FI116105B

FI116105B - Rinnankytkettyjen invertteriyksiköiden tahdistaminen

Info

Publication number: FI116105B
Application number: FI20040241A
Authority: FI
Inventors: Jaakko Ollila
Original assignee: Vacon Oyj
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-02-16
Publication date: 2005-09-15
Also published as: FI20040241A0

Description

116105

RINNANKYTKETTYJEN INVERTTERIYKSIKÖIDEN TAHDISTAMINEN

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä rinnankytkettyjen invert-teriyksiköiden tahdistamiseksi. Keksinnön kohteena on myös invertteri-laitteisto.

5 Invertteriyksiköitä käytetään PWM-periaatteella toimivissa taajuus- muuttajajärjestelmissä paitsi moottorinsyöttölaitteina myös ns. verkkovaihto-suuntaajina.

Verkkovaihtosuuntaajia käytetään syöttöverkon ja tasavirta-kiskoston välillä silloin, kun järjestelmässä tarvitaan verkkoonjarrutuskykyä ja/tai 10 verkkovirran yliaaltosisällön on oltava hyvin pieni. Verkkovaihtosuuntaaja koostuu invertteriyksiköstä ja verkkosuodattimesta (LFU). Verkkovaihto-suuntaajissa käytettävä invertteriyksikkö voi olla mekaanisesti samanlainen kuin moottorinsyötössäkin, poiketen siitä ainoastaan ohjelmiston osalta. Verkkovaih-tosuuntaajana invertteriyksikkö muodostaa tasavirtakiskoston tasajännitteestä 15 vaihtojännitteen syöttöverkon puolelle. PWM-periaatteella muodostettu jännite-kuvio aiheuttaa tunnetusti virtayliaaltoja, tässä tapauksessa syöttöverkon virtaan. Yliaaltojen rajoittamiseksi syöttöverkon ja invertteriyksi-kön väliin tarvitaan suodatin, joka on tavallisimmin LCL-tyyppinen, kts. kuvio 1.

Suurilla tehoilla täytyy useita invertteriyksiköitä kytkeä rinnakkain.

20 Esimerkki rinnankytkennästä verkkovaihtosuuntaajasovelluksessa on esitetty kuviossa 2, joka esittää kahta rinnankytkettyä invertteriyksikköä INU1 ja INU2, jotka on liitetty kolmivaiheiseen vaihtosähköverkkoon Ul kuristimista Li ja l_2 ja kondensaattorista Ci koostuvan LCL-suodatinyksikön kautta.

Ongelma tällaisessa järjestelyssä tulee siitä, että rinnankytketyille t · . 25 yksiköille yhteinen ylempi säätöjärjestelmä huolehtii vain siitä, että invertteriyk- siköiden muodostamien jännitteiden perusaallot ovat samanvaiheiset, mutta • * · / varsinaisesta invertteriyksiköiden vaihekytkimien ohjauksesta huolehtivat toisis- *·»* taan riippumattomat invertteriyksikkökohtaiset PWM-modulaattorit. Tällöin voi käydä niin, että saman vaiheen kytkimet eri INUissa eivät käännykään saman-30 aikaisesti samaan suuntaan vaan voivat olla hetken vastakkaisissa asennoissa esimerkiksi kuvion 3 mukaisesti. Tästä seuraa kiertovirtaa (irot), joka aiheuttaa : · ylimääräisiä rasituksia suuntaajaan ja tulokuristimeen.

Eräs tunnettu menetelmä ongelman estämiseksi on käyttää INU-, , kohtaisia erotusmuuntajia, jolloin syöttöpiirit ovat galvaanisesti irti toisistaan eikä 35 kiertovirtaa näinollen voi muodostua. Ratkaisu on kuitenkin monessa mielessä ’ ·; · ‘ ikävä; se vie paljon tilaa, on huomattavan kallis jne.

: Toinen tunnettu menetelmä estää ongelma käyttää yhteistä PWM- ·;*' modulaattoria, jonka tuottamat vaihekytkinten ohjaussignaalit jaetaan kaikille 2 116105 rinnakkaisille invertteriyksiköille. Tätä ei kuitenkaan voi tehdä ilman hankalia erikoisjärjestelyltä.

US-patenttijulkaisu 5,257,180 esittää ohjausjärjestelmää, jossa on erillinen synkronointipiiri, jolla synkronoidaan rinnan kytketyt invertterit, josta 5 piiristä saadaan yhteiset synkronointisignaalit. Ko. laitteistossa on lisäksi ilmaisupiiri ilmaisemaan inverttereiden välillä kulkevia virtakomponentteja, ja ohjaus-piiri ohjaamaan inverttereiden ulostulojännitteitä, jolla voidaan pienentää inverttereiden välisiä kiertovirtoja.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epä-10 kohdat ja saada aikaan erityisesti tunnettua tekniikkaa yksinkertaisempi ratkaisu rinnankytkettyjen invertteriyksiköiden tahdistamiseksi.

Tässä keksinnössä käytetään hyväksi sitä, että invertteriyksikköön kuuluu normaalisti vakiona vaihekohtainen virran mittaus (iu, ivja iw kuviossa 1). Tämän keksinnön mukaisesti invertteriyksikkökohtaiset modulaattorit tahdiste-15 taan toisiinsa virranmittaustiedon perusteella ilman mitään lisäelektroniikkaa. Näinollen rinnankytkennöissä voidaan käyttää vakioyksiköitä, mikä on suuri etu tunnettuihin menetelmiin verrattuna.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä modulointipulssikuviot tahdistetaan toisiinsa mittaamalla modulointitaajuinen kiertovirta, jonka aiheuttaa 20 vaihekytkinten muodostaman kolmivaiheisen jännitekuvion nolla-komponenttien välinen vaihe-ero.

Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle ratkaisulle tunnusomaiset piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

. „ : Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin • » 25 avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa '! ‘ . Kuvio 1 esittää verkkovaihtosuuntaajaa, ’;.,: Kuvio 2 esittää rinnankytkettyjä verkkovaihtosuuntaajia,

Kuvio 3 esittää rinnankytkettyjen verkkovaihtosuuntaajien vaihekyt-:' kimiä ja niiden välistä kiertovirtaa, ja .: 30 Kuvio 4 esittää keksinnön mukaista rinnankytkettyjen invertteriyksi köiden tahdistamista.

;:· Kuvio 1 esittää kolmivaiheista PVVM-verkkovaihtosuuntaajaa, jossa on verkkosilta INU syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen, jossa on vai-.* . hejännitteet Uu, Uv, Uw, tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasa- 35 jännitteeksi Udc- Verkkosillassa on kussakin sillan haarassa ohjattavat puolijoh- * · '·;· dekomponentit, esim. IGBT:t, V1 - V6 sekä niiden kanssa vastarinnan-kytketyt : diodit D1 - D6. Se on liitetty vaihtosähköverkkoon Ul kuristimista Li ja l_2 ja ·:··· kondensaattorista Οί koostuvan LCL-suodatinyksikön LFU kautta. Kytkentä sai- 3 116105 lii negatiivisen välipiirivirran kulkemisen syöttöverkon suuntaan. Verkkovaih-tosuuntaajasillan puolijohdekytkimiä ohjataan esimerkiksi sini-kolmiovertailuun perustuvan modulaattorin avulla.

Kuvio 2 esittää kahta rinnankytkettyä invertteriyksikköä INU1 ja 5 INU2, jotka on liitetty kolmivaiheiseen vaihtosähköverkkoon UL kuristimista Li ja t.2ja kondensaattorista Ci koostuvan LCL-suodatinyksikön kautta. Kumpaakin invertteriyksikköä ohjataan keksinnön mukaisesti omalla sini-kolmiomodulaat-torillaan, jossa kolmioaaltojen referenssitaajuudet (= kytkentätaajuudet) on molemmissa rinnakkaisissa invertteriyksiköissä asetettu samaksi.

10 Modulointipulssikuviot tahdistetaan toisiinsa mittaamalla modulointi- taajuinen kiertovirta, jonka aiheuttaa vaihekytkinten muodostaman kolmivaiheisen jännitekuvion nollakomponenttien välinen vaihe-ero. Asiaa selventää kuvio 4, joka esittää tunnetulla sini-kolmio vertailuperiaatteella toimivaa modulointia ja siinä muodostuvaa tähtipisteen jännitettä, jota nimitetään jännitteen nollakom-15 ponentiksi. Invertteriyksikön INU 1 nollajännite esittää kuvion mukaisen moduloinnin aikaansaama nollajännitettä ja invertteriyksikön INU 2 nollajännite toisen, rinnankytketyn invertteriyksikön moduloinnin aikaansaamaa nollajännitettä. Kuten kuviosta nähdään, nollajännitteen taajuus ja vaiheistus ovat sidoksissa kolmioaaltoon. Kuvion esimerkissä modulaattorien kolmioaallot ovat keskenään 20 vaihesiirrossa, mikä vaihesiirto näkyy samankokoisena myös nollajännitteiden välillä.

Kiertovirran mittaamista varten mitataan ensin kolmen vaiheen summavirta, mikä poikkeaa nollasta juuri kiertovirran verran (normaalissa kier-<>ti; tovirrattomassa kolmivaihejärjestelmässä summavirta on 0). Summavirta voi- . 25 daan mitata esimerkiksi ottamalla vaihevirroista yhtaikaiset näytteet kolmioaal- lon kärjen kohdalla, jolloin normaalimuotoinen virran aaltoisuus eliminoituu.

• · *

Kiertovirran suunta ilmaistaan kertomalla mittaustulos kolmioaallon napaisuu-:···’ della (positiivinen kärki = 1, negatiivinen kärki = -1).

Mitattu kiertovirran hetkellisarvo lisätään edellisten mittaustulosten 30 summaan, jolloin saadaan ns kiertovirtasumma. Jos kiertovirtasumma ylittää annetun maksimiarvon, valitaan hetkellisesti yhden modulointijakson puolikkaan ·:· ajaksi referenssiä seuraava suurempi kytkentätaajuus (= kolmioaallon taajuus).

Jos taas kiertovirtasumma alittaa negatiivisen maksimiarvon, käytetään seuraa-valla modulointijakson puolikkaalla referenssiä yhtä askelta pienempää kytken-35 tätaajuutta. Tällä menettelyllä kolmioaallon vaihe-ero rinnalla olevan INUn kol-'·;· mioaaltoon pienenee. Samalla kun kytkentätaajuutta muutetaan, kiertovir- : : ’: tasumma nollataan.

11(11 4 116105

Kytkentätaajuutta voidaan muuttaa kiertovirtaan verrannollisena muullakin tavoin, esim. Pl-säädettynä vaihelukittuna silmukkana jolloin kolmioaallon taajuutta säädetään verrannollisena ilmaistuun modulointitaajuiseen kiertovirtaan. Edellä mainitun summaavan menetelmän etuna on se, että summa-5 uksella saadaan samalla suodatettua mittauskohinaa eivätkä hetkelliset häiriöt tai offsetit summasignaalissa pääse vahvistumaan.

Kaikissa rinnankytketyissä laitteissa voidaan käyttää kolmioaaltojen tahdistamiseksi samaa algoritmia tai vaihtoehtoisesti yhdestä se voidaan jättää pois menetelmän toimivuuden silti kärsimättä.

10 Keksinnön mukaista modulaattorien tahdistusmenetelmää voi käyt tää paitsi verkkovaihtosuuntaajissa, myös normaaleissa moottorinsyöttö-sovelluksissa, joissa suuren tehontarpeen vuoksi tarvitaan useita invertteri-yksiköitä syöttämään samaa moottorin käämitystä. Moottorinsyöttö-sovelluksessa ratkaisu vaatii taajuusmuuttajan ja moottorin välille suodattimen, 15 joka on yksinkertaisimmillaan pelkkä kuristin.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuo-dot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa..

t * · » > » « * * • » I »

Claims

116105

1. Menetelmä rinnankytkettyjen invertteriyksiköiden (INU1, INU2) tahdistamiseksi, joissa invertteriyksiköissä on invertterikohtaiset modulaattorit, 5 jossa menetelmässä mitataan invertteriyksiköiden välistä kiertovirtaa tunnettu siitä, että menetelmässä tahdistetaan modulaattorit toisiinsa virranmittaustiedon perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kiertovirran mittaamiseksi verkkovaihtosuuntaajana toimivis-10 sa rinnankytketyissä invertteriyksiköissä, mitataan vaihevirrat yhtaikaisesti ja muodostetaan vaihevirtojen summa, ilmaistaan kytkentätaajuisen kiertovirran hetkellisarvo kertomalla vaihevirtojen summa kolmioaallon tai vastaavan modulointisignaalin 15 napaisuudella, ja muodostetaan kiertovirtasumma summaamalla peräkkäiset hetkellisarvotulokset

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tahdistuksessa kiertovirran estämiseksi verkkovaihto-20 suuntaajana toimivissa rinnankytketyissä invertteriyksiköissä modulaattorien kolmioaallot tai vastaavat modulointisignaalit tahdistetaan seuraavilla toimenpiteillä jotka tehdään kaikissa yksiköissä: ‘: : muodostetaan kiertovirtasumma, ;:· kasvatetaan kytkentätaajuutta kiinteän askeleen verran määrätyksi, 25 esimerkiksi yhden modulointijakson puolikkaan ajaksi, mikäli kiertovirtasumma • t :" ‘; ylittää asetetun positiivisen raja-arvon ja samalla nollataan kiertovirtasumma pienennetään kytkentätaajuutta kiinteän askeleen verran määrätyksi, .···. esimerkiksi yhden modulointijakson puolikkaan ajaksi, mikäli kiertovirtasumma alittaa asetetun negatiivisen raja-arvon ja samalla nollataan kiertovirtasumma . . 30

4. Vaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kolmio- * * * aaltojen tai vastaavien modulointisignaalien tahdistus tehdään säätämällä nii- • « ‘ ' den taajuutta verrannollisena ilmaistuun kytkentätaajuiseen kiertovirtaan. t ;:· 5. Vaatimusten 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä käytetään rinnankytkettyjen invertteriyksiköiden toimiessa moottorinsyöttölait- * 35 teenä ja syöttäessä samaa moottorin käämitystä vähintään kuristimesta muo- ' · · ‘. dostetun suodattimen kautta. » * 116105

5 INU2), joissa invertteriyksiköissä on invertterikohtaiset modulaattorit, joka laitteisto mittaa invertteriyksiköiden välistä kiertovirtaa, tunnettu siitä, että laitteisto tahdistaa modulaattorit toisiinsa vir-ranmittaustiedon perusteella.

6. Jonkin vaatimuksen 1 - 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä käytetään yhtä lukuunottamatta kaikissa rinnankytketyissä invertteriyk-siköissä.

7. Invertterilaitteisto, jossa on rinnankytketyt invertteriyksiköt (INU1,

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että 10 tahdistuksessa kiertovirran estämiseksi verkkovaihtosuuntaajana toimivissa rinnankytketyissä invertteriyksiköissä modulaattorien kolmioaallot tai vastaavat modulointisignaalit tahdistetaan siten, että modulaattoreilla kaikissa yksiköissä: muodostetaan kiertovirtasumma, kasvatetaan kytkentätaajuutta kiinteän askeleen verran määrätyksi, 15 esimerkiksi yhden modulointijakson puolikkaan ajaksi, mikäli kiertovirtasumma ylittää asetetun positiivisen raja-arvon ja samalla nollataan kiertovirtasumma pienennetään kytkentätaajuutta kiinteän askeleen verran määrätyksi, esimerkiksi yhden modulointijakson puolikkaan ajaksi, mikäli kiertovirtasumma alittaa asetetun negatiivisen raja-arvon ja samalla nollataan kiertovirtasumma 20

9. Vaatimusten 7 tai 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että sitä käytetään rinnankytkettyjen invertteriyksiköiden toimiessa moottorinsyöttölait-teena ja syöttäessä samaa moottorin käämitystä vähintään kuristimesta muo-:dostetun suodattimen kautta.

10. Jonkin vaatimuksen 7 - 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että 25 sitä käytetään yhtä lukuunottamatta kaikissa rinnankytketyissä invertteriyksi-koissa. • · · • · f < » t * * » ♦ » * 116105