CS225863B1 - Current rectifier with self-commutation - Google Patents

Description

Předmětem vynálezu je zapojení střídače proudu s vlastní komutací, které je výhodné pro jedno i vícemotorové pohony asynchronních a synchronních motorů, ale i jiných typů zatěžovacích impedancí.

Střídače proudu představují velmi progresivně směr ve frekvenčním řízení zejména asynchronních motorů. Novou kvalitu v koncepčním řešení střídače proudu představuje takzvaná třístupňová komutace střídače proudu, která .umožňuje maximální nezávislost komutačních dějů ve střidači na poměrech zátěže. Díky třístupňové komutaci lze realizovat se stejným měničem jedno i vícemotorové pohony asynchronních motorů. U střídačů s třístupňovou komutací je důležité odvádění takzvaného akumulačního výkonu z akumulačního kondenzátoru měniče. Střídače proudu s třístupňovou komutací jsou většinou vybaveny takzvaným stejnosměrným akumulačním Členem, tvořeným většinou diodovým usměrňovačem a filtračním kondenzátorem.

Akumulační výkon, který přichází do kondenzátoru z motoru přes usměrňovač je nutno odvádět pro udržení rovnováhy napětí na tomto kondenzátoru. Výkon je v praxi 5 až 20 % výkonu střídače podle zatížení a dynamických stavů motoru. Je nanejvýš Žádoucí tento výkon bezdrátově odvádět a to do napájecí sítě, stejnosměrného meziobvodu, nebo do motoru. Dosavadní řešení střídačů s třístupňovou komutací řeší tento problém odváděním výkonu přes vyhlazovací indukčnost, střídač s vnější komutací a transformátor do napájecí sítě. Jiné řešení je vybíjení kondenzátoru speciálním měničem do stejnosměrného meziobvodu.

Řešení s transformátorem vyžaduje náročné a těžké indukČnosti a transformátor, řešení s měničem do stejnosměrného meziobvodu neumožňuje dobře zvládnout nárazové výkony při rychlých dynamických změnách otáček a momentu motoru.

Uvedené nedostatky odstraňuje zapojení střidače proudu s vlastní komutací dle vynálezu, jehož podstatou je, že střídač proudu připojený stejnosměrnými svorkami přes vyhlazovací indukčnost k stennosměnným svorkám řízeného tyristooového usměrňovače, je spojen střídavými svorkami se zátěží, k níž je paralelně zapojen akummtační usměrňovač a opačně orientovaný tyristooový usměrňovač. Odρpníddjecí stejnoměrné svorky akumtuačního a tyristonovéht usměrňovače jsou vzájemně propojeny přes první a druhou impedanci. Paralelně k stejnosměrjiým svorkám tyristonového usměrňovače jsou zapojeny dvě větve se sériově spojenými komuuačními tyristoiy. Společné body prvního a druhého knInutačníhn tyristoru a třetího a čtvrtého komiiušního tyristoru v obou větvích jsou propojeny přes zdroj proudového knmutačníhn pulsu, tvořený sériovým spojením kommu-ační inducčnnoti a knmutačního kondenzátoru a dále první stejnosměrná svorka střídače proudu je přes první diodu spojena se společným bodem anod prvního a čtvrtého knuuUačníhn tyristoru.

Společný bod katod druhého a třetího ^τ^^βδη!^ tyristoru je přes druhou diodu spojen s druhou stecnosuěraou svorkou střídače proudu. K steCnouuёrnýu svorkám akumuuačního usměrňovače je připojen akum^^ační kondennátor zapojený do série s pomocným pulsním měničem. Jeho první vstupní svorka je přes první omezovači diodu spojena s první stejnosměrnou svorkou střídače proudu, jehož druhá stennosměrná svorka je přes druhou omezovači diodu spojena s katodou oddělovací diody, zapojené anodou na první stejnosměrnou svorku tyristorového usměrňovače. Do série s oddělovací diodou je zapojen dobíječi kondennátor, k němuž j’e paralelně zapojen pomocný dobbječí zdroj. Katoda oddělovací diody je přes sériové spojení indukční) o ti a tyristoru spojena se vstupní svorkou zdroje proudového knuutačního pulsu, která je spojena s jedním pólem knmmtačníhn kondennátoru.

Z^j^c^jjenř střídače proudu s vlastní kornecí podle vynálezu odvádí energii z akumuHačního kondceinátoru do motoru bezeztrátově přes speciální u&cíč s vlastní komusec. Obvody vlastní komutace tohoto m&iiče jsou společné pro tento speciální měnič a pro vlastní stři dač proudu. Zapojení střídače porudu s vlastní komutací podle vynálezu je na výkresu, kde na obr. 1 je schéma zapojeni a na obr. 2 jsou znázorněny v náhradních schématech jednotlivé fáze komuuace.

^Vastní s^tří^da^{č p}rou^du 2θ je naipájen ^prnu^dovýu zdrojimi tvořeným řízeiým t^yritOorvvýu usměrňovačem 1θ a v^yhlazovací i^ukčnootí Ы . s^ídavý vstu^p střídal ^prou^du 2° je z^átěž βθ. Paralelně к zátě^ži · je za^pojen a^kumm^uační usměrňnva^{č 3}θ a o^pa^čn^ě orientovaný t^yris^t^oový usměrňovač 4θ. ^Stejnosměrn^é střeny a^kumu^uačsníhn usměrňoval 3θ a tyris^oověho usměrňovače 4θ jsou spojeny přes impedance £1, £2, které jsou tvořeny odporem, indukSnootí nebo kombinací odporu a todukčnn^i. KomteČní obvod st^řída^če ^prou^du 2° je tvořen ^knmuUačníui t^yrⁱstory 21 . 22. 31 a £2» ^ιηιΗ^η^Ι diodami 91 . 92 a zdrojem proudového knmutačníhn pulsu 6θ. ^který je tweřen sérovým s^jením toimrtační tatakčností L4 a ^ι^β^ί^ kondenzátoru C4. Na stennosměr^ svor^ky 3 J . 3.2 e^kumu^uační^ho usměrňoval ³θ je ^př^ipneec a^kumu^tační kondennátor Cl . který má v sér^ zahojen ^pomocný ipulsní měnič 5°.

Tento měnič sestává z hlavního tyristoru £0. komutaδníhn LC členu L2, C3. pomocného t^yristoru ⁵¹ a ^moccých ^diod 78 a 77. Dále má ^mocný ^pulsní měnič 5° ^do série s hlavním tyrisoceem 50 zapojenou úbytkovou impedíoici Z3 pro spolehlivé vypínání tyristoru 22· Pro omezení přepětí na tyristorech jsou použity omezovači diody £3. 94 a dobbječi kondennátor C2 s oddělovací diodou 22· Doníeení knmutaδního kondennátoru C4 zajišluje tyristor 41 s indUkδnontí L3 a do bij očím kondenzátorem C2 Počáteční napětí nedobíjecm kondenzátoru C2 zaj^íuje ^pomocný dobíječi zdroj Z²» obsáiujci obvykle oddělovací · jedno^zo^ neto ^tří^fázový transformátor a diodový usměrňovač. Vlastní vybíjení aku^i^]^l^^:^:í^o kondenzátoru C1 je zaj^těno ěesU tyrtstory tyris^tooovéto usměrňovače 1²» jejicřiž ^fu°^kce ^je p^opsán^a ^sl⁰dovně v souuislo8ti s celkovou funkcí střídače.

Předpokládejme, že je nutno provést kommuaci proudu z hlavního tyristoru 12 střídače ^proudu 2θ do t^yristoru Ъ4. tj. ^pr^oudu z ^fáze T ^do ^fáze R. Proud v ne^komutut^ecí fázi S ae neměnn. V okamžiku komutace je polarita + komutačníUn kondenzátoru C4 zdroje proudového komutačního pULsu 6θ na svorce 6.1. Sepnutím prvního a třetího komutačního tyristoru 21. 11 se přivede'proudový komutační puls na hlavní tyristor 12 střídače proudu. Ten se vypne přes třetí komuuační tyristor 21, impedanci Z2. diodu 72 akwnuuačiního usměrňovače 3°. proti hlavnímu tyristoru 12» přes první komutační diodu 91 a první komuuační tyristor 21 zpět do svorky 6.2 zdroje proudového komutačního pulsu 6.0. Sepnutím komutačúích tyristorů 21 . 31 vypne proudový komuuační puls také všechny tyristory tyrisoorového v 2« ' usměrňovače ¹ « které ve^dou ^proud.

Cesta vypnutí tyristorů 61. 62. 65 tyrisoorového usměrňovače je přes třetí komuť-ačmí tyristor 31 na katody tyristorů £1, 63 65 přes diody 71. 73. ,75 akumulačního usměrňovače 3° a první impedanci Z1 a přes první komutační tyristor ²¹ z^pět do svork^{y 6}.² zdroj^{e p}ro^udového komutočního impulsu 6_. Cesta vypnutí tyristorů 64. 66. 62 tyrisoorového usměrňovače 4θ ^{je o}bdobⁿě z^e zdroje ^pr^oudové^ho komuOačníto pulsu o přes ťřetí komu toční tyristor 31 . druhou impedanci Z2 diody 74» 76 a 72 na vypírané tyristory 6£, £6, 62 a přes první kommOační tyristor 2£ do zdroje ' proudovém komuitočzrího pulsu 6θ. Je Oed^y viděO, že sepnutím prvního a třetího koirntaSního tyristoru 21. 31 s polaritou + na svorce 6.1 vypnou nejenom ^hlavní tyristory stří^dače proráu ²θ. ale i věedny tyrtotory tyristorovélro usměrňovače 4^2, které ve^{dLy p}rou^d. Po vypnutí tyrtotoru 12 ^po!k?ačuje ^prou^{d d}o fáze T v zátěži 8° přes ^první komntoční diodu £1, ^první komuitoční tyristor 21» z^droj ^prou^dové^ho komutačního ^pul^su 6°. t^řetí koímitoční tyristor £1. ^dru^hou im^pediaici Z2 a ^dio^du ⁷² akumulačního usměrňovače 37 .

A

Komnuační kondenzátor C4 se přebíjí proudem zátěže na opačnou polaritu. Nezááisle na proudu zátěže, tedy i při chodu naprázdno, se komutoční kondenzátor C4 přebíjí překmiOovým proudem přes komutoční indukčnost L4. třetí komu^uí^í^i^zí tyristor 31. druhou impedanci Z2. ^dio^{dy 71} až 76 akumulačního usměrňovače 3². ^první imepdaici Z1 a ^první komuitoční tyristor

21. Po určité době, která je dána parametry LC kmitu se komutační kondenzátor C4 přebije na opačnou polaritu, polarita + na svorce 6,2 Proud zátěže bude komutovat na obvod nového tyrtotora· 14 stfítoče ^prou^du 2θ a do nové ^fáze R. Nastává 'třetí s^tui^pe^ň komutace u s-tfíclače proudu s Oříttupňoiou komutoaí, kdy ve staré fázi, fáze T, proud zaniká tím, že do staré fáze je připojen přes diody 71 a 72 akumnuačiní kondenzátor CL tak, že jeho polarita potlačuje proud ve staré fázi T.

Do nové fáze R přitéká proud ze zdroje přes nově sepnutý tyristor 14· První a druhá impedance ^Z1 a Z2 jsou proti impedanni zdroje proudového kornitočního ^pulsu ⁶θ malé a vyvářejí úbytek na zhasínaných tyristorech. Pro zhasínání tyristoru 12 je úbytek na první impedanci Z1 přiváděn na tyristor v závěrném směru a obnovuje blokovací vlastnosti tyristoiu. Při zesnutí něktoré^ho tyrtotoru 61. 63. ⁶⁵ tyristorov^ého usměrňovače 4² je na tyto ^přivá^děno závěrné napětí z úbytku na druhé impedanni Z2. obdobně při zhasnutí tyristorů 64. 62 a £6 působí úbytek napětí na první impedanci Z1_. Dosavadní popis funkce střídače proudu uvažoval počátek vyšetřoveného pkamžiku v době zhasnutí hlavního tyristoru 712. tedy při sepnutí prvního a třetího komuitočního tyristoru 21. 31.

Následek komutoce proudu mezi fázemi je určitá energie, která přejde z komutujícííh fází T a R do akumulačního kondenzátoru C , jehož napětí se ztyší o 4 U.

Pro udržení rovnováhy je nutno do následující komutoce kondemátor vybít o toto napětí Δ U. U střídače proudu dle obr. 1 je vybíjení kondenzátoru realizováno tyristory 61 až ⁶⁶ tyrtotorovéhio usměmovače 1£. ^Pře^d vypnutím ^hlavn^ího tyristoru 12 se ^o wTSitý če^yý interval Δί dříve sepnou tyristory 64, 65. které přivedou mezi fáze R a T napětí akumulačního kondenzátoru Cl v takové polaritě, že aktmuUaČní kondanzátor Cl. který je nyní zdrojem zpsůobí vzrůst proudu ve fázi R, nová fáze a zanikání proudu ve fázi T, stará fáze. Tímto způsobem se aktmutační kondenzátor Cl v/bjí přímo do fází motoru a to bezeztrátově. Nevíc je toto vybíjení funkční Ozz. , že i při vbíjení akanuuačního kondenzátoru C1 probíhá komutace proudu mezi fázemi T a R. Je tedy možno říci, že komuitace proudu mezi fázemi začne probíhat v okamžiku sepnutí tyristorů 64. 65 a hlavního tyristoru 50 pomocného puiuení'— ho měniče 2°. kter^ý je zapojen v sérii s a^kumulačním ^kondenzátorem C.

Přehledně je funkce střídače proudu vidět z obr. 2. Na obr. 2a je stav před sepnutím tyristorů 64. 65. Proud přitéká přes hlavní tyristor 12 stři dače proudu do fáze J, stará fáze a odtéká přes hlavní tyristor 13 střídače proudu z fáze S, nekommtující fáze. V okamžiku <0t = - y/2, y = komutační úhel, viz obr. 2b, jsou sepnuty tyristory tyrisoooového usměrňovače 4_ a sice ta dvojice tyristorů, která připojí akumuiUační kondenzátor C1 mezi starou a novou fázi tak, že ve staré fázi proud zaniká a v nové fázi proud vzniká. Komutace proudu ve fázích začíná tedy ještě před vypnutím hlavního tyristorů 12 střídače proudu a zároveň vznikající proud fáze R vybíjí akumuUační kondennátor C . Před vlastní kommuací hlavního tyristorů 12, tedy před sepnutím prvního a třetího komutačního tyristorů 21 . je nutno vypnout hlavní tyristor 50 pomocného pulsráho měni^če 5°. který je za^pojen v sérii s tyristory 64, £5· ·

To se stane cca 100 až 200 us před sepnutím prvního a třetího komu^ui^í^j^ííh^o tyristorů ¹ o . 31 tím, že sepneme pomocný tyristor 51 pomocného pulsního rnmniče 5 . Nastává překmit kondenzátoru C3 přes pomocný hlavní tyristor 51, 50 a indukčnost L2 na opačnou pooaritu a posléze zpětný překmit kondenzátoru C3 přes první pomocnou diodu 22, úbytkovou impedanci Z3 a drhou pomocnou diodu 28. Tento zpětný překmit zhasne hlavní tyristor £0. Pomocný pulsní měni^{č 5}° v^ypín^á tyňshor £0 ještě ^před komutací v okamžiku t = 0. Pomocný pulsní měnič se používá proto, aby při sepnutí prvního a třetího komnu-HCního tyristorů 21 . £1 se proudový ^komtační impuls zdroje ⁶θ neuzavřel přes cestu tvořenou: svortou 6^ . prvky 31 . Z2. Z3. 50. C , Z1 ,. 21 a svourkou 6.2.

Došlo by k zvyšování napětí, tzv. nakrnitávání, na komutačním komdenzátoru C4 a posléze by mohlo dojít k napěťovému průrazu. Těsně po dokončení vypnutí hlavního tyristorů £0 jsou sepnuty první a třetí komuiUační tyristor 21. £1. Tento okamžik v souladu s běžnou praxí volíme jako pkamžik t = 0. Stav po vypnutí hlavního tyristorů 12 střídače proudu je vidět na obr. 2c. Proud protéká starou fází T a novou fází R tak, že zhruba polovina komutace je mezi fázemi již ukončena tzn., že ve staré fázi T. teče pouze poloviční proud a novou fází R již protéká poloviční proud Id. Po vypnutí hlavního tyristorů 12 střídače proudu se proud ze zdroje uzavírá přes komiUační obvod tvořený prvky: £1, 21. CL. LI. Z2 a větví se ^přes ^dio^dy 2,2. 24 a^kuj^u^^Ul^<^]^:^íh^o usměroova^ ³θ ^do ^fáz^í Tag. Prou^d o^pět o^dté^ká z fáze S, přes hlavní tyristor 13 střídače proudu.

Současně v intervalu 0 až t. nastává překmit komutačního kondor zátoru C4 přes komutační indukčnost L4 a dále prvky 31 . Z2. diody akumuiUačního usměrňovače 3 Z1 . 21 zpět do kornuiUačního kondenzátoru C4. Doba t. daná parametry prvků L4. C4 se pohybuje kolem 0 ⁰⁰ až ²⁰⁰ .us v soulad s ^dobou v^ypnutí ty^storó s^tří^da^če ^prou^du ² a tyriirtooového usměr^ňova^če 4². Po Skončení ^ekmitu a ^pře^pólován^í kom. kondenzátoru C4 je se^pnut nový hl. tyristor 1Α» který přivádí proud do nové fáze £, obr. 2d.

V tomto okamžiku má stará fáze T proud přibližně rovný Id/2 a novou fází R již protéká také proud Id/2. Na obr. 2d je vidět, že hlavním tyr^i^sorem 14 přitéká proud Id do nové fáze R a přes diody 21, 22, 22 a akumuiUační konddenátor Cl přitéká proud do staré fáze T· Za dobu y/2 dozní proud ve staré fázi Tav nové fázi R naroste na hodnotu Id. .

Z popisu funkce střídače proudu při kommUaci proudu z fáze T na £ je zřejmé, že vybíjení akumuiUačního kondenzátoru Cl a jeho nabíjení je symmerický děj před a po komuUaci hlavních tyristorů, který zajetí rovnováhu napětí na kondennátoru. Přitom se vybíjení i nabíjení akumuiUačního kondenzátoru C1 děje při komuUaci proudu mezi výstupními fázemi.

U střídače proudu jsou nebezpečné přepěťové stavy. Pro oineeení přepětí na komutačních tyristorech 21. 22. £1, £2, 41 a 51 slouží přepěťové ochrany např. varistory nebo RC člen^y. Pro ^meení přepěH na hlavních tyristorech stfíta^ proudu 2θ slouží . tm^e^(^t^^v^(^:í dioty 93. kterě spolupracuj s Sodami akurnu^čního usměroova^ £² a s akumulacím kondenzátorem C1 a dobíječím kondensátorem C2. Např. při vypnuU,! hlavního tyristorů 12 střída če зе přepětí na něm omezí přes diodu 75 akumulační kondenzátor C1 a první omezovači diodu 93 ва úroveň akumulačního kondenzátoru C1.

К dobijecímu kondenzátoru C2 je paralelně připojen pomocný dobíječi zdroj takže i při nízkých otáčkách nebo chodu naprázdno má dobíječi kondenzátor C2 napětí. Přes tyristór 41 a indukčnost L3 je toto napětí přivedeno na komutační kondenzátor C4. Obvod se dále uzavírá přes komutační indUkčnost L4 a třetí komutační tyristor 31 do svorky dobíjecího kondenzátoru C2. Tím je dosažena dostatečná komutační schopnost střidače i při nízkých otáčkách motoru a velkých záběrových proudech. Oddělovací dioda 95 odděluje napěíové úrovně akumulačního kondenzátoru C1 a dobíjecího kondenzátoru C2, zejména při malých otáčkách, kdy napětí na dobíječím kondenzátoru C2 je vyšší než na akumulačním kondenzátoru Cl. Vyrovnávání napětí obou kondenzátorů by mělo za následek vysoké výkonové zatížení pomocného dobíjecího zdroje 7°.

Claims (2)

1. Zapojení střídače proudu s vlastní komutací napájené ze zdroje proudu, který je tvořen řízeným tyristorovým usměrňovačem a vyhlazovací indukčností a které obsahuje akumulační usměrňovač, střidač, tyristorový usměrňovač, pomocný pulsní měnič a zdroj proudového komutačního pulsu, vyznačené tím, že střidač proudu (2°) připojený stejnosměrnými svorkami (2.1, 2.2) přes vyhlazovací indukčnost (L1 ) к stejnosměrným svorkám (1.1, 1.2) řízeného tyristorového usměrňovače (1θ), je spojen střídavými svorkami (2.3, 2.4, 2.5) se zátěží (8°), к níž je paralelně zapojen akumulační usměrňovač (3°) a opačně orientovaný tyristorový usměrňovač (4θ), přičemž odpovídající stejnosměrné svorky (3.1), (4.1) a (3.2), (4.2) akumulačního a tyristorového usměrňovače (3θ) a (4°) jsou vzájemně propojeny přes první a druhou impedanci (Z1) a (Z2) a paralelně к stejnosměrným svorkám (4.1 ), 4,2) tyristorového usměrňovače (4θ) jsou zapojeny dvě větve se sériově spojenými komutačními tyristory (21, 22) a (31, 32), přičemž společné body prvního a druhého komutačního tyristoru (21 ), (22) a třetího a čtvrtého komutačního tyristoru (31) a (32) v obou větvích jsou propojeny přes zdroj (6θ) proudového komutačního pulsu, tvořený «áriovým spojením komutační indukčnosti (L4) a komutačního kondenzátoru (C4) a dále první stejnosměrná svorka (2.1) střídaěe proudu (2θ) ge přes první komutační diodu (91 ) spojena se společným bodem anod prvního a čtvrtého komutačního tyristoru (21) a (32) a společný bod katod druhého a třetího komutačního tyristoru (22) a (31) je přes druhou komutační diodu (92) spojen в druhou stejnosměrnou svorkou (2.2) střídače proudu (2θ), přičemž к stejnosměrným svorkám (3.1, 3.2) akumulačního usměrňovače (3θ) je připojen akumulační kondenzátor (Cl), zapojený do série s pomocným pulsním měničem (5θ), jehož první vstupní svorka (5.1) je přes první omezovači diodu (93) spojena s první stejnosměrnou svorkou (2.1) střídače proudu (2θ), jehož druhá stejnosměrná svorka (2.2) je přes druhou omezovači diodu (94) spojena s katodou oddělovací diody (95), zapojené anodou na první stejnosměrnou svorku (4.1) tyristorového usměrňovače (4θ), přičemž do série s oddělovací diodou (95) je zapojen dobíječi kondenzátor (C2) к němuž je paralelně zapojen pomocný dobíječi zdroj (7°) a dále katoda oddělovací diody (95) je přes sériové spojení indukčnosti (L3) a tyristoru (41) spojena se vstupní svorkou (6.2) zdroje proudového komutačního pulsu (6θ),která je spojena s jedním polem komutačního kondenzátoru (C4).

2. Zapojení střídače proudu s vlastní komutací podle bodu 1, vyznačené tím, že pomocný pulsní měnič (5°), je tvořen hlavním tyristorem (50), jehož katoda je spojena s první svorkou (5.1) a jehož anoda je přes úbytkovou impedanci (Z3) spojena s druhou svorkou (5.2) pomocného pulsního měniče (5°), přičemž paralelně к hlavnímu tyristoru (50) je zapojen obvod sestávající ze sériového spojení indukčnosti (L2), kondenzátoru (C2) a antiparalelní kombinace pomocného tyristoru (51) a první pomocné diody (78), a dále antiparalelně к hlavnímu tyristoru (50) a úbytkové impedanci (Z3) je zapojena druhá pomocná dioda (77).