PL230513B1 - Uklad do diagnostyki stanow awaryjnych w ukladach dynamicznego odtwarzania napiecia - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ do diagnostyki stanów awaryjnych w układach dynamicznego odtwarzania napięcia znajdujący zastosowanie w przemysłowych układach przeznaczonych do poprawy jakości energii elektrycznej dostarczanej siecią energetyczną.

Układy dynamicznego odtwarzania napięcia (Dynamie Voltage Restorers - DVR), mają za zadanie, w razie zaburzeń napięcia zasilania, bezzwłocznie odtwarzać napięcie wymagane, zabezpieczając właściwe zasilanie odbiornika wrażliwego.

Głównie kompensowane są zapady napięcia oraz przepięcia. Działanie DVR polega na szeregowym dodawaniu napięcia o odpowiedniej wartości do aktualnego napięcia zasilania odbiornika wrażliwego, tak by napięcie odbiornika było równe napięciu nominalnemu.

Ze względu na stosunkowo długie czasy trwania zaburzeń napięcia zasilania (nawet kilka sekund), układy DVR muszą mieć możliwość poboru energii z innego źródła zasilania.

Klasyczne układy DVR zawierają w swojej strukturze falownik napięcia VSI (Voltage Source Inverter). Falowniki stosowane w DVR występują w różnych strukturach. W praktyce najczęściej występujące struktury VSI wyposażone w dodatkowy zasobnik energii dołączony do obwodu DC, liniowy DVR z prostownikiem niesterowanym dołączonym do obwodu DC i zasilany z tej samej linii eo odbiornik oraz w konfiguracjach z źródłem dodawczym od strony sieci i zasilania lub układ międzyliniowego DVR zasilany z drugiego systemu zasilania.

Dla skutecznego sterowania VSI w strukturze DVR niezbędna jest skuteczna i efektywna diagnostyka stanów awaryjnych w układach dynamicznego odtwarzania napięcia.

Znane są i stosowane w praktyce układy wykrywania stanu przeciążenia lub zwarcia w obwodzie odbiornika zasilanego z sieci energetycznej i połączonego szeregowo z układem dynamicznego odtwarzania napięcia, w którym śledzi się przy pomocy przetwornika prądu jego chwilową wartość płynącą w tym obwodzie. Po przekroczeniu, przez kontrolowany w ten sposób prąd, ustalonej dla danego obwodu wartości stwierdza się i sygnalizuje wystąpienie w kontrolowanym obwodzie stan przeciążenia lub zwareia.

Inny sposób znany z opisu patentowego nr US2002012215 pod tytułem „Protection of a dynamie voltage restorer” wskazuje, że zwarcie w układzie dynamicznego odtwarzania napięcia (DVR) jest natychmiast wykrywane przez układ zawierający obwód detekcji zwarć, który w sposób ciągły monitoruje wartość prądu i napięcia w obwodach przekształtnika oraz w obwodzie banku kondensatorów magazynujących energię. W razie wykrycia szybkiego rozładowania banku kondensatorów, włączając w to zapalenie wszystkich możliwych półprzewodników w falowniku napięcia i powstania dużych prądów tak szybko jak to tylko możliwe następuje przeciwdziałanie wewnątrz falownika napięcia. Wykrycie stanu zwarcia, według przedstawionego sposobu, może być dokonane w czasie krótszym niż 15 ps. Rozwiązanie takie dzięki wczesnemu wykryciu prądu zwarcia i równomiernemu rozłożeniu go w obwodach konwertera nie dopuszcza do spalenia kosztownych bezpieczników w przypadku wystąpienia takiej awarii.

Sposób ujawniony w patencie nr US2002012215 wymaga implementowania odpowiedniego obwodu detekcji zwarć do struktury VSI i nie może być bezpośrednio wykorzystany w układach opartych na VSI, takiego układu nie posiadających. Sposób diagnostyki stanów awaryjnych, w którym śledzi się chwilową wartość prądu płynącego w obwodzie odbiornika zasilanego z sieci energet yeznej, przy pomocy przetwornika prądu, nie tworzy warunków do szybkiego i precyzyjnego reagowania na pojawienie się stanu awaryjnego. Diagnozowanie stanu awaryjnego na podstawie śledzenia chwilowej wartości prądu, najczęściej stosowane w praktyce, obarczone jest opóźnieniem wynikającym z faktu, że prąd narasta lub maleje wskutek zmiany napięć, które pojawiają się natychmiast.

Celem wynalazku jest opracowanie prostego, szybkiego i efektywnego układu do diagnostyki stanów awaryjnych w układach dynamicznego odtwarzania napięcia.

Zgodnie z wynalazkiem układ do diagnostyki stanu awaryjnego w układzie dynamicznego odtwarzania napięcia realizowany jest tak, że w obwodzie w którym odbiornik jest zasilany z napięcia fazowego sieei energetycznej Uf i włączonego szeregowo w przewód fazowy tej sieci układu dynamicznego odtwarzania napięcia, tak, że napięcie Uo zasilające ten odbiornik jest równe sumie napięcia fazowego sieei Uf i napięcia wyjściowego dynamicznego układu odtwarzania napięcia Ud, śledzi się chwilową wartość napięcia fazowego sieci Uf oraz chwilową wartość napięcia na wyjściu układu dynamieznego odtwarzania napięcia Ud.

PL 230 513 B1

Napięcie fazowe Uf energetycznej sieci zasilającej śledzi się za pomocą pierwszego transformatora pomiarowego, którego pierwotne uzwojenie dołączone do napięcia fazowego Uf energetycznej sieci zasilającej w ten sposób, że początek uzwojenia, jest dołączony do przewodu fazowego energetycznej sieci zasilającej, a koniec do przewodu neutralnego N tej sieci. Napięcie wyjściowe dynamicznego układu odtwarzania śledzi się za pomocą drugiego transformatora pomiarowego, którego pierwotne uzwojenie dołączone jest do wyjścia dynamicznego odtwarzacza napięcia, przy czym koniec uzwojenia pierwotnego drugiego transformatora pomiarowego jest dołączony do przewodu fazowego energetycznej sieci zasilającej, a początek, do wyjścia układu dynamicznego odtwarzacza napięcia połączonego z odbiornikiem.

Pierwszy transformator pomiarowy posiada dwa oddzielne uzwojenia wtórne. Pierwsze uzwojenie wtórne pierwszego transformatora pomiarowego jest połączone do wejść pierwszego czterodiodowego mostka prostowniczego. Koniec drugiego uzwojenia wtórnego pierwszego transformatora pomiarowego jest połączony z końcem uzwojenia wtórnego drugiego transformatora pomiarowego. Początek drugiego uzwojenia wtórnego, pierwszego transformatora pomiarowego jest połączony do jednego z wejść drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego, a początek uzwojenia wtórnego, drugiego transformatora pomiarowego jest połączony do drugiego wejścia drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego. Dodatnie wyjścia obu mostków prostowniczych, są ze sobą połączone, a wyjścia ujemne tych mostków, dołączone są do wejść układu pełniącego rolę komparatora przetwarzającego sygnał analogowy na sygnał cyfrowy.

W czasie pracy układu dynamicznego odtwarzania napięcia włączonego szeregowo w przewód fazowy energetycznej sieci zasilającej, tak że napięcie Uo zasilające odbiornik jest równe sumie napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej Uf i napięcia wyjściowego Ud układu dynamicznego odtwarzania napięcia, kontroluje się wartość napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej Uf przy pomocy pierwszego transformatora pomiarowego i jego pierwszego uzwojenia wtórnego oraz różnicę napięć Uf - Ud przy pomocy pierwszego transformatora pomiarowego i jego drugiego uzwojenia wtórnego połączonego swoim końcem z końcem uzwojenia wtórnego drugiego transformatora pomiarowego. Uzwojenia wtórne obu transformatorów pomiarowych połączone są z dwoma diodowymi mostkami prostowniczymi, przy czym do wejść pierwszego czterodiodowego mostka prostowniczego jest dołączone napięcie wyjściowe z pierwszego uzwojenia wtórnego pierwszego transformatora pomiarowego, odpowiadające napięciu fazowemu energetycznej sieci zasilającej Uf a do wejść drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego jest dołączona różnica napięć odpowiadających wartości napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej Uf pomniejszonej o wartość napięciu wyjściowego Ud układu dynamicznego odtwarzania napięcia.

W czasie normalnej pracy układu, gdy napięcie fazowe energetycznej sieci zasilającej Uf jest powiększane o napięcie wyjściowe Ud układu dynamicznego odtwarzania napięcia, wartość napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej Uf jest większa od tej różnicy napięć Uf - Ud. Na tej podstawie układ komparatora sygnalizuje prawidłową pracę układu dynamicznego odtwarzania napięcia. W przypadku, gdy między zaciskami odbiornika wystąpi zwarcie, to napięcie Ud na wyjściu układu dynamicznego odtwarzania napięcia przyjmie wartość równą napięciu fazowemu energetycznej sieci zasilającej Uf i zmieni swój zwrot na przeciwny względem poprzedniego napięcia Ud wytwarzanego przez układ dynamicznego odtwarzania napięcia. W tej sytuacji napięcie między początkiem pierwszego uzwojenia wtórnego pierwszego transformatora pomiarowego i początkiem uzwojenia wtórnego drugiego transformatora pomiarowego będzie odpowiadać podwójnej wartości napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej Uf. Wartość napięcia wyjściowego drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego będzie więc większa od wartości napięcia wyjściowego pierwszego czterodiodowego m ostka prostowniczego. Na tej podstawie układ komparatora zasygnalizuje awarię w obwodzie zasilanym przez układ dynamicznego odtwarzania napięcia.

Zaletą układu do diagnostyki stanów awaryjnych w układach dynamicznego odtwarzania napięcia według wynalazku jest większa szybkość działania, w stosunku do tradycyjnych układów diagnozowania stanów awaryjnych opartych o śledzenie prądu zasilania odbiornika oraz prosta, łatwa i ekonomiczna realizacja aplikacji układu do diagnostyki stanów awaryjnych w układach dynamicznego odtwarzania napięcia.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniono na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia blokowy schemat układu według wynalazku.

W obwodzie w którym odbiornik 8 jest zasilany z napięcia fazowego Uf sieci energetycznej 3 i włączonego szeregowo w przewód fazowy tej sieci układu dynamicznego odtwarzania napięcia 7, tak,

PL 230 513 B1 że napięcie Uo zasilające ten odbiornik jest równe sumie napięcia fazowego sieci Uf i napięcia wyjściowego dynamicznego układu odtwarzania napięcia Ud, podczas pracy układu, śledzi się chwilową wartość napięcia fazowego sieci Uf oraz chwilową wartość napięcia na wyjściu układu dynamicznego odtwarzania napięcia Ud za pomocą dwóch transformatorów pomiarowych.

Do wykonania układu użyto dwóch typowych transformatorów sieciowych o mocy znamionowej 2 VA. Jeden z nich o nominalnych napięciach: strony pierwotnej 230 V i dwu oddzielnych uzwojeniach po stronie wtórnej o napięciu 6 V każde i drugi o nominalnych napięciach: strony pierwotnej 230 V i o napięciu 6 V na uzwojeniu po stronie wtórnej.

Pierwszy transformator pomiarowy 1, którego uzwojenie pierwotne 2 dołączone jest do napięcia fazowego Uf energetycznej sieci zasilającej 3 w ten sposób, że początek uzwojenia 2, oznaczony gwiazdką, jest dołączony do przewodu fazowego 4 energetycznej sieci zasilającej 3, a koniec do przewodu neutralnego N tej sieci oraz drugiego transformatora pomiarowego 6, którego uzwojenie pierwotne 5 jest dołączone do wyjścia dynamicznego odtwarzacza napięcia 7, przy czym koniec uzwojenia 5 jest dołączony do przewodu fazowego 4 energetycznej sieci zasilającej 3, a początek, oznaczony gwiazdką, do wyjścia układu dynamicznego odtwarzacza napięcia 7 połączonego z odbiornikiem 8. Pierwszy transformator pomiarowy 1 posiada dwa oddzielne uzwojenia wtórne, pierwsze uzwojenie wtórne 9 tego transformatora pomiarowego 1 jest połączone do wejść pierwszego czterodiodowego mostka prostowniczego 10. Koniec drugiego uzwojenia wtórnego 11 pierwszego transformatora pomiarowego 1 jest połączony z końcem uzwojenia wtórnego 12 drugiego transformatora pomiarowego 6. Początek drugiego uzwojenia wtórnego 11, oznaczony gwiazdką, pierwszego transformatora pomiarowego 1 jest połączony do jednego z wejść drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego 13, a początek uzwojenia wtórnego 12, oznaczony gwiazdką, drugiego transformatora pomiarowego 6 jest połączony do drugiego wejścia drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego 13. Dodatnie wyjścia obu mostków prostowniczych 10, 13, oznaczone znakiem „+”, są ze sobą połączone, a wyjścia ujemne tych mostków oznaczone znakiem „-”, dołączone są do wejść układu 14 pełniącego rolę komparatora przetwarzającego sygnał analogowy na sygnał cyfrowy.

Jako mostki prostownicze 10 i 13, zastosowane zostały typowe diodowe mostki prostownicze na napięcie 100 V i prąd maksymalny 1,5 A.

Układ komparatora 14 na podstawie wartości różnicy napięć wyjściowych pierwszego czterodiodowego mostka prostowniczego 10 i drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego 13 sygnalizuje prawidłową pracę, bądź stan awaryjny w obwodzie zasilanym przez układ dynamicznego odtwarzania napięcia 7. Do wejść pierwszego czterodiodowego mostka prostowniczego 10 jest dołączone napięcie wyjściowe z pierwszego uzwojenia wtórnego 9 pierwszego transformatora pomiarowego 1 odpowiadające napięciu fazowemu energetycznej sieci zasilającej Uf. Do wejść drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego 13 jest dołączona różnica napięć odpowiadających napięciu fazowemu energetycznej sieci zasilającej Uf i napięciu wyjściowemu Ud układu dynamicznego odtwarzania napięcia 7. W czasie normalnej pracy układu, gdy napięcie fazowe energetycznej sieci zasilającej Uf jest powiększane o napięcie wyjściowe Ud układu dynamicznego odtwarzania napięcia 7, wartość napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej Uf jest więc większa od tej różnicy napięć. Na tej podstawie układ komparatora 14 sygnalizuje prawidłową pracę układu dynamicznego odtwarzania napięcia 7. W przypadku, gdy między zaciskami odbiornika 8 wystąpi zwarcie, to napięcie Ud na wyjściu układu dynamicznego odtwarzania napięcia 7 przyjmie wartość równą napięciu fazowemu energetycznej sieci zasilającej Uf i zmieni swój zwrot na przeciwny względem poprzedniego napięcia Ud wytwarzanego przez układ dynamicznego odtwarzania napięcia 7. W tej sytuacji napięcie między początkiem pierwszego uzwojenia wtórnego 9 pierwszego transformatora pomiarowego 1 i początkiem uzwojenia wtórnego 12 drugiego transformatora pomiarowego 6 będzie odpowiadać podwójnej wartości napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej Uf. Wartość napięcia wyjściowego drugiego 10. Na tej podstawie układ komparatora 14 zasygnalizuje awarię w obwodzie zasilanym przez układ dynamicznego odtwarzania napięcia 7.

Zastosowane transformatory obniżają wartości kontrolowanych napięć do bezpiecznego poziomu i zapewniają separację galwaniczną między obwodem energetycznym i pomiarowym. Przekładnie zwojowe każdego uzwojenia wtórnego względem pierwotnego są dla obu transformatorów jednakowe.

Badania laboratoryjne oraz prototypowa czterodiodowego mostka prostowniczego 13 będzie więc większa od wartości napięcia wyjściowego pierwszego czterodiodowego mostka prostowniczego realizacja układu według wynalazku potwierdziły zalety układu do diagnostyki stanów awaryjnych w układach dynamicznego odtwarzania napięcia.

PL 230 513 B1

Wykaz oznaczeń na rysunku

1. pierwszy transformator pomiarowy,

2. uzwojenia pierwotne pierwszego transformatora pomiarowego,

3. energetyczna sieć zasilająca,

4. przewód fazowy energetycznej sieci zasilającej,

5. uzwojenie pierwotne drugiego transformatora pomiarowego,

6. drugi transformator pomiarowy,

7. układ dynamicznego odtwarzania napięcia,

8. odbiornik,

9. pierwsze uzwojenie wtórne pierwszego transformatora pomiarowego,

10. pierwszy czterodiodowy mostek prostowniczy,

11. drugie uzwojenie wtórne pierwszego transformatora pomiarowego,

12. uzwojenie wtórne drugiego transformatora pomiarowego,

13. drugi czterodiodowy mostek prostowniczy,

14. układ komparatora,

N przewód neutralny energetycznej sieci zasilającej,

Uf napięcie fazowe energetycznej sieci zasilającej,

Ud napięcie wyjściowe dynamicznego odtwarzacza napięcia,

Uo napięcie zasilające odbiornik.

Claims (1)

1. Układ do diagnostyki stanów awaryjnych w układzie dynamicznego odtwarzania napięcia, w którym odbiornik jest zasilany z napięcia fazowego sieci energetycznej i włączonego szeregowo w przewód fazowy tej sieci układu dynamicznego odtwarzania napięcia, tak że napięcie zasilające ten odbiornik jest równe sumie napięcia fazowego sieci i napięcia wyjściowego dynamicznego układu odtwarzania napięcia, który zawiera dwa transformatory pomiarowe oraz dwa czterodiodowe mostki prostownicze pełnookresowe, znamienny tym, że pierwszy transformator pomiarowy (1) ma uzwojenie pierwotne (2) dołączone do napięcia fazowego energetycznej sieci zasilającej w ten sposób, że początek uzwojenia (2), oznaczony gwiazdką, jest dołączony do przewodu fazowego energetycznej sieci zasilającej, a koniec do przewodu neutralnego N tej sieci, natomiast uzwojenie pierwotne (5) drugiego transformatora (6) pomiarowego jest dołączone do wyjścia dynamicznego odtwarzacza napięcia (7), przy czym koniec tego uzwojenia jest dołączony do przewodu fazowego energetycznej sieci zasilającej, a początek, oznaczony gwiazdką, do wyjścia układu dynamicznego odtwarzacza napięcia (7) połączonego z odbiornikiem, przy czym pierwszy transformator pomiarowy (1) posiada dwa oddzielne uzwojenia wtórne, pierwsze uzwojenie wtórne (9) tego transformatora pomiarowego (1) jest połączone do wejść pierwszego czterodiodowego mostka prostowniczego (10) a koniec drugiego uzwojenia wtórnego (11) pierwszego transformatora pomiarowego (1) jest połączony z końcem uzwojenia wtórnego (12) drugiego transformatora pomiarowego (6), natomiast początek drugiego uzwojenia wtórnego (11), oznaczony gwiazdką, pierwszego transformatora pomiarowego (1) jest połączony do jednego z wejść drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego (13), a początek uzwojenia wtórnego (12), oznaczony gwiazdką, drugiego transformatora pomiarowego (6) jest połączony do drugiego wejścia drugiego czterodiodowego mostka prostowniczego (13) i dodatnie wyjścia obu mostków prostowniczych (10) oraz, (13), oznaczone znakiem „+”, są ze sobą połączone, a wyjścia ujemne tych mostków oznaczone znakiem „-”, dołączone są do wejść układu (14) pełniącego rolę komparatora.