tensão de saída e da sua frequência em função dos valores característicos registados pelo dispositivo de regulação. Isto tem a vantagem de que os inversores individuais podem alimentar simultaneamente uma rede de bordo comum, isto é, um barramento comum, sendo simultaneamente proporcionada uma independência dos inversores, de modo que quando um inversor falhar, a continuação do funcionamento de ou dos outros inversores esteja salvaguardada, de modo que no total é atingida uma elevada segurança contra falhas críticas. É também possível prever inversores de reserva, os quais registam continuamente os valores característicos da rede de bordo e que se sincronizam continuamente com a rede de bordo, para que no caso de uma falha de um outro inversor poder então adoptar a sua função tanto quanto possível sem interrupção. Dado que os inversores individuais operam independentemente, isto é sem ligação directa, comunicação directa ou comando de nível superior, não existem, de acordo com o invento, componentes adicionais de ligação ou de nível superior para o funcionamento comum dos inversores, do que poderia resultar, quando de uma falha, uma interrupção total de toda a instalação. Além disso, todos os inversores e os seus sistemas de regulação são, de preferência, configurados de forma idêntica e equitativa quanto ao funcionamento. Deste modo, ao contrário a uma regulação principal/subordinado (Master/Slave) , da falha de um inversor não resulta numa interrupção total.

De preferência cada dispositivo de regulação apresenta um módulo de cálculo para calcular o valor característico eléctrico no barramento. Isto é, em particular, as tensões da rede e correntes da rede no barramento. Neste caso podem ser detectadas tensões totais ou correntes totais ou tensões individuais e correntes individuais para cada fase.

Além disso, cada dispositivo de regulação apresenta, de preferência, um módulo de cálculo, em particular, para o cálculo dos valores característicos da potência activa e da potência reactiva bem como da frequência e da tensão no borne 4 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ de saida, com base no valor caracteristico eléctrico detectado. Estes valores característicos derivados podem então ser considerados como base para a continuação da regulação.

Cada dispositivo de regulação apresenta um módulo de regulação, o qual está configurado para a regulação da tensão de saida do respectivo inversor com base nos valores caracteristicos e/ou valores caracteristicos derivados. Isto permite ao dispositivo de regulação regular o respectivo inversor somente com base nos valores caracteristicos ou nos valores caracteristicos derivados destes valores caracteristicos, de modo que o inversor pode ser sincronizado automaticamente em relação à rede de bordo. Portanto não são necessários sistemas de regulação externos e, em particular, quaisquer sistemas de regulação de nível superior. 0 módulo de regulação de cada dispositivo de regulação apresenta um regulador primário, no qual são armazenadas as curvas características em cuja base são determinadas as variáveis de referência para o regulador primário.

As curvas de características estáticas podem ser nomeadamente um diagrama de tensão-potência reactiva e/ou um diagrama de frequência-potência activa, a partir dos quais podem ser determinadas, como variáveis de referência em função do valores caracteristicos detectados e/ou dos valores caracteristicos derivados destes, a potência reactiva e/ou a potência activa como variáveis de referência para a regulação seguinte. Neste caso a potência activa serve para a regulação da frequência e a potência reactiva para a regulação da tensão. As curvas de características estáticas estão associadas de forma fixa aos inversores e fazem com que os inversores apresentem um determinado comportamento na rede, o qual, de preferência, se aproxima ao de um alternador síncrono. Em particular, as curvas características são seleccionadas de tal modo que as mesmas não sejam constantes, mas sim diminuem em função da carga, isto é, apresentam um coeficiente de desaccionamento. Esta forma da curva característica em função da carga permite que dois ou vários inversores na mesma rede de bordo se possam encontrar ou 5 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ regular de modo que os mesmos podem alimentar em conjunto a rede de bordo. 0 regulador primário apresenta, de preferência, um regulador de potência reactiva e um regulador de potência activa, os quais, como apresentado, servem para regular a frequência e a tensão na salda do inversor.

Para este efeito o módulo de regulação apresenta, de preferência, um regulador da tensão de saída, ao qual são encaminhadas as variáveis controladas do regulador de potência reactiva e do regulador de potência activa, particularmente a frequência e a tensão como variáveis de referência. 0 regulador da tensão de saída ajusta então para todas as fases em função destas variáveis de referência as tensões de saída e as frequências.

Cada dispositivo de regulação está, além disso, equipado com um regulador secundário, o qual com base nos valores característicos ou dos valores característicos derivados deste pode provocar ou realizar um desfasamento paralelo da curva de característica estática memorizada no regulador primário para atingir, quando de uma determinada potência, valores teóricos predeterminados, em particular, da frequência e da tensão. Devido ao descrito acima, no decurso da curva característica em função da carga, ocorrem desvios de regulação. Para se poder atingir os elevados requisitos de qualidade da rede eléctrica em submarinos, estes desvios de regulação devido ao decurso em queda das curvas de características estáticas devem ser evitados ou minimizados. Isto pode ser realizado por intermédio de reguladores secundários, os quais fazem com que as curvas características sejam desviadas, de tal modo que a tensão nominal e a frequência nominal na potência actualmente existente são observadas.

Quando da utilização de dois ou mais inversores com o dispositivo de regulação anteriormente descrito, pode ocorrer o problema de, devido à regulação independente, surgir uma distribuição de carga assimétrica entre os inversores individuais, o que não é pretendido. Para evitar isto os reguladores secundários estão equipados com dispositivos de 6

ΕΡ 1 933 451/PT equilibragem para equilibrar a distribuição de cargas. Neste caso, os dispositivos de equilibragem estão de igual modo configurados de tal modo que os mesmos operam, para cada inversor, independentemente dos dispositivos de equilibragem dos outros inversores, isto é, não se realiza qualquer comunicação directa ou um comando de nível superior ou regulação dos inversores para equilibrar a distribuição de carga.

De preferência, o dispositivo de equilibragem está equipado de tal modo que o mesmo detecta a relação da potência de saída do respectivo inversor em relação à potência total no barramento, registando as alterações desta relação. Dependendo de uma alteração desta relação, o dispositivo de equilibragem também pode, para atingir os valores teóricos, provocar um desfasamento paralelo da curva de característica estática memorizada no regulador primário, em particular, da frequência e da tensão, quando de uma potência determinada. De preferência, os reguladores secundários dos inversores individuais provocam, devido à sua regulação independente, um movimento pendular entre a equilibragem e a reposição da frequência nominal e tensão nominal na rede de bordo, de modo que no total, devido a este movimento pendular, pode ser alcançada uma frequência constante, quando de uma distribuição equilibrada da carga na rede de bordo. Isto é efectuado de tal modo que, quando de uma alteração da carga, um inversor qualquer efectua, em primeiro lugar, uma adaptação da sua potência, de modo a adaptar a potência inicial à carga alterada. Deste modo é recuperada, em particular, a frequência nominal na rede de bordo, o que então por seu lado é registado por um outro inversor como alteração da carga. Dado que já foi contudo atingida neste inversor a frequência nominal, então o dispositivo de equilibragem torna-se activo e proporciona uma adaptação de carga do segundo inversor. Esta por seu lado é detectada pelo primeiro inversor como alteração de carga, de modo que este efectua então, por seu lado, uma adaptação da carga, de modo que ambos os inversores então à frequência nominal podem ser estabilizados com uma distribuição equilibrada de carga. Com mais de dois inversores este método funciona de modo correspondente. Além disso, quando da falha 7 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ de um inversor os restantes inversores no barramento ajustam-se também a uma distribuição de carga constante e uniforme.

Cada dispositivo de regulação apresenta, de preferência, dois reguladores secundários, dos quais um serve para a regulação da frequência e o outro para a regulação da tensão, respectivamente. Isto significa, que cada um dos reguladores secundários provoca um desfasamento paralelo de uma das curvas de caracteristicas estáticas no regulador primário, isto é, da curva caracteristica no diagrama de tensão-potência reactiva e da curva caracteristica do diagrama da frequência-potência activa, as quais indicam o decurso da potência reactiva em função da tensão ou da potência activa em função da frequência.

De preferência, cada dispositivo de regulação e, em particular, cada regulador secundário e ainda, de preferência, o seu dispositivo de equilibragem está equipado com uma protecção contra sobrecargas, a qual faz com que seja evitada uma sobrecarga mais prolongada dos inversores e o inversor desligue antecipadamente. A alimentação de corrente eléctrica está em grande parte livre de interrupções, proporcionada ainda por um conceito de protecção melhorado. 0 conceito de protecção deve assegurar em todo o caso que não ocorra uma falha total de toda a rede de bordo. Isto é de particular preferência quando uma rede de bordo comum é alimentada por vários inversores, tal como foi anteriormente descrito, isto é, não estão previstos vários barramentos separados como no estado da técnica.

De preferência, a rede eléctrica de bordo está subdividida em várias redes parciais, as quais em funcionamento normal estão interligadas e funcionam em comum. Neste caso, como anteriormente descrito, as mesmas podem ser alimentadas em conjunto por vários inversores. De preferência, na rede de bordo ou num barramento, estão instalados disjuntores de tal modo que, por intermédio da abertura dos disjuntores, as redes parciais possam ser separadas da rede de bordo comum ou a rede de bordo pode ser eventualmente dividida em várias redes parciais, de modo que, 8

ΕΡ 1 933 451/PT no caso de falha numa zona parcial da rede de bordo pode ser evitada uma falha total da rede de bordo.

As redes parciais individuais estão equipadas com sensores para o registo continuo dos dados caracteristicos actuais das redes parciais individuais. Os sensores e os disjuntores estão, além disso, ligados a um dispositivo de comando comum, de tal modo que os sensores e os disjuntores podem comunicar com o dispositivo de comando e, em particular, o dispositivo de comando comum pode ligar os disjuntores. Neste caso o dispositivo de comando está configurado de tal modo que os disjuntores podem, em função dos dados caracteristicos actuais registados, ser ligados de forma selectiva. Isto permite ao dispositivo de comando, no caso dos dados caracteristicos serem registados pelos sensores, por meio dos quais se pode concluir que existe um curto-circuito numa zona parcial da rede de bordo, separar, por meio da abertura do ou dos correspondente disjuntores, a rede parcial, onde ocorreu o curto-circuito, da rede de bordo. Para configurar o dispositivo de comando e a comunicação entre os disjuntores e os sensores tanto quanto possível não sejam propensos a falhas, este pode ser configurado de modo redundante, para que, por exemplo, no caso de falha do dispositivo de comando um segundo dispositivo de comando pode assumir imediatamente a sua função.

De preferência, os dados caracteristicos das redes parciais individuais, os quais são detectados pelos sensores, compreendem as correntes eléctricas nas redes parciais individuais. Assim é possível ao dispositivo de comando reconhecer quando a corrente eléctrica numa rede parcial atinge o valor, a partir do qual se pode deduzir um curto-circuito .

De acordo com o invento é particularmente preferido que no dispositivo de comando seja armazenada, pelo menos, uma tabela, na qual no que se refere ao caso de curto-circuito estejam, respectivamente, armazenadas numa das redes parciais as correntes de curto-circuito que podem ocorrer, respectivamente, nas redes parciais individuais e/ou nos correspondentes sensores ou umas em relação às outras. Esta 9

ΕΡ 1 933 451/PT tabela utiliza o conhecimento de que um curto-circuito numa zona parcial da rede de bordo ou numa rede parcial normalmente não provoca só ali uma alteração da corrente, ocorre contudo uma alteração da corrente também em outras zonas parciais da rede de bordo e nos sensores ali instalados, o que é explicado unicamente pela geometria da rede de bordo. Assim, nos pontos de medição individuais ou nos sensores ocorrem particularmente diferentes múltiplos das correntes de curto-circuito que surgem e sinais da corrente de curto-circuito, o que pode ser detectado pelos sensores ali instalados. Na tabela está armazenada em todos os sensores, de preferência para cada caso de curto-circuito, a situação das correntes que surgem, de modo que, a partir da imagem armazenada das correntes de curto-circuito que surgem nos sensores individuais, pode com base na tabela ser concluído de forma inversa, em que zona parcial ocorreu o curto-circuito. De preferência é assim, cada caso de curto-circuito apresenta em todos os sensores existentes uma imagem a ser atribuída de forma inequívoca a correntes de curto-circuito, isto é, com base nesta imagem das correntes que surgem, pode ser identificado de forma inequívoca um caso de curto-circuito. 0 dispositivo de comando é, de preferência, configurado correspondentemente, de tal modo que a localização do curto-circuito, isto é, a identificação da rede parcial na qual ocorreu o curto-circuito, se efectua pela associação da combinação que ocorre, respectivamente, da imagem das correntes de curto-circuito com base na tabela armazenada e pode ser então ligado por meio do dispositivo de comando o respectivo disjuntor, o qual está associado a esta rede parcial, para desligar a rede parcial na qual foi localizado o caso de curto-circuito. Isto significa que o dispositivo de comando pode, dado que no caso de curto-circuito são em todos os sensores detectados os valores e sinais das correntes de curto-circuito que ali surgem, verificar por meio de associação com base na tabela, onde na rede parcial ocorreu o curto-circuito e desligar então esta rede parcial por meio da abertura do correspondente disjuntor. É além disso preferido que no dispositivo de comando esteja(m) armazenada(s) uma ou várias tabelas, nas quais 10

ΕΡ 1 933 451/PT estão armazenadas respectivamente para o caso de curto-circuito numa das redes parciais, as respectivas correntes de curto-circuito que ocorrem nas redes parciais individuais e/ou nos correspondentes sensores ou umas em relação às outras, para o caso de um ou vários disjuntores estarem abertos. Estas tabelas adicionais referem-se a casos de curto-circuito, os quais ocorrem quando as redes parciais, pela abertura dos correspondentes disjuntores, já estão separadas da rede de bordo. Neste caso as correntes de curto circuito que surgem nos sensores individuais podem variar o valor e o sinal em relação ao caso em que todos os disjuntores estão fechados e todas as redes parciais estarem na rede de bordo. Dado que é do conhecimento do dispositivo de comando quais os disjuntores que estão ligados ou abertos, o dispositivo de comando pode, quando surgir mais outro caso de curto-circuito após a abertura de um determinado disjuntor, então com base na tabela adicional, a qual reproduz a imagem das correntes de curto-circuito na situação aberta de um determinado disjuntor ou vários determinados disjuntores, localizar o local ou a rede parcial deste novo curto-circuito. A seguir o dispositivo de comando pode então abrir o disjuntor desta rede parcial onde ocorreu o curto-circuito, para separar esta rede parcial da rede de bordo.

Isto significa, que, de preferência, o dispositivo de comando é configurado de tal modo, que após a ligação de um disjuntor para a separação de uma rede parcial deverá para a localização seguinte de casos de curto-circuito ser utilizada uma tabela alterada, a qual considera a situação aberta do disjuntor.

De forma particularmente preferida, os sensores estão integrados nos disjuntores. Isto significa que se trata de disjuntores inteligentes, os quais estão simultaneamente em condições de registar variáveis de estado, em particular, a corrente eléctrica na rede, a qual os mesmos ligam, podendo transmiti-la a um dispositivo de comando central. Para este efeito, os disjuntores estão equipados com uma correspondente interface de comunicação, a qual por um lado transmite ao dispositivo de comando os dados caracteristicos registados pelo sensor e por outro lado pode receber do dispositivo de 11 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ comando instruções de ligação, as quais permitem uma abertura e/ou um fecho do disjuntor. 0 conceito de protecção permite localizar com precisão falhas na rede de bordo e separar rapidamente da rede de bordo as redes parciais onde surgiram as falhas, sem que a alimentação de corrente eléctrica seja interrompida na restante rede de bordo. Devido ao comando central dos disjuntores, tal como foi descrito, é neste caso atingida uma selectividade dos disjuntores. Deste modo é garantida uma alimentação de corrente eléctrica praticamente sem interrupção. A interrupção da alimentação da corrente eléctrica é de forma ideal limitada a um minimo condicionado fisicamente, isto é, ao momento do curto-circuito. 0 invento é descrito a seguir de forma exemplificativa com base nas figuras anexas. As mesmas mostram: na Fig. 1 um esquema de principio de um barramento comum com três inversores, na Fig. 2 a estrutura de regulação fundamental de um dispositivo de regulação de um inversor, na Fig. 3 uma estática de frequência da potência activa, na Fig. 4 o desfasamento da estática da frequência de potência activa para a recuperação da frequência, na Fig. 5 a estrutura de regulação fundamental para a equilibragem na Fig. 6 uma tabela com a combinação das correntes de curto-circuito que ocorrem, quando do funcionamento da rede de bordo de acordo com a Fig. 1, na Fig. 7 uma tabela com a combinação das correntes de curto-circuito que ocorrem, quando da falha de inversores individuais, na Fig. 8 uma tabela com as correntes de curto circuitos ocorrentes, quando da falha de disjuntores individuais, 12 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ na Fig. 9 uma tabela com a combinação de correntes ocorrentes, quando da falha de disjuntores individuais após o disparo dos outros disjuntores incluídos no processo de comutação e na Fig. 10 um fluxograma do programa para o sistema de protecção da rede. A Fig. 1 mostra esquematicamente o funcionamento paralelo de três inversores numa rede de bordo comum. Os conversores ou os inversores WRi, WR2 e WR3 convertem a tensão contínua disponibilizada pelas baterias ou por uma célula de combustível como tensão alterna respectivamente corrente trifásica. Para uma melhor clareza é aqui representada a realização monofásica. Em funcionamento normal dos disjuntores 1, 2, 3, 4 e 5, os disjuntores 4 e 5 estão fechados de modo que é formado um barramento comum 6. Além disso, foi pensado o funcionamento da instalação mostrada na Fig. 1 de tal modo que em funcionamento normal os disjuntores 1 e 3 estão fechados, de modo que os inversores WRi e WR3 alimentam em comum a rede de bordo. O disjuntor 2 mantém-se aberto quando em funcionamento normal, de modo que o inversor WR2 não está ligado à rede, encontrando-se à disposição como inversor de reserva, o qual é ligado quando um dos outros inversores WR2 ou WR3 falhar. Por a até f estão assinaladas as ligações de consumidores individuais no barramento 6. Por intermédio dos disjuntores 4 e 5 o barramento 6 é dividido, respectivamente, em três secções I, II e III podendo pela abertura dos disjuntores. Nos disjuntores 1 a 5 estão além disso instalados pontos de medição para registar a corrente eléctrica, quanto ao valor e direcção. Para este efeito estão previstos os disjuntores 1, 2, 3, 4 e 5, os quais registam simultaneamente estes valores, podendo sinalizar estes a um dispositivo central de comando, o qual também é competente para o abrir e fechar dos interruptores 1 a 5. Para este efeito, os interruptores 1 a 5 estão equipados com os respectivos módulos de comunicação. 0 funcionamento em paralelo de dois inversores, por exemplo, o inversor WRi e WR3 num barramento 6 comum, requer uma sincronização da tensão de saída e da frequência. De acordo com o invento isto é efectuado por intermédio de 13

ΕΡ 1 933 451/PT dispositivos de regulação independentes, os quais estão integrados nos inversores, sem que seja necessário um comando de nivel superior ou uma comunicação directa entre os inversores. Além disso os inversores são equitativos quanto ao funcionamento, isto é, não existem dependências de acordo com o principio de principal/subordinado (Master/Slave) .

Os inversores WRi, WR2 e WR3 apresentam dispositivos de regulação, os quais detectam automaticamente a rede de bordo, isto é, a corrente eléctrica e a tensão no barramento 6, regulando, em particular, o correspondente inversor WRi, WR2 ou WR3 de tal modo que o mesmo sincroniza automaticamente com a rede. A Fig. 2 mostra esquematicamente como em principio esta regulação funciona. Como explicado, as tensões da rede e as correntes da rede são detectadas pelos inversores e por um módulo de cálculo 8 do dispositivo de regulação, com base nos seus valores caracteristicos são calculados os valores caracteristicos derivados, isto é, a potência activa e a potência reactiva bem como a frequência e a tensão de saída, as quais servem como variáveis de referência para a regulação que se segue. Assim a frequência calculada serve para a regulação da frequência por intermédio do regulador da potência activa 10 e a tensão calculada serve para a regulação da tensão por intermédio do regulador da potência reactiva 12. O regulador da potência activa 6 e o regulador da potência reactiva 8 são parte de um regulador primário 9. Este regulador primário considera as curvas de características estáticas, as quais são predeterminadas no inversor e são memorizadas numa memória do dispositivo de regulação. Esta é uma curva característica de potência reactiva da tensão (estática Q (Un) , a qual é utilizada para a regulação da tensão, bem como uma curva característica activa da frequência (estática P(f)), a qual é utilizada para a regulação da frequência.

Na Fig. 3 é representada de modo exemplif icativo do decurso da estática de frequência da potência activa. É correspondente o decurso da estática de tensão da potência reactiva. É importante que neste caso se tratem de curvas características em função da carga. Isto significa que a 14 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ curva característica não é uma constante, isto é, horizontal no diagrama, mas pelo contrário ocorre uma queda da tensão respectivamente da frequência com o aumento da carga. Só esta configuração das curvas caracteristicas permite que dois inversores com direcções de regulação idênticas se encontrem na rede de tal modo que estes podem de forma sincronizada alimentar em conjunto a rede eléctrica. As estáticas fixas impõem ao regulador o comportamento de um alternador síncrono regulado. A seguir é explicada de forma exemplificativa a regulação, em que por questões de simplificação só é considerada uma fase.

No caso base a tensão na rede possui a frequência f± e a amplitude Ui. As respectivas potências na rede são Pi e Qi (potência activa e potência reactiva). Quando da ligação de mais outra carga, as correntes são alteradas e as potências aumentam para P2 e Q2, a amplitude da tensão contínua por agora em Ui e a frequência permanece em flr dado que a corrente ou o inversor por si não pode causar quaisquer alterações destas grandezas. 0 mesmo fornece uma tensão de saída constante com uma frequência constante. Esta alteração só e possível pelas estáticas predeterminadas, a estática P(f) e a estática Q(Un). Pelas estáticas continuam, como variáveis de referência para o regulador de potência activa 10 e o regulador de potência reactiva 12, a ser registados Pi e Qi. As variáveis controladas alteraram-se para P2 e Q2 (medidas na rede, isto é no barramento 6) . Deste modo ocorre uma dispersão, que agora será regulada pelo regulador. Os reguladores de potência, isto é, o regulador de potência activa 10 e o regulador de potência reactiva 12, geram novos valores para Uq* e Θ* (u*) . Estes formam as variáveis de referência para os reguladores de tensão de saída 14, os quais nas suas bases ajustam as novas tensões de saída do inversor Us0nf 1, Us0n( 2 a Usoii, 3, no caso de uma rede trifásica. A partir da alteração temporal do ângulo Θ* resulta a alteração da frequência. A tensão na rede é alterada, a amplitude muda para U2, a frequência para Í2.

Devido ao decurso em queda das estáticas, isto tem como resultado que esta frequência e amplitude já não correspondem 15 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ aos valores nominais da rede pretendidos, contudo ocorrem divergências devido às estáticas. De modo a compensar as mesmas e poder disponibilizar uma elevada qualidade constante de rede, além da regulação primária está prevista ainda uma regulação secundária. Como representado na Fig. 2 estão previstas duas regulações secundárias, isto é, dois reguladores secundários 16, 18 para a regulação secundária da frequência (regulação secundária f) e a regulação secundária da tensão (regulação secundária U) . Estas regulações secundárias têm como consequência um desfasamento das estáticas armazenadas no regulador primário, isto é, na estática P(f) e na estática Q(Un). Isto é mostrado como exemplo com base na estática P(f) na Fig. 4. 0 desfasamento da estática Q(Un) realiza-se de forma correspondente. Este desfasamento tem como consequência que as curvas caracteristicas são novamente desfasadas para os valores nominais, de modo que, quando de uma carga determinada na rede podem ser mantidas a frequência predeterminada e a tensão predeterminada. Esta recuperação efectua-se nos reguladores secundários 16 e 18 por intermédio de um módulo de recuperação. 0 desfasamento da estática realizado por um regulador secundário de um inversor é pelos outros inversores ligados à rede interpretado como mudança brusca de potência, o que por seu lado leva a um desfasamento assimétrico de carga. Por este motivo a regulação secundária apresenta nos reguladores secundários 16 e 18 adicionalmente um módulo de equilibragem, respectivamente, o qual serve para alcançar na rede uma distribuição de carga equilibrada entre os inversores envolvidos. Neste caso deve ser considerado que também esta equilibragem se realiza entre os inversores sem comunicação directa ou comando de nível superior.

Para accionar também a equilibragem nos períodos, em que não ocorrem alternâncias de carga na rede, podem estar previstos, respectivamente, nos reguladores secundários 16 e 18 um módulo de "teste". Este provoca um desfasamento da estática P(f) para ίο,τ, respectivamente, da estática Q(Un) por υηο,τ· A recuperação da frequência ou da tensão é iniciada pelo módulo de recuperação. Efectua-se então a equilibragem 16

ΕΡ 1 933 451/PT por intermédio do módulo de equilibragem cuja estrutura de regulação base está representada na Fig. 5.

Quando dois inversores idênticos, por exemplo os inversores WRi e WR3, funcionarem num barramento 6 comum, a frequência inicial é no principio f0 e a potência activa Po. Quando agora a carga é aumentada para Pi, resulta neste caso um abaixamento da frequência para fi. Se agora, por exemplo, o dispositivo de regulação do primeiro inversor WRi reagir em primeiro lugar e recuperar novamente a frequência fo, o segundo inversor WR3 interpretará esta alteração de frequência como alteração de carga e baixa de modo correspondente o seu débito de potência. Isto resulta na distribuição desequilibrada da carga, mencionada anteriormente. Para a sua compensação é, quando da equilibragem, é seleccionado o valor Psoiis para 0. Devido ao aumento da carga na rede a relação da carga total em relação à carga individual do inversor P/PN torna-se maior e vice-versa o valor fos menor (quanto ao valor maior, contudo na zona negativa) . A frequência que já foi regulada pelo WRi, leva a que o valor é Fo'w= 0, isto é fo, já existe na rede. Apesar disso o WR3 tende, devido à equilibragem, agora a baixar a sua frequência para aumentar novamente a sua potência. Da frequência baixa resulta então no WRi uma subida da potência numa escala mais reduzida do que no WR2. O decurso tem assim como consequência uma recuperação renovada da frequência. Ocorre um movimento pendular entre a equilibragem e a recuperação, em que o movimento pendular de ambos se mantém até que a frequência nominal e a potência nominal estejam praticamente ajustadas a uma distribuição equilibrada da carga. Portanto quando do funcionamento paralelo de dois inversores WRi e WR3, da alteração de um dos inversores resulta sempre também a alteração do outro inversor, em que isto se realiza pelo controlo directo da rede pelo dispositivo de regulação de cada inversor.

Assim, os inversores individuais também poderão verificar a falha de um outro inversor com base nas alterações dos valores caracteristicos na rede, isto é, no barramento 6, e regular de modo correspondente a sua tensão de saida pela amplitude e pela frequência, para conservar a tensão nominal e a frequência nominal na rede. 17 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ A seguir é, além disso, explicado com base no circuito na Fig. 1 um conceito de protecção para a segurança da rede, 0 qual garante uma alimentação de corrente eléctrica praticamente sem interrupção, em particular, quando do mencionado funcionamento em paralelo de dois ou vários inversores num barramento. Para este efeito os disjuntores 1 a 5 estão equipados com detectores de medição ou sensores, os quais detectam a corrente eléctrica no ponto de comutação, transmitindo a mesma a um dispositivo de comando central não mostrado. Este realiza a avaliação, a qual pode reconhecer e localizar falhas, isto é, curto-circuitos na rede e pode então abrir de forma selectiva individualmente os disjuntores 1 a 5, para poder separar as partes da rede ou as redes parciais afectadas por um curto-circuito. Por intermédio deste conceito é salvaguardada a selectividade dos órgãos de protecção na totalidade da rede. 0 conceito de protecção baseia-se na consideração de que uma falha na rede, isto é, um curto-circuito, pode ser reconhecida e localizada por uma determinada combinação de correntes de curto-circuito nos pontos de medição individuais. Dado que aqui os pontos de medição estão integrados nos disjuntores, os mesmos estão situados nas localizações dos disjuntores. Poderão, no entanto, ser também previstos sensores ou detectores de medição separados noutros locais. 0 dispositivo de comando central consulta constantemente os valores da corrente eléctrica detectados nos pontos de medição dos disjuntores 1 a 5 e avalia os mesmos. Para este efeito os valores de medição podem, por exemplo, através de um sistema de barramentos, ser transmitidos dos disjuntores de comunicação ao dispositivo de comando central. Contudo podem ser também utilizadas outras vias de comunicação convencionais disponíveis entre disjuntores e o dispositivo de comando. A Fig. 6 mostra as combinações de correntes de curto-circuito que ocorrem numa disposição de circuitos de acordo com a Fig. 1, em que no funcionamento normal os disjuntores 1, 3, 4 e 5 estão fechados, isto é, as secções I, II e III estão interligados num barramento 6 comum e os inversores WRi e WR3 estão em funcionamento. 0 inversor WR2 é mantido como inversor de reserva, para quando um dos outros inversores 18 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ falhar, adoptar a função deste. Na tabela da Fig. 6 os locais de medição estão aplicados nos disjuntores 1 a 5 nas linhas e os locais de curto-circuito nos locais A, B e C, o que corresponde aos inversores WRi, WR2 e WR3, bem como nas derivações I, II e III do barramento 6 nas colunas. Na matriz resultante as correntes de curto-circuito que ocorrem estão registadas umas em relação às outras com o seu sinal, em que a definição da direcção da corrente pode ser deduzida das setas na Fig. 1.

Dado que o inversor WR2 é desligado pela abertura do disjuntor 2, não ocorrem na derivação B quaisquer correntes de curto-circuito. É reconhecível que, dependendo onde ocorrer o curto-circuito, no inversor WRi, isto é em A, no inversor WR3, isto é em C ou nas secções I, II ou III do barramento 2 nos locais de medição 1 até 5, ocorrem diferentes distribuições ou combinações de correntes de curto-circuito. A combinação de curto-circuitos representa em cada caso de curto-circuito uma determinada imagem da distribuição da corrente de curto-circuito, a qual está inequivocamente associada a um caso de curto-circuito. Assim a partir das correntes medidas nos locais de medição 1 a 5 pode ser determinado pela unidade de comando de forma inequívoca onde ocorreu o curto-circuito.

De forma correspondente pode então ser aberto o disjuntor adequado. Por exemplo, quando de um curto-circuito no inversor WRi, isto é, na localização A, é definida uma corrente negativa de curto-circuito no ponto de medição 1, no ponto de medição 2 nenhuma corrente de curto-circuito, no ponto de medição 3 uma corrente positiva de curto-circuito e no ponto de medição 4 e 5, respectivamente, a corrente negativa simples de curto-circuito. Para eliminar este caso de curto-circuito, o disjuntor 1 deve ser aberto. Na tabela na Fig. 6 os disjuntores, os quais devem ser abertos para os desligar da secção de rede com o curto-circuito, são assinalados com x. No caso de um curto-circuito ocorrer na secção do barramento II devem, por exemplo, ser abertos os disjuntores 4 e 5. 19 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ A tabela tal como é apresentada na Fig. 6, é armazenada no dispositivo de comando central e este compara as correntes medidas nos locais de medição 1 a 5 com a tabela. Se ocorrer uma combinação de correntes a qual é mencionada na tabela, o dispositivo de comando localiza deste modo um curto-circuito num determinado local e provoca o disparo dos disjuntores necessários, para separar as correspondentes partes da rede, afectadas pelo curto-circuito. Estes disjuntores estão na Fig. 6 assinados com x. A tabela mostrada na Fig. 6 refere-se ao caso em que os inversores WRi e WR3 estão em funcionamento. De modo correspondente, podem estar armazenadas tabelas adicionais, para o caso de estarem em funcionamento outras combinações dos inversores, em que o dispositivo de comando, dado que este abre e fecha os disjuntores, conhece quais os inversores que estão ligados à rede, podendo portanto recorrer à tabela correcta. Além disso podem ser também estabelecidas matrizes ou tabelas semelhantes às da Fig. 6 para falhas de corrente eléctrica nos conversores, disjuntores com defeito ou disjuntores que não disparem. As tabelas deste género estão representadas nas Figs. 7 a 9. Assim na Fig. 7 está listado, quais as correntes de curto-circuito que ocorrem nos locais de medição 1 a 5, caso um dos inversores WRi, WR2 ou WR3 (conversor 1, conversor 2 e conversor 3) falhe. Também aqui para a eliminação da falha, os disjuntores a serem abertos estão assinalados com x, dependente do local onde ocorreu o curto-circuito. A Fig. 8 mostra uma tabela, a qual considera o caso em que um dos disjuntores 1 a 4 está avariado, estando representados na tabela na Fig. 8 todos os cinco casos, isto é, o disjuntor 1 avariado, o disjuntor 2 avariado, o disjuntor 3 avariado, o disjuntor 4 avariado ou o disjuntor 5 avariado. Também aqui se parte do principio de que só os inversores WR3 e WR3 estão em funcionamento e o inversor WR2 está desligado como inversor de reserva, pela abertura do disjuntor 2. Também na tabela de acordo com a Fig. 8 os disjuntores, os quais para o caso individual de curto-circuito devem ser abertos para desligar a correspondente rede parcial, estão assinalados com x. Adicionalmente, estão assinalados com y, os disjuntores que devem ser abertos no 20 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ caso de um disjuntor, o qual deveria disparar, esteja avariado. Um problema deste género sucede, por exemplo, quando ocorre um curto-circuito no inversor WR3 e o disjuntor 3 estiver avariado. Em principio deveria para desligar o inversor WR3 ser aberto o disjuntor 3. Como se pode verificar na tabela na Fig. 8, na matriz em cima à direita, é então em alternativa aberto o disjuntor 5, para separar do barramento 6 uma zona parcial maior que está ligada ao inversor WR3. Mantém-se então somente uma rede parcial. É no entanto evitada uma falha total. A Fig. 9 mostra a combinação de correntes de curto-circuito para o caso de uma falha de um dos disjuntores após o disparo dos outros disjuntores envolvidos no processo de comutação. A Fig. 10 mostra esquematicamente uma execução adequada do programa no dispositivo de comando. Começa-se com a medição continua das correntes nos pontos de medição dos disjuntores, na Fig. 1 os pontos 1 a 5. Se for detectada uma determinada imagem de correntes de curto-circuito, de acordo com a tabela na Fig. 6, é no primeiro passo averiguado qual o disjuntor que deve ser aberto, para desligar parte da rede com o curto-circuito, como é explicado com base na Fig. 6. Isto efectua-se no passo Sl, a seguir efectua-se uma nova medição das correntes, se neste caso ainda se verificar um curto-circuito, é considerada uma nova tabela, na qual o disjuntor entretanto aberto é tido em consideração. Com base nesta nova tabela é então novamente verificado, qual o disjuntor que deve ser aberto. Isto efectua-se no passo S2, em que o respectivo disjuntor deve ser aberto de forma retardada. A seguir efectua-se uma nova medição das correntes. Se continua a existência de um caso de avaria, deve no fim do procedimento ser decidido se desligar o sistema. Se, quando da medição das correntes for verificado que as correntes estão novamente em curto-circuito, inicia-se novamente a execução do programa desde o inicio. Se no inicio quando da medição das correntes se verificar que uma das correntes é 0, isto é, que um conversor ou um disjuntor falhou, recorre-se a uma tabela correspondente alterada no passo Slb, a qual observa o disjuntor ou conversor avariado e a qual contém as correspondentes imagens das correntes de 21 ΕΡ 1 933 451/ΡΤ curto-circuito ou a correspondente distribuição das correntes de curto-circuito. Com base nesta tabela é controlado se acontece um curto-circuito, sendo no caso de um curto-circuito, o curto-circuito localizado e seleccionado o disjuntor a ser aberto. A seguir efectua-se novamente uma medição das correntes e para o caso do curto-circuito se continuar a manter, efectua-se no passo S2b um novo controlo com base numa nova tabela alterada correspondente ao passo S2 .

Na descrição anterior foi também explicado um exemplo de realização com base numa rede com três inversores e no total cinco disjuntores, deve ser entendido que aqui também podem funcionar redes com mais ou menos do que três inversores de acordo com o método descrito ou na disposição descrita. Em redes mais complexas podem ser também previstos mais de cinco disjuntores, em que o conceito de protecção da rede funciona de acordo com a descrição anterior com as tabelas correspondentemente mais complexas.

Lista dos números de referência 6 8 Barramento Módulo de cálculo 9 Regulador primário 10 Regulador de potência 12 activa Regulador de potência 14 reactiva Regulador de tensão de 16, 18 saída Regulador secundário WR1, WR2, -WR3 Inversores

Lisboa 2012-03-07

Claims (15)

1. ΕΡ 1 933 451/ΡΤ 1/4 REIVINDICAÇÕES 1 - Submarino equipado com uma rede eléctrica de bordo, a qual apresenta, pelo menos, dois inversores (WR1, WR2, WR3), os quais alimentam um barramento comum (6), em que cada um dos, pelo menos, dois inversores (WR1, WR2, WR3) , está equipado com um dispositivo de regulação independente, o qual está configurado para calcular os valores caracteristicos eléctricos actuais no barramento (6) e que apresenta um módulo de regulação, o qual está configurado para a regulação da tensão de saída com base nos valores caracteristicos e/ou valores caracteristicos derivados, em que o módulo de regulação apresenta um regulador primário (9), em que para o inversor (WR1, WR2, WR3) estão armazenados valores caracteristicos estáticos, com base nos quais são determinadas as variáveis de referência para o regulador primário, e estando cada dispositivo de regulação equipado com, pelo menos, um regulador secundário (16, 18), o qual com base nos valores caracteristicos ou nos valores caracteristicos derivados realiza um desfasamento paralelo de uma curva de caracteristica estática memorizada no regulador primário (9) para atingir os valores nominais, em particular, de frequência e de tensão com uma potência determinada, em que o regulador secundário está equipado com um dispositivo de equilibragem para equilibrar a distribuição da carga.
2. 2 - Submarino de acordo com a reivindicação 1, em que cada dispositivo de regulação apresenta um módulo de cálculo para o cálculo dos valores caracteristicos eléctricos, em particular, tensões da rede e correntes da rede no barramento (6) .
3. 3 - Submarino de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que cada dispositivo de regulação apresenta um módulo de cálculo (8) para cálculo de valores caracteristicos derivados, em particular, a potência activa e a potência reactiva, bem como a frequência e a tensão nos bornes de saída, com base nos valores caracteristicos eléctricos detectados.
4. 4 - Submarino de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que as curvas de características estáticas ΕΡ 1 933 451/PT 2/4 apresentam um diagrama de tensão-potência reactiva e/ou um diagrama de frequência-potência activa, a partir dos quais podem ser determinadas como variáveis de referência em função dos valores caracteristicos detectados e/ou dos valores caracteristicos derivados, a potência reactiva e/ou a potência activa são detectadas como variáveis de referência.
5. 5 - Submarino de acordo com a reivindicação 4, em que o regulador primário (9) apresenta um regulador de potência reactiva (12) e um regulador de potência activa (10).
6. 6 - Submarino de acordo com a reivindicação 5, em que o módulo de regulação apresenta um regulador de tensão de saída (14), ao qual são transmitidas as variáveis de regulação do regulador de potência reactiva (12) e do regulador de potência activa (10), em particular, a frequência e a tensão como variáveis de referência.
7. 7 - Submarino de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que o dispositivo de equilibragem detecta a relação entre a potência de saída do correspondente inversor (WR1, WR2, WR3) e a potência total no barramento (6), em função de uma alteração desta relação, efectua um desfasamento paralelo de uma curva de característica estática memorizada no regulador primário (9) para atingir os valores nominais, em particular, da frequência e da tensão, com uma potência estabelecida.
8. 8 - Submarino de acordo com uma das reivindicações anteriores, em que no dispositivo de regulação estão previstos dois reguladores secundários (16, 18), um dos quais serve para a regulação da frequência e o outro para a regulação da tensão.
9. 9 - Submarino de acordo com uma das reivindicações anteriores equipado com uma rede eléctrica de bordo, a qual está subdividida em várias redes parciais (A, B, C, I, II, III), as quais estão protegidas, respectivamente, por, pelo menos, um disjuntor (1, 2, 3, 4, 5), em que as redes parciais (A, B, C, I, II, III) individuais estão equipadas com sensores (1, 2, 3, 4, 5) para detecção ΕΡ 1 933 451/ΡΤ 3/4 dos dados característicos das redes parciais individuais (A, B, C, I, II, III), os sensores e os disjuntores (1, 2, 3, 4, 5) comunicam com um dispositivo de comando comum, e os disjuntores (1, 2, 3, 4, 5) podem ser comutados de forma selectiva pelo dispositivo de comando, em função dos dados caracteristicos reais detectados,.
10. 10 - Submarino de acordo com a reivindicação 9, em que os dados caracteristicos das redes parciais (A, B, C, I, II, III) individuais compreendem as correntes eléctricas das redes parciais individuais.
11. 11 - Submarino de acordo com a reivindicação 9 ou 10, em que no dispositivo de comando está armazenada, pelo menos, uma tabela, na qual as correntes de curto-circuito ou a sua relação umas com as outras que ocorrem nas redes parciais (A, B, C, I, II, III) individuais e/ou nos correspondentes sensores (1, 2, 3, 4, 5), respectivamente, estão memorizadas para um caso de curto-circuito numa das redes parciais (A, B, C, I, II, III) .
12. 12 - Submarino de acordo com a reivindicação 11, em que o dispositivo de comando está configurado de tal modo que a localização do caso de curto-circuito é efectuado por intermédio da associação da combinação que ocorre das correntes de curto-circuito com base nas tabelas armazenadas e após o que o respectivo disjuntor (1, 2, 3, 4, 5) pode ser comutado pelo dispositivo de comando localizado para corte da rede parcial (A, B, C, I, II, III), na qual foi localizado o caso de curto-circuito.
13. 13 - Submarino de acordo com a reivindicação 11 ou 12, em que no dispositivo de comando está(ão) armazenada(s) uma ou várias tabelas, em que, no caso de curto-circuito numa das redes parciais (A, B, C, I, II, III) as correntes de curto-circuito ou a sua relação mútua que ocorrem nas redes parciais individuais (A, B, C, I, II, III) e/ou nos respectivos sensores são registadas, para o caso de um ou vários disjuntores (1, 2, 3, 4, 5) estarem abertos. ΕΡ 1 933 451/ΡΤ 4/4
14. 14 - Submarino de acordo com a reivindicação 13, em que o dispositivo de comando está configurado de tal modo que, após a comutação de um disjuntor (1, 2, 3, 4, 5) para corte de uma rede parcial (A, B, C, I, II, III), para a subsequente localização dos casos de curto-circuito ser utilizada uma tabela correspondente, a qual tem em conta o estado aberto do disjuntor.
15. 15 - Submarino de acordo com uma das reivindicações 9 até 12, em que os sensores estão integrados nos disjuntores d, 2, 3, 4, 5) . Lisboa, 2012-03-07