PL B1. C & T ELMECH SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Pruszcz Gdański, PL BUP 07/10

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H02M 7/48 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Układ falownika wielopoziomowego zwłaszcza podwyższającego napięcie (73) Uprawniony z patentu: C & T ELMECH SPÓŁKA Z OGRANICZONĄ ODPOWIEDZIALNOŚCIĄ, Pruszcz Gdański, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 07/10 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 01/14 (72) Twórca(y) wynalazku: RYSZARD STRZELECKI, Gdynia, PL MAREK ADAMOWICZ, Gdynia, PL BOGDAN BAŁKOWSKI, Gdańsk, PL NATALIA STRZELECKA, Gdynia, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Czesław Popławski

2 2 PL B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest układ falownika wielopoziomowego zwłaszcza podwyższającego napięcie. Znajduje on zastosowanie do przekształcania energii elektrycznej ze źródeł niskiego napięcia stałego, zwłaszcza akumulatorów, ogniw paliwowych i fotowoltaicznych w energię elektryczną dla odbiorników prądu przemiennego. Znany jest z patentu nr US Voltage balanced multilevel voltage source converter system oraz z publikacji J. Iwaszkiewicz: Modele matematyczne energoelektronicznych przekształtników wielopoziomowych. Analiza właściwości i zastosowanie, Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 226, Warszawa, 2006 układ falownika wielopoziomowego z diodami poziomującymi napięcie składającego się z co najmniej jednej gałęzi fazowej i jednego zacisku wyjściowego na każdą fazę. Wybrana gałąź falownika składa się z liczby łączników półprzewodnikowych dwukrotnie większej od liczby kondensatorów dzielnika napięcia w obwodzie pośredniczącym. Ponadto falownik wielopoziomowy składa się z wielu szyn wejściowych dodatnich i ujemnych przyłączonych do kondensatorów obwodu pośredniczącego za pomocą zacisków węzłowych. Kondensatory obwodu pośredniczącego pełnią rolę magazynów energii i są połączone szeregowo ze sobą tworząc dzielnik napięcia. Zaciski węzłowe poszczególnych wyjść dzielnika połączone są z zaciskami węzłowymi diod poziomujących połączonych w grupy. Działanie poziomujące diod poziomujących polega na ograniczeniu napięcia na poszczególnych łącznikach półprzewodnikowych do poziomu napięcia źródła podzielonego przez liczbę stopni dzielnika napięcia. Niedogodnością powyższego układu jest to, że napięcie wyjściowe jest zawsze mniejsze od sumy napięć na kondensatorach. Nie można podwyższać napięcia wyjściowego powyżej wartości sumy napięć na zaciskach węzłowych, a maksymalna wartość napięcia na zaciskach węzłowych falownika nie może być podwyższana za pomocą odpowiednich sposobów sterowania łącznikami energoelektronicznymi falownika wielopoziomowego. Znany jest z patentu WO Impedance Power Converter korzystne połączenie falownika ze źródłem energii za pomocą łącznika blokującego w wyniku czego uzyskuje się źródło energii z łącznikiem blokującym. Przy czym łącznik blokujący może mieć postać diody wejściowej, mostka diodowego bądź tranzystora IGBT z diodą zwrotną. Układ źródła z łącznikiem blokującym zapewnia zabezpieczenie przed zniszczeniem źródeł energii w postaci ogniw fotowoltaicznych oraz innych źródeł energii o jednokierunkowym przepływie energii elektrycznej. Znany jest ze zgłoszenia patentowego P opublikowanego w Biuletynie Urzędu Patentowego 26/2007 układ wielopoziomowego wielofazowego falownika zasilanego z wielu źródeł, zwłaszcza źródeł o różnym napięciu i niepołączonych między sobą bezpośrednio, w którym kondensatory obwodu pośredniczącego zastąpiono n czwórnikami impedancyjnymi, gdzie n - jest liczbą całkowitą o jeden mniejszą od liczby poziomów falownika, włączonych pomiędzy p zacisków węzłowych a 2n zacisków n źródeł napięcia, gdzie p - liczba całkowita równa liczbie poziomów wielopoziomowego falownika. Czwórniki impedancyjne składają się z co najmniej dwóch kondensatorów włączonych równolegle między zaciski górne i dolne czwórnika oraz co najmniej dwóch induktorów włączonych szeregowo między zaciski odpowiednio dolne i górne czwórnika. Wykorzystanie powyższego układu pozwala ponadto na przekształcanie energii z różnych źródeł energii niskiego napięcia, nie połączonych ze sobą, za pomocą jednego falownika wielopoziomowego i umożliwia podwyższanie napięcia wyjściowego w stosunku do sumy napięć źródeł energii, przy czym podwyższanie napięcia na zaciskach wejściowych odbywa się przy wykorzystaniu odpowiedniego sposobu sterowania łączników energoelektronicznych falownika. Niedogodnością powyższego układu jest brak możliwości przekształcania energii ze źródeł połączonych ze sobą oraz brak punktów wspólnego potencjału źródeł, czwórników impedancyjnych i gałęzi falownika, który umożliwiałby poprawę bezpieczeństwa pracy poprzez uziemienie układu i zmniejszenie emisji zaburzeń elektromagnetycznych. Układ falownika wielopoziomowego zwłaszcza podwyższającego napięcie charakteryzuje się według wynalazku tym, że składa się z pierwszej pary dławików sprzężonych oraz pierwszego kondensatora, które połączone są wzajemnie ze sobą i włączone między pierwszy zacisk węzłowy, drugi zacisk węzłowy i pierwszy zacisk źródła z łącznikiem blokującym oraz z drugiej pary dławików sprzężonych oraz drugiego kondensatora, które połączone są wzajemnie ze sobą i włączone między drugi zacisk węzłowy, trzeci zacisk węzłowy i drugi zacisk źródła z łącznikiem blokującym. Pierwszy kondensator i drugi kondensator są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym.

3 PL B1 3 W odmianie wynalazku układ falownika wielopoziomowego zwłaszcza podwyższającego napięcie charakteryzuje się tym, że składa się z pierwszej pary dławików sprzężonych oraz pierwszego kondensatora, które połączone są wzajemnie ze sobą i włączone pomiędzy pierwszy zacisk węzłowy i drugi zacisk węzłowy z jednej strony, a zaciski pierwszego źródła z łącznikiem blokującym z drugiej strony oraz z drugiej pary dławików sprzężonych oraz drugiego kondensatora, które połączone są wzajemnie ze sobą i włączone pomiędzy drugi zacisk węzłowy i trzeci zacisk węzłowy z jednej strony, a zaciski drugiego źródła z łącznikiem blokującym z drugiej strony. Pierwszy kondensator i drugi kondensator są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym oraz zaciskiem wspólnym dla obydwu źródeł energii z łącznikami blokującymi. Korzystną cechą wynalazku jest możliwość podwyższania napięcia wyjściowego falownika w stosunku do napięcia lub sumy napięć źródeł energii z łącznikami blokującymi przy zmniejszonej liczbie wymaganych elementów pasywnych obwodu pośredniczącego w porównaniu z dotychczas stosowanymi układami falowników wielopoziomowych podwyższających napięcie. Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy falownika wielopoziomowego podwyższającego napięcie zasilanego z jednego źródła z łącznikiem blokującym, a fig. 2 - w sposób schematyczny przedstawia schemat ideowy falownika wielopoziomowego podwyższającego napięcie zasilanego z dwóch źródeł z łącznikami blokującymi. P r z y k ł a d I Wielopoziomowy falownik o liczbie faz równej 3 i liczbie poziomów równej 3 składa się ze źródła energii z łącznikiem blokującym ZB, z pierwszej pary dławików sprzężonych L1, L2 o sprzężeniu SP1, pierwszego kondensatora K1, drugiej pary dławików sprzężonych L3, L4 o sprzężeniu SP2, drugiego kondensatora K2, trzech zacisków węzłowych ZW1, ZW2, ZW3, dwunastu sterowanych łączników półprzewodnikowych S11, S12, S13, S14, S15, S16, S21, S22, S23, S24, S25, S26, sześciu diod poziomujących D11, D12, D13, D21, D22, D23, filtra wyjściowego F i obciążenia O. Początek dławika sprzężonego L1, koniec dławika sprzężonego L2 i górny zacisk kondensatora K1 są połączone wzajemnie ze sobą. Początek dławika sprzężonego L3, koniec dławika sprzężonego L4 i dolny zacisk kondensatora K2 są połączone wzajemnie ze sobą. Dolny zacisk kondensatora K1 i górny zacisk kondensatora K2 są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW2. Koniec dławika sprzężonego L1 jest połączony z zaciskiem Z1 źródła energii z łącznikiem blokującym ZB. Koniec dławika sprzężonego L3 jest połączony z zaciskiem Z2 źródła energii z łącznikiem blokującym ZB. Początek dławika sprzężonego L2 jest połączony z zaciskiem węzłowym ZW1. Początek dławika sprzężonego L4 jest połączony z zaciskiem węzłowym ZW3. Sterowane łączniki półprzewodnikowe S11, S14, S21, S24 są połączone szeregowo tworząc pierwszą gałąź fazową. Sterowane łączniki półprzewodnikowe S12, S15, S22, S25 są połączone szeregowo tworząc drugą gałąź fazową. Sterowane łączniki półprzewodnikowe S13, S16, S23, S26 są połączone szeregowo tworząc trzecią gałąź fazową. Górne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych S11, S12 i S13 stanowiące górne końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW1. Dolne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych S24, S25 i S26 stanowiące dolne końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW3. Trzy fazy filtra wyjściowego F są włączone odpowiednio pomiędzy łączniki S14 i S21, łączniki S15 i S22 oraz łączniki S16 i S23. Filtr wyjściowy F jest połączony z obciążeniem O. Początki diod poziomujących D11, D12, D13 są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW2. Końce diod poziomujących D21, D22, D23 są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW2. Koniec diody poziomującej D11 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S11 i S14. Koniec diody poziomującej D12 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S12 i S15. Koniec diody poziomującej D13 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S13 i S16. Początek diody poziomującej D22 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S22 i S25. Początek diody poziomującej D23 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S23 i S26. P r z y k ł a d II Wielopoziomowy falownik o liczbie faz równej 3 i liczbie poziomów równej 3 składa się z dwóch źródeł energii z łącznikami blokującymi ZB1, ZB2, z pierwszej pary dławików sprzężonych L1, L2 o sprzężeniu SP1, pierwszego kondensatora K1, drugiej pary dławików sprzężonych L3, L4 o sprzężeniu SP2, drugiego kondensatora K2, trzech zacisków węzłowych ZW1, ZW2, ZW3, dwunastu sterowanych łączników półprzewodnikowych S11, S12, S13, 814, S15, S16, S21, S22, S23, S24, S25, S26, sześciu diod poziomujących D11, D12, D13, D21, D22, D23, filtra wyjściowego F i obciążenia O.

4 4 PL B1 Źródła energii z łącznikami blokującymi ZB1, ZB2 są połączone ze sobą i z zaciskiem Z2. Początek dławika sprzężonego L1, koniec dławika sprzężonego L2 i górny zacisk kondensatora K1 są połączone wzajemnie ze sobą. Początek dławika sprzężonego L3, koniec dławika sprzężonego L4 i dolny zacisk kondensatora K2 są połączone wzajemnie ze sobą. Dolny zacisk kondensatora K1 i górny zacisk kondensatora K2 są połączone ze sobą, z zaciskiem Z2 źródeł energii z łącznikami blokującymi ZB1, ZB2 i z zaciskiem węzłowym ZW2. Koniec dławika sprzężonego L1 jest połączony z zaciskiem Z1 pierwszego źródła energii z łącznikiem blokującym ZB1. Koniec dławika sprzężonego L3 jest połączony z zaciskiem Z3 drugiego źródła energii z łącznikiem blokującym ZB2. Początek dławika sprzężonego L2 jest połączony z zaciskiem węzłowym ZW1. Początek dławika sprzężonego L4 jest połączony z zaciskiem węzłowym ZW3. Sterowane łączniki półprzewodnikowe S11, S14, S21, S24 są połączone szeregowo tworząc pierwszą gałąź fazową. Sterowane łączniki półprzewodnikowe S12, S15, S22, S25 są połączone szeregowo tworząc drugą gałąź fazową. Sterowane łączniki półprzewodnikowe S13, S16, S23, S26 są połączone szeregowo tworząc trzecią gałąź fazową. Górne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych S11, S12 i S13 stanowiące górne końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW1. Dolne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych S24, S25 i S26 stanowiące dolne końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW3. Trzy fazy filtra wyjściowego F są włączone odpowiednio pomiędzy łączniki S14 i S21, łączniki S15 i S22 oraz łączniki S16 i S23. Filtr wyjściowy F jest połączony z obciążeniem O. Początki diod poziomujących D11, D12, D13 są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW2. Końce diod poziomujących D21, D22, D23 są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW2. Koniec diody poziomującej D11 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S11 i S14. Koniec diody poziomującej D12 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S12 i S15. Koniec diody poziomującej D13 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S13 i S16. Początek diody poziomującej D22 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S22 i S25. Początek diody poziomującej D23 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S23 i S26. Zastrzeżenia patentowe 1. Układ falownika wielopoziomowego zwłaszcza podwyższającego napięcie składający się ze źródła energii z łącznikiem blokującym, z filtra wyjściowego, z trzech zacisków węzłowych, z diod poziomujących, z identycznych gałęzi fazowych o liczbie odpowiadającej liczbie faz falownika, przy czym każda gałąź fazowa składa się ze sterowanych łączników półprzewodnikowych i przy czym skrajne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach gałęzi fazowych połączone są bezpośrednio z zaciskami węzłowymi, zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujących się w środkowych częściach gałęzi fazowych połączone są z filtrem wyjściowym, a zaciski pozostałych sterowanych łączników półprzewodnikowych gałęzi fazowych połączone są z zaciskami węzłowymi za pośrednictwem diod poziomujących a diody poziomujące połączone są ze sobą szeregowo parami, przy czym każda para diod poziomujących ma punkt połączenia w zacisku węzłowym, znamienny tym, że składa się z pierwszej pary dławików sprzężonych (L1, L2) oraz pierwszego kondensatora (K1) połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych między pierwszy zacisk węzłowy (ZW1), drugi zacisk węzłowy (ZW2) i pierwszy zacisk (Z1) źródła z łącznikiem blokującym (ZB) oraz z drugiej pary dławików sprzężonych (L3, L4) oraz drugiego kondensatora (K2) połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych między drugi zacisk węzłowy (ZW2), trzeci zacisk węzłowy (ZW3) i drugi zacisk (Z2) źródła z łącznikiem blokującym (ZB), przy czym pierwszy kondensator (K1) i drugi kondensator (K2) są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym (ZW2). 2. Układ falownika wielopoziomowego zwłaszcza podwyższającego napięcie składający się z dwóch źródeł energii z łącznikami blokującymi, z filtra wyjściowego, z trzech zacisków węzłowych, z diod poziomujących, z identycznych gałęzi fazowych o liczbie odpowiadającej liczbie faz falownika, przy czym każda gałąź fazowa składa się ze sterowanych łączników półprzewodnikowych w liczbie dwukrotnie większej od liczby źródeł energii z łącznikami blokującymi, przy czym skrajne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach gałęzi fazowych połączone są bezpośrednio z zaciskami węzłowymi, zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujących się w środkowych częściach gałęzi fazowych połączone są z filtrem wyjściowym, a zaciski pozostałych sterowanych łączników półprzewodnikowych gałęzi fazowych połączone są

5 PL B1 5 z zaciskami węzłowymi za pośrednictwem diod poziomujących a diody poziomujące połączone są ze sobą szeregowo parami, przy czym każda para diod poziomujących ma punkt połączenia w zacisku węzłowym, znamienny tym, że składa się z pierwszej pary dławików sprzężonych (L1, L2) oraz pierwszego kondensatora (K1) połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych pomiędzy pierwszy zacisk węzłowy (ZW1) i drugi zacisk węzłowy (ZW2) z jednej strony a zaciski (Z1, Z2) pierwszego źródła z łącznikiem blokującym (ZB1) z drugiej strony oraz z drugiej pary dławików sprzężonych (L3, L4) oraz drugiego kondensatora (K2) połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych pomiędzy drugi zacisk węzłowy (ZW2) i trzeci zacisk węzłowy (ZW3) z jednej strony a zaciski (Z2, Z3) drugiego źródła z łącznikiem blokującym (ZB2) z drugiej strony, przy czym pierwszy kondensator (K1) i drugi kondensator (K2) są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym (ZW2) oraz zaciskiem (Z2) wspólnym dla obydwu źródeł energii z łącznikami blokującymi (ZB1, ZB2). Rysunki

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