PL221590B1 - Filtr zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy filtru zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi oznaczanymi w skrócie AC/DC i stosowanymi w sieciach wielofazowych do przekształcania napięcia przemiennego na napięcie stałe oraz do przekształcania napięcia stałego na napięcie wielofazowe.

W literaturze dotyczącej kompatybilności elektromagnetycznej opisanych jest wiele układów filtrów zaburzeń wspólnych opartych zarówno na elementach aktywnych jak i pasywnych. W rozwiązaniach określonych jako aktywne stosuje się w układach przekształtnikowych dodatkowe elementy aktywne w postaci wtórników zbudowanych na wyłączalnych elementach półprzewodnikowych gen erujących prąd kompensujący o kształcie identycznym z prądem zakłóceń wspólnych odwrócony w fazie. Wadą tych układów jest ograniczony zakres napięcia pracy oraz dodatkowe straty mocy czynnej związanej z pracą łączników energoelektronicznych.

W rozwiązaniach określanych jako pasywne stosuje się filtry nazywane filtrami pasywnymi lub filtrami EMI. W rozwiązaniach takich po stronie sieci zasilającej lub/i po stronie obwodu napięcia stałego przyłącza się szeregowe elementy indukcyjne pomiędzy zaciskami sieci zasilającej i przekształtnikiem oraz równoległe elementy pojemnościowe pomiędzy zaciski fazowe i zacisk uziemiający w różnych konfiguracjach w celu uzyskania tłumienia prądu zakłóceń wspólnych. Wadą tych rozwiązań jest stosunkowo duża liczba elementów pasywnych potrzebna do uzyskania zadawalających efektów filtracji oraz duża zależność ich wartości od konstrukcji obwodów zasilających i odbiorczych.

Znany jest z opisu patentowego US7738268 układ filtru kompatybilności elektromagnetycznej nazywanego filtrem EMC i przeznaczonego do napędów o regulowanej prędkości wirowania, w których silnik zasilany jest za pośrednictwem przekształtników energoelektronicznych sterowanych met odą modulacji szerokości impulsu PWM. W układach tych pomiędzy przekształtnik AC/DC a sieć zasilającą przyłączony jest filtr zaburzeń wspólnych zbudowany z dławika skompensowanego, którego uzwojenia przyłączone są pomiędzy zaciski fazowe sieci zasilającej i z kondensatorów, których jedne końce przyłączone są do zacisków dławika skompensowanego dołączonych do sieci zasilającej, zaś drugie końce połączone są w uziemionym węźle wspólnym. Wadą tego rozwiązania jest połączenie galwaniczne pomiędzy węzłem wspólnym utworzonym przez drugie końce kondensatorów filtru i uziemieniem. Utrudnia to w znacznym stopniu prowadzenie badań odbiorczych i okresowych instalacji, do której przyłączony jest filtr wraz z napędem energoelektronicznym. Filtr ten nie eliminuje także przyczyny powstawania prądu zaburzeń wspólnych, a jedynie zmniejsza jego oddziaływanie na sieć zasilającą.

Znany jest także z polskiego zgłoszenia patentowego nr P.394306 układ kompensacji prądu zaburzeń wspólnych z przyłączonym do fazowych zacisków zmiennonapięciowych dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego filtrem złożonym z dławika skompensowanego oraz kondens atorów fazowych, w którym fazowe węzły utworzone przez jedne końce kondensatorów fazowych i jedne końce fazowych uzwojeń dławika skompensowanego przyłączane są do fazowych zacisków sieci zasilającej i w którym zwarte drugie końce kondensatorów fazowych tworzą wraz z jednymi końcami kondensatorów strony stałonapięciowej węzeł wspólny. Drugie końce kondensatorów strony stałonapięciowej przyłączone są do odpowiadających im zacisków stałonapięciowych dodatniego i ujemnego. Filtr taki choć spełnia swoją funkcję, to wymaga wykonania dławika skompensowanego z wszystkimi uzwojeniami fazowymi identycznymi, co utrudnia wykonanie praktyczne takiego elementu.

Z publikacji Marcelo Lobo Heldweina i Johanna W. Kolara: „Impact of EMC Filters on the Power Density of Modern Three-Phase PWM Converters”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 6, JUNE 2009 znany jest układ kompensacji prądu zaburzeń wspólnych z wykorzystaniem filtrów biernych zbudowanych z szeregowego dławika skompensowanego przyłączonego pomiędzy zaciskami sieci zasilającej a odpowiadającymi im zaciskami fazowymi przekształtnika energoelektronicznego oraz z kondensatorów równoległych przyłączonych pomiędzy odpowiednie wyprowadzenia dławika skompensowanego i uziemienie. Zadaniem zastosowanego filtru jest bocznikowanie pojemności pasożytniczych powstających pomiędzy zaciskami stałonapięciowymi przekształtnika a uziemionymi przewodzącymi elementami metalowymi przekształtnika, w taki sposób aby spadek napięcia wywołany przez prąd zaburzeń wspólnych powodował powstawanie spadku napięcia na uzwojeniu dławika skompensowanego wielokrotnie większego od spadku napięcia na wspomnianych pojemnościach pasożytniczych. W opisanym układzie kompensacyjnym tłumienie prądu zaburzeń

PL 221 590 B1 wspólnych realizowane jest w układzie wielostopniowym, co wymaga odpowiedniej ilości elementów układu filtrującego i powoduje wzrost kosztów i gabarytów całego układu.

Wolnym od przedstawionych niedogodności jest filtr zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi zawierający dławik skompensowany, kondensatory fazowe, których jedne końce przyłączone są do węzłów fazowych połączonych z zaciskami fazowymi sieci napięcia przemiennego i z zaciskami zmiennonapięciowymi dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego a drugie końce są połączone razem tworząc wspólny węzeł, do którego jednymi końcami przyłączone są kondensatory strony stałonapięciowej. Według wynalazku jedne końce uzwojeń dławika skompensowanego dołączone są do odpowiadających zacisków stałonapięciowych: dodatniego i ujemnego dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego. Drugie końce uzwojeń dławika skompensowanego oraz drugie końce kondensatorów strony stałonapięciowej dołączone są do odpowiadających zacisków sieci napięcia stałego: dodatniego i ujemnego.

Zaletą filtru według wynalazku jest mała liczba elementów w stosunku do znanych wcześniej rozwiązań oraz brak konieczności przyłączania elementów pojemnościowych do przewodu uziemiającego instalacji zasilającej. Elementy takie powodowały dodatkowe trudności w przeprowadzaniu badań odbiorczych i okresowych tych instalacji. Dodatkową zaletą filtru jest brak zależności wartości elementów od sposobu wykonania instalacji przyłączeniowej przekształtnika, gdyż układ filtru będący integralną częścią konstrukcji znacznie tłumi zaburzenia generowane przez przekształtnik w jego najbliższym otoczeniu. Dodatkową zaletą rozwiązania według wynalazku, w którym dławik skompensowany przyłączony jest do zacisków stałonapięciowych dwukierunkowego przekształtnika energoelektrycznego jest uzyskanie tych samych efektów kompensacji prądów zaburzeń wspólnych przy wykorzystaniu elementów indukcyjnych i pojemnościowych o znacznie mniejszych wartościach niż w znanych układach filtrów.

Filtr zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku.

Do fazowych zacisków L₁, L₂, L₃, ..., L_n sieci zasilającej przyłączone są jednymi końcami kondensatory fazowe C_AC1, C_AC2, C_AC3, ..., C_ACn oraz zaciski zmiennonapięciowe F_L1, F_L2, F_L3, ..., F_Ln przekształtnika dwukierunkowego F tworząc fazowe węzły W₁, W₂, W₃, ..., W_n. Drugie końce identycznych kondensatorów fazowych C_AC1, C_AC2, C_AC3,..., C_ACn są zwarte i tworzą węzeł wspólny W_f, do którego przyłączone są jednymi końcami jednakowe kondensatory strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN. Drugie końce kondensatorów strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN są dołączone do odpowiadających im zacisków sieci napięcia stałego: dodatniego DC_P i ujemnego DC_N i jednych końców uzwojeń L_DC1, L_DC2 dławika skompensowanego DS. Drugie końce uzwojeń L_DC1, L_DC2 dławika skompensowanego DS przyłączone są do odpowiadających im zacisków stałonapięciowych: dodatniego F_DCP i ujemnego F_DCN dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego F. Do zacisków stałonapięciowych: dodatniego F_dcp i ujemnego F_DCN dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego F przyłączony jest także kondensator C_DC ograniczający współczynnik tętnień napięcia stałego pomiędzy zaciskami stałonapięciowymi F_DCP i F_DCN tego przekształtnika F.

Dławik skompensowany DS wraz z kondensatorami fazowymi C_AC1, C_AC2, C_AC3, ..., C_ACn oraz kondensatorami strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN tworzą układ filtru górnoprzepustowego. Indukcyjność dławika skompensowanego DS dobiera się tak, aby wywołany przez prąd zaburzeń wspólnych spadek napięcia na uzwojeniach L_DC1, L_DC2 tego dławika DS był wielokrotnie większy od spadku napięcia na kondensatorach fazowych C_AC1, C_AC2, C_AC3,..., C_ACn i kondensatorach strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN. Pojemność kondensatorów fazowych C_AC1, C_AC2, C_AC3,..., C_ACn i kondensatorów strony stałonapięciowej C_DCP, C_DCN dobiera się tak, aby była kilkakrotnie większa od pojemności pasożytniczych występujących pomiędzy zaciskami obwodu stałoprądowego przekształtnika a uziemieniem sieci napięcia przemiennego.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Filtr zaburzeń wspólnych generowanych w układach z dwukierunkowymi przekształtnikami energoelektronicznymi zawierający dławik skompensowany, kondensatory fazowe, których jedne końce przyłączone są do węzłów fazowych połączonych z zaciskami fazowymi sieci napięcia przemiennego i z zaciskami zmiennonapięciowymi dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego

   PL 221 590 B1 a drugie końce są połączone razem tworząc wspólny węzeł, do którego jednymi końcami przyłączone są kondensatory strony stałonapięciowej, znamienny tym, że jedne końce uzwojeń (L_Dc1, L_Dc2) dławika skompensowanego (DS) dołączone są do odpowiadających zacisków stałonapięciowych: dodatniego (F_Dcp) i ujemnego (F_Dcn) dwukierunkowego przekształtnika energoelektronicznego (F) a drugie końce uzwojeń (L_Dc1, L_DC2) dławika skompensowanego (DS) oraz drugie końce kondensatorów strony stałonapięciowej (C_Dcp, C_Dcn) dołączone są do odpowiadających zacisków sieci napięcia stałego: dodatniego (DC_p) i ujemnego (DC_n).