CZ219097A3

CZ219097A3 - Zapojení usměrňovače

Info

Publication number: CZ219097A3
Application number: CZ972190A
Authority: CZ
Inventors: Roland Ing. Manser
Original assignee: Daimlerchrysler Ag
Priority date: 1996-07-20
Filing date: 1997-07-10
Publication date: 1998-02-18
Also published as: PL183736B1; CZ292315B6; EP0819563A3; ZA975930B; PL321177A1; EP0819563A2; DE19629333A1

Description

Oblast techniky.

Vynález se týká zapojení usměrňovače obsahující nejméně jeden fázový stavební prvek, který je připoj en na zdroj stejnosměrného napětí a první a druhý dílčí usměřovač, které jsou zapojeny v sérii’, a které napá její vždy jedno vinutí motoru, zapojená do hvězjy,dále obsaahuje sériové spojení výkonových polovodičových spínačů, které jsou chráněny ochranným obvodem.

Dosavadní stav_techniky_±

Takovéto zapojení usměrňovače je například známo z evropské patentové přihlášky č. O 543 203 Al. Týká se tak zvaného zapojení do dvojité hvězdy, u kterého první dílčí usměrňovač a druhý dílčí usměrňovač jsou zapojeny v sérii. Dílčí usměrňovače napájejí přitom vždy jedno vinutí motoru na střídavý proud, zapojené do hvězdy (zapojení do dvojité hvězdy). Toto za pojení se zejména používá u železničních pohonů napájených ze sítě 3 kV stejnosměrného napětí. Sériovým zapojením usměrňovačů se řeší. přitom ten problém, že u těchto sítí se mění napětí v . Vrozsahu 2 kV až 5 kV. V přítomné době nejsou k disposici GTOs (gate turn-off switch), t.j. spínače řízené záporným impulzem se závěrným napětím až 4,5 kV. Rozdělením tohoto napětí na dvakrát 1,5 kV dá se toto napětí již spolehlivě zvládnout. Jiné řešení představuje t. zv. stříbodový střídač, viz např. pat. spis DE 37 43 437 Cl.

Výkonové polovodičové spínače prvního a druhého dílčího usměrňovače musí být chráněny ochranným ob vodem proti příliš vysokým napětím a proudům případně příliš strmým čelům napětí nebo proudu. V rámci tohoto zapojení do dvojité hvězdy se používá tak zvaný Undeland-obvod” nebo Markward-obvod” . Pro oba dílčí usměrňovače dostane se tak zapojení, jak je znázorněno v obr. 1. V rámci dalších pokusů s tímto obvodem se prokázalo, že se vyskytují rušivé složky ve formě vyšších harmonických kmitů, zejména třetí harmonické. Právě v železničních sítích stejnosměrného napětí jsou kladeny nejvyšší nároky na zpětné působení sítě,č^nuž lze fa ohledem na vliv této třetí harmonické sotva zabílit.

Úkolem vynálezu je, dále rozvinout známé zapo jení usměrňovače v tom směru, aby se zmenšil podíl vyšších harmonických, zejména se má zmenšit vliv třetí harmonické.

Tento úkol se u zapojení umměrňovače shora uvedeného druhu řeší tím, že ochranný obvod prvního dílčího usměrňovače je zapojeqobrazově symetricky k ochran3 nému obvodu druhého dílčího usměrňovače.

Podstatou vynálezu tedy je, že ochranné obvody dílčích usměrňovačů jsou zapojeny obrazově symetrie ky. Obrazová symetrie vztahuje se přitom na potenciální úroveň, která je mezi póly zdroje stejnosměr ného napětí.

Z výsledků měření vyplynulo, že zapojení podle vynálezu je ve srovnání se stavem techniky u zapojení bez obrazové symetrie, pokud se týká podílů vyš ších harmonických, podstatně lepší. Zejména poměrně nejhlubší třetí harmonická mohla být úplně elimino vána. Na základě té skutečnosti, že při nesymetrickém uspořádání podle stávajícího stavu techniky je zapnut hodrní nebo dolní GTO jednoho dílčího usměrňovače, existuje statický energetický rozdíl mezi oběma stavy sepnutí. Jestliže je horní GTO vodivý, je ochraný kondenzátor, zapojený paralelně k tomuto GTO, vy»· bit a proud teče do tlumivky. Jestliže je dolní GTO zapnut, je proud, protékající tlumivkou, nulový a ochranný kondenzátor je nabit. Tento energetický rozdíl musí se periodicky vy-rovnávat meziobvodem. To způsobuje pro dílčí usměrňovač složku rušivého proudu o stejné frekvenci, jako je spínací frekvence to hoto dílčího usměrňovače. Zmíněná třetí harmonická » takt ovací frekvence vzniká tím, že v normálním pří pádě tří fázových stavebních prvků jsou tyto zapojeny paralelně, přičemž jsou řízeny s fázovým posunutím o 120°. Pro celé zapojení usměrňovače dostane se ru šivá složka s trojnásobnou frekvencí, tedy třetí harmonická.

Vynález využívá pro zapojení s výhodou tak zva ný, Undeland-ochranný obvod., nebo Marquard-ochranný obvod. Tyto ochranné obvily jsou, jak již bylo u vedeno, asymetrické.

Vynález není omezen j&n na použití GTOs spínačů, nýbrž mohou se také použít například výkonové tranzistory nebo také IGBTs (insulated-gate head path), t.j. zprávové mpduly s izolovaným uzlem. Další výhodná roz»· vinutí vyrflezu jsou obsažena v podružných nárocích.

Výhodnost řešení podle vynálezu spočívá v tom, že symetrickým ochranným obvodem se může snížit podíl vyšších harmonických.

Přehled obrázků na výkrese.

V dalším textu bude vynález blíže vysvětlen na příkladech provedení, znázorněných na výkresech.

v

Na obr. 1 je znázorněno zapojení usměrňovače podle dosavadního stavu techniky.

Na obr. 2 je znázorněno zapojení usměrňovače podle vynálezu.

Příklady grovedení_yynálezu_L

Obr. 2 ukazuje příklad provedení podle vynálezu. Jedná se přitom u fázový stavební prvek výhodně tří fázový měnič. Ostatní fázové stavební prvky nejsou z důvodu lepší přehlednosti znázorněny a naznačeny jen čár kovanými přímkami. Fázové stavební prvky jsou napojeny na zdroj 1 stejnosměrného napětí, zejména trakční sítě stejnosměrného napětí např. 3,5 kV. Obsahují dva dílčí usměrňovače 2, které jsou zapojeny v sérii.Každý dílčí usměrňovač _2 napájí jedno dílčí vinutí hnacího motoru 3. Dílčí vinutí motoru 3 jsou přitom zapojeny do hvězdy, takže se může nazývat také zapojení do dvojité hvězdy.

Každý dílčí usměrňovač 2 obsahuje sériové zapojení dvou výkonových polovodičových spínačů, zejména dvou GTOs, t.j. spínačů řízených záporným impulzem, GTO1, GT02. Místo spínačů GTOs mohou se použít také jiné výkonové polovodičové spínače např. IGB^s nebo výkonové tranzistory. Paralelně k výkonovým polovodičovým spínačům GTO1 a GTO2_je zapojena vždy nulová dioda Dfl., Df2. Střední uzly sériového zapojení výkonových polovodičových spínačů GTO1 a GT02 tvoří tvoří přípoj 4 zátěže, na který může být připojena zátěž, tvořená zmíněnými dílčími vinutími hnacího motoru 3. Paralelně ke zdroji 1 stejnosměrného napětí je uspořádán kondenzátor meziobvodu, který je v tomto případě rozdělen dvěma dílčími usměrňovači na dolní kondenzátor Czk2 a horní kondenzátor Czk1 meziobvodu. Sepnutím výkonového polovodičového spínače se p'ipojí na přípoj 4 zátěže buď kla^áý nebo záporný pól zdroje 1 stejnosměrného napětí. V da něm případě se dvěma dílčími usměrňovači 2 se stejnosměrné napětí půlí oběma kondenzátorý Czld a £zk2 Tímto způsobem se může napětové zatížení výkonových polovodičových spínačů snížit.

Výkonové polovodičové spínače GTO1 a GTO2 a nulové diody Dfl a Df2 se musí v provozu chránit proti příliš vyským čelům proudu příp. napětí.K tomu je uspořádán ochranný obvod. Tento obsahuje v rámci vynálezu tak zvaný Undeland-oobvod nebo ^arquardobvod. Tento ochranný obvod obsahuje pro každý dílčí usměrňovač 2 následující prvky: omezující tlumivku Li resp. L2 nárůstů proudu, ochranný kondenzátor Cb1, příp. Cb2, komutační kondenzátor Cul. resp. Cu2, ochranný odpor Rbl resp. Rb2 a dvě diody: první ochrannou diodu Dbl.2 resp. Dbl2 a druhé ochranné diody Db21, resp. Db_22.

Tento druh ochranných obvodů je sám o sobě znám takže způsob jeho funkce nemusí být na tomto místě vysvětlen. Použití tohoto zapojení u spojení do dvojité hvězdy vede k uspořádání, jak je znázorněno v obr. 1 a bylo uvedeno ve známém stavu techniky. Toto uspořádání má ale nedostatky, jak bylo vpředu uváděno, po kud se týká harmonických kmitů. Tyto nežádoucí podíly se mohou odstranit vynálezem, přičemž ochranné obvody jsou vytvořeny obrazově symetrické. Toto uspořádání je znázorněno v obr. 2.

Podle vynálezu je tedy omezující tlumivka LI nárůstu proudu horního dílčího usměrňovače 2 uspořádaná mezi kladným pólem zdroje 1 stejnosměrného napětí a sériovým spojením výkonových polovodičových spínačů GT£l ^a 2ΪΡ2» zatím co omezující tlumivka 12 nárůstu proudu dolního dílčího usměrňovače 2 je uspořá daná mezi záporným pólem zdroje 1 stejnosměrného napětí a výkonovými polovodičovými spínači UT04,GT02. Také sled sériového spojení ochranného odporu Rb2 & komutačního kondenzátoru 232 3^{e u} dolního dílčího usměrňovače obrácený, takže ochranný odpor Rb2 je spojen se záporným pólem zdroje 1 stejnosměrného a nikoliv s komutačním kondenzátořem _2ϋ2χ Zrcadlová symetrie platí také pro ochranný kondenzátor Cb2 a a s ním spojené ochranné diody Db21 a Eb22: Ochranný kondenzátor Cb2 není tedy již uspořádán paralelně k hornímu výkonovému polovodičovému spínači GTOl, nýbrž k dolnímu výkonovému polovodičovému spínači GTO2. Ochranný kondenzátor Cb2 je přitom vždy spojen prostřednictvím ochranných diod Db22 resp. Db21 jednak se středním uzlem sériového spojení ochranného odporu Rb2 a komutačního kondenzátoru Cu2 a jednak se spojovacím bodem dolního výkonového polovodičového spínače GTO2 a omezující tlumivky L2 nárůstu proudu. Polarita ochranných diod Db24· a Db22 je přitom v důsledku obrazaově symetrického uspořádání o chranných obvodů obou dílčích usměrňovačů 2 u dolního obrácená, nežli u horního.

Právě popsané zapojení usměrňovače podle vynálezu, u kterého jsou ochranné obvody horního a dolního dílčího usměrňovače 2 uspořádány zrcadlově symetricky, má ve srovnání se známým stavem techniky tu přednost, že vpředu objasněné rušivé složky se nevyskytují. Zrcadlové symetrickým uspořádáním kompenzují se vlivy v obou dílčích proudových obvodech. Ve společném mezi obvodu se tyto rušivé složky již nevyskytují.

Stávající stav techniky se tak mohl s ohledem na podíl vyšších harmonických dále zlepšit.

i'’	r		— -

Ό	1—	77
		α>
r~'	CO	2	G
	*—í	-<
		co
	O	o	σ
		<
		m
	<	hc
	λ	o

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zapojení usměrňovače, obsahující nejméně jeden fázový stavební prvek, který je připojen na zdroj stejnosměrného napětí a první a druhý dílčí usměrňovač,které jsou zapojeny v sérii a které napájejí vždy jedno vinutí motoru, zapojené do hvězdy, dále obsahuje sériové spojení výkonových polovodičových spínačů, které jsou chráněny ochranným obvodem, vyznačující se tím,že ochranný obvod prvního dílčího usměrňovače (2) je o rázově symetricky vytvořen k ochrannému obvodu druhého dílčího usměrňovače (2).
2. Zapojení podle nároku 1, vyznačující se tím,že dílčí usměrňovače (2) obsahují vždy sériové spojení sudého počtu výkonových polovodičových spínačů (GTO1, GTO2) s antiparalelně zapojenými nulovými diodami (Df4, Df2), přičemž ochranné obvody dílčích usměrňovačů (2) obsahuje vždy jeden ochranný kondenzátor (Cb1 resp. Cb2), první a druhou ochrannou diodu (Db11, Db12 resp. Db21, Db22), komutační kondenzátor (Cu1, resp. Cu2), ochranný odpor (Rb1 resp. Rb2) a omezující tlumivku (LI resp. L2), přičemž ochranný kondenzátor (Cb1 resp. Cb2) je prostřednictvím první ochranné diody Db1 resp. Db2) uspořádán paralelně k tomu výkonovému polovodičovému spínači (GTO1 sesp. GTO2), který je blíž u kladného resp. záporného pólu zdroje (1) stejnosměrného na pěti a přičemž omezující tlumivl⁸· (L1 resp. L2) ná růstu proudu je uspořádaná mezi tím výkonovým polo 9 vodičovým spínačem (GTO1 resp. GTO2), který leží blíž u kladného resp. záporného pólu zdroje (1) stejnosměrného napětí a komutační kondenzátor (Cu1 resp. Cu2) je zapojen v sérii s ochranným odporem (Rb1 resp.

Rb2) a paralelně k sériovému spojení výkonových po lovodičových spínačů (GTO1, GTO2) a omezující tlu mivce (L1 resp. L2) nárůstu proudu a prostřednictvím druhé ochranné' tlumivky (Dhl2 resp. Db22) je ápojen s ochranným kondenzátorem (^b1 resp. CB2), přičemž ochranný odpor (Rb1 resp. Rb2) je spojen s kladným pólem resp, záporným pólem zdroje (1) stejnosměrného napětí.
3. Zapojení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že výkonové polovodičové spínače jsou tvořeny spínači řízenými záporným impulzem GTOg, nebo výko novými tranzistory, nebo moduly s izolovaným · hradlem IGBTs /VMM?