FI112558B - Vaihtosuuntaajan ohjaus - Google Patents

Description

112558

VAIHTOSUUNTAAJAN OHJAUS

Keksinnön kohteena on vaihtosuuntaajan ohjausyksikkö, jossa vaihtosuuntaajassa on ohjattavilla puolijohdekytkimillä varustettu siltakytkentä, 5 joka muuntaa vaihtosuuntaajaan syötettävän tasajännitteen taajuudeltaan ja amplitudiltaan vaihtelevaksi vaihtojännitteeksi, joka ohjausyksikkö ohjaa puoli-johdekytkimiä pulssileveysmodulaatiolla (PWM) vaihtosuuntaajan ulostulojän-nitteen muodostamiseksi.

Keksintö liittyy erityisesti sellaiseen PWM-vaihtosuuntaajan ohjauk-10 sen järjestelyyn, missä käytetään maan potentiaalissa sijaitsevaa ohjauspiiriä mm. asiakasrajapintaa varten sekä pääpiirin potentiaalissa sijaitsevaa ohjauspiiriä, joka sisältää mm. mittauspiirejä ja tehopuolijohteiden ohjaussignaalien muodostuspiirejä.

Tällainen vaihtosuuntaaja soveltuu käytettäväksi esimerkiksi taa-15 juusmuuttajassa, jossa kolmivaiheisen syöttöverkon vaihtojännite tasasuunna-taan tasasuuntaajalla välipiirin tasajännitteeksi ja vaihtosuunnataan sitten vaihtosuuntaajalla esimerkiksi kolmivaiheista oikosulkumoottoria syöttäväksi, taajuudeltaan ja amplitudiltaan vaihtelevaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi.

PWM-taajuusmuuttajia käytetään yleisesti ohjaamaan oikosulkumoottorin, 20 joka on teollisuuden yleisin moottorityyppi, pyörimisnopeutta. Taajuusmuuttajan muodostama suuruudeltaan ja taajuudeltaan vaihteleva lähtöjännite muodoste-‘ taan vaihtosuuntaajan tehopuolijohteiden avulla. Tehopuolijohteiden ohjaami- *..! seksi tarvitaan tehopuolijohteiden, eli pääpiirin potentiaalissa sijaitsevia pulssi-vahvistinpiirejä. Oikean lähtöjännitteen muodostamiseksi tarvitaan mittauspii-- * 25 rejä, jotka myös normaalisti sijaitsevat pääpiirin potentiaalissa.

Asiakasrajapintaan kuuluvia signaaleja käsittelevän ohjauspiirin puoles-·...· taan täytyy turvallisuussyistä sijaita maan potentiaalissa. Näin ollen tarvitaan galvaaninen erotus maan potentiaalissa sijaitsevan ohjauspiirinyksikön ja pää-piirin potentiaalissa sijaitsevien ohjauspiirien välille.

: 30 Yleinen tapa galvaanisen erotuksen järjestämiseksi yksiköiden välille on käyttää optoerottimien tai valokuitujen avulla muodostettua sarjaliikennettä. Tällainen järjestely on tunnettu esim. patenttijulkaisusta EP0469872, joka esit-tää taajuudeltaan säädettävän vaihtosuuntaajan ohjausta, jossa käytetään kahta sarjaliikennekanavaa: yhtä kanavaa ohjearvojen välittämiseksi pääpiirin I 35 potentiaalissa sijaitsevaan ohjauspiiriin ja toista kanavaa mittaus- ja muiden takaisinkytkentätietojen välittämiseen maan potentiaalissa sijaitsevaan ohjaus-piiriin.

2 112558

Vaihtosuuntaajan muodostaman jännitteen pulssikuvio lasketaan normaalisti joko mikroprosessorilla tai tarkoitusta varten valmistetulla ASIC-piiriliä. Pulssikuvion muodostus perustuu normaalisti johonkin etukäteen määrättyyn algoritmiin, esim. sini-kolmiovertailuun. Nykyaikaiset tehokkaat mikroprosesso-5 rit mahdollistavat sen, että sekä asiakasrajapinnan että pääpiirin ohjauksen vaatimat toiminnot voidaan suorittaa samalla prosessorilla joka on normaalisti sijoitettu maan potentiaalissa sijaitsevan ohjausyksikön osaan.

Yllämainitulla tavalla toteutetun pulssikuvion muodostuksessa on se ongelma, että toteutunut lähtöjännitteen pulssikuvio ei ole tarkalleen halutun 10 muotoinen. Virhettä aiheuttavat mm. signaalien käsittelyviiveet pulssivahvisti-missa, tehopuolijohteiden kytkentäviiveet sekä tarvittava ns. kuollut aika vaihe-kytkimen ylä- ja alahaaran johtavuusjaksojen välillä. Myös nopea tasajännite-välipiirin jännitteen vaihtelu aiheuttaa virhettä. Varsinkin pienillä taajuuksilla, joilla kytkentöjä on paljon yhden lähtöjännitteen jakson aikana, virheet vääristä-15 vät selvästi lähtöjännitettä.

Jännitevirhettä voidaan kompensoida mittaamalla muodostunut lähtöjän-nite ja ottamalla syntynyt virhe huomioon seuraavan kytkentähetken yhteydessä. Varsinkin siinä tapauksessa, jos pulssikuvio muodostetaan maan potentiaalissa, tarvitaan tällöin suuren jännite-erotuksen takia hankalia ja kalliita mitta-20 uspiirejä, jotka pienentävät laitteen maaimpedanssia ja saattavat aiheuttaa ongelmia syöttöverkon maasulkuvalvontapiireissä.

Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan tunnettuja ratkaisuja pa-rempi PWM-ohjatun vaihtosuuntaajan ohjausjärjestelmä, jossa lähtöjännite on aina oikea taajuudesta, tehoasteen kuolleesta ajasta tai välipiirijännitteen vaih-25 teluista riippumatta, jossa vaihekytkinten ei tarvitse tehdä turhia liikkeitä, mikä * : pienentää kytkentähäviöitä, jossa lähtöjännitevektorin kulma on koko ajan tie dossa, mikä helpottaa moottorisäädön tehtävää erityisesti vaikeissa käytöissä, ja jossa jako maan potentiaalissa sijaitsevan ja pääpiirin potentiaalissa sijaitse-van ohjausyksikön tehtävien välillä on luonnollinen, jolloin ei tarvita vaikeita ’ ]: 30 pääpiirin mittauksia eikä synny niistä johtuvia maaimpedanssiongelmia.

: ’·, Keksinnön mukaisessa ohjauksessa tämä saavutetaan siten, että maan potentiaalissa sijaitsevassa ohjausyksikön osassa lasketaan lähtövaiheiden jännitevektorin hetkellisarvo joka välitetään galvaanisesti erotetulla kanavalla sarjaliikennemuodossa pääpiirin potentiaalissa sijaitsevaan ohjausyksikön 35 osaan, jossa modulointi eli vaihekytkinten asentojen määrittäminen suoritetaan siten, että muodostetaan vaihejännitteiden ohje- ja oloarvojen erotuksen ai-kaintegraali, verrataan erotusta positiiviseen ja negatiiviseen rajaan, ja mikäli 3 112558 kyseinen aikaintegraali ylittää positiivisen tai negatiivisen rajan, käännetään vaihekytkin vastaavasti joko ylä- tai ala-asentoon.

Keksinnön mukaisen ohjauksen eräässä sovellutusmuodossa galvaani-sesti erotettujen ohjauspiirien välillä olevassa kanavassa annetaan lähtöjännite-5 vektorin kulma ja amplitudi.

Keksinnön mukaisen ohjauksen eräässä toisessa sovellutusmuodossa galvaanisesti erotettujen ohjauspiirien välillä kulkevassa kanavassa annetaan ainakin kahden vaihejännitteen hetkellisjännitteiden ohjearvot.

Yksityiskohtaisesti keksinnölle tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisissa 10 patenttivaatimuksissa.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää PWM-taajuusmuuttajaa, jossa on tasasuuntaaja, tasajän-nitevälipiiri, ohjausyksikkö ja keksinnön mukainen vaihtosuuntaaja, 15 kuvio 2 esittää sarjaliikennettä ja vaihejännitteiden muodostusta ohjausyk sikössä, kuvio 3 esittää sinikäyrän lukemista, kuvio 4 esittää modulointia eli vaihekytkimien asennon määrittämistä, ja kuvio 5 esittää jänniteohjetta, virheintegraalia, virherajoja ja vaihtosuun-20 taajan ulostulojännitepuisseja.

Kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista kolmivaiheista jännite-• i' ohjattua PWM-taajuusmuuttajaa, jossa on tasasuuntaussilta 10 syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen, jossa on vaihejännitteet Ur, Us, Ut, tasasuun-;.. taamiseksi tasajänniteväiipiirin tasajännitteeksi UDc sekä vaihtosuuntaussilta 11 25 tasajänniteväiipiirin tasajännitteen vaihtosuuntaamiseksi taajuudeltaan ja amp-': litudiltaan vaihtelevaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi, jonka vaihejännitteet ...: ovat Uu, Uv, Uw. Taajuusmuuttaja syöttää kolmivaiheista oikosulkumoottoria (M) 12. Vaihtosuuntaussilta 11 on kokoaaltosilta, jossa on kunkin vaiheen ylä- ja alahaaran ohjattavat puolijohdekytkimet Vn - Vie, joiden rinnalla on vastarin-30 nankytketyt diodit Du - Die. Vaihtosuuntaajan ohjausyksikkö 13 ohjaa pulssile-veysmodulaatiolla kunkin vaiheen puolijohdekytkimiä Vn - Vi6 (U-vaihe Vn, ':..' Vi4, V-vaihe V|2, V15 ja W-vaihe V13, V16).

' : · ‘ Kuvio 2 esittää vaihtosuuntaajan ohjausyksikköä 13, jonka ulospäin liittyvä osa 21 ohjausjärjestelmästä on maadoitettu ja galvaanisesti erotettu vä-: : 35 littömästi pääpiiriin liittyvistä ohjaustoiminnoista 22 kahdella optisesti erotetulla, esimerkiksi valokuiduilla toteutetulla sarjaliikennekanavalla 1 ja 2. Toista kanavaa käytetään ohjearvojen välittämiseen pääpiirin potentiaalissa sijaitsevalle 4 112558 ohjauspiirille ja toista kanavaa takaisinkytkentätietojen välittämiseen. Ohjausosa 21 hoitaa asiakasrajapintaan liittyvien toimintojen lisäksi lähtöjännitteen säätöön liittyvät toimenpiteet, kuten moottorisäätöön liittyvän laskennan, syöttö-verkon katkokseen liittyvät toimenpiteet yms., ja lähettää lopputuloksena saa-5 dun lähtöjännitevektorin arvot pääpiirin ohjauspiireille 22.

Ohjausosa 22 suorittaa moduloinnin eli vaihekytkinten asentojen määritykset, mittaukset pääpiiristä ja tehoasteen välittömään suojaukseen liittyvät toimenpiteet.

Ohjausyksikön ja pääpiirin välillä olevasta kahdesta optisesti erote-10 tusta kanavasta kanavaa 1 käytetään ohjearvojen välittämiseen siten, että annetaan lähtöjännitevektorin kulma ja amplitudi käynnin aikana, joiden asemesta voi antaa myös vaihejännitteiden hetkellisarvot. Ohjearvot annetaan tarkasti määrävälein, esim. 50ps välein. Vektorin kulman kiertymissuunta määrää myös moottorin pyörimissuunnan. Kanavaa 1 voidaan käyttää ohjearvojen välittämi-15 sen lisäksi myös muihin toimenpiteisiin, kuten tehoasteeseen liittyviin kyselyihin käynnistyksen yhteydessä sekä kytkentätaajuusohjeen ja käy-seis tiedon antamiseen.

Kanavaa 2 käytetään takaisinkytkentäsignaalien välittämiseen: moottorivirrat, DC-jännite, lämpötilat sekä vika- ja varoitustiedot käynnin aikana 20 sekä tehoasteeseen liittyviin kyselyihin vastaaminen käynnistyksen yhteydessä.

·.·. Silloin kun kanava 1 välittää lähtöjännitevektorin kulman ja amplitu- ·.·, din, kulmaohjeen perusteella luetaan muistista vaihejännitteiden skaalaamatto-mat hetkellisarvot ja kerrotaan ne amplitudiohjeella. Mikäli vaihejännitteiden sinimuotoiseen ohjearvokäyrään on sekoitettu 3. yliaaltoa, mikä on tunnettu kei-;*·’ 25 no suuremman lähtöjännitteen saavuttamiseksi, muistiin on oltava ohjelmoituna , ; sinikäyrän neljännesjakson (90°) arvot. Mikäli sinikäyrään ei ole sekoitettu 3.

...: yliaaltoa, riittää kun 60° arvot on tallennettu muistiin.

Esimerkki sinikäyrän lukemisesta, jos käyrä on talletettu 0,1° välein ja lukeminen tapahtuu 50ps välein on esitetty seuraavassa taulukossa ja kuvi-; 30 ossa 3 muutamilla eri lähtötaajuuksien arvoilla f. Taulukossa T on lähtöjännitteen jaksonaika laskettuna kaavalla T = 1/f ja a on 50ps ajanjaksoa vastaava ‘ kulma lähtöjännitteessä, laskettuna kaavalla a = 50ps/T*360°: 5 112558 ffHzl T [ms] α Π 0. 5 2000 0,009 5 200 0,09 50 20 0,9 5 500 2 9 TAULUKKO 1.

Muistista 222 saadut lukemat kerrotaan amplitudiohjeella mikropiiris-10 sä 221 ja D/A-muunnetaan muuntimessa 223 vaihejännitteiden analogisiksi hetkellisarvo-ohjeiksi UUref, Uvref ja Uwref ohjearvoyksiköihin 224, 225 ja 226 silloin, kun sinikäyrään on sekoitettu 3. yliaaltoa täyden lähtöjännitteen saavuttamiseksi. Jos sinikäyrään ei ole sekoitettu 3. yliaaltoa riittää kun kahden vaihe-jännitteen hetkellisarvo-ohjeet D/A-muunnetaan, kolmas vaihejännite saadaan 15 summaamalla.

Modulointi eli vaihekytkinten Vn - Vi6 asennon määrääminen tapahtuu kuvion 4 mukaisella kytkennällä seuraavalla tavalla esimerkiksi vaiheen U osalta: 1. Vaihejännitteen oloarvo UUact muodostetaan mittaamalla vaih-20 tosuuntaajan muodostaman lähtöjännitteen Uu ja välipiirijännitteen UDc keskipisteen (vastuksien Ri ja R2 välissä ) välinen jännite.

! 2. Vahvistinpiireillä muodostetussa integraattorissa 31 muodoste- .,; taan vaihejänniteohjeen UUref ja vaihejännitteen oloarvon Uuact erotuksen (= jän- nitevirheen) aikaintegraali El. Sitä verrataan positiiviseen ja negatiiviseen virhe-; · ·' 25 rajaan L+, L komparaattoreissa 32, 33.

·’: 3. Mikäli virheintegraali El ylittää +-virherajan L+, sytytetään ylä- ...: haaran kytkin, esim. Vn ja vastaavasti integraalin alittaessa - -virherajan L., alahaaran kytkin, esim. V14 (kuvio 5).

4. Virherajojen suuruuden määrää kytkentätaajuusohje; mitä väl-30 jemmät rajat sitä alempi kytkentätaajuus. Erillinen säätäjä huolehtii rajoista kyt- kentätaajuusohjeen mukaisesti, jonka ohjausyksikkö antaa käynnistyksen yh-::,: teydessä.

5. Kahden vaihekytkimen yhtaikainen kääntäminen voi tunnetusti aiheuttaa normaalia suurempia ylijännitteitä moottorille joten sellaista tilannetta *.··: 35 kannattaa välttää. Mikäli hetkellä, jolloin kytkintä pitäisi kääntää, on menossa jonkin toisen vaiheen kytkentä tai sitä seuraava kuollut aika, odotetaan rauhas- 6 112558 sa kunnes ko. aika on kulunut. Virheintegraali El kasvaa kyllä hetkellisesti yli rajan, mutta virhe kompensoituu jo seuraavaan kytkentähetkeen mennessä.

6. Tietyissä tilanteissa, kuten esim. seis-tilassa, virheintegraali täytyy nollata kytkimellä, joka on kytketty integrointikondensaattorin yli.

5 Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuo- dot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettyjen patenttivaatimusten puitteissa. Lähtöjännitteen suuruuteen ja taajuuteen liittyvä laskenta voidaan esimerkiksi myös hoitaa pääpiirin ohjauspiireissä 22 ja kuvattu analoginen virheintegraalien muodostus voidaan 10 tehdä myös digitaalisesti esimerkiksi ottamalla näytteitä A/D-muuntimella mitatuista oloarvoista ja suorittamalla integrointi ja vertailu esimerkiksi mikroprosessorilla.

t *

I

Claims (8)

112558

1. Vaihtosuuntaajan ohjausyksikkö, jossa vaihtosuuntaajassa on ohjattavilla ylä- ja alahaaran puolijohdekytkimillä (Vn - V16) varustettu siltakyt-5 kentä, joka muuntaa vaihtosuuntaajaan syötettävän tasajännitteen (Udc) taajuudeltaan ja amplitudiltaan vaihtelevaksi vaihtojännitteeksi (Uu, Uv, Uw)> joka ohjausyksikkö ohjaa puolijohdekytkimiä pulssileveysmodulaatiolla (PWM) vaihtosuuntaajan ulostulojännitteen muodostamiseksi, ja jossa ohjausyksikössä on maapotentiaalissa oleva ensimmäinen ohjausosa (21) ja puolijohdekytkimien 10 potentiaalissa oleva toinen ohjausosa (22), joiden välille on järjestetty galvaani-sesti erotetut kanavat, joissa välitetään sarjaliikenteellä ohjaustietoja ensimmäisestä ohjausosasta toiseen ohjausosaan ja takaisinkytkentätietoja toisesta ohjausosasta ensimmäiseen ohjausosaan, tunnettu siitä, 15 että puolijohdekytkimiä (Vn - V|6) ohjaava modulointipiiri on järjestetty puolijohdekytkimien potentiaalissa olevaan toiseen ohjausosaan (22), ja että modulointipiiri muodostaa vaihtosuuntaajan vaihejännitteiden ohje- ja olo-arvojen (UUref, Uuact) erotuksen aikaintegraalin, vertaa integraalia positiiviseen ja negatiiviseen raja-arvoon (L+, L), ja ohjaa mainitun integraalin ylittäessä posi-20 tiivisen tai negatiivisen rajan kyseisen vaiheen ylä- tai alahaaran puolijohdekyt-kimen johtamaan.

'·' 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausyksikkö, tunnettu siitä, että toisessa ohjausosassa (22) on vaihejännitteiden oloarvojen muodostuspiiri, joka muodostaa vaihejännitteiden oloarvot vaihtosuuntaajan lähtövaiheiden ulostu-; 25 lojännitteiden ja taajuusmuuttajan välipiirijännitteen keskipisteen väliltä.

: 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausyksikkö, tunnettu siitä, että ‘ lähtöjännitteen suuruuteen ja taajuuteen liittyvä laskentapiiri on järjestetty en simmäiseen ohjausosaan (21).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausyksikkö, tunnettu siitä, että 30 galvaanisesti erotettujen ohjausyksikön osien välillä olevassa kanavassa (1, 2) annetaan lähtöjännitevektorin ohjearvon kulma ja amplitudi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausyksikkö, tunnettu siitä, että ; galvaanisesti erotettujen ohjauspiirien välillä olevassa kanavassa (1, 2) anne taan ainakin kahden vaihejännitteen hetkellisjännitteiden ohjearvot.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen ohjausyksikkö, tunnet- : t u siitä, että toinen ohjausosa (22) muodostaa saamansa lähtöjännitevektorin ohjearvon perusteella kahden lähtöjännitteen hetkellisarvojen ohjearvot luke- 8 112558 maila kulmatiedon perusteella jännitteiden arvot muistipiiristä (222) ja kertomalla tuloksen vektorin amplituditiedolla, ja että jännitetiedot muutetaan analogisiksi D/A-muuntimella (223), ja että kolmas vaihejänniteohje muodostetaan kahden edellisen summasta summaimella (226).

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 4 mukainen ohjausyksikkö, tunnet- t u siitä, että toinen ohjausosa (22) muodostaa saamansa lähtöjännitevektorin ohjearvon perusteella kunkin lähtöjännitteen hetkellisarvojen ohjearvot lukemalla kulmatiedon perusteella jännitteiden arvot muistipiiristä (222) ja kertomalla tuloksen vektorin amplituditiedolla, ja että jännitetiedot muutetaan analo-10 gisiksi D/A-muuntimella (223).

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ohjausyksikkö, tunnettu siitä, että lähtöjännitteen suuruuteen ja taajuuteen liittyvä laskentapiiri on järjestetty toiseen ohjausosaan (22). « •JSf* 9 112558