FI111201B - PWM-taajuusmuuttaja - Google Patents

Description

111201

P WM -TAAJ UUSMUUTTAJA

Keksinnön kohteena on monivaiheinen, jänniteohjattu PWM-taajuusmuuttaja, jossa on ohjausyksikkö, monivaiheiseen vaihtosähkölähteeseen kytkettävä oh-5 jaamaton veikkosilta, tasajännitevälipiiri sekä ohjattu kuormasilta taajuudeltaan vaihtelevan monivaiheisen vaihtojännitteen syöttämiseksi monivaiheiseen kuormaan, ja jossa verkkosiita on kytketty kuormasiltaan suoraan ilman suuri-kapasitanssista, energian välivarastona toimivaa tasajännitekondensaattoriyk-sikköä ja kuormasillan muodostama tasavirta on järjestetty kulkemaan suoraan 10 syöttöverkkoon ilman virran huippuarvon rajoitusta suuri-induktanssisella kuris-tinyksiköllä.

Kolmivaiheisissa jänniteohjatuissa PWM-taajuusmuuttajissa on verkkosiita 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.

Tunnetun tekniikan mukaisesti käytetään taajuusmuuttajien tasaj ä n n iteväl ipi i rissa kondensaattoriyksikköä tasajännitteen suodattamiseksi ja verkkosillan si-25 sääntulossa kolmivaiheista kuristinyksikköä virtahuippujen rajoittamiseksi. Kolmivaiheisen kuristinyksikön sijasta voidaan käyttää myös tasajännitepiiriin kytkettävää yksivaiheista kuristinta.

Kondensaattoriyksikön mitoituksen määrää yleensä kondensaattoreiden kyky 30 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-35 lisarvot vaikuta toisiinsa. Näistä lähtökohdista seuraa, että kondensaattoriyksikön kapasitanssi tulee varsin suureksi koska edullisen kondensaattorityypin, elektrolyyttikondensaattorin, virtasietoisuus on suhteellisen pieni. Suuri ka- 2 111201 pasitanssiarvo on toisaalta edullinen erilaisten säätöfunktioiden (esim. mootto-rijännitteen stabiilisuus, toiminta jarrutustilanteissa, toiminta verkkokatkostilan-teissa) kannalta.

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

10

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

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epäkohdat ja 15 saada aikaan sellainen ohjausjärjestely, jolla voidaan minimoida jänniteohjatun PWM-taajuusmuuttajan suodatuskomponenttien koko.

Keksinnön mukaiselle jänniteohjatulle monivaiheiselle PWM-taajuusmuuttajalle, jonka verkkosillassa on ohjaamattomat puolijohdekytkimet on tunnusomaista 20 se, että ohjausyksikkö ohjaa kuormasillan muodostamaa ulostulojännitteen pulssikuviota tasokolmiomoduloinnilla siten, että välipiirin virrassa esiintyy vain positiivisia virta-arvoja ennalta määrättyä suuremmilla, tyypillisesti costp > 0,5, ulostulon tehokertoimen arvoilla, ja ohjausyksikkö säätää ulostulojännitteen suuruutta siten, että ulostulon tehokerroin pysyy taajuudesta ja kuormituksesta 25 riippumatta ennalta asetetun minimiarvon, tyypillisesti costp > 0,5, yläpuolella.

Keksinnön mukaisessa PWM-taajuusmuuttajassa ei tarvita kondensaattoria välipiirin tasajännitteen tasaamiseksi eikä kuristinta verkkovirran huippuarvojen rajoittamiseksi. Kapasitanssiltaan pientä kondensaattoria voidaan kuitenkin 30 käyttää tasajännitepiirin hajainduktansseihin sitoutuneen energian aiheuttamien jännitepiikkien rajoittamiseksi kytkentätilanteissa. Samoin voidaan käyttää in-duktanssiarvoltaan pienistä kuristimista ja kapasitanssiarvoiltaan pienistä kondensaattoreista koostuvaa suodatinyksikköä syöttöverkon puolella suodattamaan suuritaajuisia yliaaltoja syöttöverkon virrasta.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 35 3 111201 kuvio 1 esittää jänniteohjattua PWM-taajuusmuuttajaa, kuvio 2 esittää tasajännitevälipiirin virran muodostumista, 5 kuvio 3 esittää suodattamatonta tasavirtaa sekä vaihtojännitettä ja -virtaa, kuvio 4 esittää tasavirtaa pienillä tehokertoimen arvoilla, 10 kuvio 5 esittää sinikolmiomoduloinnin vaihekytkinten kytke ntäj ärjesty stä, kuvio 6 esittää tasokolmiomodulointia, kuvio 7 esittää kaksipulssimodulointia, 15 kuvio 8 esittää moottorin tehokerrointa vakiomomentilla, ja kuvio 9 esittää moottorin tehokerrointa neiiöllisellä momentilla lineaarisella ja optimoidulla jännitteellä.

20

Esimerkki. Yhden kvadrantin käytöt.

Kuvio 1 esittää kolmivaiheista jänniteohjattua PWM-taajuusmuuttajaa, jossa on verkkosilta (tasasuuntaaja) 10 syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen, 25 jossa on vaihejännitteet Uu, Uv, Uw, tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi Udc sekä kuormasilta (invertteri) 11 tasajännitevälipiirin tasa-jännitteen vaihtosuuntaamiseksi taajuudeltaan vaihtelevaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi, jonka vaihejännitteet ovat Ur, Us, Ut tehon kulkiessa verkosta kuormaan päin. Taajuusmuuttaja syöttää kolmivaiheista moottoria (M) 12. 30 Kuormasilta 11 on kokoaaltosilta, jossa ohjausyksikkö 13 ohjaa pulssileveys-modulaatiolla kunkin vaiheen vaihekytkimiä. Vaihekytkimellä tarkoitetaan vaiheen ylä- ja alahaaran puolijohdekytkimien yhdessä muodostamaa kytkintä (R-vaihe V11, V14, S-vaihe V12, V15 ja T-vaihe V13, V16, joiden rinnalla on vasta-rinnankytketyt diodit D11 - D16). Verkkosilta 10 on ohjaamaton kokoaaltosilta, 35 jolloin siinä on diodeista D1 - D6 koostuva diodisilta.

4 111201

Tasajännitevälipiirissä on kondensaattori Cdc tasajännitteen suodattamiseksi ja verkkosillan 10 sisääntulossa kolmivaiheinen kuristinyksikkö LAc verkkovirran huippujen rajoittamiseksi.

5 Invertterin 11 aiheuttaman tasajännitevälipiirin virran bc suunnalla on oleellinen merkitys tasajännitevälipiirin suodatuksen tarpeeseen. Invertterin aiheuttamalle tasajännitevälipiirin virralle pätevät seuraavat säännöt, kun positiivinen suunta on moottoriin 12 päin: 1. Kun kaikki vaihekytkimet ovat samassa asennossa, bc = 0 10 2. Kun yksi kytkimistä on yläasennossa ja kaksi muuta ala-asennossa, bc = sen vaiheen virta, jonka vaihekytkin on yläasennossa, positiivisena.

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

15 Kuviossa 2 on esimerkki välipiirin virran bc muodostumisesta kun oletetaan, että toimitaan täydellä jännitteellä (lähtöjännitteessä on 1 pulssi / puolijakso), virta on sinimuotoista ja tehokerroin coscp = 0,87.

Tässä tilanteessa virta bc on siis koko ajan positiivinen. Mikäli nyt tasajännite-20 välipiirin suodatusta ei ole lainkaan, muodostuu verkkovirta, esim. b, suoraan tasavirrasta kuvion 3 esimerkin mukaisesti. Koska mitään energian välivarastoa ei ole, verkkovirran huippuarvo rajoittuu tasavirran kokoiseksi ilman mitään virtaa rajoittavia induktanssejakin.

25 Kuten kuvioista 2 ja 3 voi päätellä, tasavirta bc on koko ajan positiivinen niin kauan kuin moottoripiirin cosq> > 0,5 (eli φ < 60°). Mikäli cosrp on vieläkin pienempi, kuten on tilanne pienillä kuormilla (kuvio 4), on tasavirta osan aikaa negatiivinen. Jotta tasajännite UDc ei tällöin nousisi liian suureksi, täytyy piiriin lisätä kondensaattori Cdc jänniteleikkuriksi esim. diodin kanssa sarjaan kytket-30 tynä. Kapasitanssiltaan pieni leikkuri voi olla tarpeellinen täyden positiivisen virran aikanakin, koska tasavirran jyrkissä muutoksissa syöttöpiirin induktans-seihin varautunut energia täytyy purkaa johonkin. Leikkurikondensaattorin jännitteen voi purkaa esim. siten, että ohjausyksikön tehonsyöttö ottaa tehonsa siitä.

Osajännitteillä, jolloin lähtöjännitteessä on useita pulsseja / puolijakso, tilanne on tasajännitevälipiirin virran tarkastelun kannalta hieman mutkikkaampi kuin 35 5 111201 edellisen esimerkin mukaisella täyden jännitteen alueella. Edellä esitetyt perussäännöt kuitenkin pätevät aina, joten modulointitavalla on ratkaiseva vaikutus siihen millaiseksi välipiirin virta muodostuu. Tasajännitepiirin kondensaattorin CDc pienentämisen kannalta on edullista, jos negatiivisia tasavirtapulsseja 5 esiintyisi vasta mahdollisimman pienellä coS(p :n arvolla. Seuraavissa kohdissa tarkastellaan tasavirtaa bc erilaisilla modulointitavoilla.

Sinikolmiomoduloinnissa, jota nykyään yleisesti käytetään osajännitteillä vaihe-kytkinten ohjaamiseksi, verrataan vaihekohtaista siniaaltoa R, S, T (kuvio 5) * 10 yhteiseen kolmioaaltoon. Kun sinin arvo on suurempi kuin kolmion, kyseinen vaihekytkin on yläasennossa ja päinvastoin. Kun kolmioaallon amplitudi on suurempi kuin sinin amplitudi, voidaan kuvion perusteella nähdä vaihekytkinten kytkentäjärjestys esim. R-vaiheen 0-kohdasta eteenpäin olevan taulukon 1 mukainen: 15 ____

Vaihekulma-alue +-» - —> + tasavirta

0°...30° S-R-T T-R-S S, T

30°...90° S-T-R R-T-S R, S

Taulukko 1.

Sarakkeesta tasavirta näkyy minkä lähtövaiheiden virroista esiintyy näytteitä 20 välipiirin virrassa moduloinnin aikana. Näytteitä R-vaiheen virrasta esiintyy bc*ssä jo heti 30° vaihekulman jälkeen, mikä merkitsee sitä, että, kun coscp < 0,87, välipiirin virrassa on negatiivisia pulsseja. Sinikolmiomodulointi ei näinollen ole hyvä modulointitapa osajännitteillä.

25 Tasokolmiomodulointi on myös yleisesti tunnettu modulointitapa vaihekytkinten ohjaamiseksi. Modulointi toimii esim. pääjännitteen pulssiluvulla 5 kuvion 6 mukaisesti. Kuten kuviosta näkyy, R-vaihekytkin on eri asennossa kuin kaksi muuta kytkintä vasta 60° vaihekulman jälkeen, mikä merkitsee sitä että bc:ssä esiintyy negatiivisia pulsseja vasta kun moottoripiirin cos<p < 0,5. Tällä modu-30 lointitavalla päästään siis samaan tulokseen kuin täyden jännitteen alueella. Modulointitavan huono puoli on sen aiheuttamat yliaallot lähtövirrassa, mikä voi näkyä hyvin pienillä taajuuksilla moottorin epätasaisena pyörimisenä.

6 111201

Coscp -aluetta, jolla tasavirrassa ei esiinny negatiivisia pulsseja, on mahdollista vieläkin laajentaa käyttämällä osajännitteillä kuvion 7 mukaista kaksipulssimo-dulointia, jossa pääjännitteessä esiintyy kaksi pulssia puolijaksoa kohti. Kuten kuvasta näkyy, R-vaihekytkin on eri asennossa kuin kaksi muuta vaihekytkintä 5 vasta modulointiasteesta riippuvan kulman 60°+a jälkeen, eli kun coscp < 0,5. Tällä modulointitavalla on siis mahdollista toimia positiivisella tasavirralla hyvinkin pienillä jännitteillä ja coscp -arvoilla.

Moottoreiden coscp nimellispisteessä vaihtelee mallista ja tehosta riippuen, ollen 10 tyypillisesti noin 0,7...0,9. Osatehoilla coscp on pienempi. Taajuudella ei ole kovin voimakasta vaikutusta coscp:hin, kuormitus (momentti) on ratkaisevampi kuten kuvion 8 esimerkki vakiomomenttikäytöstä osoittaa.

Pienillä kuormilla coscp:n pienenemistä voi ehkäistä alentamalla moottorin jänis niteitä ennalta lasketun jännitekäyrän mukaisesti. Näin menetellen voidaan coscp pitää aina esim. tasokolmiomoduloinnin kannalta kriittisen rajan 0,5 yläpuolella. Kuviossa 9 on esimerkki coscp:n käyttäytymisestä neliöllisellä kuormitusmomentilla T (pumppu- ja puhallinkäytöt) lineaarisella (Ulin) ja optimoidulla (Uopt) jännitteellä.

20

Soveliaimpia yhdessä kvadrantissa toimivia prosesseja, joihin tasajännitepiirin kondensaattorin pienennys sopii ovat pumppu- ja puhallinkäytöt, koska niissä tehon suunta on aina moottoriin päin, kuormitus on neliöllinen ja toimintapiste on aina korkeilla taajuuksilla, jolloin esimerkiksi tasokolmiomoduloinnin aiheut-25 tamasta moottorin pyörimisnopeuden huojunnasta pienillä taajuuksilla ei ole haittaa.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella jäl-30 jempänä esitettävän patenttivaatimuksen puitteissa.

Claims (1)

1. 7 111201 PATENTTIVAATIMUS Monivaiheinen, jänniteohjattu PWM-taajuusmuuttaja, jossa on ohjausyksikkö (13), monivaiheiseen vaihtosähköiähteeseen (Uu, UVl Uw) kytkettävä ohjaama-5 ton veikkosilta (10), 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 ohjaamattomat puolijohdekytkimet 10 (D1-D6),ja jossa verkkosilta (10) on kytketty kuormasiltaan (11) suoraan ilman suurika-pasitanssista, energian välivarastona toimivaa tasajännitekondensaattoriyksik-köä, ja kuormasillan muodostama tasavirta on järjestetty kulkemaan suoraan syöttöverkkoon ilman virran huippuarvon rajoitusta suuri-induktanssisella kuris-15 tinyksiköllä, tunnettu siitä,että ohjausyksikkö ohjaa kuormasillan muodostaman ulostulojännitteen pulssiku-viota tasokolmiomoduloinnilla siten, että välipiirin virrassa (bc) esiintyy vain positiivisia virta-arvoja ennalta määrättyä suuremmilla, tyypillisesti costp > 0,5, 20 ulostulon tehokertoimen (cosq>) arvoilla, ja ohjausyksikkö säätää kuormasillan muodostaman ulostulojännitteen suuruutta siten, että ulostulon tehokerroin pysyy taajuudesta ja kuormituksesta riippumatta ennalta asetetun minimiarvon, tyypillisesti coscp > 0,5, yläpuolella. 8 111201 PATENKRAV Mangfasig, spänningstyrd PWM-frekvensomformare med en styrenhet (13), en till en manfasig växelströmkälla (Uu, Uv, Uw) anslutbar ostyrd nätbrygga (10), 5 en likspänningsmellankrets samt en styrd lastbrygga (11) för att mata en mangfasig växelspänning (Us, Ur, Ut) med varierande frekvens till en manfasig last (12), vilken lastbrygga omfattar halvledarswitchar (V11-V16) styrda med pulsbreddmodulation samt parallelt med dem antiparallellkopplade dioder (D11-D16), och vilken nätbrygga omfattar ostyrda halvledarswitchar (D1-D6), och 10 där nätbryggan (10) är ansluten till lastbryggan (11) direkt utan en likspännings-kondensator med stor kapasitans som fungerar som ett mellanlagringsställe för energi, och likström som lastbryggan astadkommit har anordnats att strömma direkt till matarnätet utan att begränsa strömmens toppvärde med en drosselenhet med stor induktans, 15 kännetecknad däravatt styrenheten styr pulsmönster i den utgängsspänning som lastbryggan astadkommit medelst plantriangelmodulation sä att det i strömmen (be) i mellan-kretsen enbart förekommer positiva strömvärden da när utgängens effektfaktor (cosep) har större värden än ett förutbestämt värde, typiskt coscp > 0,5,och 20 styrenheten reglerar storleken av den utgängsspänning som lastbryggan ästadkommit sa att utgängens effektfaktor bibehälles oberoende av frekvens och belastning över ett minimivärde, typiskt coscp > 0,5, som ställts in pä förhand.