PL222458B1 - Zespolony moduł reaktancyjny - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest zespolony moduł reaktancyjny przeznaczony do stosowania w obwodach filtrujących trójfazowych falowników.

Ograniczenia w zakresie dopuszczalnego poziomu emisji spalin, a także wysoki koszt energii pochodzącej z paliw płynnych stanowią motywację do poszukiwania rozwiązań umożliwiających poz yskiwanie energii ze źródeł odnawialnych. Ponieważ transfer energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych realizuje się za pośrednictwem istniejącej sieci energetycznej, konieczne jest dostosowanie parametrów energii elektrycznej pozyskanej z odnawialnych źródeł energii do parametrów energii elektrycznej rozprowadzanej przez sieć energetyczną. Zatem, po przetworzeniu energii ze źródeł odnawialnych na energię elektryczną, konieczne jest także dopasowanie parametrów, takich jak: wartość napięcia, częstotliwość czy dostrojenie zgodności faz. Realizuje się to przy pomocy falowników, które za pośrednictwem energoelektronicznych układów komutacyjnych zamieniają prąd i napięcie stałe na prąd i napięcie przemienne o żądanych parametrach. W tym procesie przetwarzania generowane są również składowe o częstotliwości wyższej niż podstawowa częstotliwość sieci energetycznej do której podłączony jest falownik, co wymusza stosowanie odpowiednich układów filtrujących, które mają za zadanie ograniczyć niepożądane składowe do akceptowalnego poziomu. Koszt wytworzenia urządzeń koniecznych do przetwarzania energii odnawialnych jak również sprawność elektryczna tych urządzeń wpływa na opłacalność pozyskiwania energii. Zatem, każde usprawnienie umożliwiające zmniejszenie gabarytów elementu indukcyjnego, także jego masy jest godne uwagi ponieważ umożliwia nie tylko znaczną redukcję wymiarów i masy urządzenia, a także zmniejszenie strat mocy.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego nr US 7,830,235 zestaw indukcyjny przeznaczony do transformacji napięcia dostarczanego przez ogniwa paliwowe. Zestaw indukcyjny zawiera wiele elementów indukcyjnych, przy czym sąsiednie elementy indukcyjne posiadają w swoich obwodach magnetycznych wspólny fragment. Dzięki temu zmniejszona została całkowita masa obwodu magnetycznego. Rozwiązanie według US 7,830,235 przeznaczone jest do transformacji napięcia stałego na napięcie stałe o większej wartości. W procesie transformacji energia ze źródła napięcia stałego przekazywana jest do jednego z elementów indukcyjnych, następnie wskutek rozłączenia łącznika przekazywana jest do odbiornika energii. W takich aplikacjach, gdzie dodatkowo przetwarzana jest duża moc korzystne jest podzielenie jednego układu na równolegle pracujące układy o mniejszej m ocy. Dzięki temu uzyskuje się większą sprawność energetyczną, jak również ogranicza się wypadkową pulsacje prądu.

W rozwiązaniu według wynalazku US 7,830,235 wspólne fragmenty obwodu magnetycznego wykonane zostały ze specyficznych profili „podwójne - C”. Wykonanie takich elementów nie jest korzystne z uwagi na skomplikowany proces cięcia materiału amorficznego, a w przypadku rdzeni wyk onanych z wykrawanych kształtek z blachy krzemowej powoduje większe zużycie materiału magnetycznego w procesie ich wykrawania. Dodatkowo rozwiązanie według US 7,830,235 j est niekorzystne ze względu na szczelinę magnetyczną umiejscowioną w środkowej części kolumny rdzenia. Tak umiejscowiona szczelina powoduje wzrost strat energetycznych, ponieważ rozproszona w otoczeniu szczeliny część linii sił pola magnetycznego jest skierowana niezgodnie ze strumieniem magnetycznym wytwarzanym przez uzwojenie. Z kolei zastosowanie zwiększonej liczby szczelin, z uwagi na większy stopień złożoności, prowadzi do zwiększenia kosztów wytwarzania.

Dla zastosowania zespolonego modułu reaktancyjnego w obwodach filtrujących trójfazowych falowników możliwe jest wykorzystanie elementu indukcyjnego według wynalazku, który nie posiada wyżej wymienionych niedogodności.

Istotą wynalazku jest zespolony moduł reaktancyjny, który ma główne bloki magnetyczne, końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne usytuowane względem siebie w taki sposób, że tworzą one trzy obwody magnetyczne: pierwszy, drugi i trzeci. Pierwszy obwód magnetyczny i drugi obwód magnetyczny mają wspólny prostopadłościenny blok magnetyczny pierwszy, natomiast drugi obwód magnetyczny i trzeci obwód magnetyczny mają wspólny prostopadłościenny blok magnetyczny drugi. Każdy główny blok magnetyczny usytuowany jest ortogonalnie względem wspólnego prostopadłościennego bloku i jest odseparowany od końcowego prostopadłościennego bloku magnetycznego oraz wspólnego prostopadłościennego bloku magnetycznego za pomocą separatora wykonanego z materiału dielektrycznego. Każdy główny blok magnetyczny jest umiejscowiony w karkasie na którym zostało nawinięte uzwojenie, przy czym wszystkie bloki magnetyczne są dociśnięte do siebie za pomocą śrub poprzez wyprofilowane kształtki.

PL 222 458 B1

Zespolony moduł reaktancyjny ma główne bloki magnetyczne, końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne wykonane w postaci laminowanego stosu kształtek wykonanych z magnetycznej stali krzemowej. Korzystnie wszystkie bloki m agnetyczne mają jednakowe wymiary geometryczne.

Alternatywne wykonanie pierwsze ma główne bloki magnetyczne, końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne wykonane z ferrytu.

Alternatywne wykonanie drugie ma główne bloki magnetyczne, końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne wykonane z amorficznego materiału magnetycznego. Korzystnie wszystkie bloki magnetyczne mają jednakowe wymiary geom etryczne.

Alternatywne wykonanie trzecie ma główne bloki magnetyczne, końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne wykonane z materiału proszkowego.

Alternatywne wykonanie czwarte ma główne bloki magnetyczne wykonane z materiału proszkowego, natomiast końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne wykonane z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej. Korzystnie główne bloki magnetyczne mają owalny przekrój poprzeczny.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój poprzeczny zespolonego modułu reaktancyjnego według wynalazku, Fig. 2 przedstawia zmiany wypadkowej wartości strumienia indukcji magnetycznej (A) w funkcji czasu we wspólnym bloku magnetycznym W1 lub W2 na tle zmian jego składowych: (B) i (C).

Zespolony moduł reaktancyjny ma dziesięć identycznych prostopadłościennych bloków magnetycznych, z których dwa bloki BK oraz bloki W1 i W2 są usytuowane ortogonalnie względem sześciu głównych bloków magnetycznych 1, które z kolei usytuowane są w dwóch szeregach po trzy bloki. Taka konfiguracja tworzy trzy zamknięte obwody magnetyczne, które wyposażono w uzwojenia 2 umiejscowione na karkasach 4. Centralny obwód magnetyczny b ma jeden wspólny blok magnetyczny W1 z pierwszym obwodem magnetycznym a i jeden wspólny blok magnetyczny W2 z drugim obwodem magnetycznym c. Wszystkie bloki magnetyczne są od siebie odseparowane za pośrednictwem separatorów 3 wykonanych z materiału dielektrycznego. Konstrukcja obwodu magnetycznego zaciśnięta jest przy pomocy dwóch śrub 6 oraz wyprofilowanych kształtek metalowych 5. Fig. 2 wyjaśnia korzystną okoliczność, która sprawia, że w układzie filtrującym trójfazowego prądu możliwe jest zastosowanie zintegrowanego elementu indukcyjnego o zredukowanych wymiarach geometrycznych, w stosunku do klasycznego rozwiązania dławików dyskretnych. Z uwagi na fakt, że we wspólnych blokach magnetycznych W1, W2 nakładające się zmienne strumienie indukcji magnetycznej B, C mają jednakowe amplitudy i są przesunięte w fazie o 120° szczytowa wartość wypadkowej indukcji magnetycznej A nigdy nie przekracza maksymalnej wartości pojedynczej składowej. Dzięki temu dla tych fragmentów obwodu magnetycznego możliwe jest zastosowanie mniejszego przekroju poprzecznego, bez obawy przekroczenia maksymalnej dopuszczalnej wartości indukcji dla określonego materiału magnetycznego. Dodatkową korzystną właściwością zespolonego modułu reaktancyjnego według wynalazku jest umiejscowienie czterech szczelin w obwodzie magnetycznym poza strefą bezpośredniego oddziaływania przez uzwojenie, co zmniejsza niekorzystny wpływ rozproszonego strumienia magnetycznego w otoczeniu szczeliny na uzwojenie, a w efekcie końcowym skutkuje to zmniejszeniem mocy strat w uzwojeniu.

Claims (8)

1. Zespolony moduł reaktancyjny zawierający obwód magnetyczny złożony z elementów m agnetycznych oraz zawierający co najmniej dwa uzwojenia, znamienny tym, że ma główne bloki magnetyczne (1), końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne (BK), wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne (W1 ), (W2) usytuowane względem siebie w taki sposób, że tworzą one trzy obwody magnetyczne pierwszy (a), drugi (b) i trzeci (c), przy czym pierwszy obwód magnetyczny (a) i drugi obwód magnetyczny (b) mają wspólny prostopadłościenny blok magnetyczny (W 1), natomiast drugi obwód magnetyczny (b) i trzeci obwód magnetyczny (c) mają wspólny prostopadłościenny blok m agnetyczny (W2), ponadto każdy główny blok magnetyczny (1) usytuowany ortogonalnie względem wspólnego prostopadłościennego bloku (W 1) lub (W2) jest odseparowany od końcowego prostopa4

PL 222 458 B1 dłościennego bloku magnetycznego (BK) oraz wspólnego prostopadłościennego bloku magnetycznego (W1) lub (W2) za pomocą separatora (3) wykonanego z materiału dielektrycznego, dodatkowo, każdy główny blok magnetyczny (1) jest umiejscowiony w karkasie (4) na którym zostało nawinięte uzwojenie (2), przy czym wszystkie bloki magnetyczne (1), (W1), (W2), (BK) są dociśnięte do siebie za pomocą śrub (6) poprzez wyprofilowane kształtki (5).

2. Zespolony moduł reaktancyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że główne bloki magnetyczne (1), końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne (BK) oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne (W1) i (W2) zrealizowano w postaci laminowanego stosu kształtek wykonanych z magnetycznej stali krzemowej.

3. Zespolony moduł reaktancyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że główne bloki magnetyczne (1), końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne (BK) oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne (W1 ) i (W2) są wykonane z ferrytu.

4. Zespolony moduł reaktancyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że główne bloki magnetyczne (1), końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne (BK) oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne (W1 ) i (W2) są wykonane z amorficznego materiału magnetycznego.

5. Zespolony moduł reaktancyjny według zastrz. 1 , znamienny tym, że główne bloki magnetyczne (1), końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne (BK) oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne (W1 ) i (W2) są wykonane z materiału proszkowego.

6. Zespolony moduł reaktancyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że bloki główne magnetyczne (1), na których umieszczone zostały uzwojenia (2), wykonane są z materiału proszkowego, natomiast końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne (BK) oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne (W1 ) i (W2) są wykonane z materiału o wysokiej przenikalności magnetycznej.

7. Zespolony moduł reaktancyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że główne bloki magnetyczne (1), na których umieszczone zostały uzwojenia (2), mają owalny przekrój poprzeczny.

8. Zespolony moduł reaktancyjny według zastrz. 1, znamienny tym, że główne bloki magnetyczne (1), końcowe prostopadłościenne bloki magnetyczne (BK) oraz wspólne prostopadłościenne bloki magnetyczne (W1 ) i (W2) posiadają jednakowe wymiary geometryczne.