PL209641B1 - Sposób sterowania przetwornicą przebiegu schodkowego i przetwornica przebiegu schodkowego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy sposobu sterowania przetwornicą przebiegu schodkowego i przetwornica przebiegu schodkowego do przetwarzania napięcia ze źródeł napięcia prądu stałego na napięcie prądu przemiennego, zwłaszcza dla zapewniania sterowania wejściowego wieloma szynami prądu stałego i symulowania jedno- lub wielofazowych przebiegów prądu przemiennego. Chociaż wynalazek dotyczy głównie przetwarzania przebiegów ze źródeł prądu stałego na przebiegi prądu przemiennego, to źródła prądu stałego można zamienić przez źródła prądu przemiennego przy użyciu prostownika.

Znane są różne jednofazowe przetwornice przebiegu schodkowego do przetwarzania wejściowego napięcia prądu stałego na schodkowy przebieg prądu przemiennego. Figura 1 przedstawia schematycznie znaną przetwornicę, która wykorzystuje jeden transformator 2 dla każdego stopnia przebiegu schodkowego. Do zasilania każdego z transformatorów 2 jest wykorzystywane pojedyncze źródło zasilania 1 prądu stałego. Każdy transformator 2 ma trzy uzwojenia, w tym dwa uzwojenia pierwotne P1, P2 i jedno uzwojenie wtórne S. Dwa uzwojenia pierwotne P1 i P2 są sprzężone elektrycznie ze źródłem zasilania 1 prądu stałego poprzez cztery bramki G1 - G4, które sterują przepływem prądu przez uzwojenia pierwotne P1, P2 w celu wytwarzania jednego stopnia wyjściowego schodkowego przebiegu prądu przemiennego uzwojenia wtórnego S. Dwa uzwojenia pierwotne P1, P2 w każdym transformatorze 2 są identyczne, oprócz tego, że są przeciwnie dołączone do źródeł zasilania 1 prądu stałego. Ze względu na to odwrotne dołączenie, indukują one w uzwojeniach wtórnych S napięcia o przeciwnej biegunowości. Uzwojenia wtórne S transformatorów są połączone ze sobą szeregowo, tak że ich napięcia wyjściowe mogą być łączone, aby wytworzyć wyjściowy schodkowy przebieg prądu przemiennego.

Podczas pracy urządzenia bramki G1 - G4 są sterowane, aby naprzemiennie wywoływać przepływ impulsów prądu stałego przez uzwojenia pierwotne P1, P2. Przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne P1 o dodatniej biegunowości indukuje dodatnie schodkowe napięcie wyjściowe odpowiedniego uzwojenia wtórnego S, natomiast odwrotnie - przepływ prądu przez uzwojenie pierwotne P2 o ujemnej biegunowości indukuje ujemny stopień przebiegu schodkowego. Stopnie schodkowych przebiegów wyjściowych uzwojeń wtórnych S wszystkich transformatorów 2 są dodawane do siebie, aby wytworzyć wspólny przebieg prądu przemiennego. W wyniku tego prąd stały płynący impulsowo przez uzwojenia pierwotne P1, P2 wdanych przedziałach czasowych powoduje otrzymanie na wyjściu uzwojeń wtórnych S przybliżonego przebiegu prądu przemiennego.

Znane są z opisu patentowego USA nr 5 373 433 przetwornice jednofazowe, zasilane z jednego źródła prądu stałego, w których zastosowano mostki przełączające do sterowania doprowadzaniem napięcia prądu stałego do wielu transformatorów z jednego źródła. Każdy mostek przełączający zawiera cztery łączniki umieszczone w dwóch równoległych liniach, z których każda ma dwa łączniki połączone szeregowo. Mostki przełączające są sterowane tak, że transformatory wytwarzają dodatni, zerowy lub ujemny stopień schodkowego napięcia wyjściowego w danym czasie. Transformatory korzystnie mają przekładnie, które stanowią wzajemne wielokrotności, aby zapewniać zarówno dobrą rozdzielczość, jak i szeroki zakres dynamiki wyjściowego sygnału prądu przemiennego. Opis ten przedstawia przetwornicę jednofazową, mającą trzy transformatory do wytwarzania napięć wyjściowych uzwojeń wtórnych o wartościach ±15 V, ±45 V i ±135 V. Napięcia wyjściowe uzwojeń wtórnych wszystkich transformatorów są łączone szeregowo. Urządzenie wytwarza dość dokładny przebieg prądu przemiennego w wyniku sterowania czasem trwania i kolejnością częściowych napięć tych trzech transformatorów, aby przechodzić kolejno przez każdy z dwudziestu siedmiu różnych możliwych poziomów całkowitego napięcia wyjściowego. Zastosowany jest również specjalny dekoder zapobiegający przypadkowym zwarciom na wejściu prądu stałego, które mogłyby wystąpić, gdyby dwa łączniki w parze łączników połączonych szeregowo zostały równocześnie zamknięte.

Znana jest z opisu patentowego USA nr 5 631 820 przetwornica przebiegu schodkowego, w której zastosowano trzy bramki zamiast czterech bramek do sterowania przepływem prądu przez uzwojenia pierwotne transformatorów. Ponadto, chociaż stosuje się tutaj transformatory mające dwa uzwojenia pierwotne i jedno uzwojenie wtórne, to zespół przełączający umożliwia wykorzystanie każdego uzwojenia pierwotnego do wytwarzania albo dodatniego albo ujemnego stopnia przebiegu schodkowego, a nie tylko jednego z nich. Urządzenie wykorzystuje wiele źródeł prądu i przetwornicę trójfazową, która ma dziewięć bramek i jeden transformator trójfazowy z trzema uzwojeniami dla każdego stopnia przebiegu schodkowego.

PL 209 641 B1

Znana jest z opisu patentowego USA nr 5 041 957 przetwornica o wielu transformatorach, których uzwojenia wtórne są połączone szeregowo, a uzwojenia pierwotne są zasilane przez układ mostkowy zasilany napięciem stałym. W przetwornicy użyto wiele wzajemnie powiązanych układów mostkowych, a na wyjściu przetwornicy jest wytwarzany schodkowy przebieg napięciowy.

Znana jest z opisu patentowego USA nr 4 159 513 przetwornica, w której zastosowano wiele transformatorów, których uzwojenia wtórne są połączone szeregowo, a uzwojenia pierwotne są zasilane przez wzajemnie niezależne inwertery, które z kolei są zasilane przez przesuwniki fazowe realizujące w ten sposób pożądane przesunięcia czasowe, przekładające się na kolejne załączania transformatorów. Zastosowany jest statyczny, sterowany napęd silnika prądu przemiennego, w którym jest także wytwarzany wyjściowy przebieg schodkowy.

Znana jest z opisu patentowego USA nr 4 800 481 przetwornica, w której uzwojenia wtórne są połączone szeregowo, a uzwojenia pierwotne są zasilane przez niezależne układy mostkowe zasilane napięciem stałym. Uzyskuje się statyczny układ przetwornicy i jednofazowe napięcie wyjściowe.

Znane są również trójfazowe przetwornice przebiegu schodkowego do przetwarzania napięcia prądu stałego z jednego lub wielu źródeł prądu stałego na wyjściowy schodkowy przebieg prądu przemiennego. Figura 2 przedstawia schematycznie znaną przetwornicę trójfazową przebiegu schodkowego, która zawiera wiele transformatorów trójfazowych 4, z których każdy ma trzy uzwojenia: dwa uzwojenia pierwotne P1, P2 i jedno uzwojenie wtórne S na każdą fazę i na każdy stopień. Konfiguracja każdej fazy jest podobna do układu jednofazowego opisanego powyżej w odniesieniu do fig. 1. Każda faza każdego transformatora ma dwa uzwojenia pierwotne P1, P2 i uzwojenie wtórne S. Dwa uzwojenia pierwotne P1, P2 każdej fazy są takie same, oprócz tego, że mają przeciwne połączenia ze źródłem prądu stałego. Cztery łączniki G1 - G4 są zastosowane do sterowania przepływem prądu przez uzwojenia pierwotne P1, P2 każdej fazy. Łączniki te są wykorzystywane do przepuszczania naprzemiennie impulsowego prądu stałego przez uzwojenia pierwotne P1, P2, aby generować stopnie schodkowego przebiegu prądu przemiennego dla danej fazy odpowiedniego uzwojenia wtórnego S. Częściowe napięcia wyjściowe uzwojeń wtórnych S transformatorów dla danej fazy są łączone ze sobą szeregowo, aby wytworzyć schodkowy przebieg prądu przemiennego na wyjściu tej fazy. To urządzenie wymaga zastosowania transformatora trójfazowego 4 z trzema uzwojeniami, sterowanego przez dwanaście bramek dla każdego stopnia. Ponadto każde uzwojenie pierwotne P1, P2 zapewnia tylko jeden dodatni lub jeden ujemny stopień w całym wyjściowym przebiegu prądu przemiennego, a całkowita liczba stopni wyjściowego schodkowego przebiegu prądu przemiennego odpowiada bezpośrednio liczbie uzwojeń pierwotnych, stosowanych do wytworzenia przebiegu wyjściowego. Aby zapewnić lepszą rozdzielczość w trójfazowym wyjściowym przebiegu prądu przemiennego, w urządzeniu stosuje się więcej transformatorów, co zwiększa jego masę.

W każdej znanej trójfazowej przetwornicy przebiegu schodkowego zastosowane transformatory trójfazowe 4 są transformatorami w układzie gwiazda - gwiazda, co oznacza, że zarówno uzwojenia pierwotne P1, P2, jak i uzwojenia wtórne S są połączone w układach gwiazdowych.

W każdej ze znanych przetwornic schodkowych przebieg wyjściowy prądu przemiennego jest zasadniczo schodkowy w wyniku dodawania dodatnich i/lub ujemnych stopni przebiegu schodkowego w celu wytworzenia wyjściowego przebiegu prądu przemiennego, co nie jest pożądane w nowoczesnych urządzeniach elektronicznych, takich jak komputery, odbiorniki telewizyjne itd., które pracują lepiej i mają dłuższą żywotność, gdy są zasilane dokładnie regulowanym napięciem przemiennym.

Sposób sterowania przetwornicą przebiegu schodkowego według wynalazku polega na tym, że moduluje się szerokości impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego, wytwarzanych z napięcia wejściowego prądu stałego, mające wartości pomiędzy wartością zerową i wartością szczytową napięcia wyjściowego schodkowego, podczas gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego doprowadza się do uzwojeń pierwotnych transformatorów, przerywa się modulację szerokości impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego i w sposób ciągły wyprowadza się stopnie napięcia wyjściowego schodkowego przy wartości szczytowej napięcia schodkowego, gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego osiągają ich wartość szczytową w uzwojeniach wtórnych transformatorów, a po osiągnięciu wartości szczytowej napięcia schodkowego, moduluje się szerokość impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego, wytwarzanych z napięcia wejściowego prądu stałego, pomiędzy wartością szczytową i wartością zerową napięcia schodkowego, podczas gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego nadal doprowadza się do uzwojeń pierwotnych transformatorów i przerywa się modulację szerokości impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego i w sposób ciągły wyprowadza się stopnie napięcia wyjściowego schodkowego przy wartości zerowej napięcia schodko4

PL 209 641 B1 wego, gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego osiągają ich wartość zerową w uzwojeniach wtórnych transformatorów.

Korzystnie za pomocą układów mostkowych odbiera się wiele napięć wejściowych prądu stałego z działających niezależnie źródeł napięcia prądu stałego i moduluje się szerokości impulsów napięcia wejściowego prądu stałego, utrzymując drugie napięcie wejściowego prądu stałego w stanie stałym włączenia lub wyłączenia.

Korzystnie za pomocą modulatora szerokości impulsów hybrydowego sterownika modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego sekwencyjnie moduluje się szerokości impulsów napięć prądu stałego, doprowadzanych do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów dla zwiększania napięcia, aż poziom modulacji szerokości impulsów osiągnie 100% dla danego stopnia przebiegu schodkowego i przerywa się modulację szerokości impulsów oraz w sposób ciągły włącza się napięcie wejściowe prądu stałego po osiągnięciu 100% poziomu modulacji szerokości impulsów i sekwencyjnie moduluje się szerokości impulsów napięć prądu stałego, doprowadzanych do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów dla zmniejszania napięcia, aż poziom modulacji szerokości impulsów osiągnie 0% dla danego stopnia przebiegu schodkowego i przerywa się modulację szerokości impulsów oraz w sposób ciągły wyłącza się napięcie wejściowe prądu stałego po osiągnięciu 0% poziomu modulacji szerokości impulsów dla dokładnego dopasowania wyjściowego przebiegu prądu przemiennego do idealnego przebiegu prądu przemiennego.

Korzystnie za pomocą modulatora szerokości impulsów hybrydowego sterownika modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego odwraca się proces modulacji szerokości impulsów, gdy wyjściowy przebieg schodkowy prądu przemiennego osiąga żądaną wartość.

W przetwornicy przebiegu schodkowego według wynalazku do wielu układów mostkowych jest dołączony układ sterowania do modulacji szerokości impulsów indywidualnych stopni napięcia wyjściowego schodkowego, otrzymywanych z wielu układów mostkowych i mających wartość napięcia pomiędzy wartością zerową i wartością szczytową.

Korzystnie uzwojenia wtórne transformatorów mają jedną fazę.

Korzystnie uzwojenia wtórne transformatorów mają trzy fazy.

Korzystnie każdy transformator stanowi transformator trójfazowy, mający trzy uzwojenia pierwotne i trzy uzwojenia wtórne, a każdy z układów mostkowych zawiera wiele par bramek, a każda para bramek ma dwie bramki połączone ze sobą szeregowo, a ponadto przeciwległe końce każdego z uzwojeń pierwotnych każ dego z transformatorów trójfazowych są włączone pomię dzy bramki oddzielnych par bramek w jednym z mostków.

Korzystnie każdy z układów mostkowych zawiera wiele diod przeciwrównoległych, a każda dioda przeciwrównoległa jest dołączona do jednej z bramek dla przepływu prądu zwarciowego przez jedno lub więcej uzwojeń pierwotnych zwartego transformatora.

Korzystnie każdy z układów mostkowych zawiera sześć bramek skonfigurowanych w trzy pary połączonych szeregowo po dwie bramek.

Korzystnie każdy z układów mostkowych zawiera wiele diod przeciwrównoległych, a każda dioda przeciwrównoległa jest dołączona do jednej z bramek dla przepływu prądu zwarciowego przez jedno lub więcej uzwojeń pierwotnych zwartego transformatora.

Korzystnie każdy z transformatorów trójfazowych jest połączony w konfiguracji trójkąt-gwiazda i przetwornica zawiera sterownik fazowy do wykorzystywania różnic faz pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi w układzie trójkąta i uzwojeniami wtórnymi w układzie gwiazdy dla wytwarzania dodatkowych stopni w wyjściowym przebiegu schodkowym prądu przemiennego.

Korzystnie przetwornica zawiera układ sterowania wartością, czasem trwania i biegunowością napięcia schodkowego, podawanego na każde z uzwojeń pierwotnych każdego z transformatorów.

W innym przykł adzie wykonania wynalazku przetwornica przebiegu schodkowego zawiera hybrydowy sterownik modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego, dołączony do wielu układów mostkowych i zawierający modulator szerokości impulsów do sekwencyjnej modulacji szerokości impulsów napięcia prądu stałego, doprowadzanego do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów dla zwiększania/zmniejszania napięcia, przerywania modulacji szerokości impulsów i ciągłego włączania/wyłączania wejściowego napięcia prądu stałego dla otrzymania idealnego przebiegu prądu przemiennego.

Korzystnie modulator szerokości impulsów hybrydowego sterownika modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego jest rewersyjny względem procesu modulacji szerokości impulsów.

PL 209 641 B1

Korzystnie przetwornica zawiera obwód poprzeczny pomiędzy dwoma lub więcej układami mostkowymi dla zasilania dwóch lub więcej transformatorów.

Korzystnie przetwornica zawiera obwód izolacyjny do izolacji magistrali prądu stałego od co najmniej jednego ze źródeł napięcia prądu stałego.

Zaletą wynalazku jest uzyskiwanie stosunkowo łagodnego przejścia pomiędzy stopniami schodkowego przebiegu prądu przemiennego dzięki modulacji szerokości impulsów w indywidualnych przebiegach schodkowych lub podczas przejścia przebiegów schodkowych pomiędzy wartością szczytową i wartością zerową. Zaletą wynalazku jest nieprzerwane łączenie zasilania z wielu źródeł zasilania zgodnie z ich charakterystykami roboczymi i wytwarzanie wyjściowego schodkowego przebiegu prądu przemiennego, który dokładniej aproksymuje idealny przebieg prądu przemiennego oraz wytwarzanie trójfazowego przebiegu prądu przemiennego z większą sprawnością. Wynalazek zapewnia zwiększenie rozdzielczości schodkowego przebiegu wyjściowego z trójfazowej przetwornicy przebiegu schodkowego bez zwiększania liczby części składowych oraz selektywnie umożliwia, że jedno źródło prądu zasila wiele transformatorów, gdy jedno lub więcej innych źródeł prądu zostanie wyłączonych. Wynalazek zapobiega oddawaniu zwrotnemu energii z szyny prądu stałego do sieci energetycznej i umożliwia, że dowolne źródła prądu stałego, dołączone do przetwornicy, są ładowane z dowolnych innych źródeł zasilania, dołączonych do tej przetwornicy. Wynalazek zapewnia ulepszoną przetwornicę przebiegu schodkowego do przetwarzania wejściowego napięcia prądu stałego na wyjściowy schodkowy przebieg prądu przemiennego.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym:

fig. 1 przedstawia schemat znanej jednofazowej przetwornicy przebiegu schodkowego do przetwarzania napięcia prądu stałego z jednego źródła zasilania na wyjściowy schodkowy przebieg prądu przemiennego, fig. 2 - schemat znanej trójfazowej przetwornicy przebiegu schodkowego do przetwarzania napięcia prądu stałego z jednego źródła zasilania na trójfazowy, wyjściowy schodkowy przebieg prądu przemiennego, fig. 3 - schemat jednofazowej przetwornicy przebiegu schodkowego do odbioru wejściowych napięć prądu stałego z wielu źródeł zasilania i zarządzania nimi według wynalazku, fig. 4 - szereg wykresów ilustrujących generowanie jednofazowego, wyjściowego schodkowego przebiegu prądu przemiennego przetwornicy, podobnej do przedstawionej na fig. 3, mającej cztery transformatory, fig. 5A - schemat przetwornicy przebiegu schodkowego, podobnej do przedstawionej na fig. 3, zawierającej ponadto obwód wiązania krzyżowego i bramki odcinające do selektywnego włączania i wyłączania napięcia wejściowego z jednego ze źródeł napięcia prądu stałego do jednego lub wielu transformatorów według wynalazku, fig. 5B - schemat przetwornicy przebiegu schodkowego, podobnej do przedstawionej na fig. 3, do sterowania napięciami wejściowymi wielu źródeł według wynalazku, fig. 6 - schemat trójfazowej przetwornicy przebiegu schodkowego według wynalazku, z układem mostkowym i konfiguracjami transformatorów trójkąt - gwiazda, fig. 7A - dokładniej trójfazową przetwornicę przebiegu schodkowego z fig. 6, z modułami tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką, tworzącymi układ mostkowy, płytkami sterowniczymi do sterowania układem mostkowym, płytkami sterującymi do sterowania płytkami sterowniczymi oraz z szeregowymi połączeniami pomiędzy uzwojeniami wtórnymi transformatorów każdej fazy, fig. 7B - powiększony widok układu transformatorów przetwornicy z fig. 7A, fig. 7C - schemat blokowy płytki sterującej, mającej zarówno elementy programowe jak i sprzętowe do sterowania przetwornicą przebiegu schodkowego z fig. 7A według wynalazku, fig. 8 - wykres napięcia w funkcji czasu, pokazujący wyjściowy schodkowy przebieg prądu przemiennego trójfazowej przetwornicy przebiegu schodkowego w układzie trójkąt - gwiazda, podobnej do przedstawionej fig. 8A, ale mającej zwiększoną rozdzielczość wskutek sterowania charakterystykami napięcia w transformatorach w układzie trójkąt - gwiazda, fig. 9 - sieć działań dla sposobu aproksymowania idealnego przebiegu prądu przemiennego przy użyciu hybrydowego przetwarzania przebiegu schodkowego z modulacją szerokości impulsów według wynalazku, fig. 10 - wykres napięcia w funkcji czasu, ilustrujący hybrydowe przetwarzanie przebiegu schodkowego z modulacją szerokości impulsów z fig. 9,

PL 209 641 B1 fig. 11A - schemat znanego systemu nieprzerwanego zasilania do zapewniania zasilania rezerwowego i fig. 11B - schemat przetwornicy przebiegu schodkowego do stosowania w systemie zasilania rezerwowego według wynalazku.

Przetwornica przebiegu schodkowego według wynalazku jest przystosowana do przetwarzania energii jednego źródła prądu stałego na energię prądu przemiennego, zapewniając konsolidację, integrowanie i nadzorcze sterowanie wieloma źródłami energii elektrycznej przez jedną przetwornicę przebiegu schodkowego, przy równoczesnym odizolowaniu każdego źródła, tak że każde z nich działa z optymalną sprawnoś cią , ź ródł a energii elektrycznej, dołączone do przetwornicy przebiegu schodkowego, obejmują generatory z silnikiem wysokoprężnym, generatory gazowe, silniki wiatrowe, układy słonecznych ogniw fotowoltaicznych, generatory hydroelektryczne, baterie, generatory z turbiną gazową, ogniwa paliwowe itd. Zastosowanie w podtrzymujących systemach zasilania polega na integrowaniu, izolowaniu i zarządzaniu źródłami energii, które obejmują rezerwowy system zasilania. Możliwe jest sterowanie energią generatorów zainstalowanych w rozłożonym systemie wytwarzania energii elektrycznej, a także zakończenie sieci i regulacja napięcia w linii oraz jakości przesyłanej energii. Przetwornice te działają przy standardowej regulacji częstotliwości 60 Hz lub innej i przy doprowadzaniu mocy biernej do sieci lub jej odprowadzaniu do obciążenia na żądanie. Dla każdej przetwornicy przebiegu schodkowego jest dobierany i optymalizowany zgodnie z potrzebą programowany sterownik mikroprocesorowy.

Poniżej zostaną opisane bardziej szczegółowo specyficzne przykłady realizacji przedmiotowego wynalazku. Figura 3 przedstawia schematycznie jednofazową przetwornicę przebiegu schodkowego do odbierania i sterowania wejściami napięcia prądu stałego z wielu źródeł zgodnie z jednym przykładem realizacji przedmiotowego wynalazku. Według tego przykładu realizacji stałoprądowe szyny 5 otrzymują energię ze źródeł energii i doprowadzają ją jako wejściowe napięcie prądu stałego do jednego lub wielu mostkowych obwodów 10. Każdy mostkowy obwód 10 korzystnie złożony jest z modułu bipolarnych tranzystorów z odizolowaną bramką, posiadającego cztery przełączające bramki G1-G4 zbudowane z bipolarnych tranzystorów, sterowane przez płytkę drajwera w odpowiedzi na sygnały z płytki sterującej. Każda przełączająca bramka G1-G4 zbudowana z tranzystora bipolarnego z odizolowaną bramką jest korzystnie wyposażona w przeciwrównolegle dołączoną diodę D1-D4, aby umożliwić przepływ prądu zwarciowego. Chociaż przełączające bramki tranzystorów bipolarnych z odizolowaną bramką są korzystne, to jednak bramki mogą zawierać tranzystory polowe typu HEX lub inne półprzewodnikowe urządzenia przełączające mocy i odpowiednią diodę przeciwrównoległą. W tym przykładzie realizacji dla każdego stopnia zastosowany jest jeden dwuuzwojeniowy (jedno uzwojenie pierwotne P i jedno uzwojenie wtórne S) transformator 15.

Jednofazowe zwieranie przy użyciu czterobramkowego mostka 10 polega na zamykaniu dwóch bramek G1, G2 pod wpływem wejść dodatnich (tranzystory dodatnie) lub dwóch bramek G3, G4 pod wpływem wejść ujemnych (tranzystory ujemne). Takie zamykanie bramek umożliwia przepływ prądu zwarciowego przez jedną diodę i jedną bramkę zwartego transformatora 15, na skutek czego wymuszany jest potencjał zerowy na pierwotnym uzwojeniu P zwartego transformatora. Zwieranie jest ważne dla umożliwienia dynamicznego dołączania lub odłączania od transformatora źródeł zasilania bez wpływu na wymagane przełożenie uzwojeń transformatora.

Figura 4 przedstawia wytwarzanie jednofazowego przemiennoprądowego wyjściowego przebiegu schodkowego z przetwornicy przebiegu schodkowego, takiej jak opisana powyżej w odniesieniu do fig. 3. Przemiennoprądowy wyjściowy przebieg schodkowy jest wytwarzany w układzie z fig. 4 następująco. W przetwornicy przebiegu schodkowego, posiadającej cztery transformatory, każdy transformator wytwarza przebieg wyjściowy na swym uzwojeniu wtórnym w zależności od napięcia wejściowego podanego na jego uzwojenie pierwotne i od przekładni uzwojeń transformatora. Każdy z tych przebiegów wyjściowych tworzy blok lub stopień całego przebiegu przemiennoprądowego. Przebiegi wyjściowe ze wszystkich uzwojeń wtórnych transformatorów są sumowane ze sobą szeregowo, by symulować przemiennoprądowy przebieg sinusoidalny.

Zasadniczo proces wytwarzania wyjściowego przebiegu schodkowego polega na włączaniu każdego z transformatorów kolejno w określonym czasie, a następnie pozostawianiu ich w stanie włączonym przez określony czas, zanim będą one kolejno wyłączane. Proces ten zaczyna się od włączenia pierwszego transformatora w zerowej chwili t0. Włączenie pierwszego transformatora uruchamia stopień jeden schodkowego przebiegu wyjściowego. Stopień jeden pozostaje uruchomiony podczas dodawania innych stopni. W chwili t1 włączany jest drugi transformator, a jego napięcie wyjściowe jest

PL 209 641 B1 łączone z przebiegiem wyjściowym pierwszego transformatora, przez co zostaje uruchomiony stopień dwa. Podobnie w chwili t2 włączany jest trzeci transformator, a jego napięcie wyjściowe jest dodawane do napięcia innych transformatorów, by uruchomić stopień trzy przebiegu schodkowego. Podobnie też w chwili t3 włączany jest czwarty transformator, by uruchomić stopień cztery.

Później w określonym czasie proces wytwarzania przebiegu schodkowego zostaje odwrócony, by z powrotem obniżać przebieg przemiennoprądowy. Odbywa się to przez kolejne wyłączanie transformatorów odpowiednio w chwili t4, t5, t6 i t7. Wyłączanie transformatora korzystnie obejmuje zwieranie napięcia na uzwojeniu pierwotnym transformatora, jak opisano powyżej. Chociaż ten odwrotny proces może przebiegać przez wyłączanie transformatorów w dowolnej kolejności, to jednak korzystny sposób przebiega przez wyłączanie transformatorów w takiej kolejności, w jakiej były one włączane. Odpowiednio najpierw wyłączany jest zatem pierwszy transformator, następnie drugi transformator itd. Stopień jeden jest wyłączany przez wyłączenie pierwszego transformatora w chwili t4. Stopień dwa jest wyłączany w chwili t5 przez wyłączenie drugiego transformatora. Podobnie stopień trzy jest wyłączany w chwili t6 przez wyłączenie trzeciego transformatora. I wreszcie stopień cztery jest wyłączany w chwili t7 przez wyłączenie czwartego transformatora. Wyłączanie transformatorów w kolejności ich włączania pozwala na uzyskanie zrównoważenia cykli pracy transformatorów.

Chociaż tego nie pokazano, po wyłączeniu wszystkich transformatorów proces budowania przebiegu jest powtarzany, aby zbudować dalsze 180 stopni (lub ujemną połówkę) przebiegu sinusoidalnego. Proces tworzenia ujemnej połówki przebiegu jest taki sam jak opisano dla połówki dodatniej za wyjątkiem ujemnej biegunowości napięcia.

Wracając do fig. 3, dodatni stopień przebiegu przemiennoprądowego jest wytwarzany przez zamknięcie pierwszego dodatniego łącznika G1 i drugiego ujemnego łącznika G4 w jednym z obwodów mostkowych. Ujemny stopień przebiegu przemiennoprądowego jest wytwarzany przez zamknięcie pierwszego ujemnego łącznika G3 i drugiego dodatniego łącznika G2 w jednym z obwodów mostkowych. Bocznikowanie pierwotnego uzwojenia P transformatora jest powodowane przez zamknięcie albo obu dodatnich łączników G1, G2, albo obu ujemnych łączników G3, G4.

Podsumowując, stopnie symulowanego przebiegu przemienno-prądowego z fig. 4 są wytwarzane przez kolejne włączanie i wyłączanie wejściowego napięcia stałego na uzwojeniach pierwotnych wielu transformatorów w określonych chwilach. W pewnych przykładach realizacji każdy stopień może być tworzony z wkładów napięciowych pochodzących z tylko jednego transformatora. W innych przykładach realizacji każdy stopień może być jednak tworzony z wkładów napięciowych więcej niż jednego transformatora.

Sterowanie napięciem przemiennoprądowego wyjściowego przebiegu schodkowego realizowane jest przez zmienianie liczby transformatorów czynnych w danej chwili, jak również przez cykl pracy związany z każdym z tych transformatorów. Wielkość transformatorów można również dobierać tak, że każda liczba mniejsza niż całkowita liczba transformatorów zdolna jest do wytwarzania znamionowego napięcia wyjściowego. Dodatkowo przez dodawanie stopni i przez zmienianie cyklu pracy określonego stopnia można otrzymywać szeroki zakres napięć wyjściowych. Ponadto szerokość stopnia można zmieniać, by generować prawidłowy przebieg i napięcie skuteczne.

Kiedy wiele źródeł zasilania jest zastosowane w przetwornicy przebiegu schodkowego, czasami pożądane jest zachowanie zdolności do krzyżowego łączenia dowolnych z tych źródeł zasilania z dowolną liczbą transformatorów w przetwornicy. W konsekwencji według korzystnego przykładu realizacji wynalazku każde źródło zasilania dołączone do przetwornicy przebiegu schodkowego jest wyposażone w łącznik bocznikowy. Te łączniki bocznikowe umożliwiają przetwornicy przebiegu schodkowego odłączanie nienormalnego źródła zasilania. Ponadto łączniki bocznikowe pozwalają zabezpieczyć przetwornicę przebiegu schodkowego przed oddawaniem zwrotnym do sieci. Łączniki bocznikowe mogą być dodane do dowolnej konfiguracji przetwornicy przebiegu schodkowego przez zapewnienie bramek odcinających liniom wejściowym źródeł zasilania, jak pokazano na fig. 5A. Pozwala to na blokowanie w razie potrzeby mechanizmu bramkowania źródła sieci. Inną warstwę ochronną można uzyskać wykorzystując opisany powyżej aspekt wiązania krzyżowego.

Figura 5A przedstawia dodatkowy obwód zarządzania źródłami prądu stałego, obejmujący układ wiązania krzyżowego do wzajemnego łączenia wielu źródeł z wieloma transformatorami. W układzie wiązania krzyżowego przetwornica przebiegu schodkowego jest wyposażona w bramkowane połączenia, zwane wiązaniami krzyżowymi, pomiędzy stałoprądowymi szynami 5. Bramki na tych połączeniach nazywane są bramkami wiązania krzyżowego. Opisane powyżej bramki odcinające są zawarte na dodatnim i ujemnym przewodzie wejściowym każdego źródła zasilania, aby izolować to

PL 209 641 B1 źródło od innych źródeł zasilania i od sieci. Podczas normalnego działania bramki odcinające źródła zasilania są zamknięte, aby energia mogła być doprowadzana z każdego z tych źródeł, natomiast bramki wiązania krzyżowego są otwarte, aby zapewnić odizolowanie pomiędzy szynami stałoprądowymi. Kiedy jedno ze źródeł zasilania zostanie uszkodzone lub jest odłączone, wówczas wykrywana jest uszkodzona stałoprądowa szyna 5. Bramki odcinające związane z uszkodzonym źródłem zostają wtedy otwarte, aby odizolować uszkodzone źródło i uniemożliwić dalszy udział mocy z tego uszkodzonego źródła, a bramki wiązania krzyżowego zostają zamknięte, aby umożliwić, by działające jeszcze źródło zasilania doprowadzało energię do stałoprądowej szyny 5 dla uszkodzonego źródła energii. Taki tryb zasilania zapewnia nieprzerwane przekazywanie pomiędzy źródłami zasilania nadal z utrzymywaniem izolacji pomiędzy nimi. Chociaż fig. 5A przedstawia tylko dwa źródła zasilania, należy zauważyć, że ten przykład realizacji nadaje się do rozszerzenia, by zawierał dowolną liczbę źródeł zasilania i urządzeń wiązania krzyżowego. Dlatego też w tym schemacie można dodać więcej niż dwa źródła.

Ulepszenie osiągnięte przez jeszcze inny przykład realizacji wynalazku wynika z zastosowania obwodu dwukierunkowego pomiędzy izolowanymi źródłami zasilania. Obwód dwukierunkowy pomiędzy izolowanymi źródłami zasilania stwarza przetwornicy przebiegu schodkowego według wynalazku możliwość obciążania dowolnego ze źródeł prądu stałego dołączonych do przetwornicy z dowolnego z innych źródeł dołączonych do przetwornicy. Inaczej mówiąc, obwód ten umożliwia dwukierunkową możliwość na każdej ze stałoprądowych szyn 5, jednakże z utrzymywaniem ich odizolowania od siebie. Przykładowo w przetwornicy przebiegu schodkowego, gdzie bateria i pole ogniw fotowoltaicznych tworzą dwa źródła zasilania, bateria może być ładowana z pola ogniw fotowoltaicznych z zachowaniem jednak odizolowania tego pola od baterii. Jest to znaczna innowacja, ponieważ baterie mogą mieć stosunkowo stałe napięcie, natomiast maksymalne napięcie ogniw fotowoltaicznych podlega wahaniom.

Jeszcze inną zaletą stosowania izolowanych szyn stałoprądowych jest zdolność przetwornicy przebiegu schodkowego według wynalazku do umożliwiania działania ze zmienną prędkością dowolnej kombinacji obrotowych lub nieruchomych urządzeń wytwarzających energię elektryczną. Przykładowo generator dieslowski o zmiennej prędkości, generator wiatrowy o zmiennej prędkości i pole ogniw fotowoltaicznych, wszystkie mogą być wykorzystywane przez jedną przetwornicę przebiegu schodkowego, kiedy utrzymywana jest izolacja pomiędzy wszystkimi szynami stałoprądowymi. Inaczej mówiąc, kiedy szyna prądu stałego wyprostowanego z prądu uzyskiwanego z generatora dieslowskiego jest odizolowana od szyny prądu stałego prostowanego z prądu uzyskiwanego z generatora wiatrowego i od pola ogniw fotowoltaicznych, każde z tych źródeł może pracować z dowolną żądaną prędkością lub poziomem napięcia bez zakłócania innych źródeł.

Figura 5B przedstawia jeszcze inne przykłady realizacji wynalazku, które są również skonfigurowane tak, by umożliwić zarządzanie wieloma źródłami energii przez obwód zarządzania źródłami energii. Jeden taki przykład realizacji obejmuje wiele przetwornic wejściowego sygnału wysokiej częstotliwości związanych z każdą stałoprądową szyną 5, natomiast jeszcze inny obejmuje przetwornicę połączonych wielu przebiegów wejściowych. Przy stosowaniu więcej niż jednej przetwornicy przebiegu wejściowego wysokiej częstotliwości, związanej z każdą stałoprądową szyną 5 lub przetwornicy wielu połączonych przebiegów wejściowych każdy przebieg wejściowy może mieć tak duży udział w mocy całego systemu, jak to jest potrzebne. Górny obwód pokazany na fig. 5B przedstawia wiele przetwornic przebiegu wejściowego wysokiej częstotliwości związanych z każdą stałoprądową szyną 5. W tym przykładzie wykonania wejściowe przebiegi zasilające z każdego z wielu źródeł energii są poprowadzone przez oddzielny obwód izolujący, który może również obejmować obwód modulacji szerokości impulsu. Jedno ze źródeł mocy wejściowej, to znaczy wejście nr 1, może być wejściową siecią energetyczną. Wyjścia ze wszystkich obwodów izolujących są łączone ze sobą i podawane na stałoprądową szynę 5. Każda stałoprądowa szyna 5 może być następnie wykorzystywana do zasilania transformatora. Transformator otrzymuje wejściowy sygnał napięcia stałego ze stałoprądowej szyny, która otrzymuje energię z jednego lub więcej źródeł energii, łącznie z wejściową siecią energetyczną, poprzez obwód izolujący. Obwód izolujący może zatem izolować szynę stałoprądową od wejściowej sieci energetycznej, by uniemożliwiać zwrotne oddawanie energii do sieci z szyny stałoprądowej.

Obwód przedstawiony u dołu na fig. 5B ilustruje przetwornicę wielu połączonych przebiegów wejściowych, związaną ze stałoprądową szyną 5. W przetwornicy tej wiele wysokoczęstotliwościowych przebiegów wejściowych przetwornic prąd stały/prąd stały, PFC i prąd przemienny/prąd stały z wielu źródeł może być przetwarzany dla wspólnej stałoprądowej szyny 5. Przez zastosowanie właPL 209 641 B1 ściwego sterowania sprzężenia zwrotnego każdy przebieg wejściowy może dostarczać regulowaną część energii wykorzystywanej w przetwornicy. Część energii dostarczana przez każdy przebieg wejściowy może być regulowana za pomocą płytki sterowania. Właściwość tę można również zastosować w pojedynczym obwodzie przetwornicy wysokiej częstotliwości z wieloma wejściami, która synchronizuje sterowanie i zmniejsza liczbę części składowych.

Zarządzanie wieloma źródłami energii jest szczególnie korzystne tam, gdzie niektóre lub wszystkie źródła energii wytwarzają nierównomierne przebiegi wyjściowe, np. w przypadku ogniw fotowoltaicznych, generatorów wiatrowych itd. Według wynalazku źródła takie mogą być wykorzystywane do zapewniania większej ilości energii, kiedy ich moc jest duża, ale są używane do dostarczania mniejszej ilości energii, gdy są one słabe. Sygnał sterowania dla każdej przetwornicy sygnału wejściowego będzie określać ilość energii przenoszonej z każdego źródła energii. Ten przykład wykonania ułatwia zatem miękkie przenoszenie pomiędzy źródłami wejściowymi. W odróżnieniu od twardego przenoszenia energii, gdzie źródło energii jest albo dołączone, albo odłączone od systemu, miękkie przenoszenie energii pozwala, by każde źródło energii uczestniczyło w żądanym procencie w tworzeniu energii każdego z transformatorów. Ponadto wynalazek ten umożliwia powolne podwyższanie lub obniżanie źródeł energii, gdy są one łączone z systemem lub odłączane od niego, co zapobiega powstawaniu szpilkowych impulsów napięciowych i zapewnia bardziej równomierne zasilanie energią. Te rodzaje sterowania wieloma źródłami energii mogą być wykorzystywane albo z przetwornicami jednofazowymi, albo z przetwornicami trójfazowymi.

Jeszcze inny przykład realizacji wynalazku wprowadza ulepszenia w tej dziedzinie, zwłaszcza w odniesieniu do trójfazowych przetwornic przebiegu schodkowego. Ten przykład realizacji jest unikatową konfiguracji przetwornicy przebiegu schodkowego, przedstawioną na fig. 6. Figura 6 przedstawia schematycznie trójfazową przetwornicę przebiegu schodkowego, zawierającą ulepszoną mostkową architekturę 20 i transformatory 25 przekształcenia trójkąt-gwiazda. W szczególności ten przykład realizacji wykorzystuje unikatową topologię przetwornicy przebiegu schodkowego, złożoną z wielu trójfazowych transformatorów 25, z których każdy ma pierwotne uzwojenie PA, PB, PC w konfiguracji trójkąta i wtórne uzwojenia SA, SB, SC w konfiguracji gwiazdy. Przebieg napięcia na pierwotnych uzwojeniach PA, PB, PC każdego transformatora jest kontrolowany przez sześć bramek G1, G6, tworzących mostkowy obwód 20. Jedno lub więcej źródeł energii można wykorzystywać do dostarczania energii do mostkowych obwodów 20 poprzez odpowiednie stałoprądowe szyny 5. Każda z bramek G1-G5 w obwodzie mostkowym 20 zawiera bipolarny tranzystor z izolowaną bramką wyposażony w przeciwrównoległą diodę w celu umożliwienia przepływu prądu zwarciowego. Główną zaletą tej nowej topologii jest to, że wymaga ona tylko sześciu bramek G1-G6 i jednego trójfazowego transformatora 25 na każdy stopień (tylko jedno uzwojenie pierwotne i jedno uzwojenie wtórne na każdą fazę) zamiast dziewięciu lub dwunastu bramek i bardziej skomplikowanych konfiguracji transformatorów według stanu techniki.

Jak wspomniano powyżej, połączenia pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi każdego z trójfazowych transformatorów 25 w tym przykładzie wykonania tworzą konfigurację trójkąta. Każdy trójfazowy transformator 25 zawiera dla każdej fazy jedno pierwotne uzwojenie PA, PB lub PC i jedno wtórne uzwojenie SA, SB lub SC. W konfiguracji trójkąta pierwszy koniec pierwotnego uzwojenia PA fazy A i drugi koniec pierwotnego uzwojenia PC fazy C jednego transformatora 25 są połączone ze sobą i dołączone do mostkowego obwodu 20 tego transformatora pomiędzy dwiema bramkami G1 i G4 w pierwszej parze szeregowo połączonych bramek. Podobnie drugi koniec pierwotnego uzwojenia PA fazy A i pierwszy koniec pierwotnego uzwojenia PB fazy B są sprzężone ze sobą i dołączone do mostkowego obwodu 20 pomiędzy dwiema bramkami G2 i G5 w drugiej parze szeregowo połączonych bramek. Wreszcie pierwszy koniec pierwotnego uzwojenia PC fazy C i drugi koniec pierwotnego uzwojenia PB fazy B są połączone ze sobą i dołączone do mostkowego obwodu 20 pomiędzy dwiema bramkami G3 i G6 w trzeciej parze szeregowo połączonych bramek. Wtórne uzwojenia SA, SB, SC każdego trójfazowego transformatora 25 tworzą konfigurację gwiazdy, przy czym wszystkie te wtórne uzwojenia SA, SB lub SC tej samej fazy są połączone ze sobą szeregowo.

Poniżej zostanie szczegółowo opisane działanie trójfazowych transformatorów 25 wykorzystujących sześciobramkowy mostek 20. Napięcie na pierwotnych uzwojeniach PA, PB, PC transformatorów jest sterowane tak, by wytwarzać stopnie wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego dla każdej fazy A, B, C przez odpowiednie wtórne uzwojenia SA, SB, SC. Każdy z transformatorów 25 bezpośrednio tworzy jeden stopień wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego każdej fazy. W szczególności, kiedy napięcie jest przyłożone do pierwotnego uzwojenia transformatora odpowiadającego

PL 209 641 B1 jednej z faz, odpowiednie uzwojenie wtórne wytwarza stopień dla tej fazy w wyjściowym przebiegu przemiennoprądowym. Ponadto, podobnie jak w jednofazowym przykładzie wykonania, napięcie jest zwierane na jednym lub wielu pierwotnych uzwojeniach trójfazowego transformatora 25, by bocznikować je. Trójfazowe zwieranie (to znaczy zwieranie wszystkich trzech faz) z wykorzystaniem sześciobramkowego mostka 20 polega na zamykaniu trzech dodatnich tranzystorów G1-G3 lub trzech ujemnych tranzystorów G4-G6. Zamykanie każdego zestawu trzech bramek pozwala na przepływ prądu zwarciowego przez połączenie diod i bramek tak, że na wszystkich trzech uzwojeniach pierwotnych PA, PB, PC zwartego transformatora jest potencjał zerowy.

Ponadto każde z pierwotnych uzwojeń PA, PB, PC transformatora 25 może mieć pewien potencjał lub być zbocznikowane w innych chwilach w zależności od działania sześciu bramek G1-G6. Przykładowo pierwotne uzwojenie PA fazy A będzie włączone, kiedy zamknięty jest jeden z dwóch zestawów bramek G1, G5 lub G2, G4. Napięcie o biegunowości dodatniej jest przyłożone do pierwotnego uzwojenia PA fazy A, kiedy zamknięta jest pierwsza dodatnia bramka G1 i druga ujemna bramka G5. Odwrotnie, napięcie o odwrotnej biegunowości jest przyłożone do pierwotnego uzwojenia PA fazy A, kiedy zamknięta jest druga dodatnia bramka G2 i pierwsza ujemna bramka G4. Faza A jest jednakże zwierana i wyłączana, kiedy jedna z dwóch dodatnich bramek G1, G2 lub z dwóch ujemnych bramek G4, G5 dołączonych do przeciwległych końców pierwotnego uzwojenia PA fazy A jest zamknięta. Podobnie pierwotne uzwojenie PB fazy B będzie włączone, kiedy zamknięty jest jeden z dwóch zestawów bramek G2, G6 lub G3, G5. Napięcie o dodatniej biegunowości jest przyłożone do pierwotnego uzwojenia PB fazy B, kiedy druga dodatnia bramka G2 i trzecia ujemna bramka G6 są zamknięte. Napięcie o odwrotnej biegunowości jest przyłożone do pierwotnego uzwojenia PB fazy B, kiedy zamknięte są trzecia dodatnia bramka G3 i druga ujemna bramka G5. Uzwojenie PB fazy B jest wyłączone, kiedy zamknięte są albo dwie dodatnie bramki G2, G3, albo dwie ujemne bramki G5, G6, dołączone do przeciwległych końców tego uzwojenia. Podobnie jest z fazą C. Napięcie o dodatniej biegunowości jest przyłożone do pierwotnego uzwojenia PC fazy C, kiedy zamknięte są zarówno trzecia dodatnia bramka G3 jak i pierwsza ujemna bramka G4. Napięcie o odwrotnej biegunowości jest przyłożone do pierwotnego uzwojenia PC fazy C, kiedy zamknięte są pierwsza dodatnia bramka G1 i trzecia ujemna bramka G6. Wreszcie, pierwotne uzwojenie PC fazy C jest wyłączone, kiedy zamknięte są albo dwie dodatnie bramki G1, G3, albo dwie ujemne bramki G4, G6, dołączone do jego końców.

Należy zauważyć, że bramki G1, G6 mogą być sterowane w dowolnej liczbie kombinacji, aby wytwarzać potrzebne stopnie dla każdej fazy. Przez sterowanie sześciu bramek G1-G6 mostkowego obwodu 20 napięcie o dodatniej lub ujemnej biegunowości, albo potencjał zerowy mogą być przykładane do uzwojeń pierwotnych każdej fazy. W ten sposób żądany udział w całym przebiegu przemiennoprądowym można wyprowadzić z odpowiedniego uzwojenia wtórnego fazy zgodnie ze sterowaniem mostkowego obwodu 20.

Figura 7A przedstawia szczegółowy schemat trójfazowej przetwornicy przebiegu schodkowego, takiej jak opisana powyżej na podstawie fig. 6, fig. 7B jest powiększonym widokiem układu transformatora przetwornicy przebiegu schodkowego z fig. 7A. Na fig. 7A moduły bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką tworzą mostkowy obwód 20 do sterowania mocy prądu stałego doprowadzanej do pierwotnych uzwojeń transformatorów trójfazowych. Energia dostarczana jest ze źródła energii do stałoprądowych szyn 5. Te stałoprądowe szyny 5 dostarczają wejściowe napięcie prądu stałego do zacisków N i P każdego modułu 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką, gdzie zacisk N jest ujemnym zaciskiem prądu stałego, a zacisk P jest dodatnim zaciskiem prądu stałego. Każdy z modułów 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką wytwarza trzy oddzielne przebiegi wyjściowe A, B i C na swych trzech wyjściowych zaciskach U, V i W. Te przebiegi wyjściowe są tworzącymi klockami dla faz A, B i C trójfazowego wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego.

W tym przykładzie wykonania zastosowano cztery moduły 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką do sterowania, kiedy wejściowe napięcia prądu stałego są podawane na pierwotne uzwojenia czterech trójfazowych transformatorów 25, by wytwarzać stopnie (lub tworzące klocki) każdej z trzech faz. Oczywiście można zastosować więcej lub mniej niż cztery moduły 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką i transformatory 25. Stosunek pomiędzy liczbą modułów 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką i transformatorów 25 zwykle wynosi 1:1. Każdy trójfazowy transformator 25 zawiera trzy pierwotne uzwojenia i trzy wtórne uzwojenia (po jednym dla każdej fazy). Ponadto w tym przykładzie wykonania każdy moduł 20 tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką otrzymuje energię z jednej oddzielnej stałoprądowej szyny 5, z których każda jest dołączona do swego własnego źródła zasilania (źródła zasilania 1-4). Należy jednak zauważyć, że dowolną liczPL 209 641 B1 bę źródeł zasilania można dołączyć do jednej lub większej liczby stałoprądowych szyn 5, jak to zostało opisane powyżej w odniesieniu do innych przykładów realizacji wynalazku.

Moduły 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką regulują przepływ prądu ze swej stałoprądowej szyny 5 poprzez pierwotne uzwojenia swych odpowiednich transformatorów 25, aby wytwarzać stopnie trójfazowego przebiegu przemiennoprądowego. Każdy z czterech modułów 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką jest sterowany przez jedną z czterech płytek 22 drajwera, które są z kolei sterowane przez płytkę sterowania 24. Dokładniej mówiąc, algorytm sterowania rezydujący na płytce sterowania 24 steruje sygnałami wysyłanymi do każdej z czterech płytek drajwera 22, które z kolei wysyłają sygnały w celu uruchomienia bramek wewnątrz każdego z czterech modułów 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką w odpowiednich chwilach. Algorytm sterowania steruje dzięki temu uruchamianiem bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką w żądanej kolejności w celu wytwarzania wyjściowego schodkowego przebiegu przemiennoprądowego.

Jak pokazano na fig. 7B, przebiegi z wyjść A, B i C modułów 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką są podawane na pierwotne uzwojenia PA, PB, PC swych odpowiednich trójfazowych transformatorów T1-T4, by sterować napięcie w nich. Każdy transformator T1-T4 bezpośrednio wytwarza jeden stopień dla każdej fazy ze swych wtórnych uzwojeń SA, SB, SC w zależności od prądu płynącego przez swe odpowiednie pierwotne uzwojenia PA, PB, PC. Te cztery transformatory T1-T4 są skonfigurowane tak, że ich wtórne uzwojenia tej samej fazy są połączone ze sobą szeregowo. Trzy fazy są również połączone w konfiguracji gwiazdy na każdym z uzwojeń wtórnych.

Jak wspomniano powyżej, trójfazowa przetwornica przebiegu schodkowego według tego przykładu wykonania ma obwód sterujący, który zawiera trzy rodzaje urządzeń sterujących, jak pokazano na fig. 7A. Płytka sterująca 24 ma wszystkie zaprogramowane informacje i jest sercem systemu sterowania. Płytki drajwera 22 są interfejsem pomiędzy płytką sterującą 24 a modułami 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką. Moduły 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką są elektronicznymi układami mocy, które umożliwiają działanie elektrycznej strony przetwornicy przebiegu schodkowego. Moduły 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką są korzystnie dostępnymi w handlu modułami Powerex six pack produkcji firmy Powerex Intellimod i są pozbawione wszelkich modyfikacji w stosunku do swego stanu oryginalnego. Płytki drajwera 22 są ogólnie znane fachowcom. Płytka sterująca 24 jest skonstruowana i zbudowana specjalnie do użycia z jednofazowymi i trójfazowymi przetwornicami przebiegu schodkowego według wynalazku, których schemat przedstawiono na fig. 7C. Na płytce sterującej 24 umieszczony jest obwód scalony mikrosterownika, który jest wykorzystywany do sterowania wszelkimi aspektami przetwornicy przebiegu schodkowego. Oprogramowanie w sterującej płytce 24 umożliwia unikatowe aspekty przełączania według wynalazku.

Oprogramowanie płytki sterującej steruje działaniem całej przetwornicy przebiegu schodkowego. Steruje ono działaniem wszystkich przełączników z bipolarnymi tranzystorami z izolowaną bramką w każdym z modułów 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką, które z kolei charakteryzują przebieg przemiennoprądowy. Prawidłowa synchronizacja działania każdego z łączników w module 20 bipolarnych tranzystorów z izolowaną bramką jest istotna dla generowania przebiegu przemiennoprądowego o akceptowanej jakości. Oprogramowanie to zapewnia również takie cechy jak zdolność utrzymywania obciążenia dla poszczególnych źródeł wejściowych; sterowanie napięciem i natężeniem prądu wyjściowego przebiegu przemiennego; uzgadnianie faz i synchronizacja sieci; możliwość monitorowania i lokalizacji uszkodzeń w obwodach logicznych bramek i/lub drajwerów bramek; możliwość ukosowania synchronizacji przebiegu schodkowego w celu zmniejszenia zniekształceń harmonicznych; hybrydowe sterowanie przebiegu schodkowego/modulacji szerokości impulsu; możliwość łączenia wielu wejść o różnych napięciach i danych znamionowych; możliwość zapewnienia sprzężenia zwrotnego dla źródeł zasilania, by można było nadążać za obciążeniem wyjściowym; oraz możliwość stosowania dużego obciążenia pojedynczych wejść, takich jak baterie, przez krótki czas podczas przebiegów przejściowych, by źródła o dłuższym czasie reakcji mogły podjąć obciążenia. Chociaż powyższe i inne cechy są korzystnie realizowane przez oprogramowanie, należy zauważyć, że niektóre lub wszystkie te aspekty wynalazku mogą być realizowane raczej w obwodzie analogowym niż przez oprogramowanie.

W podstawowej trójfazowej przetwornicy przebiegu schodkowego każda faza przebiegu przemiennoprądowego może być skonstruowana w taki sam sposób, jak opisano powyżej w odniesieniu do wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego schodkowego, jednofazowego, który pokazano na fig. 4. Chociaż podstawowa procedura tworzenia przebiegu schodkowego działa bardzo dobrze z jednofazową przetwornicą, to jednak zastosowanie tego rozwiązania bezpośrednio w trójfazowej prze12

PL 209 641 B1 twornicy według wynalazku powoduje niezgodność ze względu na konfiguracje trójkąt - gwiazda bramek i transformatorów. Niezgodność taka jest bardzo szkodliwa dla jakości wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego. Jednakże w trójfazowej konfiguracji trójkąt-gwiazda synchronizacja łączników na bipolarnych tranzystorach z izolowaną bramką może faktycznie być sterowana w taki sposób (to znaczy w celu regulowania przesunięcia fazy zamiast szerokości stopnia), że przesunięcie fazy transformatora jest wykorzystywane raczej w sposób konstruktywny, a nie destruktywny. Sterownik fazy, taki jak płytka sterująca 24, może być wykorzystywany do sterowania łącznikami, by konstruktywnie wykorzystywać przesunięcie fazy transformatora.

Chociaż więc układy uzwojeń pierwotnych i wtórnych transformatorów trójfazowych można konfigurować wieloma różnymi sposobami, korzystne staje się według wynalazku konfigurowanie uzwojeń pierwotnych w układzie trójkąta, a uzwojeń wtórnych w układzie gwiazdy. W szczególności taki układ trójkąt-gwiazda, kiedy jest prawidłowo sterowany, umożliwia tworzenie wynikowego przebiegu schodkowego, zawierającego n+2 stopni, gdzie n oznacza liczbę transformatorów wykorzystywanych przy wytwarzaniu przebiegu przemiennoprądowego. Tak wytworzony przebieg przemiennoprądowy zawiera dodatkowe stopnie spowodowane przez dodanie trzech przesuniętych w fazie przebiegów pierwotnych.

Figura 8 jest wykresem napięcia w funkcji czasu, pokazującym zwiększony schodkowy przemiennoprądowy przebieg wyjściowy wytworzony przy starannym sterowaniu łączników na bipolarnych tranzystorach z izolowaną bramką, aby wykorzystywać konstruktywnie przesunięcie fazy pomiędzy konfiguracjami trójkąta i gwiazdy uzwojeń transformatorów. Jak pokazano, konstruktywne stosowanie niezgodności transformatora może zapewnić sześciostopniowy przebieg schodkowy przy korzystaniu tylko z czterech transformatorów zamiast konwencjonalnego przebiegu czterostopniowego.

Aby uzyskać opisane powyżej lepsze wyniki, wynalazek proponuje unikatowy sposób sterowania łączników na bipolarnych tranzystorach z izolowaną bramką, który umożliwia, by trójfazowa przetwornica przebiegu schodkowego wytwarzała wyjściowe napięcie przemiennoprądowe z większą rozdzielczością. Ta większa rozdzielczość obejmuje zwiększoną liczbę stopni napięcia wyjściowego przy równoczesnym wykorzystywaniu tej samej liczby łączników na bipolarnych tranzystorach z izolowaną bramką i transformatorów. Ten unikatowy sposób sterowania łączy normalne kombinacje przesunięcia fazy w konfiguracji transformatorów trójkąt-gwiazda z inteligentnym sterowaniem logicznym przesunięciem fazy transformatorów, by zmniejszyć zawartość harmonicznych. Inaczej mówiąc, przez inteligentne włączanie i wyłączanie łączników na płytkach z bipolarnymi tranzystorami z izolowaną bramką według naturalnej reakcji fazowej trójkąt-gwiazda, przetwornica przebiegu schodkowego według tego przykładu realizacji daje podwyższony wyjściowy przemiennoprądowy przebieg schodkowy.

Jak omówiono poprzednio, zastosowanie konwencjonalnych algorytmów przełączania przebiegu schodkowego w celu wytwarzania symulowanego wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego jest znane. Dość pospolicie w konwencjonalnych przetwornicach stosuje się również algorytm przełączania z modulacją szerokości impulsów do aproksymowania przebiegu sinusoidalnego. Modulacja szerokości impulsów wiąże się ze zmianą czasów włączenia i wyłączenia impulsów (cykl pracy), tak że napięcie średnie jest równe napięciu szczytowemu razy współczynnik wykorzystania. W takich przetwornicach z modulacją szerokości impulsów przebieg sinusoidalny jest aproksymowany przy użyciu szeregu impulsów o zmiennej szerokości. Żadna ze znanych przetwornic nie łączy jednak wyjściowego przebiegu schodkowego z modulacją szerokości impulsów. Znaczne ulepszenie zostaje wprowadzone przez niniejszy wynalazek dzięki nowemu połączeniu przetwarzania przebiegu schodkowego i modulacji szerokości impulsów.

Szczęśliwie zarówno przebieg schodkowy jak i modulacja szerokości impulsów mogą cyklicznie wykorzystywać źródła energii w dowolnej kolejności, jak również sterowanie obciążeniem poszczególnych źródeł zasilających. Z powiązania ze sobą tych dwóch podejść wynika zatem kilka zalet. Zalety te obejmują między innymi dokładniejszą aproksymację przebiegu sinusoidalnego niż przy którymkolwiek z podejść znanych ze stanu techniki, stosowanych oddzielnie, mniejsze straty niż przy konwencjonalnym podejściu z modulacją szerokości impulsów, wyeliminowanie konieczności szybkiego przełączania pełnego napięcia linii oraz większą możliwość dostosowania wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego.

Jeszcze inny korzystny przykład realizacji niniejszego wynalazku wykorzystuje unikatowe połączenie algorytmów przebiegu schodkowego i modulacji szerokości impulsów do generowania hybrydowego wyjściowego przebiegu przemiennoprądowego pochodzącego z połączenia przebiegu schodkowego i modulacji szerokości impulsów, który bardzo dokładnie aproksymuje idealny przebieg sinuPL 209 641 B1 soidalny (to znaczy zawartość harmonicznych potencjalnie mniejsza niż 2%). Figura 9 jest schematem blokowym działania korzystnego algorytmu łączenia modulacji szerokości impulsów z przetwarzaniem energii w przebieg schodkowy. Schemat ten przedstawia proces tworzenia hybrydowego przebiegu pochodzącego z przebiegu schodkowego i modulacji szerokości impulsów, który dokładnie aproksymuje idealny przebieg przemiennoprądowy. Należy zauważyć, że algorytm ten może być zawarty jako oprogramowanie stałe mikrosterownika z pomocniczym obwodem analogowym, albo może być realizowany całkowicie analogowo lub całkowicie w mikrosterowniku.

Zwykle według tego nowego podejścia modulację szerokości impulsów wykorzystuje się do poprawiania krawędzi przejściowych każdego stopnia wyjściowego przemiennoprądowego przebiegu schodkowego. Hybrydowy system z przebiegiem schodkowym i modulacją szerokości impulsów wykorzystuje modulator szerokości impulsów do modulowania doprowadzania energii do wybranego jednego z transformatorów, podczas gdy zasilanie innych transformatorów jest utrzymywane stale w położeniu włączonym lub wyłączonym, aby utrzymywać podstawowe stopnie przemiennoprądowego przebiegu schodkowego. Przebiegi z modulacją szerokości impulsów są zatem wykorzystywane w stanach przejściowych przebiegu schodkowego w celu polepszenia obwiedni symulowanego przebiegu przemiennoprądowego. Te mniejsze impulsy z modulacją szerokości impulsów mogą być filtrowane, aby pomóc wytwarzać dobrze regulowany przebieg sinusoidalny, który ma bardzo małą zawartość harmonicznych. W ten sposób proces z przebiegiem schodkowym jest wykorzystywany do aproksymowania przebiegu sinusoidalnego na dużą skalę, natomiast proces modulacji szerokości impulsów zapewnia dalsze zbliżenie do aproksymacji sinusoidy. Połączenie stosowania modulacji szerokości impulsów dla jednego lub więcej transformatorów przy równoczesnym wykorzystywaniu techniki przetwarzania przebiegu schodkowego dla innych jest rozwiązaniem unikatowym.

Figura 10 jest wykresem dodatkowo ilustrującym ten proces hybrydowy tworzenia przebiegu przemiennoprądowego, jak opisano powyżej, przy użyciu algorytmu z fig. 9. Pionowa oś wykresu reprezentuje stosunek całkowitego napięcia wyjściowego V(wy) z szeregu połączonych ze sobą wtórnych uzwojeń transformatorów przetwornicy przebiegu schodkowego do szczytowego napięcia Vzad idealnej sinusoidy. Oś pozioma jest osią czasu. Dolny wykres przedstawia przebieg wyjściowy modulacji szerokości impulsów podawany na wybrane uzwojenie pierwotne jednego z transformatorów. Zwykle, jak przedstawiono na wykresie z fig. 10, hybrydowe podejście z przebiegiem schodkowym i modulacją szerokości impulsów powoduje dodawanie do siebie przebiegów schodkowych, by wytworzyć zgrubne przybliżenie sinusoidy, podczas gdy modulacja szerokości impulsów dostarcza wejściowych sygnałów napięciowych w stanach przejściowych, by wygładzać krawędzie stopni.

Na podstawie fig. 9 i 10 opisany zostanie teraz szczegółowo hybrydowy algorytm przebiegu schodkowego/modulacji szerokości impulsów. Najpierw jednak trzeba zdefiniować parametry tego algorytmu. V(i) oznacza napięcie przyłożone do pierwotnego uzwojenia i, gdzie i = 1, 2, 3. 4, ...k; a k oznacza całkowitą liczbę uzwojeń pierwotnych transformatorów, stosowanych przy generowaniu przebiegu przemiennoprądowego. Jak zauważono poprzednio, V(wy) oznacza połączone napięcie wyjściowe z szeregowo połączonych wtórnych uzwojeń transformatorów, a Vzad oznacza maksymalny poziom napięcia idealnego przebiegu przemiennoprądowego. Obwiednią modulacji szerokości impulsów reprezentuje granice, w których odbywa się operacja modulacji szerokości impulsów, tak że nieprzefiltrowane impulsy są związane przez obwiednię modulacji szerokości impulsów.

Kiedy rozpoczyna się proces hybrydowy z przebiegiem schodkowym i modulacją szerokości impulsów, połączone napięcie wyjściowe V(wy) jest równe zero, a parametr i jest ustawiony na 1. Rozpoczyna się zatem modulacja szerokości impulsów przy stałoprądowym napięciu wejściowym V(1) na pierwszym uzwojeniu pierwotnym pierwszego transformatora. Napięcie wejściowe V(1) zaczyna być stopniowo podawane na pierwsze uzwojenie pierwotne, tak że pierwszy transformator jest włączony. Gdy napięcie V(1), podawane na pierwsze uzwojenie pierwotne, jest modulowane i filtrowane, wówczas stopniowo rośnie, jak pokazano na wykresie 26 wyjściowego przebiegu modulacji szerokości impulsów u dołu na fig. 10. Napięcie wyjściowe z uzwojenia wtórnego pierwszego transformatora i połączone napięcie wyjściowe V(wy) odpowiednio rośnie. To napięcie wyjściowe V(1) jest ciągle modulowane, jak pokazano poprzez sygnał 28, aż poziom modulacji szerokości impulsów osiągnie 100% dla tego stopnia w chwili 30. Gdy modulacja szerokości impulsów dla tego stopnia osiągnie 100%, wejściowe napięcie V(1) na pierwszym uzwojeniu pierwotnym jest ciągle włączone, jak to przedstawiono linią 32, a parametr i jest wtedy zwiększany o jeden, tak że napięcie wejściowe V(2) na drugim uzwojeniu pierwotnym drugiego transformatora może być wówczas modulowane, jak to przedstawiono przez sygnał 34.

PL 209 641 B1

Proces modulacji szerokości impulsów opisany powyżej jest powtarzany dla doprowadzania napięcia do każdego z uzwojeń pierwotnych, aż do ostatniego żądanego uzwojenia pierwotnego k. Kiedy to nastąpi (to znaczy kiedy i stanie się równe k), modulacja szerokości impulsów wejściowego napięcia V(k) na ostatnim uzwojeniu pierwotnym rozpoczyna się i trwa, aż całkowite napięcie wyjściowe V(wy) stanie się równe maksymalnemu napięciu Vzad idealnego przebiegu przemiennoprądowego. Kiedy wyjściowe napięcie V(wy) osiągnie ten punkt, wówczas ma maksymalną żądaną wartość i w związku z tym musi zacząć maleć. Aby zmniejszyć wyjściowe napięcie V(wy), i jest z powrotem ustawiane na 1, a proces modulacji szerokości impulsów przebiega odwrotnie.

Należy zauważyć, że podczas modulacji każdego ze stopni napięciowych połączony poziom napięcia wyjściowego V(wy) jest ciągle badany, aby zobaczyć, czy osiągnął swą maksymalną żądaną wartość Vzad. Dopóki napięcie wyjściowe V(wy) pozostaje poniżej tego maksimum, modulacja szerokości impulsów aktualnego stopnia trwa jednak, aż osiągnie 100% dla tego stopnia, jak opisano powyżej. Kiedy poziom V(wy) napięcia wyjściowego osiągnie swą maksymalną żądaną wartość, i jest ustawiane z powrotem na 1, a proces modulacji szerokości impulsów jest odwracany, tak że napięcie może stopniowo maleć niezależnie od tego, czy zostały wykorzystane wszystkie uzwojenia pierwotne, czy też nie.

Proces modulacji szerokości impulsów trwa ze stopniowym zmniejszaniem modulacji szerokości impulsów wejściowego napięcia V(1) do zera, jak to przedstawiono przez sygnał 36. Gdy modulacja szerokości impulsów osiągnie 0% dla tego stopnia, jego napięcie wejściowe V(1) jest ciągle wyłączone, a i zostaje zwiększone o jeden, tak że wejściowe napięcie V(2) na drugim uzwojeniu pierwotnym może być modulowane, jak to przedstawia sygnał 38. Proces ten trwa dla napięć wejściowych na każdym z uzwojeń pierwotnych 1-k, przy czym każde z nich jest stopniowo zmniejszane do zera. Po zakończeniu modulacji szerokości impulsów ostatniego napięcia wejściowego V(k) (sygnał 40), gdy napięcie wyjściowe V(wy) jest równe zero (w chwili 44), parametr i jest z powrotem ustawiany na 1. Cały proces znów powtarza się, ale tym razem z biegunowością ujemną, jak pokazano w 42.

W wyniku opisanego powyżej hybrydowego procesu z przebiegiem schodkowym i modulacją szerokości impulsów możliwe jest tworzenie symulowanego przebiegu przemiennoprądowego o całkowitej zawartości harmonicznych mniejszej niż 2%. Wynalazek wprowadza więc znaczne ulepszenie przez opracowanie przetwornicy przebiegu schodkowego, która wytwarza symulowany przebieg przemiennoprądowy bardzo dokładnie aproksymujący idealny przebieg przemiennoprądowy.

Poniżej opisane zostanie kilka specyficznych zastosowań wynalazku. Jednym specyficznym zastosowaniem przetwornicy przebiegu schodkowego z wieloma sterowanymi, odizolowanymi źródłami zasilania są hybrydowe odnawialne systemy energetyczne. Przetwornice przebiegu schodkowego według wynalazku mogą nieprzerwanie i skutecznie integrować odnawialne źródła energii, takie jak elektrownie wodne, wiatrowe i słoneczne, z konwencjonalnymi generatorami, takimi jak turbiny dieslowskie i turbiny gazowe w zastosowaniach poza siecią, na końcu sieci i w sieci bez pogarszania sprawnego działania konwencjonalnych generatorów lub odnawialnych źródeł energii elektrycznej. Stosowanie takiej przetwornicy przebiegu schodkowego pozwala na wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii jako głównych źródeł, nadal jednak zapewniając ciągłe działanie, przez co zmniejsza się zużycie paliwa w konwencjonalnych elektrowniach.

Jeszcze innym zastosowaniem przedmiotowego wynalazku są rezerwowe systemy zasilania. Rezerwowe systemy zasilania służą do zapewniania zasilania urządzeń w razie awarii sieci energetycznej. Systemy takie zwykle złożone są z generatora z silnikiem wysokoprężnym (główne źródło energii przy pracy poza siecią), baterii, które zapewniają tymczasowe zasilanie podczas rozruchu generatora, przetwornicy napięcia stałego z baterii lub generatora w prąd przemienny i przełącznika, który przenosi obciążenie z sieci na system zasilania rezerwowego, kiedy jest to potrzebne. Cały system jest zwykle nazywany systemem zapewniającym nie przerywane zasilanie. Niestety, większość systemów zapewniających nie przerywane zasilanie ma jedną istotną wadę - jeśli jedna z głównych części składowych zawiedzie, ma to wpływ na cały system.

W typowym systemie zapewniającym nie przerywane zasilanie, takim jak system pokazany na fig. 11 A, sieć 50 i rezerwowy system zasilania (generator) 52 nie są ze sobą zsynchronizowane. Przełącznik 56 przenoszący obciążenie dokonuje wyboru pomiędzy dwiema liniami nr 1 i nr 2 doprowadzania zasilania w zależności od tego, które źródło zasilania 50 lub 52 jest potrzebne. Kiedy nastąpi awaria sieci 50, uruchamiana jest rezerwowa linia zasilania nr 2, aby doprowadzać energię z rezerwowego źródła zasilania 52. Jedna lub więcej baterii 54 dostarcza tymczasowo energię prądu stałego, która jest przetwarzana w prąd przemienny dla użytkownika. Gdy generator 52 osiągnie

PL 209 641 B1 swą normalną prędkość działania, zasilanie będzie zapewniane tylko przez generator 52. Prostownik 57 jest wykorzystywany do prostowania prądu z sieci 50 lub z generatora 52. Przetwornica 58 przetwarza otrzymywany prąd stały w prąd przemienny. Ze względu na taką wzajemnie zależną konfigurację części składowych, jeżeli którakolwiek z tych części składowych zawiedzie, ma to wpływ na cały system.

W odróżnieniu od takiego konwencjonalnego systemu przetwornica przebiegu schodkowego według wynalazku, użyta w systemach zapewniających nie przerywane zasilanie, jak to schematycznie przedstawiono na fig. 11B, może przyjąć i integrować wiele źródeł energii 50, 52, 54. Ta zdolność integrowania wielu źródeł energii daje przetwornicy 18 przebiegu schodkowego ważne zalety wobec typowych systemów zapewniających nie przerywane zasilanie. Przede wszystkim wynalazek eliminuje potrzebę stosowania przełącznika 56 przenoszącego obciążenie (patrz fig. 11 A), który jest używany z wieloma systemami zapewniającymi nie przerywane zasilanie. Wynalazek ten zapewnia zatem rzeczywiście nie przerywane zasilanie. Wynalazek korzystnie izoluje również każde źródło energii 50, 52, 54 od systemu, aby zapewniać ciągłą regulację napięcia. Jeżeli jedno ze źródeł prądu, takich jak sieć energetyczna 50, przestaje działać albo zostanie umyślnie odłączone, ten przykład realizacji wynalazku będzie regulować moc wyjściową wykorzystując pozostałe źródła prądu 52, 54. Właściwość ta może eliminować kosztowne czasy wyłączenia przez umożliwienie przeprowadzania robót konserwacyjnych przy źródłach zasilania zgodnie z harmonogramem bez szkód dla użytkownika. W połączeniu z silną i niezawodną konstrukcją przetwornicy 18 przebiegu schodkowego w porównaniu z przemysłowymi przetwornicami, które istnieją w systemach zapewniających nie przerywane zasilanie, architektura taka jest znacznie bardziej niezawodna i użyteczna niż typowy system zapewniający nie przerywane zasilanie.

Przetwornica 18 przebiegu schodkowego może również przygotowywać prąd z sieci energetycznej z przeznaczeniem do stosowania w czułych urządzeniach elektronicznych. Proces taki zwykle wymaga dodatkowego sprzętu dostarczanego przez końcowego użytkownika. Zapewnia to lepszą sprawność, regulację i izolację w porównaniu ze stosowaniem transformatorów ferrorezonansowych, jakie są konwencjonalnie stosowane. Taka elastyczność przetwornicy 18 przebiegu schodkowego daje również użytkownikowi końcowemu przestrzeń do rozbudowania lub modernizacji źródeł zasilania. Przykładowo istniejący generator 52 z silnikiem wysokoprężnym lub zestaw baterii 54 można zastąpić ogniwami paliwowymi, gdy staną się one dostępne.

Jeszcze inne zastosowanie wynalazek ten ma w integrowaniu prądu z zestawów ogniw fotowoltaicznych. Ogniwa fotowoltaiczne są to źródła energii, do których przetwornica przebiegu schodkowego według wynalazku jest idealnie dostosowana. Jest tak dlatego, ponieważ te źródła prądu stałego są zwykle złożone z wielu niezależnych ciągów. Na przykład zestawy ogniw fotowoltaicznych zwykle złożone są z wielu ciągów ogniw fotowoltaicznych. Większe zestawy baterii są również zwykle zorganizowane jako równoległe ciągi baterii i zastosowanie przetwornicy przebiegu schodkowego jest dla nich korzystne. Każdy ciąg dostarcza energii w postaci wyjściowego napięcia prądu stałego. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego może traktować każdy ciąg jako niezależne źródło i integrować elektrycznie wiele ciągów utrzymując pomiędzy nimi izolację. Jest to kluczowa zaleta przetwornicy 18 przebiegu schodkowego, ponieważ jeśli jeden lub więcej ciągów działa wadliwie, przetwornica 18 przebiegu schodkowego może nadal dostarczać z jeszcze działających ciągów prąd przemienny użytkowy lub nadający się do urządzeń elektronicznych.

Dodatkowo przetwornica 18 przebiegu schodkowego według wynalazku może dostarczać różnych poziomów nominalnego napięcia prądu stałego wśród tych ciągów. Istniejące systemy przetwornic kierują nominalnymi poziomami napięcia prądu stałego przez oddzielne regulatory napięcia na każdym ciągu lub przez łączenie całej energii prądu stałego na jednej szynie stałoprądowej, a następnie przetwarzanie energii z tej szyny w prąd przemienny. W pewnych przypadkach przetwornice są dołączane do każdego ciągu, a prąd przemienny z każdej przetwornicy jest łączony do zasilania obciążenia. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego drastycznie upraszcza i ulepsza architekturę przetwarzania prądu w porównaniu ze znanymi przetwornicami do zestawów ogniw fotowoltaicznych umożliwiając wyśledzenie maksymalnej mocy każdego wejścia.

Jeszcze inne zastosowanie wynalazku odnosi się do ogniw paliwowych. Ogniwa paliwowe wytwarzają prąd elektryczny wykorzystując proces elektrochemiczny. Różnią się one od baterii, które również wykorzystują proces elektrochemiczny, tym, że zużywają wodór i w związku z tym trzeba ciągle dostarczać do nich paliwo. Do wytwarzania wodoru wykorzystuje się różne paliwa zależnie od procesu reformowania, do którego każdy system jest przeznaczony. Ogniwa paliwowe są dobrze do16

PL 209 641 B1 stosowane do wytwarzania rozproszonego, ale każdy system musi być dostosowany do zadań, które będzie spełniać. Niektóre zastosowania mogą wymagać lepszej jakości energii niż inne. Niektóre mogą potrzebować połączenia z siecią energetyczną. Niektóre mogą wymagać połączenia kilku ogniw paliwowych równolegle ze sobą, natomiast inne mogą realizować współgenerację, gdzie ciepło odpadowe z ogniwa paliwowego jest wykorzystywane wraz z energią elektryczną. Wszystkie te zastosowania wymagają przygotowania prądu i specjalnych połączeń elektrycznych z urządzeniami końcowego użytkownika.

Prąd elektryczny wytwarzany z ogniw paliwowych jest również prądem stałym i musi być regulowany lub przetwarzany w prąd przemienny dla użytkownika. Konwencjonalnie przeprowadza się to za pomocą przetwornicy, która często jest zintegrowana w konstrukcji. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego według wynalazku oferuje wyraźne zalety wobec obecnej techniki. Jedną główną zaletą przy integrowaniu ogniw paliwowych, oferowaną przez przetwornicę 18 przebiegu schodkowego jest równoległe działanie wielu ogniw paliwowych, gdzie każdy zespół może być indywidualnie obciążony. Inną zaletą jest śledzenie charakterystyk i ograniczeń napięcia ogniwa paliwowego w funkcji obciążenia.

Istnieją dwa konwencjonalne sposoby konsolidowania prądu z wielu ogniw paliwowych obsługujących pojedynczego użytkownika. Jednym sposobem jest zastosowanie regulatorów napięcia dla każdego ogniwa paliwowego i wspólnej szyny, do której te regulatory napięcia dostarczają prąd. Następnie prąd ze wspólnej szyny jest przetwarzany przez jedną przetwornicę i dostarczany do użytkownika. Drugi sposób polega na zastosowaniu przetwornicy dla każdego ogniwa paliwowego, łączeniu przetworzonych prądów i doprowadzaniu do użytkownika. Obie te techniki są kosztowne, ponieważ wymagają podwojenia liczby części składowych systemu dla każdego ogniwa paliwowego.

Jak pokazano na fig. 11A i 11B, przetwornica 18 przebiegu schodkowego ma wyraźną zaletę wobec opisanego powyżej stanu techniki. W szczególności jedno lub więcej źródeł prądu, to znaczy 52, 54, dla przetwornicy 18 przebiegu schodkowego mogą stanowić ogniwa paliwowe. Przy zastąpieniu zestawów 54 baterii ogniwami paliwowymi przetwornica 18 przebiegu schodkowego umożliwia, by każde ogniwo paliwowe 54 działało ze szczytową sprawnością przy odizolowaniu każdego ogniwa paliwowego 54 od innych jak z innymi źródłami prądu opisanymi już powyżej. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego przetwarza prąd w przebieg przemienny i doprowadza go do użytkownika. Upraszcza to architekturę i pozwala na wyłączenie jednego lub większej liczby ogniw paliwowych 54 bez żadnych szkodliwych wpływów.

Jeszcze inne zalety wynalazku istnieją w odniesieniu do zastosowań w połączeniu z siecią, które mają jedno lub więcej wejść z sieci. W obecnych zastosowaniach z wejściami dołączonymi z sieci ogniwo paliwowe 54 jest dołączane do przetwornicy w synchronizacji z siecią użytkową 50. Odłączanie od sieci 50 (np. do obsługi) przeprowadzane jest za pomocą przełącznika 56 przenoszącego obciążenie. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego według wynalazku oferuje wyraźną zaletę wobec przełącznika 56 przenoszenia obciążenia. Zarówno sieć użytkowa 50 jak i ogniwo paliwowe 54 lub wiele ogniw paliwowych 54 są wykorzystywane jako źródła prądu dla przetwornicy 18 przebiegu schodkowego. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego przygotowuje prąd dla użytkownika i izoluje każde ogniwo paliwowe 54 od sieci użytkowej. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego umożliwia, by każde ogniwo paliwowe 54 działało w korzystnych warunkach w celu zapewnienia sprawnego wykorzystywania paliwa lub współgeneracji. Ponadto, ponieważ wszystkie źródła prądu są odizolowane przez przetwornicę 18 przebiegu schodkowego, nie ma konieczności stosowania kosztownego przełącznika 56 przenoszenia obciążenia w razie, gdy jedno ze źródeł jest uszkodzone. Przetwornica 18 przebiegu schodkowego po prostu wykorzystuje pozostałe źródła 50, 52, 54 prądu do wytwarzania prądu o dobrej jakości.

Ogniwa paliwowe 54 mogą również zapewniać prąd wtedy, gdy sieć 50 nie jest aktywna lub kiedy brak jest sieci. Gdy brak jest prądu z sieci użytkowej 50, ogniwo paliwowe 54 będzie awaryjnie zasilać użytkownika. W systemach zapewniających nie przerywane zasilanie ogniwo paliwowe 54 może skutecznie zastąpić generator 52 z silnikiem wysokoprężnym, który jest pospolicie stosowany obecnie.

Zdolność przetwornicy według wynalazku do integrowania wielu źródeł prądu stwarza ponadto końcowemu użytkownikowi możliwość rozszerzenia systemu w przyszłości bez kosztownej przebudowy lub kupowania całego nowego systemu. Przez proste modyfikacje oprogramowania przetwornicę 18 przebiegu schodkowego według wynalazku można przygotować do obsługi wielu ogniw paliwowych, połączenia z siecią użytkową lub do równoległego połączenia innych rodzajów źródeł prądu z ogniwem paliwowym.

PL 209 641 B1

Po opisaniu i przedstawieniu zasad wynalazku w kilku korzystnych przykładach realizacji wynalazku powinno być oczywiste, że wynalazek można modyfikować nie odchodząc od jego zasad. W szczególności właściwości i zalety wszystkich różnych przykładów realizacji można zebrać razem w dowolnym połączeniu w zależności tylko od żądanego zastosowania. Zastrzegamy zatem wszelkie modyfikacje i odmiany objęte duchem i zakresem następujących zastrzeżeń patentowych.

Claims (17)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób sterowania przetwornicą przebiegu schodkowego, w którym podaje się napięcie wejściowe prądu stałego ze źródła napięcia prądu stałego do wielu różnych układów mostkowych w przetwornicy przebiegu schodkowego i za pomocą tych układów mostkowych przekształca się napięcie wejściowe prądu stałego z tego źródła na wiele stopni napięcia wyjściowego schodkowego, za pomocą każdego z układów mostkowych generuje się stopnie napięcia wyjściowego schodkowego z napięcia wejściowego prądu stałego, doprowadza się te stopnie napięcia wyjściowego do uzwojeń pierwotnych transformatorów, znamienny tym, że moduluje się szerokości impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego, wytwarzanych z napięcia wejściowego prądu stałego, mające wartości pomiędzy wartością zerową i wartością szczytową napięcia wyjściowego schodkowego, podczas gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego doprowadza się do uzwojeń pierwotnych transformatorów, przerywa się modulację szerokości impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego i w sposób ciągły wyprowadza się stopnie napięcia wyjściowego schodkowego przy wartości szczytowej napięcia schodkowego, gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego osiągają ich wartość szczytową w uzwojeniach wtórnych transformatorów, a po osiągnięciu wartości szczytowej napięcia schodkowego, moduluje się szerokość impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego, wytwarzanych z napięcia wejściowego prądu stałego, pomiędzy wartością szczytową i wartością zerową napięcia schodkowego, podczas gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego nadal doprowadza się do uzwojeń pierwotnych transformatorów i przerywa się modulację szerokości impulsów stopni napięcia wyjściowego schodkowego i w sposób ciągły wyprowadza się stopnie napięcia wyjściowego schodkowego przy wartości zerowej napięcia schodkowego, gdy stopnie napięcia wyjściowego schodkowego osiągają ich wartość zerową w uzwojeniach wtórnych transformatorów.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że za pomocą układów mostkowych odbiera się wiele napięć wejściowych prądu stałego z działających niezależnie źródeł napięcia prądu stałego i moduluje się szerokości impulsów napięcia wejściowego prądu stałego, utrzymując drugie napięcie wejściowego prądu stałego w stanie stałym włączenia lub wyłączenia.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że za pomocą modulatora szerokości impulsów hybrydowego sterownika modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego sekwencyjnie moduluje się szerokości impulsów napięć prądu stałego, doprowadzanych do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów dla zwiększania napięcia, aż poziom modulacji szerokości impulsów osiągnie 100% dla danego stopnia przebiegu schodkowego i przerywa się modulację szerokości impulsów oraz w sposób ciągły włącza się napięcie wejściowe prądu stałego po osiągnięciu 100% poziomu modulacji szerokości impulsów i sekwencyjnie moduluje się szerokości impulsów napięć prądu stałego, doprowadzanych do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów dla zmniejszania napięcia, aż poziom modulacji szerokości impulsów osiągnie 0% dla danego stopnia przebiegu schodkowego i przerywa się modulację szerokości impulsów oraz w sposób ciągły wyłącza się napięcie wejściowe prądu stałego po osiągnięciu 0% poziomu modulacji szerokości impulsów dla dokładnego dopasowania wyjściowego przebiegu prądu przemiennego do idealnego przebiegu prądu przemiennego.
4. 4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że za pomocą modulatora szerokości impulsów hybrydowego sterownika modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego odwraca się proces modulacji szerokości impulsów, gdy wyjściowy przebieg schodkowy prądu przemiennego osiąga żądaną wartość.
5. 5. Przetwornica przebiegu schodkowego, zawierająca wiele transformatorów mających uzwojenia pierwotne i uzwojenia wtórne, do których jest dołączonych wiele układów mostkowych mających wejścia dołączone do jednego lub więcej źródeł napięcia prądu stałego i wyjścia dołączone do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów, przy czym tych wiele układów mostkowych ma na wejściu jedno lub więcej napięć prądu stałego i na wyjściu wiele stopni napięcia schodkowego, doprowadzanych do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów, których uzwojenia wtórne mają wyjściowe napię18

   PL 209 641 B1 cie przemienne schodkowe, znamienna tym, że do wielu układów mostkowych jest dołączony układ sterowania do modulacji szerokości impulsów indywidualnych stopni napięcia wyjściowego schodkowego, otrzymywanych z wielu układów mostkowych i mających wartość napięcia pomiędzy wartością zerową i wartością szczytową.
6. 6. Przetwornica według zastrz. 5, znamienna tym, że uzwojenia wtórne transformatorów mają jedną fazę.
7. 7. Przetwornica według zastrz. 5, znamienna tym, że uzwojenia wtórne transformatorów mają trzy fazy.
8. 8. Przetwornica według zastrz. 7, znamienna tym, że każdy transformator stanowi transformator trójfazowy, mający trzy uzwojenia pierwotne i trzy uzwojenia wtórne, a każdy z układów mostkowych zawiera wiele par bramek, a każda para bramek ma dwie bramki połączone ze sobą szeregowo, a ponadto przeciwległe końce każdego z uzwojeń pierwotnych każdego z transformatorów trójfazowych są włączone pomiędzy bramki oddzielnych par bramek w jednym z mostków.
9. 9. Przetwornica według zastrz. 8, znamienna tym, że każdy z układów mostkowych zawiera wiele diod przeciwrównoległych, a każda dioda przeciwrównoległa jest dołączona do jednej z bramek dla przepływu prądu zwarciowego przez jedno lub więcej uzwojeń pierwotnych zwartego transformatora.
10. 10. Przetwornica według zastrz. 7, znamienna tym, że każdy z układów mostkowych zawiera sześć bramek skonfigurowanych w trzy pary połączonych szeregowo po dwie bramek.
11. 11. Przetwornica według zastrz. 10, znamienna tym, że każdy z układów mostkowych zawiera wiele diod przeciwrównoległych, a każda dioda przeciwrównoległa jest dołączona do jednej z bramek dla przepływu prądu zwarciowego przez jedno lub więcej uzwojeń pierwotnych zwartego transformatora.
12. 12. Przetwornica według zastrz. 11, znamienna tym, że każdy z transformatorów trójfazowych jest połączony w konfiguracji trójkąt-gwiazda i przetwornica zawiera sterownik fazowy do wykorzystywania różnic faz pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi w układzie trójkąta i uzwojeniami wtórnymi w układzie gwiazdy dla wytwarzania dodatkowych stopni w wyjściowym przebiegu schodkowym prądu przemiennego.
13. 13. Przetwornica według zastrz. 5, znamienna tym, że zawiera układ sterowania wartością, czasem trwania i biegunowością napięcia schodkowego, podawanego na każde z uzwojeń pierwotnych każdego z transformatorów.
14. 14. Przetwornica przebiegu schodkowego, zawierająca wiele transformatorów, z których każdy ma uzwojenie pierwotne i uzwojenie wtórne do dostarczania stopnia przebiegu schodkowego prądu przemiennego, do których jest dołączonych wiele układów mostkowych, włączonych pomiędzy jedno lub więcej źródeł napięcia prądu stałego i uzwojenia pierwotne odpowiednich transformatorów, znamienna tym, że zawiera hybrydowy sterownik modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego, dołączony do wielu układów mostkowych i zawierający modulator szerokości impulsów do sekwencyjnej modulacji szerokości impulsów napięcia prądu stałego, doprowadzanego do uzwojeń pierwotnych wielu transformatorów dla zwiększania/zmniejszania napięcia, przerywania modulacji szerokości impulsów i ciągłego włączania/wyłączania wejściowego napięcia prądu stałego dla otrzymania idealnego przebiegu prądu przemiennego.
15. 15. Przetwornica według zastrz. 14, znamienna tym, że modulator szerokości impulsów hybrydowego sterownika modulacji szerokości impulsów/przebiegu schodkowego jest rewersyjny względem procesu modulacji szerokości impulsów.
16. 16. Przetwornica według zastrz. 14, znamienna tym, że zawiera obwód poprzeczny pomiędzy dwoma lub więcej układami mostkowymi dla zasilania dwóch lub więcej transformatorów.
17. 17. Przetwornica według zastrz. 14, znamienna tym, że zawiera obwód izolacyjny do izolacji magistrali prądu stałego od co najmniej jednego ze źródeł napięcia prądu stałego.