PL B1. Układ falownika obniżająco-podwyższającego zwłaszcza przeznaczonego do jednostopniowego przekształcania energii

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 obniżająco-podwyższającego zwłaszcza przeznaczonego do jednostopniowego przekształcania energii (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 obniżająco-podwyższającego zwłaszcza przeznaczonego do jednostopniowego przekształcania energii. Znajduje on zastosowanie do jednostopniowego przekształcania energii elektrycznej ze źródeł energii niskiego napięcia bądź magazynów energii niskiego napięcia w energię elektryczną napięcia przemiennego odbiorników napięcia przemiennego jedno i wielofazowych. Znanymi układami przekształcającymi energię elektryczną ze źródeł napięcia stałego w energię elektryczną napięcia przemiennego są falowniki napięcia PWM. Falowniki napięcia PWM składają się z identycznych gałęzi fazowych, które zawierają sterowane łączniki energoelektroniczne. Znane są sterowane łączniki energoelektroniczne w falownikach napięcia składające się z tranzystorów połączonych odwrotnie równolegle z diodami. Liczba gałęzi fazowych falowników napięcia odpowiada liczbie faz napięcia wyjściowego. Początki i końce gałęzi fazowych są połączone odpowiednio z szyną ujemną bądź szyną dodatnią źródła napięcia stałego bądź magazynu energii napięcia stałego. Znanym magazynem energii falownika napięcia jest kondensator. Przy jednostopniowym przekształcaniu energii przez falownik napięcia napięcie na wyjściu falownika jest niższe niż na szynach połączonych z gałęziami falownika. Znanymi układami przekształtnikowymi obniżająco-podwyższającymi napięcie, służącymi do przekształcania energii elektrycznej ze źródeł niskiego napięcia stałego (np. baterii akumulatorów, ogniw paliwowych, czy ogniw fotowoltaicznych) w energię elektryczną napięcia przemiennego są układy falowników napięcia PWM połączonych z dodatkowym beztransformatorowym układem podbijającym napięcie przy użyciu jednego lub wielu dodatkowych sterowanych łączników energoelektronicznych. Innymi znanymi układami przekształtnikowymi realizującymi przekształcanie energii elektrycznej ze źródeł niskiego napięcia w energię elektryczną napięcia przemiennego z podwyższaniem napięcia są falowniki napięcia PWM połączone z dodatkowym układem podbijającym napięcie przy użyciu transformatora. Niedogodnością powyższych układów jest realizacja przekształcania energii elektrycznej w sposób dwustopniowy za pomocą dwóch układów energoelektronicznych, co zwiększa koszty, a w przypadku układów z transformatorem zwiększa wagę. Znany jest z patentu WO Impedance Power Converter oraz z publikacji F.Z. Peng: Z-Source Inverter, Proceedings of the 37th Industry Applications Society Annual Meeting (IAS'02), 2002, ss układ przekształtnika obniżająco-podwyższającego, służący do jednostopniowego przekształcania energii elektrycznej ze źródeł niskiego napięcia stałego lub prądu nazywany falownikiem typu Z. W falowniku typu Z pomiędzy zaciski źródła napięcia a szyny łączące początki i końce gałęzie falownika włączony jest czwórnik pasywny składający się z dwóch dławików oraz dwóch kondensatorów ułożonych w charakterystycznym kształcie litery X, gdzie zaciski kondensatorów są połączone z początkami i końcami dławików w taki sposób, że jeden zacisk każdego kondensatora jest połączony z początkiem jednego dławika a drugi zacisk kondensatora z końcem drugiego dławika. Czwómik pasywny falownika typu Z jest nazywany źródłem impedancyjnym typu Z dla odróżnienia od źródła napięcia i źródła prądu występujących w klasycznych falownikach napięcia i prądu. 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. Gałęzie falownika typu Z zawierają sterowane łączniki energoelektroniczne. Znane są z patentu WO Impedance Power Converter sterowane łączniki energoelektroniczne składające się z tranzystorów połączonych szeregowo z diodami. Znany jest z publikacji F.Z. Peng: Z-Source Inverter, Proceedings of the 37th Industry Applications Society Annual Meeting (IAS'02), 2002, ss sposób sterowania falownikiem typu Z zasilanym ze źródła z łącznikiem blokującym polegający na wykorzystaniu stanów zwarć gałęzi falownika, niedozwolonych w klasycznych falownikach napięcia. Powyższy sposób sterowania umożliwia wielokrotne podwyższanie napięcia wyjściowego falownika w stosunku do napięcia źródła.

3 PL B1 3 Znany jest ze zgłoszenia patentowego PL opublikowanego w BUP 10/2008 układ jedno- lub trójfazowego dwukierunkowego falownika typu Z oraz sposób sterowania łącznikami jedno- lub trójfazowego dwukierunkowego falownika typu Z. W powyższym układzie oprócz znanego połączenia Z falownika ze źródłem napięcia za pośrednictwem łącznika blokującego tranzystora IGBT z diodą zastosowano znane połączenie gałęzi falownika z filtrem wyjściowym pierwszego rzędu w postaci trzech dławików. Niedogodnością powyższych układów jest brak punktu wspólnego potencjału źródła napięcia i szyny ujemnej falownika, który utrudnia uziemienie układu oraz budowanie układów wielopoziomowych z wykorzystaniem wielu źródeł impedancyjnych typu Z. Brak uziemienia wpływa na wzrost generowania zaburzeń elektromagnetycznych oraz utrudnia zapewnienie bezpieczeństwa pracy. W przypadku zastosowania filtru pierwszego rzędu kształt napięcia wyjściowego falownika zależy od obciążenia a w przebiegach wyjściowych falownika będą pojawiały się pulsacje zależące od obciążenia. Układ falownika obniżająco-podwyższającego zwłaszcza przeznaczonego do jednostopniowego przekształcania energii składający się ze źródła energii z łącznikiem blokującym, z identycznych gałęzi fazowych zawierających sterowane łączniki energoelektroniczne oraz zaciski wyjściowe, przy czym liczba gałęzi fazowych i liczba zacisków wyjściowych odpowiada liczbie faz napięcia wyjściowego a początki gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z szyną ujemną a końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z szyną dodatnią o potencjale dodatnim względem szyny ujemnej charakteryzuje się według wynalazku tym, że składa się z dwóch dławików sprzężonych oraz kondensatora połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych pomiędzy szynę dodatnią i szynę ujemną z jednej strony a zaciski źródła energii z łącznikiem blokującym z drugiej strony oraz z filtra wyjściowego, składającego się z elementu indukcyjnego i elementu pojemnościowego włączonych pomiędzy zaciski wyjściowe a obciążenie. Dzięki konstrukcji według wynalazku możliwe jest uziemienie układu w punkcie wspólnego potencjału źródła napięcia, szyny ujemnej oraz początków gałęzi falownika, co przyczynia się do poprawy bezpieczeństwa pracy, łatwiejszego konstruowania falowników wielopoziomowych oraz przyczynia się do zmniejszenia generowanych zaburzeń elektromagnetycznych. Układ według wynalazku charakteryzuje się prostą budową umożliwiając jednostopniowe przekształcanie energii elektrycznej z podwyższaniem bądź obniżaniem napięcia wyjściowego przy zmniejszonej o jeden liczbie zastosowanych elementów pasywnych na wejściu falownika w porównaniu z dotychczas prezentowanymi rozwiązaniami. Zastosowanie filtra drugiego rzędu składającego się z elementu indukcyjnego oraz elementu pojemnościowego przyczynia się do poprawy właściwości falownika poprzez polepszenie filtracji szkodliwych wyższych harmonicznych przebiegów wyjściowych niezależnie od obciążenia. Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy falownika obniżająco-podwyższającego, fig. 2 - w sposób schematyczny przykład falownika obniżająco - podwyższającego napięcie ze źródłem energii w postaci źródła napięcia z szeregowym łącznikiem blokującym, a fig. 3 - w sposób schematyczny przykład korzystnego połączenia falownika obniżająco-podwyższającego napięcie ze źródłem energii w postaci źródła prądu z równoległym łącznikiem blokującym. P r z y k ł a d I Falownik składa się z dwóch dławików sprzężonych L1, L2 o sprzężeniu S oraz kondensatora K połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych pomiędzy szynę dodatnią P i szynę ujemną N z jednej strony a zaciski Z1, Z2 źródła energii z łącznikiem blokującym ZB z drugiej strony. Początek dławika L2 jest połączony z szyną dodatnią P a koniec dławika L2 jest połączony z początkiem dławika L1 i pierwszym zaciskiem kondensatora K. Drugi zacisk kondensatora K jest połączony z zaciskiem Z1 i szyną ujemną N. Koniec dławika L1 jest połączony z zaciskiem Z2. Źródło energii z łącznikiem blokującym ZB jest zrealizowane na bazie źródła napięcia ZN szeregowo połączonego z łącznikiem energoelektronicznym Ł, przy czym łącznik energoelektroniczny Ł jest połączony z zaciskiem Z2 a źródło napięcia ZN z zaciskiem Z1. Gałąź A falownika składa się ze sterowanych łączników SŁ1 i SŁ2, przy czym sterowany łącznik SL1 jest zrealizowany w postaci tranzystora T11 połączonego odwrotnie równolegle z diodą D11 a sterowany łącznik SŁ2 jest zrealizowany w postaci tranzystora T12 połączonego odwrotnie równolegle z diodą D12. Gałąź B falownika składa się ze sterowanych łączników SŁ3 i SŁ4, przy czym sterowany łącznik SŁ3 jest zrealizowany w postaci tranzystora T13 połączonego odwrotnie równolegle z diodą D13 a sterowany łącznik SŁ4 jest zrealizowany w postaci tranzystora T14 połączonego odwrotnie równolegle z diodą D14. Gałąź C falownika składa się ze sterowanych łączników SŁ5 i SŁ6, przy czym sterowany łącznik SŁ5 jest zrealizowany w postaci tranzystora T15

4 4 PL B1 połączonego odwrotnie równolegle z diodą D15 a sterowany łącznik SŁ6 jest zrealizowany w postaci tranzystora T16 połączonego odwrotnie równolegle z diodą D16. Początki gałęzi falownika A, B, C są połączone ze sobą i z szyną dodatnią P. Końce gałęzi falownika A, B, C są połączone ze sobą i z szyną ujemną N. Środki gałęzi falownika A, B, C są połączone z zaciskami wyjściowymi W. Filtr F wyjściowy składa się z elementu pojemnościowego CW oraz elementu indukcyjnego LW. Trzy zaciski elementu pojemnościowego CW są połączone z zaciskami W oraz zaciskami wejściowymi elementu indukcyjnego LW. Zaciski wyjściowe elementu indukcyjnego LW są połączone z obciążeniem O. P r z y k ł a d II Falownik składa się z dwóch dławików sprzężonych L1, L2 o sprzężeniu S oraz kondensatora K połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych pomiędzy szynę dodatnią P i szynę ujemną N z jednej strony a zaciski Z1, Z2 źródła energii z łącznikiem blokującym ZB z drugiej strony. Początek dławika L2 jest połączony z szyną dodatnią P a koniec dławika L2 jest połączony z początkiem dławika L1 i pierwszym zaciskiem kondensatora K. Drugi zacisk kondensatora K jest połączony z zaciskiem Z1 i szyną ujemną N. Koniec dławika L1 jest połączony z zaciskiem Z2. Źródło energii z łącznikiem blokującym ZB jest zrealizowane na bazie źródła prądu ZP równolegle połączonego z łącznikiem energoelektronicznym Ł, przy czym zaciski górne łącznika energoelektronicznego Ł i źródła prądu ZP są połączone ze sobą i z zaciskiem Z2 a zaciski dolne łącznika energoelektronicznego Ł i źródła prądu ZP są połączone ze sobą i z zaciskiem Z1. Gałąź A falownika składa się ze sterowanych łączników SŁ1 i SŁ2, przy czym sterowany łącznik SŁ1 jest zrealizowany w postaci tranzystora T21 połączonego szeregowo z diodą D21 a sterowany łącznik SŁ2 jest zrealizowany w postaci tranzystora T22 połączonego szeregowo z diodą D22. Gałąź B falownika składa się ze sterowanych łączników SŁ3 i SŁ4, przy czym sterowany łącznik SŁ3 jest zrealizowany w postaci tranzystora T23 połączonego szeregowo z diodą D23 a sterowany łącznik SŁ4 jest zrealizowany w postaci tranzystora T24 połączonego szeregowo z diodą D24. Gałąź C falownika składa się ze sterowanych łączników SŁ5 i SŁ6, przy czym sterowany łącznik SŁ5 jest zrealizowany w postaci tranzystora T25 połączonego szeregowo z diodą D25 a sterowany łącznik SŁ6 jest zrealizowany w postaci tranzystora T26 połączonego szeregowo z diodą D26. Początki gałęzi falownika A, B, C są połączone ze sobą i z szyną dodatnią P. Końce gałęzi falownika A, B, C są połączone ze sobą i z szyną ujemną N. Środki gałęzi falownika A, B, C są połączone z zaciskami wyjściowymi W. Filtr F wyjściowy składa się z elementu pojemnościowego CW oraz elementu indukcyjnego LW. Zaciski wejściowe elementu indukcyjnego LW są połączone z zaciskami W. Zaciski wyjściowe elementu indukcyjnego LW są połączone z zaciskami elementu pojemnościowego CW oraz z obciążeniem O. Zastrzeżenie patentowe Układ falownika obniżająco-podwyższającego zwłaszcza przeznaczonego do jednostopniowego przekształcania energii składający się ze źródła energii z łącznikiem blokującym, z identycznych gałęzi fazowych zawierających sterowane łączniki energoelektroniczne oraz zaciski wyjściowe, przy czym liczba gałęzi fazowych i liczba zacisków wyjściowych odpowiada liczbie faz napięcia wyjściowego a początki gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z szyną ujemną a końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z szyną dodatnią o potencjale dodatnim względem szyny ujemnej, znamienny tym, że składa się z dwóch dławików sprzężonych (L1, L2) oraz kondensatora (K) połączonych wzajemnie ze sobą i włączonych pomiędzy szynę dodatnią (P) i szynę ujemną (N) z jednej strony a zaciski (Z1, Z2) źródła energii z łącznikiem blokującym (ZB) z drugiej strony oraz z filtra wyjściowego (F), składającego się z elementu indukcyjnego (LW) i elementu pojemnościowego (CW) włączonych pomiędzy zaciski wyjściowe (W) a obciążenie (O).

5 PL B1 5 Rysunki

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