PL231284B1 - Układ hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy układu hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego znajdującego zastosowanie w elektroenergetyce. Z książek: Kalesz J.: „Transformatory: Układy nastawiania przekładni”, WNT, Warszawa 1968; Jezierski E.: Transformatory, WNT, Warszawa 1975 znane są układy transformowania napięć przemiennych oparte na konwencjonalnych transformatorach elektromagnetycznych prądu przemiennego oraz układy bazujące na energoelektronicznych przekształtnikach prądu przemiennego. Układy transformowania napięcia przemiennego z konwencjonalnymi transformatorami elektromagnetycznymi prądu przemiennego realizują separację galwaniczną pomiędzy źródłem a odbiornikiem energii. W transformatorach ze stałą przekładnią napięciową mają one jednak zasadniczą wadę w postaci braku możliwości sterowania napięciem po stronie wtórnej transformatora. Transformatory wyposażone w zmieniacze odczepów sterowanie napięciem realizują w sposób skokowy, w wąskim zakresie, z niską dynamiką i często w stanie beznapięciowym, co należy uznać za zasadnicze wady. Układy bazujące na przekształtnikach energoelektronicznych AC/AC charakteryzują się dużą dynamiką, jednak ich zasadniczą wadą jest brak separacji galwanicznej pomiędzy źródłem zasilania a obciążeniem.

Z publikacji Ebrahim Babaei, Mohammad Farhadi Kangarlu: „Sensitive load voltage compensation against voltage sags/swells and harmonics in the grid voltage and limit downstream fault currents using DVR”, Electric Power Systems Research, Vol. 83, Iss. 1, February 2012, s. 80-90, znany jest układ kompensatora przepięć oraz zapadów napięcia przemiennego wykorzystujący zarówno konwencjonalny transformator elektromagnetyczny jak i transformator dodawczy oraz przekształtnik AC/AC. Jest to układ szeregowego kompensatora zapadów oraz przepięć napięcia przemiennego, w którym uzwojenia wtórne transformatora dodawczego przyłączone są szeregowo pomiędzy odpowiadającymi im zaciskami fazowymi źródła a obciążenia. Do uzwojenia pierwotnego transformatora dodawczego przyłączone są elementy indukcyjnościowe, kondensatory oraz przekształtnik AC/AC matrycowy, do którego przyłączone są wtórne uzwojenia głównego transformatora, którego uzwojenia pierwotne przyłączone są do odpowiadających im zacisków fazowych źródła. Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest brak izolacji galwanicznej pomiędzy źródłem zasilania a obciążeniem.

Z artykułu E. C. Aeloiza, P. N. Enjeti, L. A. Moran, I. Pitel: „Next Generation Distribution Transformer: To Address Power Quality for Criticail Loads”, PESC Record - IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference, 15-19 June 2003, vol.3, s. 1266-1271, znany jest układ kompensatora zapadów oraz przepięć napięcia przemiennego wykorzystujący zarówno konwencjonalny transformator elektromagnetyczny jak i przekształtnik AC/AC. Układ składa się z dwóch uzwojeń wtórnych transformatora, do którego pierwszych końców pierwszego uzwojenia przyłączony jest przekształtnik AC/AC spełniający funkcję regulacji napięcia. Zaciski przekształtnika AC/AC połączone są z zaciskami obciążenia oraz z pierwszymi końcami drugiego uzwojenia wtórnego transformatora, którego drugie końce połączone są z drugimi zaciskami obciążenia. Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest to, że w przypadku uszkodzenia przekształtnika AC/AC nie będzie możliwe doprowadzenie napięcia zasilania do obciążenia, co znacznie obniża niezawodność tego rozwiązania.

Z opisu patentowego PL 223837 znany jest układ hybrydowego wielofazowego kompensatora przepięć oraz zapadów napięcia bazujący na konwencjonalnym transformatorze elektromagnetycznym oraz na przekształtniku AC/AC zbudowanym z łączników energoelektronicznych, kondensatorów i elementów indukcyjnych. W układzie występuje transformator posiadający dla każdej fazy dwa uzwojenia wtórne, z których jedno jest uzwojeniem głównym a drugie uzwojeniem pomocniczym. Pierwsze końce wtórnych uzwojeń głównych przyłączone są do zacisków odbiornika. Pierwsze końce wtórnych uzwojeń pomocniczych przyłączone są do zacisków przekształtnika AC/AC. Drugie końce wtórnych uzwojeń głównych połączone są przez kondensatory do wspólnego węzła. Również drugie końce wtórnych uzwojeń pomocniczych połączone są przez inne kondensatory do wspólnego węzła. Układ pomiędzy łącznikami przekształtnika AC/AC dołączone ma elementy indukcyjnościowe, których drugie końce przyłączone są do wspólnego węzła. Zasadniczą wadą tego rozwiązania jest to, że w przypadku uszkodzenia przekształtnika AC/AC nie będzie możliwe doprowadzenie napięcia zasilania do obciążenia co znacznie obniża niezawodność tego rozwiązania.

PL 231 284 B1

Wolnym od przedstawionych niedogodności jest układ hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego, którego istotą jest to, że każde pomocnicze uzwojenie wtórne transformatora ma w połowie swojej liczby zwojów wyprowadzony odczep dzielący odpowiadające uzwojenie na dwa symetryczne uzwojenia: pierwsze pomocnicze uzwojenia i drugie pomocnicze uzwojenia i połączony z zaciskiem zerowym n-fazowego odbiornika. Pierwsze końce pierwszych pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania, których drugie końce połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania. Drugie zaciski dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony odbiornika, których drugie końce połączone są z drugimi końcami odpowiadających głównych uzwojeń wtórnych i z pierwszymi końcami odpowiadających kondensatorów strony odbiornika, których drugie końce połączone są z zaciskiem zerowym n-fazowego odbiornika. Drugie końce drugich pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania, których drugie końce połączone są z pierwszymi zaciskami odpowiadających dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania. Drugie zaciski dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony odbiornika. Pomiędzy odczepami dzielącymi odpowiadające pomocnicze uzwojenia wtórne transformatora na dwa symetryczne uzwojenia a drugimi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania znajdują się odpowiadające kondensatory strony zasilania. Pomiędzy odczepami dzielącymi odpowiadające pomocnicze uzwojenia wtórne transformatora na dwa symetryczne uzwojenia a drugimi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania znajdują się odpowiadające kondensatory strony zasilania.

Korzystnie pomiędzy pierwsze końce pierwszych pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora i pierwsze końce odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania włączone są odpowiadające łączniki rozwierające. Pomiędzy drugie końce drugich pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora i pierwsze końce odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania włączone są odpowiadające łączniki rozwierające. Równolegle do kondensatorów odbiornika dołączone są łączniki zwierające. Wszystkie łączniki rozwierające i łączniki zwierające uruchamiane są za sterownika kondycjonera.

Zaletą układu według wynalazku jest szeroki zakres płynnej regulacji napięcia obciążenia przeprowadzany z dużą dynamiką, pozwalający na stabilizację napięcia obciążenia w warunkach głębokich przepięć i zapadów napięcia zasilania. Ponadto zastosowanie bezpośredniego przekształtnika AC/AC jakim jest dwubiegunowy przekształtnik matrycowy w postaci dwubiegunowych łączników energoelektronicznych pozwala na eliminacje magazynów energii elektrycznej prądu stałego oraz układów kontrolno-pomiarowych nadzorujących eksploatację zasobników energii prądu stałego. Kolejną zaletą układu jest możliwość zasilania obciążenia napięciem o nominalnej wartości napięcia sieciowego w przypadku uszkodzenia jednego z elementów przekształtnika AC/AC lub całkowitego uszkodzenia przekształtnika AC/AC.

Układ hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego został pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat połączeń elementów w n-fazowym obwodzie głównym kondycjonera, fig. 2 przedstawia schemat połączeń elementów w n-fazowym obwodzie głównym kondycjonera z łącznikami rozwierającymi i zwierającymi, fig. 3 przedstawia schemat blokowy sterownika kondycjonera sterującego dwukierunkowymi łącznikami energo elektronicznymi znajdującymi się na fig. 1, fig. 4 przedstawia schemat blokowy sterownika kondycjonera sterującymi wszystkimi łącznikami znajdującymi się na fig. 2, a fig. 5 przedstawia schemat dwukierunkowego łącznika energoelektronicznego.

Pokazany na fig. 1 układ hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego o n fazach zawiera transformator TR o n uzwojeniach pierwotnych P1, P2,..., PN i odpowiadających im n głównych uzwojeniach wtórnych WG11, WG21,..., WGN1 i n pomocniczych uzwojeniach wtórnych, przy czym każde pomocnicze uzwojenie wtórne transformatora TR ma w połowie swojej liczby zwojów wyprowadzony odczep dzielący odpowiadające uzwojenie na dwa symetryczne uzwojenia: pierwsze pomocnicze uzwojenia WP11, WP21,..., WPN1 i drugie pomocnicze uzwojenia WP12, WP22,..., WPN2. N-fazowe zaciski źródła zasilania L1, L2, ..., LN przyłączone są do jednych końców odpowiadających im uzwojeń pierwotnych P1, P2,..., PN transformatora TR, którego drugie końce uzwojeń pierwotnych P1, P2,..., PN połączone są ze sobą i z zaciskiem zerowym N źródła zasilania. Pierwsze końce głównych

PL 231 284 B1 uzwojeń wtórnych WG1, WG2,..., WGN transformatora TR połączone są z odpowiadającymi im zaciskami U1, U2,..., UN n-fazowego odbiornika ODB. Pierwsze końce pierwszych pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora WP11, WP21,..., WPN1 połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania LZ11, LZ21,..., LZN1, których drugie końce połączone są z pierwszymi zaciskami O1 odpowiadających dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ11, ŁZ21,..., ŁZN1. Drugie zaciski O2 dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ11, ŁZ21,..., ŁZN1 połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony odbiornika LO11, LO21, ,LON1, których drugie końce połączone są z drugimi końcami odpowiadających głównych uzwojeń wtórnych WG1, WG2,..., WGN i z pierwszymi końcami odpowiadających kondensatorów strony odbiornika CO11, CO21,..., CON1, których drugie końce połączone są z zaciskiem zerowym 0 n-fazowego odbiornika ODB. Drugie końce drugich pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora WP12, WP22,..., WPN2 połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania LZ12, LZ22,..., LZN2, których drugie końce połączone są z pierwszymi zaciskami O1 odpowiadających dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ12, ŁZ22,..., ŁZN2. Drugie zaciski O2 dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ12, ŁZ22,..., ŁZN2 połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony odbiornika LO11, LO21,..., LON1. Pomiędzy odczepami dzielącymi odpowiadające pomocnicze uzwojenia wtórne transformatora TR na dwa symetryczne uzwojenia a drugimi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania LZ11, LZ21,..., LZN1 znajdują się odpowiadające kondensatory strony zasilania CZ11, CZ21,..., CZN1. Pomiędzy odczepami dzielącymi odpowiadające pomocnicze uzwojenia wtórne transformatora TR na dwa symetryczne uzwojenia a drugimi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania LZ12, LZ22,..., LZN2 znajdują się odpowiadające kondensatory strony zasilania CZ12, CZ22,..., CZN2.

Przedstawiony na fig. 2 układ hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego pomiędzy pierwsze końce pierwszych pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora WP11, WP21,..., WPN1 i pierwsze końce odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania LZ11, LZ12,..., LZN1 ma włączone odpowiadające łączniki rozwierające ŁW11, ŁW21,..., ŁWN1. Pomiędzy drugie końce drugich pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora WP12, WP22,..., WPN2 i pierwsze końce odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania LZ12, LZ22,..., LZN2 włączone są odpowiadające łączniki rozwierające ŁW12, ŁW22,..., ŁWN2. Równolegle do kondensatorów odbiornika CO11, CO21,..., CON1 dołączone są łączniki zwierające ŁO1, ŁO2,..., ŁON. Wszystkie łączniki rozwierające ŁW11, ŁW12, ŁW21, ŁW22,..., ŁWN1, ŁWN2 i łączniki zwierające ŁO1, ŁO2,..., ŁON uruchamiane są za sterownika kondycjonera SK. Dodanie na fig. 2 w porównaniu z fig. 1 łączników rozwierających i zwierających umożliwia w przypadku uszkodzenia elementów przekształtnika AC/AC lub całkowitego uszkodzenia przekształtnika AC/AC, odłączenie napięcia zasilającego przekształtnik AC/AC przez rozwarcie zacisków rozwierających ŁW11, ŁW21,..., ŁWN1, ŁW12, ŁW22,..., ŁWN2 i zwarcie zacisków zwierających obejściowych ŁO1, ŁO2, ..., ŁON, doprowadzając do zasilania odbiornika ODB z wtórnych uzwojeń głównych WG1, WG2, ...., WGN, z pominięciem przekształtnika AC/AC, co znacznie zwiększa niezawodność tego rozwiązania.

Do zacisków U1, U2,..., UN n-fazowego odbiornika ODB przyłączony jest sterownik kondycjonera SK, który na odpowiadających wejściach wyposażony jest w detektory wartości szczytowej napięcia P1, P2,..., PN podające sygnały proporcjonalne do wartości maksymalnych napięć UM1, UM2,..., UMN do węzłów sumacyjnych S1, S2,..., SN, do których podawane jest napięcie referencyjne UR ze źródła napięcia referencyjnego ZNR. Sygnały wyjściowe z węzłów sumacyjnych S1, S2,..., SN podawane są do odpowiadających im regulatorów proporcjonalno-całkujących PI R1, R2,..., RN, a z nich do odpowiadających im modulatorów szerokości impulsu PWM M1, M2,..., MN, z których otrzymywane są pary wzajemnie zanegowanych sygnałów sterujących podawane sterowników łączników SŁ1, SŁ2,..., SŁN a następnie do zacisków sterujących S odpowiadających im dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania ŁZ11, ŁZ12, ŁZ21, ŁZ22 ŁZN1, ŁZN2 oraz w przypadku kompensatora pokazanego na rysunku fig. 2 do łączników rozwierających strony zasilania ŁW11, ŁW21 ,...,ŁWN1, ŁW12, ŁW22,..., ŁWN2 i łączników zwierających ŁO1, ŁO2,..., ŁON.

Każdy dwukierunkowy łącznik energoelektroniczny strony zasilania ŁZ11, ŁZ12, ŁZ21, ŁZ22,..., ŁZN1, ŁZN2 i zbudowany jest z dwóch diod D1 i D2 oraz dwóch tranzystorów T1 i T2 wyposażony jest

PL 231 284 B1 w dwa wyjściowe zaciski O1 i O2 oraz zacisk sterowania S. Pierwsza dioda ma katodę połączoną z kolektorem pierwszego tranzystora T1 i z pierwszym wyjściowym zaciskiem O1. Druga dioda D2 ma katodę połączoną z kolektorem drugiego tranzystora T2 i z drugim wyjściowym zaciskiem O2. Anody diod pierwszej D1 i drugiej D2 połączone są razem z emiterami tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2. Bramki tranzystorów pierwszego T1 i drugiego T2 połączone są z zaciskiem sterującym S, przez który sterownik kondycjonera SK steruje pracą poszczególnego dwukierunkowego łącznika energoelektronicznego strony zasilania ŁZ11, ŁZ12, ŁZ21, ŁZ22,..., ŁZN1, ŁZN2.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego o n fazach zawierający transformator o n uzwojeniach pierwotnych i odpowiadających im n głównych uzwojeniach wtórnych i n pomocniczych uzwojeniach wtórnych, w którym n-fazowe zaciski źródła zasilania przyłączone są do jednych końców odpowiadających im uzwojeń pierwotnych transformatora, którego drugie końce uzwojeń pierwotnych połączone są ze sobą, pierwsze końce głównych uzwojeń wtórnych transformatora połączone są z odpowiadającymi im zaciskami n-fazowego odbiornika i sterownika kondycjonera wyposażonego w detektory wartości szczytowej, źródło napięcia referencyjnego, węzły sumacyjne, regulatory typu PI, modulatory szerokości impulsu PWM, a także układ hybrydowego wielofazowego kondycjonera napięcia przemiennego zawiera dwukierunkowe łączniki energoelektroniczne, kondensatory i elementy indukcyjnościowe, znamienny tym, że każde pomocnicze uzwojenie wtórne transformatora (TR) ma w połowie swojej liczby zwojów wyprowadzony odczep dzielący odpowiadające uzwojenie na dwa symetryczne uzwojenia: pierwsze pomocnicze uzwojenia (WP11, WP21,..., WPN1) i drugie pomocnicze uzwojenia (WP12, WP22,..., WPN2) i połączony z zaciskiem zerowym (0) n-fazowego odbiornika (ODB), pierwsze końce pierwszych pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP11, WP21,..., WPN1) połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania (LZ11, LZ21,..., LZN1), których drugie końce połączone są z pierwszymi zaciskami (O1) odpowiadających dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ11, ŁZ21,..., ŁZN1), drugie zaciski (O2) dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ11, ŁZ21,..., ŁZN1) połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indu kcyjnościowych strony odbiornika (LO11, LO21,..., LON1), których drugie końce połączone są z drugimi końcami odpowiadających głównych uzwojeń wtórnych (WG1, WG2,..., WGN) i z pierwszymi końcami odpowiadających kondensatorów strony odbiornika (CO11, CO21,..., CON1), których drugie końce połączone są z zaciskiem zerowym (0) n-fazowego odbiornika (ODB), drugie końce drugich pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP12, WP22,..., WPN2) połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania (LZ12, LZ22,..., LZN2), których drugie końce połączone są z pierwszymi zaciskami (O1) odpowiadających dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ12, ŁZ22,..., ŁZN2), drugie zaciski (O2) dwukierunkowych łączników energoelektronicznych strony zasilania (ŁZ12, ŁZ22,..., ŁZN2) połączone są z pierwszymi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony odbiornika (LO11, LO21,..., LON1), pomiędzy odczepami dzielącymi odpowiadające pomocnicze uzwojenia wtórne transformatora (TR) na dwa symetryczne uzwojenia a drugimi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania (LZ11, LZ21,..., LZN1) znajdują się odpowiadające kondensatory strony zasilania (CZ11, CZ21,..., CZN1), pomiędzy odczepami dzielącymi odpowiadające pomocnicze uzwojenia wtórne transformatora (TR) na dwa symetryczne uzwojenia a drugimi końcami odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania (LZ12, LZ22,..., LZN2) znajdują się odpowiadające kondensatory strony zasilania (CZ12, CZ22,..., CZN2).
2. 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że pomiędzy pierwsze końce pierwszych pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP11, WP21,..., WPN1) i pierwsze końce odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania (LZ11, LZ12,..., LZN1) włączone są odpowiadające łączniki rozwierające (ŁW11, ŁW21,..., ŁWN1), a pomiędzy drugie końce drugich pomocniczych uzwojeń wtórnych transformatora (WP12, WP22,..., WPN2) i pierwsze końce odpowiadających elementów indukcyjnościowych strony zasilania (LZ12, LZ22,...,

   PL 231 284 Β1

   LZN2) włączone są odpowiadające łączniki rozwierające (ŁW12, ŁW22,...,ŁWN2), natomiast równolegle do kondensatorów odbiornika (CO11, CO21CON1) dołączone są łączniki zwierające (ŁO1, ŁO2,..., ŁON), przy czym wszystkie łączniki rozwierające (ŁW11, ŁW12, ŁW21, ŁW22,...,ŁWN1, ŁWN2) i łączniki zwierające (ŁO1, ŁO2 ŁON) uruchamiane są za sterownika kondycjonera (SK).