225294 pl 22529 4 b1 - Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej

RZECZPOSPOLITA
POLSKA
(12)
OPIS PATENTOWY
(19)
(21) Numer zgłoszenia: 408945
Urząd Patentowy
Rzeczypospolitej Polskiej
(54)
PL
225294
(13) B1
(11)
(51) Int.Cl.
H02J 3/30 (2006.01)
(22) Data zgłoszenia: 21.07.2014
System przetwarzania, magazynowania i zwrotu energii elektrycznej KAPS
(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:
01.02.2016 BUP 03/16
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
PL 225294 B1
31.03.2017 WUP 03/17
SUTKOWSKI MARCIN, Lubin, PL
GAŁUSZKIEWICZ ZBIGNIEW WIESŁAW,
Kalety, PL
(72) Twórca(y) wynalazku:
MARCIN SUTKOWSKI, Lubin, PL
ZBIGNIEW GAŁUSZKIEWICZ, Kalety, PL
2
PL 225 294 B1
Opis wynalazku
Systemem przetwarzania i zwrotu energii do sieci energetycznej przeznaczony jest do przetwarzania nadmiaru energii elektrycznej w sieci energetycznej na energię mechaniczną – zmagazynowaną w wirujących masach wirnika silnika elektrycznego i połączonego z nim koła zamachowego i do
przetwarzania tej energii ponownie na energię elektryczną i przekazywania jej do sieci energetycznej.
Znany jest system przetwarzania i zwrotu energii elektrycznej wykorzystywany w autobusie, który zawiera: koło zamachowe o średnicy 1,1 m i masie 3,5 tony, silnik elektryczny przeznaczony do
napędu koła zamachowego, generator prądu elektrycznego, silnik elektryczny przeznaczony do napędu kół jezdnych. Działanie systemu polega na tym, że koło zamachowe rozpędzane jest do prędkości
około 20 000 obr/min silnikiem elektrycznym o mocy 200 kW po podłączeniu go (poprzez pantograf
autobusu) do zewnętrznej sieci elektrycznej – podłączenie realizowane jest na przystankach autobusu. Energia wirującego koła zamachowego przenoszona jest na wirnik generatora, a wytwarzany prąd
zasila silnik elektryczny, który napędza koła jezdne autobusu.
System przetwarzania i zwrotu energii do sieci energetycznej według wynalazku zawiera: baterię elektromechaniczną, transformator, prostownik wejściowy, falownik wejściowy, prostownik średniej
częstotliwości, falownik wyjściowy oraz układ sterowania. Baterię elektromechaniczną stanowi wysokoobrotowy bezszczotkowy silnik prądu stałego – PM BLDC, którego wirnik, korzystnie, zaopatrzony
jest w koło zamachowe. Transformator zaopatrzony jest w: wejście/wyjście średniego i wysokiego
napięcia – przeznaczone do połączenia ze źródłem energii pochodzącej – w zależności od miejsca
zainstalowania systemu z: generatora np. napędzanego wiatrakiem, ogniwa fotowoltaicznego, wytwornicy energii elektrycznej z biogazu itp.; wyjście doładowania – przeznaczone do połączenia z torem doładowywania energii oraz wejście odzyskiwania – przeznaczone do połączenia z torem odzyskiwania energii. Prostownik wejściowy stanowi element z regulowanym napięciem na wyjściu – jest
elementem toru doładowania energii. Falownik wejściowy stanowi urządzenie umożliwiające sterowanie silnika PM BLDC: poprzez utrzymanie stałej wartości napięcia zasilania ze zmianą współczynnika
wypełnienia PWM albo poprzez utrzymanie stałego współczynnika wypełnienia ze zmianą napięcia
zasilania albo poprzez jednoczesną zmianę obu tych parametrów – jest elementem toru doładowania
energii. Prostownik średniej częstotliwości – stanowi element toru odzyskiwania energii jest prostownikiem pracującym z częstotliwością znacznie większą od 50 Hz dostosowaną do częstotliwości pracy
PM BLDC – w fazie generowania energii – od maksymalnej do minimalnej prędkości wirnika, korzystnie utrzymujący na wyjściu stabilną wartość częstotliwości i napięcia przy zmieniających się w szerokim zakresie wartościach częstotliwości i napięcia na jego wejściu. Prostownik ten umożliwia wytworzenie napięcia na wyjściu o wartości nominalnej dla pracy falownika wyjściowego. Prędkość maksymalna wirnika zależy od wytrzymałości mechanicznej zaś prędkość minimalna wirnika dobierana jest
w zależności od poziomu częstotliwości i napięcia przy których możliwa jest jeszcze prawidłowa praca
falownika wyjściowego. Falownik wyjściowy – stanowi końcowy element toru odzyskiwania energii przeznaczony jest do wytwarzania prądu o częstotliwości 3x50 Hz i napięciu o wartości dopasowanej
do wejścia odzyskiwania transformatora. Układ sterowania przeznaczony jest do wybierania rodzaju
pracy układu – doładowanie albo odzyskiwanie energii oraz do utrzymania odpowiednich parametrów
pracy poszczególnych elementów systemu. Elementy systemu według wynalazku połączone są ze
sobą następująco: układ we/wy wysokiego napięcia transformatora połączony jest z siecią energetyczną, wyjście toru zasilania połączone jest poprzez prostownik wejściowy i falownik wejściowy
z zaciskami silnika PM BLDC z którymi połączony jest również prostownik średniej częstotliwości,
który to prostownik poprzez filtr wygładzający i falownik wyjściowy połączony jest z wejściem transformatora stanowiącym wejście toru odzyskiwania energii. Pracę systemu zapewnia układ sterowania,
który kontroluje moc zapotrzebowaną w sieci i w razie jej nadmiaru łączy silnik – poprzez tor doładowania energii – z siecią energetyczną i jednocześnie odłącza tor odzyskiwania energii od silnika albo
w przypadku niedoboru energii w sieci odłącza silnik od sieci energetycznej poprzez odłączenie toru
doładowania energii a przyłącza tor odzyskiwania energii do silnika, który przechodzi w układ generatora prądu. W pierwszym przypadku rozpędzany jest silnik baterii elektromechanicznej w celu zmagazynowania energii w wirniku silnika i kole zamachowym, w drugim z baterii elektromechanicznej –
poprzez tor odzyskiwania energii i transformator – zasila zewnętrzną sieć elektroenergetyczną. Ponadto sterownik układu sterowania zaopatrzony jest w wejścia sygnałowe pomiarowe połączone odpowiednio z wyjściami sygnałowymi pomiarowymi parametrów: prostownika wejściowego, falownika wejściowego, silnika PM BLDC, prostownika średniej częstotliwości oraz falownika wyjściowego oraz w wyjścia
PL 225 294 B1
3
sygnałowe sterujące połączone odpowiednio z wejściami sygnałowymi sterującymi: prostownika wejściowego, falownika wejściowego, silnika PM BLDC, prostownika średniej częstotliwości oraz falownika
wyjściowego. Sterownik w zależności od wartości parametrów wejściowych kształtuje odpowiednio –
poprzez przekazywanie sygnałów wyjściowych – charakterystyki nadzorowanych elementów systemu.
Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania uwidocznionym na rysunku
przedstawiającym schemat układu.
Układ zawiera transformator TRM trójfazowy wyposażony w: uzwojenie z we/wy HV1, HV2,
HV3 wysokiego napięcia i/lub uzwojenie z we/wy UF1, UF2, UF3 średniego napięcia przeznaczone do
przyłączenia typowej linii zasilającej, uzwojenie doładowania z wyjściami UB1, UB2, UB3, uzwojenie
odzyskiwania z wejściami U1, U2, U3. Wyjścia UB1, UB2, UB3 transformatora poprzez prostownik
wejściowy PS – z regulowanym napięciem wyjściowym i falownik wejściowy FS – z trójfazowym napięciem o zmiennej częstotliwości na wyjściach Ul1, UI2, UI3, które to wyjścia połączone są z silnikiem
SP – który stanowi wysokoobrotowy bezszczotkowy silnik prądu stałego PM BLDC. Falownik FS pozwala na rozpędzenie silnika SP wraz z dodatkową masą lub bez niej, do maksymalnej prędkości f max;
przy której uzyskuje się maksymalną energię dla danej masy (m N) i przy fmax. Silnik SP – po przełączeniu go w układ generatora – poprzez prostownik średniej częstotliwości RMF, filtr wygładzający UF
i falownik wyjściowy F50 - 50 Hz 3xUF wytwarzający napięcie trójfazowe UVW – połączony jest z wejściami U1, U2, U3 uzwojenia transformatora TRM. Maksymalna wartość odzyskiwanej energii jest
osiągana przy maksymalnej wartości napięcia Umax, oraz maksymalnej częstotliwości f n i minimalnej
wartości fazy prostowanego napięcia, przy której prostownik RMF osiąga wartość nominalną napięcia
wyjściowego dla górnego zakresu tolerancji tego napięcia UF dc. Minimalna wartość odzyskiwanej
energii jest osiągana przy maksymalnej fazie prostowanego napięcia oraz pewnej minimalnej prędkości obrotowej fmin, a także pewnej minimalnej wartości napięcia, przy której falownik F50 jest w stanie
wytworzyć wyjściowe napięcie UF1, UF2, UF3 o nominalnej wartości. Falownik F50 wytwarza napięcie
3xU, o częstotliwości 50 Hz, które zasila transformator TRM, który z kolei transformuje je do sieci zasilającej napięcia HV1, HV2, HV3 lub UF1, UF2, UF3. Nad całością sterowania czuwa układ sterowania
SN, który zabezpiecza prawidłową pracę systemu w procesach magazynowania i odzyskiwania energii oraz przekazywania jej wraz z odpowiednią synchronizacją do sieci zasilającej.
Zastrzeżenia patentowe
1. Systemem przetwarzania magazynowania i zwrotu energii do sieci energetycznej, znamienny tym, że zawiera: transformator (TRM) trójfazowy, silnik (SP), prostownik wejściowy (PS), falownik
wejściowy (FS), prostownik zmiennej częstotliwości (RMF), filtr wygładzający (UF) i falownik wyjściowy
(F50) przy czym transformator (TRM) wyposażony w: uzwojenie z we/wy (HV1, HV2, HV3) wysokiego
napięcia i/lub uzwojenie we/wy (UF1, UF2, UF3) średniego napięcia, uzwojenie doładowania z wyjściami (UB1, UB2, UB3), uzwojenie odzyskiwania z wejściami (U1, U2, U3) przy czym wyjścia (UB1,
UB2, UB3) uzwojenia odzyskiwania poprzez prostownik wejściowy (PS) i falownik wejściowy (FS)
połączone są z silnikiem (SP) zaś silnik (SP) poprzez prostownik zmiennej częstotliwości (RMF), filtr
wygładzający (UF) i falownik wyjściowy (F50) połączony jest z wejściami (U1, U2, U3) uzwojenia
transformatora (TRM), a ponadto system wyposażony jest w układ sterowania (SN), którego sterownik
zaopatrzony jest w wejścia sygnałowe pomiarowe połączone odpowiednio w wyjściami sygnałowymi
pomiarowymi: prostownika wejściowego (PS), falownika wejściowego (FS), silnika (SP), prostownika
średniej częstotliwości (RMF) oraz falownika wyjściowego (F50) oraz w wyjścia sygnałowe sterujące
połączone odpowiednio z wejściami sygnałowymi sterującymi: prostownika wejściowego (PS), falownika wejściowego (FS), silnika (SP), prostownika średniej częstotliwości (RMF), oraz falownika (F50).
2. System przetwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że jako silnik (SP) stosowany jest
wysokoobrotowy silnik bezszczotkowy prądu stałego PM BLDC, korzystnie wyposażony w dodatkową
masę wirującą synchronicznie z silnikiem.
3. System przetwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że jako prostownik zmiennej częstotliwości (RMF) stosowany jest prostownik pracujący przy zmieniających się częstotliwościach i napięciu utrzymujący na wyjściu stabilną wartość napięcia dla zmieniających się w szerokim zakresie
wartości częstotliwości i napięcia na jego wejściu.
4. System przetwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że jako transformator (TRM) stosowany jest transformator trójfazowy wielonapięciowy i wielowyprowadzeniowy.
4
PL 225 294 B1
Rysunek
Departament Wydawnictw UPRP
Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)