PL226635B1 - Układ falownika wielopoziomowego obniżająco‑podwyższającego napięcie - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ falownika wielopoziomowego obniżająco-podwyższającego napięcie. Znajduje on zastosowanie do przekształcania energii elektrycznej ze źródeł niskiego napięcia stałego, zwłaszcza akumulatorów, ogniw paliwowych i fotowoltaicznych w energię elektryczną napięcia przemiennego.

Wielopoziomowe falowniki z diodami poziomującymi napięcie od lat znajdują zastosowanie w układach napędów elektrycznych dużej mocy oraz układach generowania energii ze źródeł odnawialnych. Maksymalne napięcie blokowania tranzystorów trójpoziomowego falownika z diodami poziomującymi może być o połowę mniejsze od napięcia blokowania tranzystorów w analogicznym falowniku dwupoziomowym. Pozwala to na stosowanie w konstrukcji falownika tranzystorów na mniejsze napięcie od napięcia wyjściowego falownika - a więc tranzystorów szybszych i często o mniejszych stratach - co jest niezwykle korzystne, zwłaszcza w układach przekształtnikowych dużej mocy. Generalnie, gałąź fazowa falownika składa się z liczby łączników półprzewodnikowych dwukrotnie większej od liczby kondensatorów dzielnika napięcia w obwodzie pośredniczącym. Ponadto, falownik wielopoziomowy składa się z wielu szyn wejściowych dodatnich i ujemnych przyłączonych do kondensatorów obwodu pośredniczącego za pomocą zacisków węzłowych.

Kondensatory obwodu pośredniczącego pełnią rolę magazynów energii i są połączone szeregowo ze sobą tworząc dzielnik napięcia. Zaciski węzłowe poszczególnych wyjść dzielnika połączone są z zaciskami węzłowymi diod poziomujących połączonych w grupy. Działanie poziomujące diod poziomujących polega na ograniczeniu napięcia na poszczególnych łącznikach półprzewodnikowych do poziomu napięcia źródła podzielonego przez liczbę stopni dzielnika napięcia. Niedogodnością wielopoziomowych falowników napięcia, podobnie jak dwupoziomowych falowników napięcia jest to, że napięcie wyjściowe jest zawsze mniejsze od sumy napięć na kondensatorach. Nie można podwyższać napięcia wyjściowego falownika powyżej wartości sumy napięć na zaciskach węzłowych, a maksymalna wartość napięcia na zaciskach węzłowych falownika nie może być podwyższana za pomocą odpowiednich metod sterowania łącznikami półprzewodnikowymi falownika wielopoziomowego.

Znany jest z patentu nr PL 215 666 układ falownika wielopoziomowego, zwłaszcza podwyższającego napięcie układ falownika wielopoziomowego z diodami poziomującymi podwyższającego napięcie wyjściowe w stosunku do napięcia źródła. Układ znajduje zastosowanie do przekształcania energii elektrycznej ze źródeł niskiego napięcia w postaci akumulatorów, ogniw paliwowych i ogniw fotowoltaicznych w energię prądu przemiennego o podwyższonej wartości napięcia. Układ charakteryzuje się tym, że na wejściu posiada obwód zawierający odpowiednio połączone ze sobą dwie pary dławików sprzężonych oraz dwa kondensatory. Dzięki zastosowaniu półprzewodnikowego łącznika blokującego, połączonego szeregowo ze źródłem, układ umożliwia podwyższanie napięcia wejściowego falownika wielopoziomowego w stosunku do napięcia źródła dzięki wykorzystaniu krótkotrwałych stanów zwarć gałęzi fazowych, niedozwolonych w klasycznych falownikach wielopoziomowych. Niedogodnością układu jest niekorzystnie wysoka zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach napięcia wyjściowego falownika wielopoziomowego w stanach pracy z dużymi wartościami współczynnika podwyższania napięcia źródła. Wszystkie sterowane łączniki półprzewodnikowe wszystkich gałęzi falownika wielopoziomowego muszą być konstruowane na napięcia blokowania i prądy znacznie wyższe od napięć blokowania i prądów sterowanych łączników półprzewodnikowych w klasycznym wielopoziomowym falowniku napięcia z diodami poziomującymi o tej samej mocy i tej samej wartości znamionowej napięcia wyjściowego. Jest to spowodowane niekorzystnie dużymi wartościami prądów gałęzi fazowych podczas pracy falownika w trybie podwyższania napięcia za pomocą zwarć gałęzi.

Układ falownika wielopoziomowego obniżająco-podwyższającego napięcie składający się ze źródła napięcia o biegunie ujemnym i biegunie dodatnim, składający się ze środkowego zacisku węzłowego, z dwóch wewnętrznych zacisków węzłowych i dwóch zewnętrznych zacisków węzłowych, składający się z dwóch obwodów wejściowych w postaci czwórników, połączonych ze sobą w środkowym zacisku węzłowym, a także połączonych odpowiednio z poszczególnymi biegunami źródła napięcia oraz połączonych odpowiednio z wewnętrznymi i zewnętrznymi zaciskami węzłowymi, przy czym każdy czwórnik zawiera odpowiednio dwa dławiki, przy czym początek pierwszego dławika jest połączony z odpowiednim biegunem źródła napięcia, dwa kondensatory i jeden półprzewodnikowy łącznik blokujący, przy czym półprzewodnikowy łącznik blokujący połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym biegunem pierwszego kondensatora i początkiem drugiego dławika i odpowiednim wewnętrznym zaciskiem węzłowym, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem drugiego

PL 226 635 B1 kondensatora i końcem pierwszego dławika, a dolny biegun pierwszego kondensatora w każdym czwórniku jest połączony ze środkowym zaciskiem węzłowym, a górny biegun drugiego kondensatora i koniec drugiej cewki w każdym czwórniku jest połączony z odpowiednim zewnętrznym zaciskiem węzłowym, składający się z filtra wyjściowego, z diod poziomujących, z identycznych gałęzi fazowych o liczbie o jeden mniejszej od liczby faz falownika, przy czym każda z tych gałęzi fazowych składa się ze sterowanych łączników półprzewodnikowych i przy czym skrajne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach tych gałęzi fazowych połączone są bezpośrednio z odpowiednimi wewnętrznymi zaciskami węzłowymi, a zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujące się w środku poszczególnych gałęzi fazowych połączone są z filtrem wyjściowym, a pozostałe zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych poszczególnych gałęzi fazowych połączone są ze środkowym zaciskiem węzłowym za pośrednictwem diod poziomujących, a diody poziomujące połączone są ze sobą szeregowo parami, przy czym każda para diod poziomujących ma punkt połączenia w środkowym zacisku węzłowym charakteryzuje się według wynalazku tym, że ostatnia gałąź fazowa falownika składa się z czterech sterowanych łączników półprzewodnikowych o zwiększonej wytrzymałości napięciowo-prądowej, a górny zacisk skrajnego górnego łącznika sterowanego jest połączony z górnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym, a dolny zacisk skrajnego dolnego łącznika sterowanego jest połączony z dolnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym.

Dzięki konstrukcji według wynalazku możliwe jest uzyskanie korzystnie mniejszej zawartości wyższych harmonicznych w przebiegach napięcia wyjściowego falownika w trybie podwyższania napięcia w stanach pracy z dużymi wartościami współczynnika podwyższania napięcia wejściowego. Tylko jedna gałąź falownika połączona swoim początkiem z górnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW1 a swoim końcem z dolnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW5 pracuje w trybie zwarć i musi posiadać sterowane łączniki półprzewodnikowe zwymiarowane na podwyższone napięcie i podwyższoną wartość prądu.

Rozwiązanie takie jest korzystne zwłaszcza w układach zasilania instalacji trójfazowej czteroprzewodowej. W stosowanych w takich układach falownikach wielopoziomowych trójfazowych czteroprzewodowych czwarta gałąź z natury działania układu jest przeznaczona do przewodzenia prądów o znacznie wyższej wartości niż pozostałe gałęzie fazowe.

Pozostałe gałęzie falownika mogą być zwymiarowane na znamionowe napięcie wyjściowe falownika i znamionowy prąd wyjściowy falownika, gdyż nie biorą udziału podczas pracy falownika w trybie zwarć.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku przedstawiającym schemat ideowy falownika wielopoziomowego obniżająco-podwyższającego napięcie.

Falownik wielopoziomowy o liczbie faz równej 3 i liczbie poziomów równej 3 składa się ze źródła napięcia ZN, dwóch par dławików L1, L2 oraz L3, L4, dwóch par kondensatorów C1, C2 oraz C3, C4, dwóch półprzewodnikowych łączników blokujących Ł1 i Ł2, ze środkowego zacisku węzłowego ZW3, z dwóch wewnętrznych zacisków węzłowych ZW2, ZW4, dwóch zewnętrznych zacisków węzłowych ZW1, ZW5, ośmiu sterowanych łączników półprzewodnikowych S11, S12, S13, S14, S21, S22, S23, S24, czterech sterowanych łączników półprzewodnikowych o zwiększonej wytrzymałości napięciowo-prądowej SZ1, SZ2, SZ3, SZ4, sześciu diod poziomujących D11, D12, D13, D21, D22, D23, filtra wyjściowego F i obciążenia O.

Początek pierwszego dławika L1 jest połączony z biegunem dodatnim źródła napięcia ZN, pierwszy półprzewodnikowy łącznik blokujący Ł1 połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym biegunem pierwszego kondensatora C1, początkiem drugiego dławika L2 oraz wewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW2, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem drugiego kondensatora C2 i końcem pierwszego dławika L1. Górny biegun drugiego kondensatora C2 i koniec drugiego dławika L2 są połączone z górnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW1.

Początek trzeciego dławika L3 jest połączony z biegunem ujemnym źródła napięcia ZN, drugi półprzewodnikowy łącznik blokujący Ł2 połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym - rozpatrując od strony zacisku węzłowego środkowego ZW3 - biegunem trzeciego kondensatora C3, początkiem czwartego dławika L4 oraz wewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW4, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem czwartego kondensatora C4 i końcem trzeciego dławika L3. Górny biegun czwartego kondensatora C4 i koniec czwartego dławika L4 są połączone z dolnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW5.

Sterowane łączniki półprzewodnikowe S11, S12, S13, S14 są połączone szeregowo tworząc pierwszą gałąź fazową. Sterowane łączniki półprzewodnikowe S21, S22, S23, S24 są połączone szeregowo

PL 226 635 B1 tworząc drugą gałąź fazową. Sterowane łączniki półprzewodnikowe o podwyższonej wytrzymałości napięciowo-prądowej SZ1, SZ2, SZ3, SZ4 są połączone szeregowo tworząc ostatnią gałąź fazową FZ.

Górne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych S11 i S21 stanowiące górne końce pierwszych dwóch gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z wewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW2. Dolne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych S14 i S24 stanowiące dolne końce pierwszych dwóch gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z zaciskiem węzłowym ZW4. Górny zacisk sterowanego łącznika półprzewodnikowego SZ1 stanowiący górny koniec ostatniej gałęzi fazowej FZ jest połączony z górnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW1. Dolny zacisk sterowanego łącznika półprzewodnikowego SZ4 stanowiący dolny koniec ostatniej gałęzi fazowej FZ jest połączony z dolnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym ZW5.

Trzy fazy filtra wyjściowego F są włączone odpowiednio pomiędzy łączniki S12 i S13, łączniki S22 i S23 oraz łączniki SZ2 i SZ3. Filtr wyjściowy F jest połączony z obciążeniem O. Początki diod poziomujących D11, D12, D13 są połączone ze sobą i ze środkowym zaciskiem węzłowym ZW3. Końce diod poziomujących D21, D22, D23 są połączone ze sobą i ze środkowym zaciskiem węzłowym ZW3. Koniec diody poziomującej D11 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S11 i S12. Koniec diody poziomującej D12 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S21 i S22. Koniec diody poziomującej D13 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe SZ1 i SZ2. Początek diody poziomującej D21 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S13 i S14. Początek diody poziomującej D22 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe S23 i S24. Początek diody poziomującej D23 jest włączony pomiędzy łączniki półprzewodnikowe SZ3 i SZ4.

Claims (1)

1. Układ falownika wielopoziomowego obniżająco-podwyższającego napięcie składający się ze źródła napięcia o biegunie ujemnym i biegunie dodatnim, składający się ze środkowego zacisku węzłowego, z dwóch wewnętrznych zacisków węzłowych i dwóch zewnętrznych zacisków węzłowych, składający się z dwóch obwodów wejściowych w postaci czwórników, połączonych ze sobą w środkowym zacisku węzłowym, a także połączonych odpowiednio z poszczególnymi biegunami źródła napięcia oraz połączonych odpowiednio z wewnętrznymi i zewnętrznymi zaciskami węzłowymi, przy czym każdy czwórnik zawiera odpowiednio dwa dławiki, przy czym początek pierwszego dławika jest połączony z odpowiednim biegunem źródła napięcia, dwa kondensatory i jeden półprzewodnikowy łącznik blokujący, przy czym półprzewodnikowy łącznik blokujący połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym biegunem pierwszego kondensatora i początkiem drugiego dławika i odpowiednim wewnętrznym zaciskiem węzłowym, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem drugiego kondensatora i końcem pierwszego dławika, a dolny biegun pierwszego kondensatora w każdym czwórniku jest połączony ze środkowym zaciskiem węzłowym, a górny biegun drugiego kondensatora i koniec drugiej cewki w każdym czwórniku jest połączony z odpowiednim zewnętrznym zaciskiem węzłowym, składający się z filtra wyjściowego, z diod poziomujących, z identycznych gałęzi fazowych o liczbie o jeden mniejszej od liczby faz falownika, przy czym każda z tych gałęzi fazowych składa się ze sterowanych łączników półprzewodnikowych i przy czym skrajne zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujących się w skrajnych częściach tych gałęzi fazowych połączone są bezpośrednio z odpowiednimi wewnętrznymi zaciskami węzłowymi, a zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych znajdujące się w środku poszczególnych gałęzi fazowych połączone są z filtrem wyjściowym, a pozostałe zaciski sterowanych łączników półprzewodnikowych poszczególnych gałęzi fazowych połączone są ze środkowym zaciskiem węzłowym za pośrednictwem diod poziomujących, a diody poziomujące połączone są ze sobą szeregowo parami, przy czym każda para diod poziomujących ma punkt połączenia w środkowym zacisku węzłowym, znamienny tym, że ostatnia gałąź fazowa falownika (FZ) składa się z czterech sterowanych łączników półprzewodnikowych o zwiększonej wytrzymałości napięciowoprądowej (SZ1, SZ2, SZ3, SZ4), a górny zacisk skrajnego górnego łącznika sterowanego (SZ1) jest połączony z górnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym (ZW1), a dolny zacisk skrajnego dolnego łącznika sterowanego (SZ4) jest połączony z dolnym zewnętrznym zaciskiem węzłowym (ZW5).