CS218807B1 - Method of three-stage commutation of the rectifiers or alterners of electric current - Google Patents

Description

Předmětem vynálezu je způsob třístupňové komutace u usměrňovačů nebo střídačů elektrického proudu, zejména pro regulaci střídavých elektrických strojů.

Usměrňovačem proudu rozumíme měnič, který usměrňuje střídavý proud, většinou odebíraný ze střídavého m-fázového napěťového rozvodu, na stejnosměrný proud s vyhlazovací indukčností na stejnosměrné straně nebo s obecně takovými impendančními poměry, že se tento usměrňovač chová jako zdroj proudu. Střídačem proudu rozumíme měnič, který střídá vstupní stejnosměrný proud z napájecího proudového zdroje na střídavý proud, přičemž zátěž může tvořit střídavý elektrický stroj, síťový rozvod nebo obecná kombinace RLC členů i aktivních prvků. Hlavním rozdílem mezi usměrňovačem a střídačem proudu je základní směr toku elektrického výkonu.

U usměrňovače je to směr ze střídavé strany zdroje na stejnosměrnou, u střídače je to ze stejnosměrné strany zdroje na střídavou zátěž. Je možné a v praxi obvyklé, že v určitých provozních stavech je tok výkonu obrácený. _e

U usměrňovačů nebo střídačů proudu na síti je základním způsobem řízení výkonu takzvané fázové řízení a základním dějem při provozu je děj vnější komutace. Přechod proudu z jedné hlavní větve měniče na následující — komutace — je uskutečněn vnějším napětím. Komutační doba, to je doba přechodu proudu, je určena úhlem fázového řízení, velikosti proudu a impedančními poměry na zdroji a zátěži. Usměrňovače š vnější komutací jsou nejčastěji používané polovodičové měniče a děj vnější komutace i ostatní vlastnosti těchto měničů jsou všeobecně známy a podrobně v literatuře popsány.

Usměrňovače nebo střídače s vlastní komutací mají základní vlastnosti stejné jako obdobné měniče s vnější komutací. Komutace proudu však neprobíhá samovolně působením vnějšího napětí, ale je vynucena vlastními pomocnými obvody měniče. Důvodem je například pasivní zátěž na střídavé straně střídače nebo taková fázová poloha střídavého napětí v okamžiku komutace, která nemůže vyvolat vnější komutaci.

To úzce souvisí se směrem toku jalového výkonu. Obecně lze říci, že vnější komutace je možná tam, kde střídavá strana je schopna dodat jalový výkon, například napájecí síť, vlastní komutace je možná ve všech ostatních případech — pasivní zátěž, elektrické motory, ale i napájecí síť. Vlastní komutaci je možno zavést u všech typů zátěží. Je především otázkou složitosti měniče a ceny, že dnes zdaleka převládají usměrňovače nebo střídače s vnější komutací.

Nejvýznamnějším praktickým použitím usměrňovačů nebo střídačů proudu s vlastní komutací jsou střídače proudu pro pohony asynchronních motorů. Předpokládá se, že dalším významným způsobem použití bude usměrňovač nebo střídač proudu na síti pro kompenzátory účiníku, případně pro stejnosměrné pohony se zlepšenými energetickými parametry.

Stávající usměrňovače nebo střídače proudu mají bez ohledu na různé varianty pomocných komutačních obvodů jednu společnou vlastnost. Je ta charakteristický průběh komutačního děje, který má téměř stejné vlastnosti i při úplně odlišném obvodovém řešení komutačních obvodů. Pro vysvětlení je nutno zavést pojem stupně komutace.

Stupeň komutace je počet přechodů mezi hlavními i pomocnými větvemi měniče, který je nutný к uskutečnění celé komutace. Celou komutací u usměrňovačů nebo střídačů proudu rozumíme úplné převedení proudu z jedné hlavní větve na následnou hlavní větev, v praxi to znamená převedení proudu z jedné fáze střídavé strany na následnou.

Přímá komutace, kdy elektrický proud přechází přímo z jedné hlavní větve na následnou, například obvyklá vnější komutace, je z tohoto hlediska jednostupňová.

Nepřímá komutace, kdy elektrický proud komutuje při přechodu z jedné hlavní větve na následnou nejdříve na pomocné větve měniče, je nejméně dvoustupňová. U střídačů proudu, napětí a dále u jiných typů měničů s vlastní komutací, například pulsních měničů, probíhá vlastní komutace většinou ve dvou stupních, je tedy dvoustupňová: první stupeň — komutace z hlavní větve na pomocnou — jsou v ní obvykle zahrnuty komutační kondenzátor, reaktory a pomocné tyristory. Druhý stupeň — komutace z pomocné větve na následnou hlavní větev, například na zpětnou diodu střídače napětí z pulsního měniče nebo na hlavní tyristor následné fáze u střídače proudu.

Střídače proudu s vlastní komutací se používají v naprosté většině dnes к regulaci otáček asynchronních motorů. Komutační děj u dnes známých a používaných silových zapojení s tyristory probíhá ve dvou stupních: prní stupeň — komutace z hlavního tyristoru na pomocný obvod komutačního kondenzátoru, přitom se proud fáze nemění. Druhý stupeň — komutace z pomocného obvodu komutačního kondezátoru na následnou fázi. Teprve při druhém stupni dochází к předávání proudu mezi fázemi.

Dvoustupňová komutace má u střídačů proudu s asynchronními motory následující charakteristické znaky. Je zapotřebí ještě podotknout, že toto srovnání není vztaženo к jiným typům střídače, neboť má sloužit jako podklad pro následující porovnání se střídači proudu s třístupňovou komutací.

a) Pomocné obvody jsou značně jednoduché, dokonce se obejdou i bez pomocných tyristorů.

b) Komutační obvody slouží jak pro vypnutí tyristorů, tak pro akumulaci energie z indukčností zátěže. Toje jeden ze základních atypických znaků dvoustupňové komutace. Spojení obou funkcí vede к jednodu218807 chosti komutačních obvodů, ale současně jsou zde nároky na komutační kondenzátor pro splnění obou funkcí značně odlišné.

c) Z výše uvedeného odstavce bodu b) plyne určitá velikost komutačního kondenzátoru, která je dána napěťovým dimenzováním hlavních a komutačních obvodů — vysoká hodnota přírůstku napětí na komutačním kondezátoru v časovém intervalu komutace na následnou fázi při malých hodnotách kapacity komutačního kondezátoru. Pro vyšší hodnoty kapacity komutačního kondenzátoru však při regulaci stejnosměrného proudu na vstupu měniče roste celková doba komutace a může omezit frekvenční rozsah střídače.

d) U dvoustupňové komutace právě z důvodu značně velkých kapacit a dlouhé· komutační doby narůstá proud pomocnými obvody s nepříznivými důsledky na dimenzování prvků.

éj Komutační kondezátor je přímo spjat s konstantami zátěže a komutační děj se změní, dokonce může nastat porucha funce, když se nasadí jiný motor. Pro tyto střídače je typické, že se komutační obvody dimenzují na míru s použitými motory. Proto nejsou vhodné například pro vícemotorové pohony.

Uvedené vlastnosti, z nichž některé jsou značně nevýhodné, lze zlepšit v rámci dané kvality, tj. dvoustupňové komutace, použitím dalších přídavných obvodů. Například časový interval přebíjení kondenzátoru proudem zátěže do nuly a časový interval přebíjení kondezátoru proudu zátěže do kladných hodnot až do okamžiku, kdy se na komutačním kondezátoru vyrovná okamžitému sdružení napětí komutujícíchi fází, lze snížit pomocným překmitem přes indukčnost a další pomocné tyristory. Nemá to vliv na velikost kondezátoru, lze však zvýšit frekvenční rozsah měniče tím, že se sníží doba komutace. Podobné zařízení je například popsáno v popisu vynálezu k USA patentu č. 3 980 941.

Vynález odstraňuje výše uvedené nevýhody a řeší daný úkol tak, že řízené polovodičové prvky v hlavní větvi se prostřednictvím pomocné vypínací větve vypnou, načež se elektrický proud střídavé strany komutuje z této pomocné vypínací větve na pomocnou akumulační větev a pak působením pomocné akumulační větve protéká elektrický proud z dosud vedoucí fáze střídavé strany na následující fázi. Smyslem třístupňové komutace je uskutečnit takový komutační děj, kdy se v pomocných obvodech střídače oddělí zatím společné funkce komutačních obvodů — funkce zajišťující vypnutí tyristoru a funkce zajišťující akumulaci energie s indukčností zátěže do pomocných kondezátorů.

Oddělením obou funkcí se dosáhne toho, že pomocný obvod, zajišťující vypnutí tyristorů, je navržen tak, aby splnil podmínky pro vypnutí proudu v tyristoru, tj. snížení proudu s definovanou strmostí na nulu a obnovení blokovacích vlastností, bez ohledu na akumulaci energie z indukčností zátěže. Pomocný obvod zajišťující akumulaci energie z indukčností zátěže je pak navržen tak, aby bez nebezpečných přepětí akumuloval energii ze zátěže požadovaným způsobem. Funkční rozdělení obou popsaných pomocných obvodů nemusí znamenat úplné oddělení při obvodovém řešení. Významné je to, že v budoucnu se předpokládá nasazení vypínatelných tyristorů, popřípadě výkonových tranzistorů namísto tyristorů. Potom mohou pomocné obvody zajišťující vypnutí tyristoru zcela odpadnout, neboť tyto obvody slouží u třístupňové komutace výhradně k uskutečnění vypínacího děje tyristoru. S růstem dynamických vlastností prvků, zejména snižováním jejich vypínací doby, se bude jejich dimenzování i struska měnit.

Je zřejmé, že oddělením obou funkcí není nutno dbát již na přímé přiřazení motoru a střídače, neboť komutační obvody zajišťující vypnutí tyristoru se navrhnou na maximální elektrický proud zátěže, tj. typový výkon měniče a na parametry tyristorů. Pomocné akumulační obvody je však nutno přizpůsobit konkrétním parametrům motorů. V praxi se to redukuje zejména na nastavení regulačních smyček. Proto jsou střídače s třístupňovou komutací vhodné i pro vícemotorové pohony.

Přechod od dvoustupňové komutace ke třístupňové komutaci má některé společné výsledky na obvodové řešení pomocných komutačních větví střídače. Lze je popsat takto: u střídačů, které pracují s dvoustupňovou komutací, se komutační kondenzátor sníží tak, aby časový interval přebíjení· kondenzátoru proudem zátěže · do nuly korespondoval s vypínací dobou tyristorů, tzn., aby trval přibližně 50 ms. Tím dojde ke snížení velikosti kondezátoru přibližně na 10 % kapacity. Bez dalších zásahů by to vedlo k tak vysokému přepětí na kondenzátoru, a tím i na tyristorech, že by došlo k napěťovému úrazu. Snížením kapacity bylo možno optimalizovat první funkci pomocných obvodů střídače, to je vypnutí tyristoru.

Realizaci akumulačních obvodů pro uskutečnění druhé funkce pomocných obvodů je možno obecně uskutečnit dalším přídavným měničem. V praxi se to· však redukuje na usměrňovač, nejčastěji diodový usměrňovač v můstkovém zapojení, který je vhodným způsobem připojen ke střídači. Tak jako princip dvoustupňové komutace byl v podstatě společný pro různé druhy střídačů, tak je i třístupňová komutace ve svých podstatných rysech společná pro různá konkrétní řešení pomocných obvodů.

Na obr. 1 jsou zobrazeny časové průběhy elktrických veličin ve střídači proudu s dvoustupňovou komutací a · na obr. 2 je zobrazen princip třístupňové komutace u střídačů proudu s trojfázovou zátěží.

Na obr. 1 jsou graficky znázorněny časo218807 vé , průběhy elektrických proudů i_R, i_s ve fázích R, S třífázové zátěže komutujících po sobě a napětí u_CK na komutačním kondenzátoru. Přitom Id je stejnosměrný vstupní elektrický proud střídače nebo výstupní stejnosměrný proud usměrňovače, Δ U přírůstek napětí na komutačním kondezátoru C_K, γ úhel komutace, Ck komutační kondezátor s .'Lk komutační indukčnost.

Dvoustupňová komutace má tyto charakteristické intervaly, které jsou zobrazeny na obr. 1: Časový interval to — ti komutace z hlavního tyristoru na komutační kondenzátor Ck příslušné fáze a příslušný pomocný tyristor.

Vzhledem k vlastním indukčnostem větví i k případným ' omezovacím indukčnostem na di/dt trvá tento interval řádově jednotky mikrosekund. Jedná se o první stupeň komutace. Časový interval ti až t2 — přebíjení kondenzátoru proudem zátěže do nuly. Tato doba vystupuje v konkrétním schématu jako ochranná doba tv tyristoru, kde je na tyristoru ' záporné napětí. Časový interval tž až t3 — přebíjení kondezátoru proudem zátěže do ' kladných hodnot až do okamžiku, kdy se napětí na kondenzátoru ’ C_k vyrovná okamžitému sdruženému napětí komutujících fází.

Časový' ' interval t3 až t4 — komutace z pomocného obvodu obsahujícího komutační kondenzátor Ck a - pomocný tyristor Tk na následný hlavní tyristor. To je totožné s komutací proudu mezi fázemi na střídavé straně. Pro asynchronní motor' je tato doba dána ''. přibližně čtvrtinou doby kmitu kondenzátoru 'Ck a dvou celkových rozptylových indukčností komutujících fází motoru. Napětí na kondenzátoru vzroste za interval t3 až t4 .o hodnotu Δ U, která odpovídá převedení energie z komutujících fází do kondezátoru C_k. -Interval t3 až t4 tvoří druhý stupeň komutace. Obdobným způsobem probíhá dvoustuňová komutace i u jiných variant střídače proudu.

Princip třístupňové komutace je vyobrazen na připojených obrázcích 2a a 2b pro případ třífázové zátěže RST. Na obr. 2a je zobrazeno ' schéma obvodu -sloužící pro vysvětlení pojmu třístupňové komutace a na obr. ' 2b - jsou časové průběhy elektrických proudů 1r, is ve fázi R, S třífázové zátěže RST. Stejným veličinám jako na obr. 1 odpovídají svým označením - tytéž veličiny i na obr. ' 2a a 2b.

Třístupňová komutace probíhá '' v následujících krocích:

První stupeň: interval to až ti — komutace z hlavního tyristoru Ti na pomocné tyristory, indukčnosti a komutační kondenzátor C_k. Indukčnost Lv dle obr. 2a představují opět vlastní indukčnosti větví a omezovači indukčnosti na di/dt.

Druhý stupeň: interval tž až t3 — komutace z větve kondenzátoru Ck (komutačního) na pomocnou větev akumulačního kondenzátoru C_d je stejnosměrný kondenzátor umístěný za usměrňovačem.

Třetí stupeň: interval t3 až t4 — komutace z pomocných větví akumulačního kondenzátoru Cd na hlavní větev tyristoru Tz, v podstatě komutace z jedné střídavé fáze na následnou.

Poznámka: u některých typů střídačů s třístupňovou komutací se mohou intervaly t2 až t3 a t3 až t4 překrývat tak, že komutace z fáze do fáze nastane již v okamžiku t2. Vzhledem k značně rozdílným dobám trvání druhého a třetího- stupně — v praxi přibližně asi 20 mikrosekund, tisíc mikrosekund, není tento jev pro komutaci podstatný.

Porovnáním s dvoustupňovou komutací je vidět, že k předávání proudu mezi fázemi, tedy k akumulaci energie zátěže v -pomocných kondezátorech, dochází ve třetím stupni, kdy vypínací pomocný obvod je odpojen. To vyjadřuje již dříve popsanou nezávislost vypínacích obvodů na akumulaci energie ze zátěže. Pomocné akumulační obvody -jsou nejčastěji tvořeny neřízeným usměrňovačem v můstkovém zapojení, který je -na stejnosměrné straně připojen na velký stejnosměrný akumulační kondezátor Cd. Pro určité zapojení pomocných vypínacích obvodů může existovat několik variant zapojení akumulačního usměrňovače. Například vypínací a akumulační obvody jsou z části sjednoceny a akumulační usměrňovač plní rovněž funkci vypínání.

Podstata akumulačního obvodu -spočívá v tom, že do fáze, ve které proud zaniká, na obr. 2a a -2b je to fáze R, se ve třetím stupni komutace připojí do série akumulační kondenzátor Cd na stejnosměrné straně usměrňovače. Jeho napětí působí proti proudu ve fázi a způsobí vlastní komutaci na novou fázi, viz obr. 2a třetí stupeň komutace.

V limitním případě, kdy akumulační kondenzátor Cd se blíží k nekonečnu, je jeho zapojení rovnocenné s protinapětím, které je přivedeno do komutujících fází. Toto protinapětí, lze označit jako přídavné komutační napětí, které lze bez ohledu na to, zda zátěž je schopna vnější komutace nebo není, použít pro realizaci komutace proudu ve fázích. Akumulační schopnost u třístupňové komutace záleží tedy na akumulační schopnosti stejnosměrného akumulačního kondenzátoru Cd, zatímco- u dvoustupňové komutace je typické přebíjení komutačního kondenzátoru během komutace.

Jedná se tedy vždy o střídavé kondenzátory. Při každé komutaci se akumuluje v kondenzátoru Cd určité množství energie, úměrné velikosti proudu a době trvání komutace. Pro dosažení výkonové rovnováhy je nutno z akumulačního kondenzátoru Cd stejnou energii odvádět. Možným způsobem je například u menších výkonů zatížení kondezátoru do odporu nebo odvádění energie přes řízený měnič do napájecí sítě. Způsob odvádění není vzhledem k principu třístupňové komutace podstatný, - ovšem v praxi jde o určitou

218887 komplikaci celého střídače s dalšími nároky na silové a elektronické obvody nutné pro odvádění akumulačního výkonu.

Velikost odváděného výkonu z akumulačního kondenzátoru vztažená na výkon hlavního měniče je důležitým parametrem u střídače, resp. usměrňovače proudu s třístupňovou komutací. Hlavní okolností, která ovlivňuje velikost odváděného výkonu, je velikost energie, která je nahromaděna v indukčnostech zátěže.

Z teorie plyne, že u asynchronního motoru a synchronního motoru a dále u zátěže tvořené sítí je to energie nahromaděná v rozptylových indukčnostech zátěže, která je v náhradním schématu na obr. 2 připojena do série s vnitrním indukovaným napětím. Připojení střídače s třístupňovou komutací к síti vyvolá vzhledem к malým rozptylovým indukčnostem komutační úhel i velikost akumulačního výkonu velmi malé, například

Claims (1)

1. Způsob třístupňové komutace usměrňovačů nebo střídačů elektrického proudu s vlastní komutací za účelem oddělení vypínací a akumulační funkce pomocných obvodů, vyznačený tím, že řízené polovodičové prvky v hlavní větvi se prostřednictvím pomocné vypínací větve vypnou, načež se elekdva až šest stupňů elektrických. Velikost komutačního úhlu lze řídit velikostí napětí na akumulačním kondenzátoru C_d a tak vlastně ovlivňovat komutační děj.

   U asynchronních motorů, vzhledem к větším rozptylovým indukčnostem, se komutační úhel pohybuje od 5 do 20 stupňů elektrických. Tomu odpovídá i větší akumulační výkon, který dosahuje ve vztahu ke zdánlivému výkonu motoru asi 4 až 15 % podle kvality motoru.

   Třístupňová komutace není omezena na použití u určitého typu zátěže, ale i principiálně využitelná u všech možných typů zátěží, které se mohou u střídače nebo usměrňovače vyskytnout. Nejpodstatnější vlastností třístupňové komutace je funkční oddělení pomocných obvodů při komutaci tak, že se optimalizuje jak vypínací děj tyristoru, tak vlastní komutace proudu mezi fázemi.

   Y N A L E Z U trický proud střídavé strany komutuje z této pomocné vypínací větve na pomocnou akumulační větev a pak působením pomocné akumulační větve se elektrický proud z dosud vedoucí fáze střídavé strany převede na následující fázi.