PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 10/16. JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL PATRYK STRANKOWSKI, Kościerzyna, PL

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02J 3/01 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Pięciofazowy zintegrowany filtr sinusoidalny i składowej wspólnej falownika napięcia (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 10/16 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 07/17 (72) Twórca(y) wynalazku: JAROSŁAW GUZIŃSKI, Gdańsk, PL PATRYK STRANKOWSKI, Kościerzyna, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest pięciofazowy zintegrowany filtr sinusoidalny i składowej wspólnej falownika napięcia. Znajduje on zastosowanie w elektrycznych układach napędowych z pięciofazowymi silnikami indukcyjnymi lub synchronicznymi, w których silnik zasilany jest z tranzystorowego falownika napięcia pracującego z modulacją szerokości impulsów. Takie układy napędowe powszechnie nazywane są napędami przekształtnikowymi. W układach przekształtnikowych występują duże stromości napięć, które są przyczyną wielu niekorzystnych efektów: prądów łożyskowych, uszkodzeń łożysk silników, przyspieszonej degradacji izolacji maszyn elektrycznych, przepięć, zakłóceń elektromagnetycznych. Do eliminacji tych niekorzystnych zjawisk stosuje się różnego rodzaju filtry bierne, odpowiednio do rodzaju zjawisk. Znane są filtry sinusoidalne wyjściowe falowników napięcia, które są obwodem elektrycznym z połączonymi indukcyjnościami L i pojemnościami C o parametrach dobieranych tak, aby uzyskać charakterystykę filtru dolnoprzepustowego. Indukcyjności są dławikami z jednym uzwojeniem. Filtry sinusoidalne mają charakterystykę filtrów dolnoprzepustowych odcinających wyższe harmoniczne o częstotliwości przełączeń tranzystorów falownika. Jednak całkowite wyeliminowanie tych wyższych harmonicznych nie jest możliwe jedynie przy zastosowaniu filtrów o charakterystyce dolnoprzepustowej, gdyż ograniczony musi być dopuszczalny spadek napięcia na filtrze. Zbyt duży spadek napięcia powoduje, że silnik nie może być zasilany napięciem znamionowym. Znane są też filtry składowej wspólnej, których zadaniem jest zwiększenie impedancji obwodu elektrycznego dla składowej wspólnej prądu. W filtrach składowej wspólnej stosowane są najczęściej dławiki toroidalne o trzech cewkach. Zarówno filtry sinusoidalne, jak i filtry składowej wspólnej, włączane są szeregowo w obwód elektryczny pomiędzy zaciski wyjściowe falownika, a zaciski wejściowe silnika. Ponadto znane są transformatory składowej wspólnej, które składają się z trzech symetrycznych uzwojeń pierwotnych oraz jednego uzwojenia wtórnego. Uzwojenia transformatora nawijane są na rdzeniu toroidalnym. Uzwojenia pierwotne włączane są szeregowo w obwód między falownik a silnik, natomiast do uzwojenia wtórnego dołączany jest rezystor. Znane są też rozwiązania filtrów składowej wspólnej, w których tworzy się alternatywny obwód niskoimpedanycyjny dla składowej wspólnej prądu. Takie rozwiązania filtrów składowej wspólnej nie umożliwiają eliminacji składowej wspólnej napięcia, a jedynie jej ograniczenie. Ponadto, aby wyeliminować wszystkie znane niekorzystne efekty zasilania przekształtnikowego silników elektrycznych muszą być stosowane zarówno filtry sinusoidalne, jak i filtry składowej wspólnej. Dotychczasowe znane filtry są przeznaczone jedynie do trójfazowych falowników i silników, i dlatego nie nadają się do coraz częściej spotykanych napędów elektrycznych pięciofazowych. Napędy pięciofazowe mają szereg bardzo korzystnych właściwości: większą niezawodność, mniejsze obciążenie przekształtnika, większy moment napędowy silnika, mniejsze drgania wału i mniejszy hałas. Celem wynalazku jest praktycznie całkowite wyeliminowanie niedogodności znanych rozwiązań filtrów przez wprowadzenie nowej topologii pięciofazowego zintegrowanego filtru sinusoidalnego i składowej wspólnej. Cel ten został osiągnięty przez zastosowanie dławików z podwójnymi uzwojeniami, oraz odpowiedniej topologii połączeń. Pięciofazowy zintegrowany filtr sinusoidalny i składowej wspólnej falownika napięcia charakteryzuje się według wynalazku tym, że pomiędzy falownikiem napięcia a silnikiem elektrycznym w każdą gałąź poprzeczną włączony jest dławik jednozwojowy połączony szeregowo z kondensatorem. Parametry dławika jednozwojowego i kondensatora dobrane są tak, aby tworzyły obwód rezonansowy o częstotliwości przełączeń tranzystorów falownika napięcia. Całość gałęzi poprzecznych połączona jest w gwiazdę. W każdą gałąź podłużną włączony jest dławik posiadający uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne. Uzwojenia pierwotne włączone są szeregowo w każdą z faz silnika elektrycznego. Uzwojenia wtórne wzajemnie połączone są szeregowo i tworzą obwód włączony z jednej strony do punktu neutralnego gałęzi poprzecznych filtru, a z drugiej strony do obwodu zasilania falownika napięcia. Zachowana jest kolejność początków i końców uzwojeń wtórnych dławików umożliwiająca kompensowanie składowej wspólnej napięcia w punkcie neutralnym. Indukcyjność każdego uzwojenia wtórnego nie przekracza 10% indukcyjności każdego uzwojenia pierwotnego.

3 PL B1 3 Podstawową zaletą zintegrowanego filtru według wynalazku jest uproszczenie konstrukcji filtrów wyjściowych falownika przez zastosowanie filtru mającego właściwości zarówno filtru sinusoidalnego, jak i filtru składowej wspólnej. W ten sposób ograniczono ilość użytych elementów magnetycznych, co powoduje, że taki zintegrowany filtr będzie mniejszy i tańszy w porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami. Dodatkowo przez zastosowanie dławików z podwójnym uzwojeniem praktycznie całkowicie eliminuje się składową wspólną napięcia, a tym samym wyeliminowana zostaje składowa wspólna prądu. Zintegrowany filtr według wynalazku umożliwia praktyczne wyeliminowanie wyższych harmonicznych, będących rezultatem przełączeń tranzystorów, w napięciu i prądzie zasilania silnika dzięki zastosowaniu filtru rezonansowego w gałęzi poprzecznej filtru. W ten sposób nie zwiększa się spadku napięcia zasilania silnika i ogranicza straty mocy w filtrze. Wynalazek jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie zintegrowany filtr w przekształtnikowym układzie napędowym z pięciofazowym falownikiem napięcia i pięciofazowym silnikiem indukcyjnym. Na rysunku przedstawiono schematycznie układ składający się z filtru 1 będącego przedmiotem wynalazku, falownika napięcia 2 oraz pięciofazowego silnika indukcyjnego 3. Fazy układu umownie oznaczono: A, B, C, D i E. Filtr składa się z pięciu jednakowych dławików 4. Każdy z dławików 4 ma dwa uzwojenia: pierwotne P oraz wtórne W. Początki uzwojeń P dołączone są do zacisków wyjściowych falownika 2. Końce uzwojeń wtórnych W dołączone są do zacisków wejściowych silnika 3 oraz do gałęzi poprzecznej filtru zawierającej szeregowo połączone kondensatory 5 i dławiki jednozwojowe 6. Gałąź poprzeczna filtru 1 połączona jest w gwiazdę. Wspólny punkt połączenia elementów gałęzi poprzecznej filtru oznaczony jest jako 7. Uzwojenia wtórne W dławików 4 połączone są szeregowo w ten sposób, że początek uzwojenia wtórnego W danego dławika 4 jest połączony z końcem uzwojenia wtórnego W kolejnego dławika 4, a zatem początek uzwojenia wtórnego W dławika 4 fazy A połączony jest z końcem uzwojenia wtórnego W dławika 4 fazy B itd. Początek uzwojenia wtórnego W dławika 4 fazy E dołączony jest do wspólnego połączenia 7 elementów gałęzi poprzecznej filtru 1. Koniec uzwojenia wtórnego W dławika 4 fazy A dołączony jest do obwodu wejściowego falownika 2 do punktu 8 dzielonej baterii kondensatorów 9, 10, która składa się z dwóch zastępczych pojemności 9 oraz 10. Każda spośród pięciu gałęzi podłużnych filtru 1 składa się z szeregowo połączonych kondensatorów 5 oraz dławików jednozwojowych 6. Nie ma znaczenia kolejność połączenia kondensatora 5 i dławika 6 w poszczególnych gałęziach. Podstawowe działanie wygładzające filtru 1 jest realizowane przez układ z cewkami W dławików 4 i kondensatorami 5. Elementy te tworzą filtr dolnoprzepustowy ograniczający wyższe harmoniczne napięcia i prądu zasilania silnika wynikające z częstotliwości przełączeń tranzystorów ƒ imp falownika 2. Kondensatory 5 oraz dławiki 6 tworzą filtr o częstotliwości rezonansowej ƒ rez : ƒ rez = 1 2 C 5 L 6 gdzie C 5 jest pojemnością kondensatora 5 natomiast L 6 jest indukcyjnością dławika 6. Z dokładnością nie gorszą od 10% spełniony musi być warunek, że ƒ rez = ƒ imp Dzięki zastosowaniu filtru rezonansowego, składającego się z kondensatorów 5 i dławików jednozwojowych 6, praktycznie całkowicie eliminowane są harmoniczne napięcia i prądu o częstotliwości ƒ imp przełączeń tranzystorów falownika 2. Indukcyjność L 4W uzwojenia W dławika 4 ma wartość spełniającą warunek: L 4W 10% L 4P gdzie L 4P jest indukcyjnością uzwojenia pierwotnego P dławika 4. Wszystkie dławiki, zarówno 4 jak i 5 mają rdzenie ferromagnetyczne. Uzwojenia P i W dławików 4 nawinięte są tak, aby współczynnik k sprzężenia uzwojeń pierwotnych P oraz wtórnych W spełniał warunek k 95%. Działanie eliminujące składową wspólną napięcia jest zapewnione przez uzwojenia wtórne W dławików 4 włączone w sposób pokazany na rysunku. Napięcie między punktami 7 oraz 8 jest napięciem składowej wspólnej. Przy połączeniu między 7 i 8 szeregowo połączonych uzwojeń W dławików 4 następuje przepływ prądu przez wszystkie uzwojenia wtórne W. Ponieważ uzwojenia wtórne W oraz pierwotne P są magnetycznie sprzężone, to w uzwojenia pierwotne P indukują się napięcia przeciwne

4 4 PL B1 do napięcia składowej wspólnej falownika 2. Konieczne przy tym jest takie połączenie początków i końców uzwojeń dławików 4 jak wyjaśniono wcześniej i pokazano na rysunku. Dzięki temu wypadkowe napięcie składowej wspólnej silnika 3 jest praktycznie równe zeru i w silniku nie płyną praktycznie żadne prądy upływnościowe. W celu tłumienia niepożądanych rezonansów w filtrze 1 możliwe jest włączenie w gałęzi poprzecznej filtru oporników o rezystancji: R T 10% Z 0 gdzie Z 0 jest impedancją falową filtru sinusoidalnego. Aby ograniczyć prąd w uzwojeniach wtórnych dławików 4 należy włączyć w szereg z uzwojeniami wtórnymi W rezystancję R 0 20% Z 0. Zastosowanie R T oraz R 0 nie wpływa na istotę wynalazku. Zastrzeżenie patentowe 1. Pięciofazowy zintegrowany filtr sinusoidalny i składowej wspólnej falownika napięcia, znamienny tym, że pomiędzy falownikiem napięcia (2) a silnikiem elektrycznym (3) w każdą gałąź poprzeczną włączony jest dławik jednozwojowy (6) połączony szeregowo z kondensatorem (5) o parametrach dobranych tak, aby tworzyły obwód rezonansowy o częstotliwości przełączeń tranzystorów falownika napięcia (2), przy czym całość gałęzi poprzecznych połączona jest w gwiazdę, a w każdą gałąź podłużną włączony jest dławik (4) posiadający uzwojenie pierwotne (P) i uzwojenie wtórne (W), przy czym uzwojenia pierwotne (P) włączone są szeregowo w każdą z faz silnika elektrycznego (3), natomiast uzwojenia wtórne (W) wzajemnie połączone są szeregowo i tworzą obwód włączony z jednej strony do punktu neutralnego (7) gałęzi poprzecznych filtru (1), a z drugiej strony do obwodu zasilania falownika napięcia (2), przy czym zachowana jest kolejność początków i końców uzwojeń wtórnych (W) dławików (4) umożliwiająca kompensowanie składowej wspólnej napięcia w punkcie neutralnym (7), zaś indukcyjność każdego uzwojenia wtórnego (W) nie przekracza 10% indukcyjności każdego uzwojenia pierwotnego (P).

5 PL B1 5 Rysunek

6 6 PL B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)