FI108819B - PWM-taajuusmuuttaja - Google Patents

Description

108819

PWM-TAAJUUSMUUTTAJA

Keksinnön kohteena on monivaiheinen, jänniteohjattu PWM-taajuusmuuttaja, jossa on ohjausyksikkö, monivaiheiseen vaihtosähkölähteeseen kytkettävä oh-5 jattu veikkosilta, tasajännitevälipiiri sekä ohjattu kuormasilta taajuudeltaan vaihtelevan monivaiheisen vaihtojännitteen syöttämiseksi monivaiheiseen kuormaan, joka ohjausyksikkö ohjaa verkkosillan ohjattuja puolijohdekytkimiä johtamaan siten, että sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen hetkellisarvo on suurin, ylähaaran ohjattu puolijohdekytkin, ja sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen 10 hetkellisarvo on pienin, alahaaran ohjattu puolijohdekytkin johtavat joko jatkuvasti tai sen ajan, jolloin välipiirin virta on negatiivinen.

Kolmivaiheisissa jänniteohjatuissa PWM-taajuusmuuttajissa on verkkosilta syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen tasasuuntaamiseksi tasajännite-15 välipiirin tasajännitteeksi sekä kuormasilta tasajännitevälipiirin tasajännitteen vaihtosuuntaamiseksi taajuudeltaan vaihtelevaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi tehon kulkiessa verkosta kuormaan päin. Taajuusmuuttaja syöttää kolmivaiheista kuormaa, kuten oikosulkumoottoria, jota voidaan käyttää monissa sovellutuksissa, esimerkiksi pumpuissa tai tuulettimissa. Kuormasilta on ko-20 koaaltosilta, jossa on pulssileveysmodulaatiolla ohjatut puolijohdekytkimet sekä niiden kanssa vastarinnankytketyt diodit. Verkkosilta voi olla ohjaamaton koko-aaltosilta, jolloin siinä käytetään vain diodeja, tai ohjattu, jolloin siinä käytetään , ohjattavia puolijohdekytkimiä sekä niiden kanssa vastarinnankytkettyjä diodeja.

Ohjatun verkkosillan tapauksessa teho voi kulkea myös kuormasta verkkoon 25 päin esimerkiksi moottorin jarrutustilanteissa.

1 · · t · ", Eräs tunnettu mahdollisuus ohjatun verkkosillan toteuttamiseksi on US- patenttijulkaisussa 4,447,868 esitetty kolmivaiheinen kytkentä, joka sallii tehon *···* kulkevan joko vaihtojännitepiiristä tasajännitepiiriin tai päinvastoin. Ko. patentin 30 mukaisesti tasasuuntaussillan transistoreja ohjataan johtamaan siten, että sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen hetkellisarvo on suurin, ylähaaran transistori ja sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen hetkellisarvo on pienin, alahaaran transistori , · ·. johtavat.

35 Tunnetun tekniikan mukaisesti käytetään taajuusmuuttajien tasajännitevälipiiris-:.i.: sä kondensaattoriyksikköä tasajännitteen suodattamiseksi ja verkkosillan si- :··: sääntulossa kolmivaiheista kuristinyksikköä virtahuippujen rajoittamiseksi. Koi- 2 108819 mivaiheisen kuristinyksikön sijasta voidaan käyttää myös tasajännitepiiriin kytkettävää yksivaiheista kuristinta.

Kondensaattoriyksikön mitoituksen määrää yleensä kondensaattoreiden kyky 5 kestää niihin kohdistuva virta- ja jänniterasitus sekä vaadittava elinikä ääriolo-suhteissa. Virtarasitusta laskettaessa moottori- ja syöttöverkkopuolen aiheuttamat komponentit lasketaan yleensä ensin erikseen ja sitten ne lasketaan yhteen neliöllisesti. Näin tehdään silloin, kun kondensaattoriyksikön kapasitanssi on huomattava jolloin virtapiirien voi katsoa olevan erillisiä eivätkä niiden hetkel- 10 lisarvot vaikuta toisiinsa. Näistä lähtökohdista seuraa, että kondensaattoriyksikön kapasitanssi tulee varsin suureksi koska edullisen kondensaattorityypin, elektrolyyttikondensaattorin, virtasietoisuus on suhteellisen pieni. Suuri kapasitanssiako on toisaalta edullinen erilaisten säätöfunktioiden (esim. mootto-rijännitteen stabiilisuus, toiminta jarrutustilanteissa, toiminta verkkokatkostilan- 15 teissä) kannalta.

Suuren kondensaattoriyksikön ansiosta tasajännite on lähes vakio. Syöttöver-kon suunnasta katsottuna tästä seuraa, että verkkovirran huippujen rajoittamiseksi jossakin kohtaa virtatiellä täytyy löytyä huomattava määrä induktanssia.

20 Nykyisin tämä induktanssi sijoitetaan tavallisimmin verkkosillan etupuolelle, jolloin se samalla suojelee verkkosiltaa verkkojännitteen ylijännitepiikeiltä.

. : Tunnetun tekniikan mukaiset suodatinkomponentit ovat suuria ja kalliita. Siten • ·» : niiden vaikutus taajuusmuuttajan kokoon ja kustannuksiin on hyvin suuri.

25 ,/ Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epäkohdat ja ' ;·/ saada aikaan sellainen ohjausjärjestely, jolla voidaan minimoida jänniteohjatun ‘ ··* PWM-taajuusmuuttajan suodatuskomponenttien koko.

I « 30 Keksinnön mukaiselle jänniteohjatulle monivaiheiselle PWM-taajuusmuuttajalle, :·*: jonka verkkosillassa on ohjatut puolijohdekytkimet sekä niiden rinnalla vasta- rinnankytketyt diodit, on tunnusomaista se, että verkkosilta on kytketty kuorma-siltaan suoraan ilman suurikapasitanssista, energian välivarastona toimivaa ta-sajännitekondensaattoriyksikköä, ja kuormasillan muodostama tasavirta on jär-

t * · I

35 jestetty kulkemaan suoraan syöttöverkkoon ilman virran huippuarvon rajoitusta : suuri-induktanssisella kuristinyksiköllä.

3 108819

Keksinnön mukaisessa PWM-taajuusmuuttajassa ei tarvita kondensaattoria vä-lipiirin tasajännitteen tasaamiseksi eikä kuristinta verkkovirran huippuarvojen rajoittamiseksi. Kapasitanssiltaan pientä kondensaattoria voidaan kuitenkin käyttää tasajännitepiirin hajainduktansseihin sitoutuneen energian aiheuttamien 5 jännitepiikkien rajoittamiseksi kytkentätilanteissa. Samoin voidaan käyttää in-duktanssiarvoltaan pienistä kuristimista ja kapasitanssiarvoiltaan pienistä kondensaattoreista koostuvaa suodatinyksikköä syöttöverkon puolella suodatta- i maan suuritaajuisia yliaaltoja syöttöverkon virrasta.

| 10 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 keksinnön mukaista jänniteohjattua PWM-taajuusmuuttajaa, ja 15 kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisen taajuusmuuttajan verkkosillan ohjausta sekä tasavirtaa ja vaihevirtaa.

Esimerkki: Neljän kvadrantin käytöt 20 Kuvio 1 esittää kolmivaiheista jänniteohjattua PWM-taajuusmuuttajaa, jossa on verkkosilta 20 syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen, jossa on vaihejän-| nitteet Uu, Uv, Uw, tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi Udc \ : sekä kuormasilta (invertteri) 11 tasajännitevälipiirin tasajännitteen vaihtosuun- : *, · * taamiseksi taajuudeltaan vaihtelevaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi, jonka ‘25 vaihejännitteet ovat Ur, Us, Ut. Taajuusmuuttaja syöttää kolmivaiheista oikosul-kumoottoria (M) 12. Kuormasilta 11 on kokoaaltosilta, jossa ohjausyksikkö 13 ohjaa pulssileveysmodulaatiolla kunkin vaiheen puolijohdekytkimiä V11 - V16 (R-vaihe V11, V14, S-vaihe V12, V15 ja T-vaihe V13, V16), joiden rinnalla on : vastarinnankytketyt diodit D11 - D16.

30 ··: Kuormasillan aiheuttamalle tasajännitevälipiirin virralle pätevät seuraavat pe- russäännöt, kun virtojen positiivinen suunta on moottoriin 12 päin: 1. Kun kaikki vaihekytkimet ovat samassa asennossa, lDc = 0 2. Kun yksi kytkimistä on yläasennossa ja kaksi muuta ala-asennossa, Idc = 35 sen vaiheen virta, jonka vaihekytkin on yläasennossa, positiivisena.

3. Kun yksi kytkin on ala-asennossa ja kaksi muuta yläasennossa : · ·: Idc = sen vaiheen virta, jonka vaihekytkin on ala-asennossa, negatiivisena.

4 108819

Tasajännitepiirin suodatuksen eliminointi ilman mitään välipiirin virran suuntaan kohdistuvaa rajoitusta edellyttää sitä, että tasasuuntaussillan sijasta käytetään kytkentää, joka sallii negatiivisen välipiirivirran kulkemisen syöttöverkon suun-5 taan.

Tällainen verkkosillan 20 kytkentä saavutetaan kytkemällä jokaisen tasasuuntaussillan diodin D1 - D6 rinnalle ohjattava puolijohdekomponentti, esim. IGBT, V1 - V6. Niiden ohjaussäännöt ovat kuvion 2 mukaisesti: 10 - sen vaiheen, jonka jännitteen hetkellisarvo on suurin, ylähaaran IGBT on johtava, ja - sen vaiheen, jonka jännitteen hetkellisarvo on pienin, alahaaran IGBT on johtava.

15 Toisin sanoen ne IGBT:t pidetään johtavina, joiden rinnalla olevat dioditkin ovat johtavia silloin kun teho virtaa moottoriin päin. IGBT:eitten ansiosta teho voi yhtä helposti virrata toisinkin päin.

Kytkemällä syöttöverkon ja verkkosillan väliin vielä LC-suodatin voidaan kor-20 keataajuisia yliaaltoja vähentää verkkovirrasta kuvion 2 esimerkin mukaisesti.

Keksinnön mukainen verkkosillan ohjaustapa ei aseta rajoituksia taajuusmuut- , : tajan sovellutuskohteille.

• · f · ' 25 Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät ra- ./ joitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljem- pänä esitettävän patenttivaatimuksen puitteissa.

» · • · r » · • · »

Claims (1)

108819 PATENTTIVAATIMUS Monivaiheinen, jänniteohjattu PWM-taajuusmuuttaja, jossa on ohjausyksikkö (13), monivaiheiseen vaihtosähkölähteeseen (Uu, Uv, Uw) kytkettävä ohjattu 5 veikkosilta (20), tasajännitevälipiiri sekä ohjattu kuormasilta (11) taajuudeltaan vaihtelevan monivaiheisen vaihtojännitteen (Us, UR, UT) syöttämiseksi monivaiheiseen kuormaan (12), jossa kuormasillassa on pulssileveysmodulaatiolla ohjatut puolijohdekytkimet (V11-V16) sekä niiden rinnalla vastarinnankytketyt diodit (D11-D16), ja jossa verkkosillassa on ohjatut puolijohdekytkimet (V1-V6) 10 sekä niiden rinnalla vastarinnankytketyt diodit (D1-D6), joka ohjausyksikkö ohjaa verkkosillan ohjattuja puolijohdekytkimiä johtamaan | siten, että sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen hetkellisarvo on suurin, ylähaaran ! ohjattu puolijohdekytkin, ja sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen hetkellisarvo on pienin, alahaaran ohjattu puolijohdekytkin johtavat joko jatkuvasti tai sen ajan, 1. jolloin välipiirin virta (lDc) on negatiivinen tunnettu siitä, että verkkosilta (20) on kytketty kuormasiltaan (11) suoraan ilman suurikapasitans-sista, energian välivarastona toimivaa tasajännitekondensaattoriyksikköä, ja kuormasillan muodostama tasavirta on järjestetty kulkemaan suoraan syöttö-20 verkkoon ilman virran huippuarvon rajoitusta suuri-induktanssisella kuristinyksi-köllä. 108819 PATEN KRAV Mängfasig, spänningstyrd PWM-frekvensomformare med en styrenhet (13), en till en mänfasig växelströmkälla (Uu, Uv, Uw) anslutbar styrd nätbrygga (20), en 5 likspänningsmellankrets samt en styrd lastbrygga (11) för att mata en mang-fasig växelspänning (Us, UR, UT) med varierande frekvens tili en mänfasig last (12), vilken lastbrygga omfattar halvledarswitchar (V11-V16) styrda med pulsbreddmodulation samt parallelt med dem antiparallellkopplade dioder (D11-D16), och vilken nätbrygga omfattar styrda halvledarswitchar (V1-V6) samt 10 parallelt med dem antiparallellkopplade dioder (D1-D6), vilken styrenhet styr nätbryggans styrda halvledarswitchar att leda sä att av övre grenars styrda halvledarswitchar leder halvledarswitchen i den fas vars nätspänningens ögonblicksvärde är störst och av nedre grenars styrda halvledarswitcharna leder halvledarswitchen i den fas vars nätspänningens 15 ögonblicksvärde är minst antingen hela tiden eller den tid som mellankretsens Ström (lDc) är negativ, kännetecknad däravatt nätbryggan (20) är ansluten tili lastbryggan (11) direkt utan en likspännings-kondensator med stor kapasitans som fungerar som ett mellanlagringsställe för 20 energi, och likström som lastbryggan ästadkommit har anordnats att strömma direkt tili matarnätet utan att begränsa strömmens toppvärde med en drosselenhet med stor induktans. • · * · II»