ITRM20070494A1 - EQUIPMENT FOR THE SIMULATION OF A NON-LINEAR LOAD TO BE CONNECTED TO AN ELECTRIC DISTRIBUTION NETWORK. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
"Apparato per la simulazione di un carico non lineare da collegare ad una rete di distribuzione elettrica". "Apparatus for simulating a non-linear load to be connected to an electrical distribution network".
La presente invenzione riguarda un apparato per la simulazione di un carico non lineare da collegare ad una rete di distribuzione elettrica. The present invention relates to an apparatus for simulating a non-linear load to be connected to an electrical distribution network.
Più dettagliatamente, l'invenzione concerne un apparato in grado di simulare un carico elettrico regolando l'assorbimento o la generazione di corrente secondo una curva predefinibile, simulando gli effetti del collegamento di detto carico elettrico ad una rete complessa data di una rete di distribuzione dell'energia incognita, così da consentire eventualmente la progettazione di una rete elettrica di adattamento opportuna per ottenere un efficiente trasferimento energetico. More specifically, the invention relates to an apparatus capable of simulating an electrical load by adjusting the absorption or generation of current according to a predefined curve, simulating the effects of connecting said electrical load to a given complex network of a power distribution network. unknown energy, so as to possibly allow the design of an appropriate adaptation electrical network to obtain an efficient energy transfer.
Come è ben noto, negli ultimi anni nel settore della progettazione delle reti elettriche di potenza, le problematiche dei disturbi di "Power Quality", anche causa della crescente diffusione dei componenti elettronici, sono diventate sempre più critiche, specialmente in ambito industriale. As is well known, in the last few years in the field of electrical power grid design, the problems of "Power Quality" disturbances, also due to the growing diffusion of electronic components, have become increasingly critical, especially in the industrial field.
Generalmente, i tipici problemi presentati nell'erogazione dell'energia elettrica sono, a titolo esemplificativo: fluttuazioni di tensione; microinterruzioni; armoniche di corrente e tensione; elevati fattori di cresta (tipicamente intorno a 2,5-3); bassi fattori di potenza (tipicamente intorno a 0,7); alte correnti nei conduttori di neutro dovuti allo sbilanciamento ed alla composizione delle armoniche del terzo ordine, rumore irradiato elettromagnetico; distorsione alla tensione di alimentazione; basso MTBF ( Mean Time Between Failure - tempo medio fra i guasti); bassa efficienza e necessità di sovradimensionamento del macchinario elettrico; sovradimensionamento dei dispositivi di commutazione di potenza; sovradimensionamento dei cavi di potenza; necessità della protezione di sovracorrente per il conduttore del neutro; necessità di schemi speciali e filtri per la rete di potenza e di segnale; malfunzionamento degli interruttori di corrente. Generally, the typical problems presented in the supply of electricity are, by way of example: voltage fluctuations; micro interruptions; harmonics of current and voltage; high crest factors (typically around 2.5-3); low power factors (typically around 0.7); high currents in the neutral conductors due to unbalance and to the composition of third order harmonics, electromagnetic radiated noise; distortion to the supply voltage; low MTBF (Mean Time Between Failure - mean time between failures); low efficiency and need for oversizing of the electrical machinery; oversizing of power switching devices; oversizing of power cables; need for overcurrent protection for the neutral conductor; need for special schemes and filters for the power and signal networks; malfunction of power switches.
I fenomeni sopra elencati, possono condizionare anche significativamente il corretto funzionamento dei componenti d'impianto fino a compromettere il normale iter del processo produttivo con rilevanti conseguenze economiche nei casi peggiori. The phenomena listed above can also significantly affect the correct functioning of the plant components to the point of compromising the normal iter of the production process with significant economic consequences in the worst cases.
Ciò accade frequentemente, ad esempio, nel collegamento anche di dispositivi elettrici di potenza a reti industriali trifase. È ben noto, infatti, che la rete di alimentazione alternata a 50/60 Hz non presenta una forma d'onda di tensione perfettamente sinusoidale, cioè uno spettro di potenza con una sola armonica sui 50/60 Hz. A seguito della suddetta complessità delle reti elettriche, la forma d'onda di alimentazione delle reti elettriche presenta uno spettro di corrente con una pluralità di armoniche spurie di ampiezza spesso non trascurabile. Pertanto, a causa della suddetta complessità delle reti di utenza, gli effetti a seguito della modifica delle stesse con il collegamento di un carico non lineare, spesso non sono prevedibili e, come detto, con conseguenze talvolta molto gravi sugli impianti o sul carico collegato. This frequently happens, for example, in the connection of electrical power devices to three-phase industrial networks. It is well known, in fact, that the 50/60 Hz alternating power supply network does not have a perfectly sinusoidal voltage waveform, that is a power spectrum with a single harmonic on 50/60 Hz. Following the aforementioned complexity of the electrical networks, the power wave form of electrical networks has a current spectrum with a plurality of spurious harmonics of often not negligible amplitude. Therefore, due to the aforementioned complexity of the user networks, the effects following the modification of the same with the connection of a non-linear load, are often not foreseeable and, as mentioned, with sometimes very serious consequences on the plants or on the connected load.
Appare evidente come questa procedura sia onerosa in termini economici e di sicurezza. It is evident that this procedure is costly in economic and safety terms.
Attualmente, i progettisti tendono ad affrontare le problematiche sopra evidenziate con vari metodi, come l'uso di filtri LC passivi tradizionali, trasformatori speciali o tecniche attive. I filtri LC possono essere adattati ad un dispositivo di bassa potenza ma sono, come noto, sensibili alle variazioni di carico e alle distorsioni di tensione. Il medesimo problema si presenta con i trasformatori speciali. Currently, designers tend to address the issues highlighted above with various methods, such as the use of traditional passive LC filters, special transformers or active techniques. LC filters can be adapted to a low power device but are, as known, sensitive to load variations and voltage distortions. The same problem occurs with special transformers.
La domanda di brevetto T02004A000020 affronta i problemi tecnici sopra elencati. Detta domanda di brevetto, concerne un apparecchio simulatore di carichi elettrici complessi, che permette di assorbire da una rete di alimentazione elettrica una corrente secondo una curva desiderata mediante mezzi di controllo di un carico resistivo e di un filtro attivo regolabile. Patent application T02004A000020 addresses the technical problems listed above. Said patent application relates to a simulator apparatus for complex electrical loads, which allows a current according to a desired curve to be absorbed from an electrical supply network by means of controlling a resistive load and an adjustable active filter.
Tuttavia, si è constatato che l'apparecchio descritto, presenta dei limiti tecnici e di precisione nella simulazione nelle diverse possibili forme d'onda assorbibili (o generabili) dalla rete di alimentazione (e quindi nella realizzazione degli spettri di assorbimento delle stesse). However, it has been found that the described apparatus has technical and precision limits in the simulation of the various possible wave forms that can be absorbed (or generated) by the power supply network (and therefore in the realization of the absorption spectra of the same).
Alla luce di quanto sopra, è scopo della presente invenzione quello di proporre un apparato per il test di collegamento di un carico elettrico non lineare, ad una rete di alimentazione, in grado di testare preliminarmente le proprietà di detta rete di distribuzione elettrica e dei suoi componenti, in modo da rilevarne le prestazioni in condizioni sia ordinarie sia di anomalia, e consentire la progettazione di eventuali modifiche ed integrazioni necessarie per interfacciare detta rete elettrica di alimentazione a detto carico di assorbimento o generazione dato. In the light of the above, the purpose of the present invention is to propose an apparatus for testing the connection of a non-linear electrical load to a power supply network, capable of preliminarily testing the properties of said electrical distribution network and its components, so as to detect their performance in both ordinary and anomalous conditions, and allow the design of any modifications and additions necessary to interface said power supply network to said absorption or generation load given.
Un altro scopo dell'invenzione è quello di consentire il collaudo dei componenti di impianto e carico, sia a scopo di progetto sia di verifica di conformità a quest'ultimo. Another object of the invention is to allow the testing of the plant and load components, both for design purposes and for verifying compliance with the latter.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di permettere un'elevata precisione nella simulazione dell'assorbimento o della generazione di corrente secondo uno spettro in frequenza ed un andamento nel tempo preimpostabile relativo al reale carico di assorbimento o generazione da collegare. A further object of the present invention is to allow a high precision in the simulation of the current absorption or generation according to a frequency spectrum and a predeterminable trend over time relative to the real absorption or generation load to be connected.
Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione un apparato per la simulazione di un carico non lineare da collegare ad una rete di distribuzione elettrica, detto apparato essendo provvisto di un terminale neutro ed uno o più terminali di collegamento a detta rete di distribuzione elettrica, ciascuno corrispondente ad una fase della stessa, e comprendendo una unità logica di controllo collegata a mezzi di rilevazione di uno o più parametri di funzionamento di detto apparato, caratterizzato dal fat to di comprendere ulteriormente una unità induttiva di ingresso collegata a detti uno o più terminali; uno o più blocchi invertitori di numero corrispondente alle fasi di detta rete di distribuzione elettrica, collegati a detta unità induttiva di ingresso, ciascun blocco invertitore comprendendo primi mezzi interruttori il cui terminale di controllo è collegato a detta unità logica di controllo, ed aventi collegati in parallelo un diodo; mezzi capacitivi, collegati in parallelo a detti uno o più blocchi invertitori, detti blocchi invertitori, in cooperazione con detta unità induttiva di ingresso, essendo atti a regolare l'assorbimento della potenza reattiva e la potenza distorcente di detto apparato mediante la variazione del potenziale ai capi di detti mezzi capacitivi; e uno o più circuiti di taglio o chopper, comprendente mezzi di dissipazione e secondi mezzi interruttori, il cui terminale di controllo è collegato a detta unità logica di controllo, atti a regolare l'intensità di corrente che scorre attraverso detti mezzi di dissipazione, detto almeno un circuito chopper essendo collegato in parallelo a detti uno o più blocchi invertitori ed atto a regolare la dissipazione di potenza attiva di detto apparato; così che detta unità logica di controllo piloti detti primi e detti secondi mezzi interruttori assorbendo, o generando, la corrente da detta rete di distribuzione elettrica secondo una predefinito spettro di assorbimento in frequenza preimpostabile. Therefore, the specific object of the present invention is an apparatus for simulating a non-linear load to be connected to an electrical distribution network, said apparatus being provided with a neutral terminal and one or more terminals for connection to said electrical distribution network, each corresponding to a phase thereof, and comprising a logic control unit connected to means for detecting one or more operating parameters of said apparatus, characterized in that it further comprises an inductive input unit connected to said one or more terminals; one or more inverter blocks of a number corresponding to the phases of said electrical distribution network, connected to said inductive input unit, each inverter block comprising first switch means whose control terminal is connected to said control logic unit, and having connected in parallel a diode; capacitive means, connected in parallel to said one or more inverter blocks, said inverter blocks, in cooperation with said inductive input unit, being adapted to regulate the absorption of the reactive power and the distorting power of said apparatus by means of the variation of the potential at heads of said capacitive means; and one or more cutting or chopper circuits, comprising dissipation means and second switching means, the control terminal of which is connected to said control logic unit, adapted to regulate the intensity of current flowing through said dissipation means, said at least one chopper circuit being connected in parallel to said one or more inverter blocks and adapted to regulate the dissipation of active power of said apparatus; so that said logic control unit drives said first and said second switch means absorbing, or generating, the current from said electrical distribution network according to a predefined absorption spectrum in presettable frequency.
Sempre secondo l'invenzione, detta unità induttiva di ingresso può comprendere per ciascuna fase di detta rete di distribuzione elettrica, una induttanza collegata a ciascun terminale, atta a consentire, mediante la variazione della carica, e quindi della tensione ai capi di detti mezzi capacitivi, di regolare la corrente assorbita, o generata da ciascuna fase di detta rete di distribuzione elettrica. Always according to the invention, said inductive input unit can comprise for each phase of said electrical distribution network, an inductance connected to each terminal, capable of allowing, by means of the variation of the charge, and therefore of the voltage at the ends of said capacitive means , to regulate the current absorbed or generated by each phase of said electrical distribution network.
Ancora secondo l'invenzione, detta unità induttiva di ingresso può essere atta a filtrare il rumore in alta frequenza generato da detto apparato e a realizzare per ciascuna fase, mediante detti uno o più blocchi invertitori e detto uno o più circuiti chopper un filtraggio in frequenza di tipo passabasso. Still according to the invention, said inductive input unit can be adapted to filter the high frequency noise generated by said apparatus and to realize for each phase, by means of said one or more inverter blocks and said one or more chopper circuits, a frequency filtering of low pass type.
Ulteriormente secondo l'invenzione, detto filtraggio in frequenza di tipo passa-basso può presentare una frequenza di taglio tale da consentire il passaggio di armoniche fino alla quarantesima della frequenza nominale fondamentale di detta rete di distribuzione elettrica. Furthermore, according to the invention, said low-pass frequency filtering can have a cut-off frequency such as to allow the passage of harmonics up to the fortieth of the fundamental nominal frequency of said electrical distribution network.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detta frequenza di taglio può essere pari a 2 KHz. Preferably according to the invention, said cut-off frequency can be equal to 2 KHz.
Vantaggiosamente secondo l'invenzione, detti mezzi di rilevazione possono comprendere mezzi di misura della corrente collegati a detti uno o più terminali, atti a rilevare la corrente in ingresso da detta rete di distribuzione elettrica, mezzi di misura della tensione di detti uno o più terminali rispetto ad un potenziale di riferimento e mezzi di misura della tensione ai capi di detti mezzi capacitivi. Advantageously according to the invention, said detection means can comprise means for measuring the current connected to said one or more terminals, suitable for detecting the current input from said electrical distribution network, means for measuring the voltage of said one or more terminals with respect to a reference potential and means for measuring the voltage across said capacitive means.
Sempre secondo l'invenzione, detti secondi mezzi interruttori possono essere collegati in serie a detti mezzi di dissipazione. Always according to the invention, said second switch means can be connected in series to said dissipation means.
Ancora secondo l'invenzione, detti secondi mezzi interruttori possono essere collegati in parallelo a detti mezzi di dissipazione. Still according to the invention, said second switch means can be connected in parallel to said dissipation means.
Ulteriormente secondo l'invenzione, detti primi e detti secondi mezzi interruttori possono essere pilotati mediante modulazione PWM ( Pulse-Width Modulation - Modulazione a larghezza d'impulso). Furthermore, according to the invention, said first and said second switch means can be driven by PWM modulation (Pulse-Width Modulation).
Preferibilmente secondo l'invenzione, detti primi e detti secondi mezzi interruttori possono essere a stato solido, ed in particolare IGBT ( Insula -ted Gate Bipolar Transistor - IGBT) . Preferably according to the invention, said first and said second switching means can be solid state, and in particular IGBT (Insula -ted Gate Bipolar Transistor - IGBT).
Sempre secondo l'invenzione, detti primi mezzi interruttori e detti diodi di ciascun blocco invertitore possono essere connessi in modalità NPC ( Neutral Point Clamp) . Always according to the invention, said first switching means and said diodes of each inverter block can be connected in NPC (Neutral Point Clamp) mode.
Ancora secondo l'invenzione, detto apparato può comprendere una unità di interfaccia collegata a detta unità logica di controllo, atta a consentire l'impostazione della corrente da assorbire o da generare a detta rete di distribuzione elettrica e permettere la visualizzazione dell'andamento della corrente e della tensione di ingresso all'apparato in tempo reale. Still according to the invention, said apparatus can comprise an interface unit connected to said logic control unit, suitable to allow the setting of the current to be absorbed or to be generated in said electrical distribution network and to allow the display of the current trend. and of the input voltage to the device in real time.
Preferibilmente secondo l'invenzione, detto apparato può comprendere un alimentatore ausiliario dell'apparato stesso. Preferably according to the invention, said apparatus can comprise an auxiliary power supply of the apparatus itself.
Ulteriormente secondo l'invenzione, detta unità logica di controllo può comprendere un processore digitale del segnale ( Digital Sìgnal Processor - DSP). Further according to the invention, said logic control unit can comprise a digital signal processor (Digital Yesgnal Processor - DSP).
La presente invenzione verrà ora descritta a titolo illustrativo ma non limitativo, secondo le sue preferite forme di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui: le figure 1a e 1b mostrano degli schemi elettrici del principio di funzionamento di un apparato di simulazione di un carico non lineare da collegare ad una rete di distribuzione elettrica, secondo la presente invenzione; The present invention will now be described for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, with particular reference to the figures of the attached drawings, in which: Figures 1a and 1b show electrical diagrams of the operating principle of a control apparatus simulation of a non-linear load to be connected to an electrical distribution network, according to the present invention;
la figura 2 mostra uno schema a blocchi dell'apparato di simulazione di un carico non lineare da collegare ad una rete di distribuzione elettrica, secondo la presente invenzione; Figure 2 shows a block diagram of the apparatus for simulating a non-linear load to be connected to an electrical distribution network, according to the present invention;
la figura 3 mostra una prima forma di realizzazione dell'apparato secondo la presente invenzione; la figura 4 mostra una seconda forma di realizzazione dell'apparato secondo la presente invenzione; figure 3 shows a first embodiment of the apparatus according to the present invention; figure 4 shows a second embodiment of the apparatus according to the present invention;
la figura 5 mostra una terza forma di realizzazione dell'apparato secondo la presente invenzione; la figura 6 mostra una quarta forma di realizzazione dell'apparato secondo la presente invenzione; figure 5 shows a third embodiment of the apparatus according to the present invention; figure 6 shows a fourth embodiment of the apparatus according to the present invention;
la figura 7 mostra una quinta forma di realizzazione dell'apparato secondo la presente invenzione; e figure 7 shows a fifth embodiment of the apparatus according to the present invention; And
la figura 8 mostra una sesta forma di realizzazione dell'apparato secondo la presente invenzione. figure 8 shows a sixth embodiment of the apparatus according to the present invention.
L'idea di fondo su cui si basa l'apparato per la simulazione di un carico non lineare secondo la presente invenzione, è quella di creare un carico stabile in grado di assorbire: The basic idea on which the apparatus for simulating a non-linear load according to the present invention is based is to create a stable load capable of absorbing:
• una corrente assegnata; • an assigned current;
una potenza attiva; an active power;
una potenza reattiva; e a reactive power; And
• una potenza distorcente. • a distorting power.
A tale scopo, il sistema che meglio può caratterizzare un carico come sopra definito è un generatore ideale di corrente. Partendo dall'equivalenza circuitale mostrata nella figura la, per cui un generatore di corrente i(t) avente collegata in parallelo una capacità C, è equivalente, opportunamente dimensionato, ad un generatore di tensione v(t) cui è collegata in serie un'induttanza L, è possibile ottenere un carico stabile come definito sopra, facendo riferimento allo schema di principio mostrato nella figura lb, in cui Vgen(t) è la tensione fornita dalla rete di alimentazione del carico, e VBus(t) è la tensione ai capi del condensatore C precaricato, qui rappresentato con un generatore di tensione ideale. La grandezza i* (t), con il segno opportuno, è la corrente che voglio generare o assorbire, così da simulare il comportamento del carico. For this purpose, the system that can best characterize a load as defined above is an ideal current generator. Starting from the circuit equivalence shown in figure la, for which a current generator i (t) having connected in parallel a capacitance C, is equivalent, suitably sized, to a voltage generator v (t) to which a 'is connected in series inductance L, it is possible to obtain a stable load as defined above, referring to the principle diagram shown in figure lb, where Vgen (t) is the voltage supplied by the power supply network of the load, and VBus (t) is the voltage at heads of the preloaded capacitor C, shown here with an ideal voltage generator. The quantity i * (t), with the appropriate sign, is the current that I want to generate or absorb, so as to simulate the behavior of the load.
Le relazioni del circuito lb sono: The relations of circuit lb are:
da cui deriva immediatamente che controllando VBUS(t) cioè la carica del condensatore C, è possibile ottenere la corrente i* (t) voluta e simulare l'assorbimento o la generazione del carico voluto. from which it immediately follows that by controlling VBUS (t) that is the charge of the capacitor C, it is possible to obtain the desired current i * (t) and simulate the absorption or generation of the desired load.
In altre parole, si controlla vbus(t) in modo da controllare la variazione della tensione vgen(t)-VBUS(t) e, quindi, il suo integrale che è pari alla corrente i*(t). L'induttanza L consente, pertanto, di trasformare un generatore di tensione in un generatore di corrente. In other words, vbus (t) is controlled in order to control the variation of the voltage vgen (t) -VBUS (t) and, therefore, its integral which is equal to the current i * (t). The inductance L allows, therefore, to transform a voltage generator into a current generator.
Per l'assorbimento della potenza attiva, è sufficiente collegare in parallelo al condensatore C un carico resistivo ed un circuito chopper che controlli la scarica dell'energia immagazzinata nel condensatore C sullo stesso, tenendo conto delle costanti di tempo generate. For the absorption of the active power, it is sufficient to connect in parallel to the capacitor C a resistive load and a chopper circuit that controls the discharge of the energy stored in the capacitor C on it, taking into account the time constants generated.
La struttura circuitale preferita a realizzare la struttura circuitale di principio suddetta, è basata su un ponte di interruttori attivi (preferibilmente IGBT - Insulated Gate Bìpolar Transistor o transistor bipolari a gate isolato) controllato, ad esempio, mediante modulazione PWM ( Pulse-Width Modulation - Modulazione a larghezza d'impulso) controllato in corrente, chiuso su un condensatore ed una resistenza. Quest'ultima è atta ad assorbire la com ponente di prima armonica in fase con la tensione di alimentazione. The circuit structure preferred to realize the aforementioned basic circuit structure is based on a bridge of active switches (preferably IGBT - Insulated Gate Bìpolar Transistor or bipolar transistor with insulated gate) controlled, for example, by PWM modulation (Pulse-Width Modulation - Pulse width modulation) controlled in current, closed on a capacitor and a resistor. The latter is able to absorb the first harmonic component in phase with the supply voltage.
Sulla base di quanto esposto, facendo riferimento alla figura 2 è possibile osservare uno schema a blocchi dell'apparato 1 di simulazione di un carico non lineare da collegare ad una rete di distribuzione elettrica 2, che implementa gli schemi di principio sopra descritti. On the basis of the foregoing, with reference to Figure 2 it is possible to observe a block diagram of the apparatus 1 for simulating a non-linear load to be connected to an electrical distribution network 2, which implements the principle diagrams described above.
Detto apparato 1 comprende principalmente una unità induttiva d'ingresso 5, collegata a mezzi di inversione o inverter e un circuito chopper 11. Said apparatus 1 mainly comprises an inductive input unit 5, connected to inversion means or inverters and a chopper circuit 11.
Come si osserva, detta unità induttiva di ingresso 5 è collegata ad una rete 2 di distribuzione elettrica trifase mediante un terminale neutro 3 e tre terminali 4', 4'' e 4'''. As can be seen, said inductive input unit 5 is connected to a three-phase electrical distribution network 2 by means of a neutral terminal 3 and three terminals 4 ', 4' 'and 4' ''.
L'unità induttiva di ingresso 5 è costituita da induttanze 6, ciascuna collegata su ciascun terminale 4', 4'' e 4''' di ciascuna fase e sul terminale del neutro 3. Dette induttanze 6 svolgono la funzione dell'induttanza L descritta nella figura lb. The inductive input unit 5 consists of inductances 6, each connected to each terminal 4 ', 4' 'and 4' '' of each phase and to the neutral terminal 3. Said inductances 6 perform the function of the inductance L described in figure lb.
Detta unità induttiva di ingresso 5 ha anche la funzione di filtrare il rumore generato dallo stadio di potenza dell'apparato 1 stesso. Infatti, detta unità induttiva di ingresso 5 consente di realizzare un filtraggio in frequenza di tipo passa-basso ad una frequenza di taglio tale da consentire il passaggio di armoniche fino alla quarantesima della fondamentale. Said inductive input unit 5 also has the function of filtering the noise generated by the power stage of the apparatus 1 itself. In fact, said inductive input unit 5 allows to realize a low-pass frequency filtering at a cut-off frequency such as to allow the passage of harmonics up to the fortieth of the fundamental.
Nel caso delle comuni reti di alimentazione mono-trifase, la frequenza di base è pari a 50/60Hz. Ciò implica che detta unità induttiva di ingresso 5 coopererà a realizzare una frequenza di taglio superiore ai 2 KHz. In the case of common single-three-phase power supply networks, the base frequency is 50 / 60Hz. This implies that said inductive input unit 5 will cooperate to achieve a cut-off frequency higher than 2 KHz.
In cascata all'unità induttiva di ingresso 5 sono collegati uno o più blocchi invertitori 7, o ponti inverter, di ciascuna fase di detta rete di distribuzione elettrica. Ciascuno di detti blocchi invertitori 7, è costituito da primi interruttori attivi 8 e diodi 9, connessi a detti interruttori attivi 8 in modalità NPC ( Neutral Point Clamp) . Questa configurazione, rispetto a quella classica a mezzo ponte, è stata dettata dalla ricerca di un rendimento maggiore. Infatti, la configurazione NPC, permette di raggiungere potenze e frequenze di lavoro maggiori rispetto alla configurazione a mezzo ponte, in quanto gli interruttori attivi 8 sono sottoposti ad uno stress minore nelle commutazioni. Tuttavia, la presente configurazione rispetto a quella classica necessita di un numero maggiore di interruttori attivi 8. One or more inverter blocks 7, or inverter bridges, of each phase of said electrical distribution network are connected in cascade to the inductive input unit 5. Each of said inverter blocks 7 consists of first active switches 8 and diodes 9, connected to said active switches 8 in NPC (Neutral Point Clamp) mode. This configuration, compared to the classic half-bridge one, was dictated by the search for a higher performance. In fact, the NPC configuration allows to reach higher powers and working frequencies with respect to the half-bridge configuration, since the active switches 8 are subjected to less stress in the switching. However, the present configuration, compared to the classic one, requires a greater number of active switches 8.
In parallelo a detti blocchi invertitori 7, sono presenti delle capacità 10 e un circuito di taglio o chopper il, comprendente delle resistenze di dissipazione 12 e secondi interruttori attivi 13. In parallel to said inverter blocks 7, capacitances 10 and a chopper circuit 11 are present, comprising dissipation resistors 12 and second active switches 13.
L'apparato 1 può essere alimentato indifferentemente in due modi alternativi: mediante un alimentatore ausiliario 14, che ha la funzione di far fronte alle dissipazioni di autoconsumo dell'apparato 1, in modo che esse non influiscano nella riproduzione o simulazione dell'assorbimento o generazione da parte dell'apparato 1 permettendo, pertanto, la riproduzione di una corrente puramente reattiva; oppure, mediante una delle fasi della rete di distribuzione elettrica 2, cui detto apparato 1 è collegato. La scelta della modalità preferita di alimentazione, avviene mediante un interruttore 15. The apparatus 1 can be powered indifferently in two alternative ways: by means of an auxiliary power supply 14, which has the function of coping with the self-consumption dissipations of the apparatus 1, so that they do not affect the reproduction or simulation of the absorption or generation by the apparatus 1 thus allowing the reproduction of a purely reactive current; or, by means of one of the phases of the electrical distribution network 2, to which said apparatus 1 is connected. The choice of the preferred power supply mode is made by means of a switch 15.
L'apparato 1, secondo la presente invenzione, comprende anche un'unità logica di controllo 16 che è collegata: The apparatus 1, according to the present invention, also comprises a logic control unit 16 which is connected:
• ai terminali 3, 4', 4'' e 4''', mediante opportuni primi mezzi di rilevazione (non mostrati in figura 2) per rilevare il potenziale tra e la corrente attraverso gli stessi; • at terminals 3, 4 ', 4' 'and 4' '', by means of suitable first detection means (not shown in figure 2) to detect the potential between and the current through them;
ai capi delle capacità 10 e delle resistenze di dissipazione 12, per rilevarne le differenze di potenziale; across capacities 10 and dissipation resistors 12, to detect potential differences;
• ai terminali di controllo degli interruttori attivi 8 e 13, per controllarne l'attivazione, preferibilmente mediante segnali PWM. • to the control terminals of the active switches 8 and 13, to control their activation, preferably by means of PWM signals.
Detta unità logica di controllo 16 è dotata di un microprocessore digitale di segnale ( Digita Signal Processor (DSP)) cui convergono le misure effettuate sulle grandezze di ingresso, la potenza gestita dai blocchi invertitori 7, le condizioni ambientali di funzionamento del carico programmabile e le eventuali ulteriori informazioni che possono essere immesse dall'utilizzatore. Il microprocessore elabora i dati forniti e genera i segnali di controllo per gli interruttori attivi 8 e 13, ed eventualmente interrompe il funzionamento dell'apparato 1 nel caso di anomalie. Said logic control unit 16 is equipped with a digital signal microprocessor (Digita Signal Processor (DSP)) to which the measurements carried out on the input quantities, the power managed by the inverter blocks 7, the environmental operating conditions of the programmable load and the any additional information that can be entered by the user. The microprocessor processes the data supplied and generates the control signals for the active switches 8 and 13, and eventually interrupts the operation of the apparatus 1 in the event of anomalies.
L'apparato 1 comprende ulteriormente un'unità di interfaccia 17 collegata a e controllata da detta unità logica di controllo 16. The apparatus 1 further comprises an interface unit 17 connected to and controlled by said logic control unit 16.
L'interfaccia utente 17 dell'unità logica di controllo 16, nella presente forma di realizzazione, è un elaboratore preferibilmente con interfaccia fisica touch screen in grado di visualizzare su uno schermo (non mostrato nella figura 2) l'andamento delle forme d'onda di corrente e tensione in ingresso all'apparato 1 mentre funziona come carico programmabile, rilevate dall'unità logica di controllo 16. The user interface 17 of the control logic unit 16, in the present embodiment, is a computer preferably with a physical touch screen interface capable of displaying on a screen (not shown in Figure 2) the trend of the waveforms current and voltage input to the apparatus 1 while operating as a programmable load, detected by the control logic unit 16.
Detta unità di interfaccia 17 permette ad un utilizzatore di impostare la corrente da assorbire o generare dalla rete di distribuzione elettrica 2 sotto test. Inoltre, permette anche la visualizzazione dell'andamento della corrente e della tensione di ingresso all'apparato 1 in tempo reale. Said interface unit 17 allows a user to set the current to be absorbed or generated by the electrical distribution network 2 under test. Furthermore, it also allows the display of the trend of the current and of the input voltage to the apparatus 1 in real time.
Il funzionamento dell'apparato 1, secondo l'invenzione, avviene come segue. L'apparato 1, assorbe(o genera), come detto, dalla rete di distribuzione elettrica 2 trifase una corrente con una frequenza fondamentale a 50/60Hz e armoniche fino alla 40-sima. Le caratteristiche della corrente assorbita (o generata), sono impostabili dall'utilizzatore nella fase preliminare del test di collegamento mediante l'unità di interfaccia 17. In altre parole, si programma l'unità logica di controllo 16 in modo da far assumere all'apparato 1 il comportamento in frequenza della funzione di trasferimento del vero carico che si desidera collegare, in altre parole far assorbire, o generare, corrente secondo una predefinita funzione nel tempo. The operation of the apparatus 1, according to the invention, takes place as follows. The apparatus 1 absorbs (or generates), as mentioned, from the three-phase electrical distribution network 2 a current with a fundamental frequency at 50 / 60Hz and harmonics up to the 40th. The characteristics of the absorbed (or generated) current can be set by the user in the preliminary phase of the connection test by means of the interface unit 17. In other words, the control logic unit 16 is programmed so as to make the apparatus 1 the frequency behavior of the transfer function of the real load to be connected, in other words to absorb or generate current according to a predefined function over time.
L'unità logica di controllo 16 elabora i dati immessi dall'utente, ne valuta la rispondenza con le specifiche di funzionamento e provvede ad eseguire l'operazione richiesta. Contemporaneamente, rileva in tempo reale, mediante detti mezzi di rilevazione, lo stato di funzionamento dell'apparato 1. The logic control unit 16 processes the data entered by the user, evaluates their compliance with the operating specifications and performs the required operation. At the same time, it detects in real time, by means of said detection means, the operating status of the apparatus 1.
Una volta precaricate, le capacità 10 si comportano come un generatore di tensione costante, di logica di controllo 16 pilota detti primi interruttori attivi 8 e detti secondi interruttori attivi 13 in modo da assorbire dalla rete di distribuzione elettrica 2 una corrente secondo una forma d'onda voluta (e quindi secondo lo spettro preimpostato), proprio andando a modificare il potenziale ai capi delle capacità 10, costantemente monitorato dall'unità logica di controllo 16, per mezzo dei blocchi invertitori 7. Once preloaded, the capacitors 10 behave like a constant voltage generator, with control logic 16 driving said first active switches 8 and said second active switches 13 so as to absorb a current from the electrical distribution network 2 according to a form of desired wave (and therefore according to the preset spectrum), precisely by changing the potential at the ends of the capacities 10, constantly monitored by the control logic unit 16, by means of the inverter blocks 7.
In maniera analoga, viene regolato anche l'assorbimento (o generazione) di corrente, cioè la dissipazione di potenza attiva sulle resistenze di dissipazione 12 per la prima armonica e l'immagazzinamento/cessione dell'energia reattiva per ciascuna delle altre armoniche selezionate (40 nella forma di realizzazione in esame) da parte dell'apparato 1, così da riprodurre la risposta della funzione di trasferimento del vero carico che si desidera collegare alla rete di alimentazione (2). In a similar way, the current absorption (or generation) is also regulated, i.e. the dissipation of active power on the dissipation resistors 12 for the first harmonic and the storage / transfer of the reactive energy for each of the other selected harmonics (40 in the embodiment in question) by the apparatus 1, so as to reproduce the response of the transfer function of the real load that is to be connected to the power supply network (2).
In tal modo, l'unità logica di controllo 16, può regolare con estrema precisione l'assorbimento (o generazione) della corrente, della potenza reattiva e della potenza distorcente. In this way, the logic control unit 16 can regulate with extreme precision the absorption (or generation) of the current, of the reactive power and of the distorting power.
Tra le grandezze controllate, si evidenziano la tensione e la corrente assorbita (generata) che sono inviate in tempo reale all'unità di interfaccia 17 utente per essere visualizzate. I valori istantanei di tensione e corrente di ingresso e la corrente impostata dall'utilizzatore sono elaborati per generare i segnali di pilotaggio dei primi interruttori attivi 8 dei blocchi invertitori 7. Among the monitored quantities, the voltage and the absorbed current (generated) are highlighted, which are sent in real time to the user interface unit 17 to be displayed. The instantaneous values of input voltage and current and the current set by the user are processed to generate the driving signals of the first active switches 8 of the inverter blocks 7.
Il monitoraggio della carica dei condensatori a valle dei blocchi invertitori 7 permette di generare i segnali di controllo dei secondi interruttori attivi 13, in modo da regolare la dissipazione di potenza attiva richiesta nel test della sorgente da parte delle resistenze di dissipazione 12. Allo stesso modo, il pilotaggio dei primi interruttori attivi 8 consente di simulare l'assorbimento o la cessione di potenza reattiva e potenza distorcente, controllando la carica delle capacità 10 e la loro scarica sulle resistenze di dissipazione 12. The monitoring of the charge of the capacitors downstream of the inverter blocks 7 allows to generate the control signals of the second active switches 13, so as to regulate the dissipation of active power required in the test of the source by the dissipation resistors 12. Similarly , the driving of the first active switches 8 allows to simulate the absorption or transfer of reactive power and distorting power, controlling the charge of the capacitors 10 and their discharge on the dissipation resistors 12.
La figura 3 mostra una prima forma di realizzazione dell'apparato 1 secondo l'invenzione. Figure 3 shows a first embodiment of the apparatus 1 according to the invention.
In questo caso, la rete di distribuzione elettrica 2 è ancora trifase, mentre sono previsti sei blocchi invertitori 7, tre dei quali che presentano ai loro capi le resistenze di dissipazione 12 e gli altri che presentano ai loro capi le capacità 10. In this case, the electrical distribution network 2 is still three-phase, while six inverter blocks 7 are provided, three of which have dissipation resistances 12 at their ends and the others have capacities 10 at their ends.
Gli interruttori attivi sono degli IGBT, che come noto presentano un'elevata velocità di commutazione. The active switches are IGBTs, which as known have a high switching speed.
Inoltre, l'unità logica di controllo 16 presenta: Furthermore, the control logic unit 16 has:
• un primo canale di collegamento o bus 16a collegato ai rilevatori di corrente 18, connessi all'ingresso dell'unità induttiva 5 per la rilevazione della corrente; • a first connection channel or bus 16a connected to the current detectors 18, connected to the input of the inductive unit 5 for detecting the current;
• un secondo canale di collegamento o bus 16a' collegato ai rilevatori di tensione rispetto ad un punto di riferimento, connessi all'ingresso dell'unità induttiva 5; • a second connection channel or bus 16a 'connected to the voltage detectors with respect to a reference point, connected to the input of the inductive unit 5;
• un terzo canale di collegamento o bus 16a'' collegato ai rilevatori di tensione rispetto ad un punto di riferimento, connessi ai capi delle resistenze 12 e delle capacità 10. • a third connection channel or bus 16a '' connected to the voltage detectors with respect to a reference point, connected across the resistors 12 and capacitors 10.
• un quarto bus 16b collegato ai terminali di controllo o basi dei transistor 8 e 13 per il loro pilotaggio. • a fourth bus 16b connected to the control terminals or bases of transistors 8 and 13 for their driving.
Pilotando mediante il bus 16b (bus di controllo) i transistor 8 e 13 ed elaborando le misure di corrente e tensione acquisite mediante i bus 16a, 16a', 16a'', l'unità logica di controllo (16) è in grado di riprodurre l'assorbimento o la generazione di corrente per lo spettro isolato mediante l'unità induttiva di ingresso 5. By driving transistors 8 and 13 via bus 16b (control bus) and processing the current and voltage measurements acquired via bus 16a, 16a ', 16a' ', the control logic unit (16) is able to reproduce the absorption or generation of current for the isolated spectrum by means of the inductive input unit 5.
La figura 4 mostra un'ulteriore forma di realizzazione della presente invenzione, in cui: Figure 4 shows a further embodiment of the present invention, in which:
• in serie a ciascuna delle capacità 10 sono stati aggiunti due distinti interruttori attivi o transistor 19 aventi ciascuno in parallelo alla giunzione emettitore-collettore un diodo 19'; • two distinct active switches or transistors 19 have been added in series to each of the capacitors 10, each having a diode 19 'in parallel to the emitter-collector junction;
• è stato aggiunto in parallelo alla giunzione emettitore-collettore di ciascuno dei transistor 13 un diodo 13'. • a diode 13 'has been added in parallel to the emitter-collector junction of each of the transistors 13.
La figura 5 mostra una terza forma di realizzazione di un apparato secondo l'invenzione. Questa, per ciascuna fase della rete di distribuzione elettrica 2, presenta un blocco invertitore 7 in cui, a sua volta, è presente in parallelo la capacità 10 e la resistenza di dissipazione 12. Figure 5 shows a third embodiment of an apparatus according to the invention. This, for each phase of the electrical distribution network 2, has an inverter block 7 in which, in turn, the capacitance 10 and the dissipation resistance 12 are present in parallel.
La forma di realizzazione della figura 6 è sostanzialmente identica a quella della figura 5, differendo da essa solo per il collegamento in serie a ciascuna capacità 10 di ogni blocco invertitore 7, di un transistor 19 e di un rispettivo diodo 19'. The embodiment of Figure 6 is substantially identical to that of Figure 5, differing from it only for the connection in series to each capacitance 10 of each inverter block 7, of a transistor 19 and of a respective diode 19 '.
La figura 7, invece, presenta, rispetto alla figura 6, al posto del transistor 19 e del diodo 19' il transistor 20, e il rispettivo diodo 20' collegati in parallelo alle capacità 10 di ogni blocco invertitore 7. Figure 7, on the other hand, shows, with respect to Figure 6, the transistor 20 and the respective diode 20 'connected in parallel to the capacitances 10 of each inverter block 7 instead of the transistor 19 and the diode 19'.
La figura 8 mostra l'ultima forma di realizzazione della presente invenzione, in cui ai capi della capacità 10, di ogni blocco invertitore 7 sono collegati: Figure 8 shows the last embodiment of the present invention, in which across the capacitance 10 of each inverter block 7 are connected:
• un transistor 19 ed il rispettivo diodo 19' in serie; • a transistor 19 and the respective diode 19 'in series;
• un transistor 20 ed il rispettivo diodo 20' in parallelo. • a transistor 20 and the respective diode 20 'in parallel.
Ritornando allo schema base di Figura 3, come detto, la corrente assorbita, o generata, e la tensione applicata all'apparato 1, che funge, pertanto, da carico programmabile, avviene in ingresso all'unità induttiva di ingresso 5 e permette di monitorare l'effetto prodotto sulla rete di distribuzione elettrica 2 (sorgente) sotto test. Returning to the basic diagram of Figure 3, as mentioned, the current absorbed, or generated, and the voltage applied to the apparatus 1, which therefore acts as a programmable load, occurs at the input of the inductive input unit 5 and allows to monitor the effect produced on the electrical distribution network 2 (source) under test.
Una volta che sono stati effettuati i test sul collegamento dell'apparato 1 alla rete di distribuzione elettrica 2, mediante i dati raccolti e consultati mediante l'unità di interfaccia 17, l'operatore può procedere al collegamento in tutta sicurezza del vero carico da collegare o progettare una rete di adattamento opportuna, allo scopo di evitare fenomeni indesiderati. Once the tests have been carried out on the connection of the apparatus 1 to the electrical distribution network 2, by means of the data collected and consulted through the interface unit 17, the operator can proceed with the connection in complete safety of the real load to be connected o designing an appropriate adaptation network, in order to avoid undesirable phenomena.
Sulla base della descrizione precedente, si può osservare che la caratteristica fondamentale della presente invenzione è quella di proporre un tipo di circuito ad assorbimento di potenza attiva, reattiva e distorcente programmabile, in grado di consentire la simulazione dell'assorbimento (o generazione) di corrente rispetto ad uno spettro di frequenza di qualsiasi carico non lineare comunque complesso, così da verificare gli effetti che produce sulla rete di distribuzione elettrica cui è collegato. On the basis of the previous description, it can be observed that the fundamental characteristic of the present invention is to propose a type of programmable active, reactive and distorting power absorption circuit, capable of allowing the simulation of current absorption (or generation) with respect to a frequency spectrum of any non-linear load, however complex, so as to verify the effects it produces on the electrical distribution network to which it is connected.
La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo le sue forme preferite di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. The present invention has been described for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, but it is to be understood that variations and / or modifications may be made by those skilled in the art without thereby departing from the relative scope of protection, such as defined by the attached claims.
Claims (15)
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