PL221590B1

PL221590B1 - Common disorders' filter generated in systems with two-way power electronic converters

Info

Publication number: PL221590B1
Application number: PL396815A
Authority: PL
Inventors: Robert Smoleński; Marcin Jarnut; Grzegorz Benysek; Adam Kempski
Original assignee: Univ Zielonogórski
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2016-05-31
Also published as: PL396815A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Wynalazek dotyczy filtru zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi oznaczanymi w skrócie AC/DC i stosowanymi w sieciach wielofazowych do przekształcania napięcia przemiennego na napięcie stałe oraz do przekształcania napięcia stałego na napięcie wielofazowe.The invention relates to a common disturbance filter generated in systems with bidirectional power electronic converters, abbreviated as AC / DC, and used in multi-phase networks to convert AC voltage to DC voltage and to convert DC voltage to multiphase voltage.

W literaturze dotyczącej kompatybilności elektromagnetycznej opisanych jest wiele układów filtrów zaburzeń wspólnych opartych zarówno na elementach aktywnych jak i pasywnych. W rozwiązaniach określonych jako aktywne stosuje się w układach przekształtnikowych dodatkowe elementy aktywne w postaci wtórników zbudowanych na wyłączalnych elementach półprzewodnikowych gen erujących prąd kompensujący o kształcie identycznym z prądem zakłóceń wspólnych odwrócony w fazie. Wadą tych układów jest ograniczony zakres napięcia pracy oraz dodatkowe straty mocy czynnej związanej z pracą łączników energoelektronicznych.Many common disturbance filter systems based on both active and passive elements are described in the literature on electromagnetic compatibility. In the solutions defined as active, additional active elements in the form of followers are used in the converter systems, built on the switching off semiconductor elements that generate a compensating current of the shape identical to the reverse phase common noise current. The disadvantage of these systems is the limited operating voltage range and additional active power losses related to the operation of power electronic switches.

W rozwiązaniach określanych jako pasywne stosuje się filtry nazywane filtrami pasywnymi lub filtrami EMI. W rozwiązaniach takich po stronie sieci zasilającej lub/i po stronie obwodu napięcia stałego przyłącza się szeregowe elementy indukcyjne pomiędzy zaciskami sieci zasilającej i przekształtnikiem oraz równoległe elementy pojemnościowe pomiędzy zaciski fazowe i zacisk uziemiający w różnych konfiguracjach w celu uzyskania tłumienia prądu zakłóceń wspólnych. Wadą tych rozwiązań jest stosunkowo duża liczba elementów pasywnych potrzebna do uzyskania zadawalających efektów filtracji oraz duża zależność ich wartości od konstrukcji obwodów zasilających i odbiorczych.In solutions referred to as passive filters called passive filters or EMI filters are used. In such solutions, on the mains side and / and on the DC circuit side, series inductive elements are connected between the mains terminals and the converter and parallel capacitive elements between the line terminals and the ground terminal in various configurations in order to obtain common noise current suppression. The disadvantage of these solutions is the relatively large number of passive elements needed to obtain satisfactory filtration effects and the high dependence of their values on the design of the supply and receiving circuits.

Znany jest z opisu patentowego US7738268 układ filtru kompatybilności elektromagnetycznej nazywanego filtrem EMC i przeznaczonego do napędów o regulowanej prędkości wirowania, w których silnik zasilany jest za pośrednictwem przekształtników energoelektronicznych sterowanych met odą modulacji szerokości impulsu PWM. W układach tych pomiędzy przekształtnik AC/DC a sieć zasilającą przyłączony jest filtr zaburzeń wspólnych zbudowany z dławika skompensowanego, którego uzwojenia przyłączone są pomiędzy zaciski fazowe sieci zasilającej i z kondensatorów, których jedne końce przyłączone są do zacisków dławika skompensowanego dołączonych do sieci zasilającej, zaś drugie końce połączone są w uziemionym węźle wspólnym. Wadą tego rozwiązania jest połączenie galwaniczne pomiędzy węzłem wspólnym utworzonym przez drugie końce kondensatorów filtru i uziemieniem. Utrudnia to w znacznym stopniu prowadzenie badań odbiorczych i okresowych instalacji, do której przyłączony jest filtr wraz z napędem energoelektronicznym. Filtr ten nie eliminuje także przyczyny powstawania prądu zaburzeń wspólnych, a jedynie zmniejsza jego oddziaływanie na sieć zasilającą.Known from the patent description US7738268 is an electromagnetic compatibility filter system called an EMC filter and is intended for drives with adjustable spin speed, in which the motor is powered by power electronic converters controlled by PWM pulse width modulation. In these systems, a common disturbance filter is connected between the AC / DC converter and the supply network, consisting of a compensated reactor, the windings of which are connected between the phase terminals of the supply network and capacitors, one ends of which are connected to the terminals of the compensated reactor connected to the supply network, and the other ends they are connected in a grounded common node. The disadvantage of this solution is the galvanic connection between the common node formed by the other ends of the filter capacitors and ground. This makes it difficult to carry out acceptance and periodic tests of the installation to which the filter is connected with the power electronic drive. This filter also does not eliminate the cause of the common disturbance current, but only reduces its impact on the supply network.

Znany jest także z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.394306 układ kompensacji prądu zaburzeń wspólnych z przyłączonym do fazowych zacisków zmiennonapięciowych dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego filtrem złożonym z dławika skompensowanego oraz kondens atorów fazowych, w którym fazowe węzły utworzone przez jedne końce kondensatorów fazowych i jedne końce fazowych uzwojeń dławika skompensowanego przyłączane są do fazowych zacisków sieci zasilającej i w którym zwarte drugie końce kondensatorów fazowych tworzą wraz z jednymi końcami kondensatorów strony stałonapięciowej węzeł wspólny. Drugie końce kondensatorów strony stałonapięciowej przyłączone są do odpowiadających im zacisków stałonapięciowych dodatniego i ujemnego. Filtr taki choć spełnia swoją funkcję, to wymaga wykonania dławika skompensowanego z wszystkimi uzwojeniami fazowymi identycznymi, co utrudnia wykonanie praktyczne takiego elementu.Also known from the Polish patent application No. P.394306 is a common disturbance current compensation system with a bidirectional power electronic converter connected to the phase AC terminals with a filter consisting of a compensated choke and phase condensers, in which phase nodes formed by one ends of phase capacitors and one ends of phase windings the compensated choke are connected to the phase terminals of the power supply network, and in which the short-circuited other ends of the phase capacitors form a common node together with one ends of the capacitors on the DC side. The other ends of the DC side capacitors are connected to the corresponding positive and negative DC terminals. Although such a filter fulfills its function, it requires a choke compensated with all identical phase windings, which makes it difficult to make such an element in practice.

Z publikacji Marcelo Lobo Heldweina i Johanna W. Kolara: „Impact of EMC Filters on the Power Density of Modern Three-Phase PWM Converters”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 6, JUNE 2009 znany jest układ kompensacji prądu zaburzeń wspólnych z wykorzystaniem filtrów biernych zbudowanych z szeregowego dławika skompensowanego przyłączonego pomiędzy zaciskami sieci zasilającej a odpowiadającymi im zaciskami fazowymi przekształtnika energoelektronicznego oraz z kondensatorów równoległych przyłączonych pomiędzy odpowiednie wyprowadzenia dławika skompensowanego i uziemienie. Zadaniem zastosowanego filtru jest bocznikowanie pojemności pasożytniczych powstających pomiędzy zaciskami stałonapięciowymi przekształtnika a uziemionymi przewodzącymi elementami metalowymi przekształtnika, w taki sposób aby spadek napięcia wywołany przez prąd zaburzeń wspólnych powodował powstawanie spadku napięcia na uzwojeniu dławika skompensowanego wielokrotnie większego od spadku napięcia na wspomnianych pojemnościach pasożytniczych. W opisanym układzie kompensacyjnym tłumienie prądu zaburzeńFrom the publication of Marcelo Lobo Heldwein and Johann W. Kolar: "Impact of EMC Filters on the Power Density of Modern Three-Phase PWM Converters", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 6, JUNE 2009, a common mode current compensation system is known with the use of passive filters composed of a series compensated choke connected between the terminals of the power supply network and the corresponding phase terminals of the power electronic converter, and of parallel capacitors connected between the respective leads of the compensated choke and the ground. The purpose of the filter used is to bypass the parasitic capacitances between the converter's constant voltage terminals and the grounded, conductive metal elements of the converter, in such a way that the voltage drop caused by the common disturbance current causes a voltage drop on the compensated choke winding that is many times greater than the voltage drop on the mentioned parasitic capacities. In the described compensation system, noise current is suppressed

PL 221 590 B1 wspólnych realizowane jest w układzie wielostopniowym, co wymaga odpowiedniej ilości elementów układu filtrującego i powoduje wzrost kosztów i gabarytów całego układu.The common method is implemented in a multi-stage system, which requires an appropriate number of elements of the filtering system and increases the cost and dimensions of the entire system.

Wolnym od przedstawionych niedogodności jest filtr zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi zawierający dławik skompensowany, kondensatory fazowe, których jedne końce przyłączone są do węzłów fazowych połączonych z zaciskami fazowymi sieci napięcia przemiennego i z zaciskami zmiennonapięciowymi dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego a drugie końce są połączone razem tworząc wspólny węzeł, do którego jednymi końcami przyłączone są kondensatory strony stałonapięciowej. Według wynalazku jedne końce uzwojeń dławika skompensowanego dołączone są do odpowiadających zacisków stałonapięciowych: dodatniego i ujemnego dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego. Drugie końce uzwojeń dławika skompensowanego oraz drugie końce kondensatorów strony stałonapięciowej dołączone są do odpowiadających zacisków sieci napięcia stałego: dodatniego i ujemnego.Free from the disadvantages presented is the filter of common disturbances generated in systems with bidirectional power electronic converters, containing a compensated choke, phase capacitors, whose one ends are connected to phase nodes connected with the phase terminals of the AC voltage network and with the alternating voltage terminals, forming the two-way power electronic converter, and the other ends are connected together a common node to which the DC side capacitors are connected at one end. According to the invention, one ends of the compensated choke windings are connected to the corresponding constant voltage terminals: positive and negative of a bidirectional power electronic converter. The other ends of the compensated choke windings and the other ends of the DC side capacitors are connected to the positive and negative DC network terminals.

Zaletą filtru według wynalazku jest mała liczba elementów w stosunku do znanych wcześniej rozwiązań oraz brak konieczności przyłączania elementów pojemnościowych do przewodu uziemiającego instalacji zasilającej. Elementy takie powodowały dodatkowe trudności w przeprowadzaniu badań odbiorczych i okresowych tych instalacji. Dodatkową zaletą filtru jest brak zależności wartości elementów od sposobu wykonania instalacji przyłączeniowej przekształtnika, gdyż układ filtru będący integralną częścią konstrukcji znacznie tłumi zaburzenia generowane przez przekształtnik w jego najbliższym otoczeniu. Dodatkową zaletą rozwiązania według wynalazku, w którym dławik skompensowany przyłączony jest do zacisków stałonapięciowych dwukierunkowego przekształtnika energoelektrycznego jest uzyskanie tych samych efektów kompensacji prądów zaburzeń wspólnych przy wykorzystaniu elementów indukcyjnych i pojemnościowych o znacznie mniejszych wartościach niż w znanych układach filtrów.The advantage of the filter according to the invention is a small number of elements compared to the previously known solutions and the lack of the need to connect capacitive elements to the earthing conductor of the power supply installation. Such elements caused additional difficulties in conducting acceptance and periodic tests of these installations. An additional advantage of the filter is the lack of dependence of the value of the elements on the method of execution of the converter connection installation, because the filter system being an integral part of the structure significantly suppresses disturbances generated by the converter in its immediate vicinity. An additional advantage of the solution according to the invention, in which the compensated choke is connected to the constant voltage terminals of the bidirectional power converter, is the achievement of the same effects of compensation of common disturbance currents using inductive and capacitive elements with much lower values than in known filter systems.

Filtr zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku.The common disturbance filter generated in systems with bidirectional power electronic converters is shown in the example in the drawing.

Do fazowych zacisków L₁, L₂, L₃, ..., L_n sieci zasilającej przyłączone są jednymi końcami kondensatory fazowe C_AC1, C_AC2, C_AC3, ..., C_ACn oraz zaciski zmiennonapięciowe F_L1, F_L2, F_L3, ..., F_Ln przekształtnika dwukierunkowego F tworząc fazowe węzły W₁, W₂, W₃, ..., W_n. Drugie końce identycznych kondensatorów fazowych C_AC1, C_AC2, C_AC3,..., C_ACn są zwarte i tworzą węzeł wspólny W_f, do którego przyłączone są jednymi końcami jednakowe kondensatory strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN. Drugie końce kondensatorów strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN są dołączone do odpowiadających im zacisków sieci napięcia stałego: dodatniego DC_P i ujemnego DC_N i jednych końców uzwojeń L_DC1, L_DC2dławika skompensowanego DS. Drugie końce uzwojeń L_DC1, L_DC2 dławika skompensowanego DS przyłączone są do odpowiadających im zacisków stałonapięciowych: dodatniego F_DCP i ujemnego F_DCNdwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego F. Do zacisków stałonapięciowych: dodatniego F_dcp i ujemnego F_DCN dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego F przyłączony jest także kondensator C_DC ograniczający współczynnik tętnień napięcia stałego pomiędzy zaciskami stałonapięciowymi F_DCP i F_DCN tego przekształtnika F.The phase capacitors C _AC1 , C _AC2 , C _AC3 , ..., C _ACn and the variable voltage terminals F _L1 , F _L2 are connected at one end to the phase terminals L ₁ , L ₂ , L ₃ , ..., L _{n of} the supply network. F _L3 , ..., F _{Ln of a} bidirectional converter F creating phase nodes W ₁ , W ₂ , W ₃ , ..., W _n . The other ends of the identical phase capacitors C _AC1 , C _AC2 , C _AC3 , ..., C _ACn are short-circuited and form a common node W _f , to which the same constant voltage capacitors C _DCP , C _DCN are connected at one end. The other ends of the DC side capacitors C _DCP , C _DCN are connected to the corresponding terminals of the DC network: positive DC _P and negative DC _N, and one ends of the windings L _DC1 , L _DC2 of the compensated choke DS. The other ends of the windings L _DC1 , L _DC2 of the DS compensated choke are connected to the corresponding constant voltage terminals: positive F _DCP and negative F _{DCN of the} bidirectional power electronic converter F. To the constant voltage terminals: positive F _dcp and negative F _{DCN of the} bidirectional F power electronic converter there is also connected a capacitor C _DC limiting the _DC voltage ripple between the F _DCP and F _DCN terminals of this converter F.

Dławik skompensowany DS wraz z kondensatorami fazowymi C_AC1, C_AC2, C_AC3, ..., C_ACn oraz kondensatorami strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN tworzą układ filtru górnoprzepustowego. Indukcyjność dławika skompensowanego DS dobiera się tak, aby wywołany przez prąd zaburzeń wspólnych spadek napięcia na uzwojeniach L_DC1, L_DC2 tego dławika DS był wielokrotnie większy od spadku napięcia na kondensatorach fazowych C_AC1, C_AC2, C_AC3,..., C_ACn i kondensatorach strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN. Pojemność kondensatorów fazowych C_AC1, C_AC2, C_AC3,..., C_ACn i kondensatorów strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN dobiera się tak, aby była kilkakrotnie większa od pojemności pasożytniczych występujących pomiędzy zaciskami obwodu stałoprądowego przekształtnika a uziemieniem sieci napięcia przemiennego.The DS compensated choke together with the C _AC1 , C _AC2 , C _AC3 , ..., C _{ACn phase} capacitors and C _DCP , C _DCN phase capacitors form a high-pass filter system. The DC compensated choke inductance DS is selected so that the voltage drop on the L _DC1 , L _DC2 windings of this DS reactor caused by the common disturbance current is many times greater than the voltage drop on the phase capacitors C _AC1 , C _AC2 , C _AC3 , ..., C _ACn and DC side capacitors C _DCP , C _DCN . The capacity of the phase capacitors C _AC1 , C _AC2 , C _AC3 , ..., C _ACn and the capacitors of the constant voltage side C _DCP , C _DCN is selected so that it is several times greater than the parasitic capacitance between the terminals of the converter DC circuit and the grounding of the AC voltage network.

Claims

Patent claim

Common disturbance filter generated in systems with bidirectional power electronic converters, including a compensated choke, phase capacitors, whose one ends are connected to phase nodes connected to the phase terminals of the alternating voltage network and to the alternating voltage terminals of a bidirectional power electronic converter

And the other ends are connected together to form a common node to which the DC side capacitors are connected at one end, characterized in that one ends of the windings (L _Dc1 , L _D c2) of the compensated choke (DS) are connected to the corresponding constant voltage terminals : positive (F _Dcp ) and negative (F _Dcn ) bidirectional power electronic converter (F) and the other ends of the windings (L _Dc1 , L _DC2 ) of the compensated choke (DS) and the other ends of the DC side capacitors (C _Dcp , C _Dcn ) are attached to corresponding terminals of the DC network: positive (DC _p ) and negative (DC _n ).