PL226636B1 - Falownik ze zintegrowanym stopniem podwyższającym napięcie - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ falownika ze zintegrowanym stopniem podwyższającym napięcie. Znajduje on zastosowanie do przekształcania energii elektrycznej ze źródeł energii niskiego napięcia, bądź magazynów energii niskiego napięcia w energię elektryczną odbiorników napięcia przemiennego.

Znanymi układami przekształcania energii elektrycznej napięcia stałego w energię elektryczną napięcia przemiennego o jednostopniowym przekształcaniu są falowniki napięcia. Falowniki napięcia składają się z identycznych gałęzi fazowych, które zawierają w pełni sterowane łączniki energoelektroniczne. Zastosowanie metody modulacji szerokości impulsów PWM pozwala uzyskać na wyjściu falownika modulowany przebieg prostokątny o pierwszej harmonicznej posiadającej zadaną częstotliwość i amplitudę. Dla celu filtracji wyższych harmonicznych do zacisków wyjściowych falownika przyłącza się filtry pasywne zawierające dławiki i kondensatory. W falownikach napięcia stosuje się w pełni sterowane łączniki półprzewodnikowe składające się tranzystorów połączonych odwrotnie równolegle z diodami. Pełnomostkowe jednofazowe falowniki napięcia posiadają dwie gałęzie fazowe. W falownikach trójfazowych i o większej liczbie faz liczba gałęzi fazowych odpowiada liczbie faz napięcia wyjściowego. Początki i końce gałęzi fazowych falowników napięcia połączone są odpowiednio z szyną ujemną, bądź szyną dodatnią źródła napięcia stałego, bądź magazynu energii napięcia stałego. Znanym magazynem energii falownika napięcia jest kondensator. Przy jednostopniowym przekształcaniu energii przez falownik napięcia napięcie na wyjściu falownika jest niższe niż na szynach połączonych z gałęziami falownika.

Dla uzyskania napięcia wyjściowego falownika większego od napięcia źródła na wejściu falownika dołącza się dodatkowy stopień przekształcania energii w postaci przekształtnika DC-DC podwyższającego napięcie. Najprostszy układ przekształtnika DC-DC podwyższającego energię zawiera dławik wejściowy połączony z biegunem dodatnim źródła napięcia, w pełni sterowany łącznik półprzewodnikowy czasowo zwierający obwód źródła i dławika, powodując tym samym gromadzenie energii w dławiku i odkładanie się spadku napięcia na dławiku oraz półprzewodnikowy łącznik blokujący przepływ prądu pomiędzy źródłem a falownikiem w czasie procesu podwyższania napięcia. Dla uzyskania korzystnie większego współczynnika podwyższenia napięcia wejściowego falownika w porównaniu z napięciem źródła w stopniu podwyższającym napięcie stosuje się układy przekształtników DC-DC o kombinacjach wielu dławików i kondensatorów.

Znany jest z publikacji T. Takiguchi, H. Koizumi, „Quasi-Z-source DC-DC Converter with Voltage-Lift Technique”, 39^th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, IECON 2013 układ przekształtnika DC-DC podwyższającego napięcie zawierający obwód elektryczny o topologii Quasi-Z składający się z dwóch dławików, przy czym początek pierwszego dławika jest połączony z biegunem dodatnim źródła napięcia, dwóch kondensatorów i jednego półprzewodnikowego łącznika blokującego, przy czym półprzewodnikowy łącznik blokujący połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym biegunem pierwszego kondensatora i początkiem drugiego dławika, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem drugiego kondensatora i końcem pierwszego dławika, a dolny biegun pierwszego kondensatora jest połączony z biegunem ujemnym źródła napięcia. Zwieranie obwodu w pełni sterowanym łącznikiem półprzewodnikowym włączonym pomiędzy dolny biegun pierwszego kondensatora a koniec drugiego dławika powoduje podwyższanie napięcia źródła z korzystnie większym współczynnikiem niż w prostym układzie z pojedynczym dławikiem. Przekształtnik DC-DC typu Quasi-Z zapewnia korzystnie ciągły prąd pobierany ze źródła przy zachowaniu korzystnego, ze względu na możliwość ochrony przed zakłóceniami, połączenia galwanicznego bieguna ujemnego źródła napięcia z szyną ujemną falownika. Niedogodnością stosowania dodatkowego stopnia podwyższającego napięcie zwiększa liczbę i koszt wykorzystanych w konstrukcji w pełni sterowanych łączników półprzewodnikowych, a w związku z tym liczbę elektronicznych układów sterowania bramkowego oraz powoduje zwiększenie strat na przełączanie.

Znany jest z publikacji J. Anderson, F. Z. Peng, „Four quasi-Z-Source inverters”, IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESO 2008 układ przekształtnika DC-AC obniżająco-podwyższającego napięcie, o jednostopniowym przekształcania energii elektrycznej ze źródeł niskiego napięcia nazywany falownikiem typu Quasi-Z. W falowniku typu Quasi-Z pomiędzy zaciski źródła napięcia a szyny łączące początki i końce gałęzie falownika włączony jest obwód elektryczny o topologii Quasi-Z w taki sposób, że szyna ujemna falownika jest połączona z dolnym biegunem pierwszego kondensatora a szyna dodatnia falownika połączona z końcem drugiego dławika. Półprzewodnikowy łącznik bloPL 226 636 B1 kujący może mieć postać diody wejściowej, bądź tranzystora IGBT z diodą zwrotną. Obwód elektryczny o topologii Quasi-Z z łącznikiem blokującym zapewnia zabezpieczenie przed zniszczeniem źródeł energii w postaci ogniw fotowoltaicznych oraz innych źródeł energii o jednokierunkowym przepływie energii elektrycznej.

Znany jest z publikacji F. Z. Peng: Z-Source Inverter, Proceedings of the 37^th Industry Applications Society Annual Meeting (LAS'02), 2002, ss. 775-781 sposób sterowania w pełni sterowanymi łącznikami półprzewodnikowymi falownika, znajdujący zastosowanie w falownikach typu Quasi-Z i polegający na wykorzystaniu stanów zwarć gałęzi falownika, niedozwolonych w klasycznych falownikach napięcia. Powyższy sposób sterowania umożliwia wielokrotne podwyższanie napięcia wyjściowego falownika w stosunku do napięcia źródła.

Niedogodnością układów falowników typu Quasi-Z jest niekorzystnie wysoka zawartość wyższych harmonicznych w przebiegach napięcia wyjściowego falownika w stanach pracy z dużymi wartościami współczynnika podwyższania napięcia wejściowego. W falownikach typu Quasi-Z wszystkie sterowane łączniki półprzewodnikowe gałęzi falownika muszą być konstruowane na napięcia blokowania znacznie wyższe od znamionowego napięcia wyjściowego oraz na prądy co najmniej dwukrotnie wyższe od maksymalnej wartości prądu wyjściowego falownika ze względu na duże wartości prądów podczas pracy falownika w trybie zwarć gałęzi.

Falownik ze zintegrowanym stopniem podwyższającym napięcie składający się ze źródła napięcia o biegunie ujemnym i biegunie dodatnim, z identycznych gałęzi fazowych w liczbie o jeden mniejszej od liczby faz napięcia wyjściowego falownika, zawierających w pełni sterowane łączniki półprzewodnikowe oraz fazowe zaciski wyjściowe, przy czym początki gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z biegunem ujemnym źródła napięcia, a końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z szyną dodatnią falownika o potencjale dodatnim względem bieguna ujemnego źródła napięcia, zawierający obwód wejściowy w postaci czwórnika składający się z dwóch dławików, przy czym początek pierwszego dławika jest połączony z biegunem dodatnim źródła napięcia, dwóch kondensatorów i jednego półprzewodnikowego łącznika blokującego, przy czym półprzewodnikowy łącznik blokujący połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym biegunem pierwszego kondensatora i początkiem drugiego dławika, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem drugiego kondensatorem i końcem pierwszego dławika, charakteryzuje się według wynalazku tym, że ostatnia gałąź fazowa składa się z dwóch w pełni sterowanych łączników półprzewodnikowych o zwiększonej wytrzymałości napięciowo-prądowej i jest połączona swoim początkiem z biegunem ujemnym źródła napięcia oraz dolnym biegunem pierwszego kondensatora, a swoim końcem z końcem drugiego dławika oraz górnym biegunem drugiego kondensatora, a szyna dodatnia falownika jest połączona z górnym biegunem pierwszego kondensatora.

Dzięki konstrukcji według wynalazku możliwe jest uzyskanie korzystnie mniejszej zawartości wyższych harmonicznych w przebiegach napięcia wyjściowego falownika w stanach pracy z dużymi wartościami współczynnika podwyższania napięcia wejściowego. Tylko jedna gałąź falownika połączona swoim początkiem z biegunem ujemnym źródła napięcia i dolnym biegunem pierwszego kondensatora, a swoim końcem z końcem drugiego dławika i górnym biegunem drugiego kondensatora 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 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. Układ według wynalazku charakteryzuje się prostą budową umożliwiając przekształcanie energii elektrycznej z podwyższaniem, bądź obniżaniem napięcia wyjściowego przy zmniejszonej o jeden liczbie w pełni sterowanych łączników półprzewodnikowych w porównaniu z układem falownika napięcia z dodatkowym stopniem wejściowym podwyższającym napięcie w postaci przekształtnika DC-DC.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku przedstawiającym schemat ideowy falownika ze zintegrowanym stopniem podwyższającym napięcie.

Falownik składa się z dwóch dławików L1, L2 oraz dwóch kondensatorów C1, C2 i półprzewodnikowego łącznika blokującego Ł połączonych wzajemnie ze sobą w taki sposób, że początek pierwszego dławika L1 jest połączony z biegunem dodatnim źródła napięcia ZN, półprzewodnikowy łącznik blokujący Ł połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym biegunem pierwszego kondensato4

PL 226 636 B1 ra C1 i początkiem drugiego dławika L2, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem drugiego kondensatora C2 i końcem pierwszego dławika L1. Ujemny biegun źródła napięcia jest połączony z dolnym biegunem pierwszego kondensatora C1 oraz z początkami gałęzi fazowych falownika F1, F2, FZ. Gałąź F1 falownika składa się z dwóch w pełni sterowanych łączników półprzewodnikowych SŁ1 i SŁ2. Gałąź F2 falownika składa się z dwóch w pełni sterowanych łączników półprzewodnikowych SŁ3 i SŁ4. Gałąź FZ falownika składa się z dwóch w pełni sterowanych łączników półprzewodnikowych o zwiększonej wytrzymałości napięciowo-prądowej SZ1 i SZ2. Koniec gałęzi fazowej FZ jest połączony z końcem dławika L2 i górnym biegunem kondensatora C2. Końce gałęzi falownika F1 i F2 są połączone ze sobą i z szyną dodatnią P oraz z górnym biegunem kondensatora C1 oraz z początkiem dławika L2 i zaciskiem wyjściowym półprzewodnikowego łącznika blokującego Ł. Środki gałęzi falownika F1, F2, FZ są połączone z zaciskami wyjściowymi W. Filtr F wyjściowy składa się z elementu pojemnościowego CW oraz elementu indukcyjnego LW. Trzy zaciski elementu pojemnościowego CW są połączone z zaciskami W oraz zaciskami wejściowymi elementu indukcyjnego LW. Zaciski wyjściowe elementu indukcyjnego LW są połączone z obciążeniem O.

Claims (1)

1. Falownik ze zintegrowanym stopniem podwyższającym napięcie składający się ze źródła napięcia o biegunie ujemnym i biegunie dodatnim, z identycznych gałęzi fazowych w liczbie o jeden mniejszej od liczby faz napięcia wyjściowego falownika, zawierających w pełni sterowane łączniki półprzewodnikowe oraz fazowe zaciski wyjściowe, przy czym początki gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z biegunem ujemnym źródła napięcia, a końce gałęzi fazowych są połączone ze sobą i z szyną dodatnią falownika o potencjale dodatnim względem bieguna ujemnego źródła napięcia, zawierający obwód wejściowy w postaci czwórnika składający się z dwóch dławików, przy czym początek pierwszego dławika jest połączony z biegunem dodatnim źródła napięcia, dwóch kondensatorów i jednego półprzewodnikowego łącznika blokującego, przy czym półprzewodnikowy łącznik blokujący połączony jest swoim zaciskiem wyjściowym z górnym biegunem pierwszego kondensatora i początkiem drugiego dławika, a swoim zaciskiem wejściowym z dolnym biegunem drugiego kondensatorem i końcem pierwszego dławika, znamienny tym, że ostatnia gałąź fazowa (FZ) składa się z dwóch w pełni sterowanych łączników półprzewodnikowych o zwiększonej wytrzymałości napięciowo-prądowej (SZ1, SZ2) i jest połączona swoim początkiem z biegunem ujemnym źródła napięcia oraz dolnym biegunem pierwszego kondensatora (C1), a swoim końcem z końcem drugiego dławika (L2) oraz górnym biegunem drugiego kondensatora (C2), a szyna dodatnia falownika (P) jest połączona z górnym biegunem pierwszego kondensatora (C1).