PL227896B1 - Układ trójfazowej przetwornicy rezonansowej z ograniczonym prądem zwarcia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ trójfazowej przetwornicy rezonansowej generującej prąd o ograniczonej wartości w przypadku zwarcia na wyjściu. Prąd zwarcia jest ograniczony przez topologię obwodu mocy, bez konieczności reakcji układu sterującego.

Obecnie, przetwornice rezonansowe są stosowane w różnorodnych układach zasilania prądu stałego. Osiągają wysoką sprawność przetwarzania energii dzięki korzystnym warunkom pracy elementów półprzewodnikowych, mianowicie przełączaniu tranzystorów mocy w warunkach ZV5 (Zero Voltage Switching) oraz ZCS (Zero Current Switching). Ograniczenie prądu wyjściowego przetwornicy w przypadku zwarcia lub małej rezystancji obciążenia jest pożądane w wielu aplikacjach takich jak np. ładowanie baterii, ładowanie kondensatorów lub po prostu zasilanie układów, w których mogą występować zwarcia.

W dotychczasowych rozwiązaniach przetwornic rezonansowych, znane są układy ograniczające prąd zwarcia na wyjściu. Znaną topologią ograniczającą prąd zwarcia jest układ półmostkowy z diodami ograniczającymi napięcie na rozdzielonym kondensatorze rezonansowym (rysunek 1). Diody D1 i D2 ograniczają maksymalne napięcie na rozdzielonym kondensatorze rezonansowym Cr, co skutkuje równocześnie ograniczeniem maksymalnego prądu płynącego w obwodzie. Rozwiązanie takie nie nadaje się jednak do zastosowań dużej mocy ze względu na dużą wartość składowej zmiennej prądu w kondensatorze Cwe na wejściu oraz Cwy na wyjściu.

W dotychczasowych rozwiązaniach znany jest również układ przetwornicy rezonansowej trójfazowej, który znacznie obniża wartość prądu zmiennego w kondensatorach Cwe i Cwy, przez co może być stosowany przy dużych mocach (rysunek 2). Układ ten nie ogranicza jednak prądu w przypadku zwarcia na wyjściu (przy pracy z pełną mocą, z częstotliwością bliską rezonansowej). Sterowanie prądem wyjściowym jest możliwe poprzez użycie regulacji fazowej lub częstotliwościowej. Jednak reagowanie na nagłe zwarcia wymaga skomplikowanego układu sterowania o odpowiednim czasie reakcji. Ponadto, zarówno sterowanie częstotliwościowe jak i fazowe prowadzi do zwiększonych strat mocy.

Układ według wynalazku (rysunek 3) charakteryzuje się połączeniem koncepcji opisanych wyżej rozwiązań w taki sposób, aby zachować właściwości przetwornicy rezonansowej trójfazowej (możliwość stosowania przy dużej mocy dzięki ograniczonej wartości składowej zmiennej prądu w kondensatorach na wejściu i na wyjściu Cwe i Cwy), jak również uzyskać ograniczony prąd zwarcia dzięki ograniczeniu napięcia na kondensatorach rezonansowych Cr dzięki zastosowaniu diod D1..D6.

Układ według wynalazku (rysunek 3) powstaje poprzez umieszczenie kondensatorów rezonansowych Cr przetwornicy trójfazowej pomiędzy uzwojeniem pierwotnym transformatorów a punktem wspólnym łączącym te uzwojenia w gwiazdę oraz zastosowanie diod D1..D6 ograniczających poziom napięcia na kondensatorach rezonansowych.

W układzie według wynalazku, prąd zwarciowy jest ograniczony przez samą topologię obwodu mocy, bez konieczności stosowania regulacji fazowej lub częstotliwościowej i odpowiednio szybkiej reakcji układu sterującego na nagłe zwarcia dla zapewnienia ochrony układu przed zniszczeniem.

Ponadto, w czasie pracy przy zwarciu, gdy przetwornica utrzymuje ograniczony prąd na wyjściu, układ według wynalazku zachowuje niższą częstotliwość pracy i mniejsze straty mocy względem regulacji częstotliwościowej w typowej konstrukcji przetwornicy rezonansowej trójfazowej (przy takim samym prądzie wyjściowym i takiej samej indukcyjności dławików rezonansowych).

Układ według wynalazku zachowuje również mniejsze straty niż przy stosowaniu regulacji fazowej w celu utrzymania ograniczonej wartości prądu zwarciowego na wyjściu w typowej przetwornicy rezonansowej trójfazowej. Dzieje się tak, ponieważ układ według wynalazku zachowuje warunki ZVS przełączania tranzystorów mocy w czasie pracy przy zwarciu na wyjściu (nie są zachowane jedynie warunki ZCS). Umożliwia to stosowanie kondensatorów odciążających umieszczonych równolegle do tranzystorów mocy, co istotnie redukuje straty, a nie jest możliwe przy regulacji fazowej w typowym układzie przetwornicy rezonansowej trójfazowej. Również, układ według wynalazku zachowuje symetryczną pracę wszystkich faz podczas pracy ze zwarciem na wyjściu, co nie jest możliwe przy regulacji fazowej w typowej przetwornicy rezonansowej trójfazowej.

Układ według wynalazku może hyc zbudowany z powielaczem napięcia zamiast prostownika wyjściowego (rysunek 4).

Układ według wynalazku może być stosowany z uzwojeniami wtórnymi transformatora połączonymi zarówno w gwiazdę jak i w trójkąt (możliwe jest połączenie uzwojeń transformatora typu Y-Y lub Y-Delta).

PL 227 896 B1

W układzie według wynalazku mogą być stosowane dodatkowe dławiki odciążające zapewniające przepływ prądu i warunki przełączania ZVS tranzystorów mocy w przypadku pracy przy braku obciążenia.

W układzie według wynalazku może być stosowane sterowanie częstotliwościowe, fazowe lub polegające na włączaniu i wyłączaniu układu (tzw. Pulse Density Modulation) w celu umożliwienia regulacji poziomu mocy wyjściowej. Nie jest to jednak konieczne dla zachowania ograniczonego prądu w sytuacji zwarcia tak jak w przypadku znanych do tej pory rozwiązań przetwornic rezonansowych trójfazowych. Dla ochrony przetwornicy przed zniszczeniem w sytuacji zwarcia na wyjściu nie jest również konieczna szybka reakcja układu sterującego.

W układzie według wynalazku może być stosowany regulowany zasilacz napięcia stałego zasilającego wejście przetwornicy rezonansowej. W takiej konfiguracji, oprócz regulacji mocy obciążenia za pośrednictwem napięcia zasilającego przetwornicę rezonansową, możliwa jest także regulacja prądu płynącego w czasie zwarcia za pośrednictwem regulacji napięcia zasilającego przetwornicę rezonansową (bez konieczności stosowania regulacji fazowej lub częstotliwościowej w samym układzie rezonansowym). Dzięki temu, przetwornica rezonansowa według wynalazku może stale pracować z częstotliwością bliską rezonansu a prąd zwarciowy może być regulowany poprzez napięcie zasilające, co nie jest możliwe w znanych rozwiązaniach przetwornic rezonansowych trójfazowych.

Przy określonym napięciu zasilania układu według wynalazku, wartość ograniczenia prądu płynącego w czasie zwarcia na wyjściu można dobrać poprzez odpowiedni dobór wartości indukcyjności i pojemności rezonansowych.

Claims (8)

1. Układ trójfazowej przetwornicy rezonansowej z ograniczonym prądem zwarcia według wynalazku, znamienny tym, że kondensatory rezonansowe znajdują się pomiędzy uzwojeniami pierwotnymi transformatorów i punktem wspólnym łączącym te uzwojenia w gwiazdę, a następnie na kondensatorach rezonansowych jest ograniczone poprzez diody łączące każdy kondensator niezależnie z dodatnim i ujemnym biegunem napięcia stałego zasilającego układ.

2. Układ wg zastrzeżenia 1, w którym zamiast prostownika na wyjściu stosowany jest powielacz napięcia.

3. Układ z zastrzeżenia 1 z dodatkowym filtrem za prostownikiem lub powielaczem napięcia.

4. Układ z zastrzeżenia 1 z dodatkowym sterowaniem mocą wyjściową przez stosowanie regulacji częstotliwościowej fazowej lub przez cykliczne włączanie i wyłączanie układu.

5. Układ z zastrzeżenia 1 wyposażony w regulowany układ napięcia zasilającego DC.

6. Układ z zastrzeżenia 1 z uzwojeniami wtórnymi transformatora połączonymi w gwiazdę lub w trójkąt.

7. Układ z zastrzeżenia 1 z dodatkowymi kondensatorami odciążającymi równoległymi do tranzystorów mocy.

8. Układ z zastrzeżenia 1 wyposażony w dodatkowe dławiki odciążające, zapewniające przepływ prądu i warunki przełączania tranzystorów ZVS (Zero Voltage Switching) przy braku obciążenia.