FI116649B - Rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien tahdistaminen - Google Patents

Description

116649

RINNANKYTKETTYJEN TAAJUUSMUUTTAJIEN TAHDISTAMINEN

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä sellaisten rinnankytkettyjen PWM-taajuusmuuttajien tahdistamiseksi, jotka kykenevät syöttämään 5 kuormasta tulevan jarrutusenergian takaisin syöttöverkkoon ns. verkkovaih-tosuuntaajien avulla. Keksinnön kohteena on myös rinnankytketyistä verkkoon-jarruttavista PVVM-taajuusmuuttajista koostuva sähkökäyttö. Keksintö liittyy nimenomaan sellaiseen rinnankytkentäjärjestelyyn, jossa taajuus-muuttajien syöttö on yhteinen ja lähdöt kytkeytyvät galvaanisesti yhteen esimerkiksi moottorin 10 liitäntänavoissa tai erillisten käämitysten yhteisessä tähtipisteessä.

PVVM-periaatteella toimivan taajuusmuuttajan perusyksikkö on in-vertteri, joka muodostaa välipiirin tasajännitteestä kolmivaiheisen vaihtojännitteen, jonka taajuutta ja amplitudia voi säätää. Verkkoonjarruttava taajuusmuuttaja voi koostua esimerkiksi kahdesta fyysisesti samanlaisesta invertteriyksikös-15 tä, joiden DC-liitännät on kytketty yhteiseen tasajännitevälipiiriin ja toisen (INU

1) AC-liitännät syöttöverkkoon verkkosuodattimen (LFU) kautta (kts. kuva 1) ja toisen (INU 2) AC-liitännät moottoriin.

Verkkovaihtosuuntaajia käytetään syöttöverkon ja tasavirta-kiskoston välillä silloin, kun järjestelmässä tarvitaan verkkoonjarrutuskykyä ja/tai 20 verkkovirran yliaaltosisällön on oltava hyvin pieni. Verkkovaihtosuuntaaja koostuu invertteriyksiköstä (INU) ja verkkosuodattimesta (LFU). Verkkovaihto-suuntaajissa käytettävä invertteriyksikkö voi olla mekaanisesti samanlainen kuin moottorinsyötössäkin, poiketen siitä ainoastaan ohjelmiston osalta. Verkkovaih-tosuuntaajana invertteriyksikkö muodostaa tasavirtakiskoston tasajännitteestä 25 vaihtojännitteen syöttöverkon puolelle. PWM-periaatteella muodostettu jännite-kuvio aiheuttaa tunnetusti virtayliaaltoja, joiden rajoittamiseksi syöttöverkon ja invertteriyksikön välissä käytetään normaalisti suodatinta, joka on tavallisimmin « · > ·’ LCL-tyyppinen, kts. kuvio 1. Moottorinsyöttösovelluksessa riittävänä virtayliaal- tojen suotimena toimivat tavallisesti kuormana toimivan moottorin hajareaktans- 30 sit.

,,;i* Suurilla tehoilla täytyy useita invertteriyksiköitä tai kokonaisia taa- juusmuuttajia kytkeä rinnakkain. Esimerkki rinnankytkennästä on esitetty kuvi-\ ossa 2, joka esittää kahta rinnankytkettyä verkkoonjarruttavaa taajuusmuuttajaa ;;; FC1 ja FC2, jotka on liitetty syöttöpuolelta samaan kolmivaiheiseen vaihtosäh- 35 köverkkoon Ul suodatinyksiköiden LFU1 ja LFU2 kautta ja jotka kytkeytyvät ,,; i * lähtöpuolelta yhteen moottorin erillisten käämitysten yhteisessä tähtipisteessä.

·;·: Ongelma tällaisessa järjestelyssä tulee siitä, että rinnankytketyille yksiköille yhteinen ylempi säätöjärjestelmä huolehtii normaalisti vain siitä, että 2 116649 invertteriyksiköiden muodostamien jännitteiden perusaallot ovat samansuuruiset ja -vaiheiset, mutta varsinaisesta invertteriyksiköiden vaihekytkimien ohjauksesta huolehtivat toisistaan riippumattomat invertteriyksikkökohtaiset PWM-modulaattorit. Tällöin voi käydä niin, että saman vaiheen kytkimet rinnankytke-5 tyissä INUissa eivät käännykään samanaikaisesti samaan suuntaan vaan voivat olla hetken vastakkaisissa asennoissa esimerkiksi kuvion 3 mukaisesti. Kuviossa on esitetty tilanne, jossa saman vaiheen kytkimet verkkopuolen invertte-riyksiköissä ovat eri asennossa mutta moottoripuolen invertteriyksiköiden kytkimet ovat samassa asennossa. Kuten kuvan esimerkistä nähdään, tilanteessa 10 toisen taajuusmuuttajan välipiirin jännite Udc2 aiheuttaa kiertävän virran (irot), jota rajoittavat lähinnä suodatinyksiköiden ja moottorikaapeleiden induktanssit. Kiertovirta aiheuttaa ylimääräisiä rasituksia mm. pääpiirin tehokytkimille.

Eräs tunnettu menetelmä ongelman estämiseksi on käyttää taa-juusmuuttajakohtaisia erotusmuuntajia, jolloin syöttöpiirit ovat galvaanisesti irti 15 toisistaan eikä kiertovirtaa näinollen voi muodostua. Ratkaisu on kuitenkin monessa mielessä huono; se vie paljon tilaa, on huomattavan kallis jne.

Toinen tunnettu menetelmä estää ongelma on käyttää yhteistä PWM-modulaattoria, jonka tuottamat vaihekytkinten ohjaussignaalit jaetaan kaikille rinnakkaisille invertteriyksiköille. Tätä ei kuitenkaan voi tehdä ilman hanka-20 lia erikoisjärjestelyltä.

US-patenttijulkaisu 5,257,180 esittää ohjausjärjestelmää, jossa on erillinen synkronointipiiri, jolla synkronoidaan rinnan kytketyt invertterit, josta piiristä saadaan yhteiset synkronointisignaalit. Ko. laitteistossa on lisäksi ilmai-supiin ilmaisemaan inverttereiden välillä kulkevia virtakomponentteja, ja ohjaus-.» ·, 25 piiri ohjaamaan inverttereiden ulostulojännitteitä, jolla voidaan pienentää invert- !; tereiden välisiä kiertovirtoja.

' Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epä- I · ·; ; kohdat ja saada aikaan verkkoonjarruttavaan sähkökäyttöön, jossa on vähin- ’· ·’ tään kaksi rinnankytkettyä invertteriyksikköä sekä verkon että moottorin puolel- 30 la, tunnettua tekniikkaa yksinkertaisempi ratkaisu rinnankytkettyjen invertteriyk-.,,: * siköiden tahdistamiseksi.

Tässä keksinnössä käytetään hyväksi sitä, että invertteriyksikköön , kuuluu normaalisti vakiona vaihekohtainen virran mittaus (iu, iv, iw ja ir, is, ΐτ il! kuviossa 1). Tämän keksinnön mukaisesti invertteriyksikkökohtaiset modulaat- 35 torit tahdistetaan toisiinsa virranmittaustiedon perusteella ilman mitään lisäelek-..!·* troniikkaa. Näinollen rinnankytkennöissä voidaan käyttää vakioyksiköitä, mikä " * *: on suuri etu tunnettuihin menetelmiin verrattuna.

3 116649

Keksinnön mukaisessa menetelmässä kaikissa verkkovaihtosuun-taajaan kuuluvissa invertteriyksiköissä käytetään samaa kytkentätaajuutta fKi, joka on erisuuruinen kuin kaikissa moottoria syöttävissä invertteriyksiköissä käytetty kytkentätaajuus fa. Sekä verkkoonjarruttavien yksiköiden että mootto-5 ria syöttävien yksiköiden modulointipulssikuviot tahdistetaan toisiinsa mittaamalla molemmille kytkentätaajuuksille ominainen modulointitaajuinen kiertovirta, jonka aiheuttaa vaihekytkinten muodostaman kolmivaiheisen jännitekuvion nol-lakomponenttien välinen vaihe-ero.

Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle ratkaisulle tunnusomaiset 10 piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää verkkovaihtosuuntaajalla varustettua taajuus- 15 muuttajaa,

Kuvio 2 esittää kahden verkkoonjarruttavan taajuusmuuttajan rin-nankytkentää,

Kuvio 3 esittää rinnankytkettyjen verkkoonjarruttavien taajuus-muuttajien vaihekytkimiä ja niiden välistä kiertovirtaa, ja 20 Kuvio 4 esittää kiertovirran muodostumista.

Kuvio 1 esittää kolmivaiheista verkkoonjarruttavaa PWM-taajuusmuuttajaa, jossa on verkkosilta (INU1) syöttöverkon kolmivaiheisen vaih-tojännitteen, jossa on vaihejännitteet Uu, Uv, Uw, tasasuuntaamiseksi tasajänni-tevälipiirin tasajännitteeksi UDc. Verkkosillassa on kussakin sillan haarassa oh-25 jättävät puolijohdekytkimet V1 - V6, jotka koostuvat kuvion 1 mukaisesti esim.

! IGBT.istä ja niiden kanssa vastarinnankytketyistä diodeista. Verkkosilta on liitet ty vaihtosähköverkkoon kuristimista Li ja L2 sekä kondensaattoreista Ci koostu- • ► ♦ ;; van LCL-suodatinyksikön LFU kautta. Kytkentä mahdollistaa myös negatiivisen välipiirivirran kulkemisen syöttöverkon suuntaan. Verkkosillan puolijohdekytki-30 miä ohjataan esimerkiksi tunnetun sini-kolmiovertailuun perustuvan modulaatto-rin avulla. Kuvion 1 mukaiseen taajuusmuuttajaan kuuluu myös kuormasilta (INU2), joka muodostaa tasajännitevälipiirin tasajännitteestä kolmivaiheisen , [ ·, lähtöjännitteen Ur, Us, Ut, jonka amplitudia ja taajuutta voidaan säätää halutulla !!’. tavalla.

35 Kuvio 2 esittää kahta rinnankytkettyä taajuusmuuttajaa FC1 ja FC2, jotka on liitetty yhteiseen kolmivaiheiseen vaihtosähköverkkoon UL suodatinyk-*“: siköiden LFU1 ja LFU2 kautta ja yhteiseen kaksoiskäämityksellä varustettuun moottoriin kuristinten L1 ja L2 kautta. Keksinnön mukaisesti kummankin verk- 4 116649 kosillan invertteriyksikön (INU11 ja INU21) vaihekytkimiä ohjataan omilla sini-kolmiomodulaattoreillaan, joissa kolmioaaltojen referenssitaajuudet (= kytkentä-taajuudet) on molemmissa rinnakkaisissa invertteriyksiköissä asetettu samaksi (fKi). Keksinnön mukaisesti myös kummankin kuormasillan invertteriyksikön 5 (INU12 ja INU22) vaihekytkimiä ohjataan omilla sini-kolmiomodulaattoreillaan, joissa kolmioaaltojen referenssitaajuudet on molemmissa rinnakkaisissa invert-teriyksikössä asetettu samaksi (½). Keksinnön mukaisesti kytkentätaajuudet fKi ja fx2 asetetaan erisuuruisiksi, jolloin niiden taajuiset kiertovirrat voidaan ilmaista ja sitä kautta tahdistaa sekä verkkosiltojen modulointipulssikuviot toisiin-10 sa että kuormasiltojen modulointipulssikuviot toisiinsa kiertovirtojen vaimentamiseksi.

Modulointipulssikuviot tahdistetaan toisiinsa mittaamalla modulointi-taajuinen kiertovirta, jonka aiheuttaa vaihekytkinten muodostaman kolmivaiheisen jännitekuvion nollakomponenttien välinen vaihe-ero. Asiaa selventää kuvio 15 4, joka esittää tunnetulla sini-kolmio vertailuperiaatteella toimivaa modulointia ja siinä muodostuvaa virtuaalisen tähtipisteen jännitettä, jota nimitetään jännitteen nollakomponentiksi. Invertteriyksikön INU 11 nollajännite esittää kuvion mukaisen moduloinnin aikaansaama nollajännitettä ja invertteriyksikön INU 21 nolla-jännite toisen, rinnankytketyn invertteriyksikön moduloinnin aikaansaamaa nol-20 lajännitettä. Kuten kuviosta nähdään, nollajännitteen taajuus ja vaiheistus ovat sidoksissa kolmioaaltoon. Kuvion esimerkissä modulaattorien kolmioaallot ovat keskenään vaihesiirrossa a, mikä vaihesiirto näkyy samankokoisena myös nol-:· lajännitteiden välillä.

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

'···’ Kiertovirran suunta ilmaistaan kertomalla mittaustulos kolmioaallon napaisuu- 30 della (positiivinen kärki = 1, negatiivinen kärki = -1).

Mitattu kiertovirran hetkellisarvo lisätään edellisten mittaustulosten

I * I

summaan, jolloin saadaan ns kiertovirtasumma. Jos kiertovirtasumma ylittää . .·. annetun maksimiarvon, valitaan hetkellisesti yhden modulointijakson puolikkaan ,··*, ajaksi referenssiä seuraava suurempi kytkentätaajuus (= kolmioaallon taajuus).

35 Jos taas kiertovirtasumma alittaa negatiivisen maksimiarvon, käytetään seuraa-valla modulointijakson puolikkaalla referenssiä yhtä askelta pienempää kytken-tätaajuutta. Tällä menettelyllä kolmioaallon vaihe-ero rinnalla olevan INUn koi- 5 116649 mioaaltoon pienenee. Samalla kun kytkentätaajuutta muutetaan, kiertovir-tasumma nollataan.

Summavirtamittauksessa näkyy sekä verkkosiltojen aiheuttama että kuormasiltojen aiheuttama kiertovirtakomponentti. Erisuuruisten kytkentätaa-5 juuksien ansiosta käy kuitenkin niin, että verkkosillan kiertovirtasummassa näkyy pitkällä aikavälillä vain verkkosiltojen kytkentätaajuinen (fKi) kiertovirta, samoin kuin kuormasillan kiertovirta-summassa vain kuormasiltojen kytkentätaajuinen (f«2) kiertovirta.

Kytkentätaajuutta voidaan muuttaa kiertovirtaan verrannollisena 10 muullakin tavoin, esim. Pl-säädettynä vaihelukittuna silmukkana jolloin kolmioaallon taajuutta säädetään verrannollisena ilmaistuun modulointitaajuiseen kiertovirtaan. Edellä mainitun summaavan menetelmän etuna on se, että summa-uksella saadaan samalla suodatettua mittauskohinaa eivätkä hetkelliset häiriöt tai offsetit summasignaalissa pääse vahvistumaan.

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

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuo-dot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaih-20 della jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa..

Claims (10)

116649

1. Menetelmä rinnankytkettyjen verkkoonjarruttavien taajuusmuuttajien (FC1, FC2) tahdistamiseksi, joissa taajuusmuuttajissa on invertteriyksik-5 kökohtaiset modulaattorit sekä verkkosilloissa että kuormasilloissa, tunnettu siitä, että menetelmässä: mitataan taajuusmuuttajien välistä kiertovirtaa, ja tahdistetaan verkkosiItojen modulaattorit keskenään toisiinsa ja kuormasiltojen modulaattorit keskenään toisiinsa virranmittaustiedon perusteelle) la.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että verkkosiltojen kytkentätaajuus (ίκι) on asetettu keskenään samaksi mutta erisuuruiseksi kuin kuormasiltojen kytkentätaajuus (fo).

3. Patenttivaatimusten 1 ja 2 mukainen menetelmä, 15 tunnettu siitä, että kiertovirran mittaamiseksi invertteriyksiköissä, | mitataan vaihevirrat yhtaikaisesti ja muodostetaan vaihevirtojen summa, ilmaistaan kytkentätaajuisen kiertovirran hetkellisarvo kertomalla vaihevirtojen summa kolmioaallon tai vastaavan modulointisignaalin 20 napaisuudella, ja muodostetaan kiertovirtasumma summaamalla peräkkäiset hetkellisarvotulokset

• 4. Patenttivaatimusten 1 - 3 mukainen menetelmä, • ; : tunnettu siitä, että kiertovirran estämiseksi rinnankytketyissä taajuusmuuttajis- .* . 25 sa modulaattorien kolmioaallot tai vastaavat modulointisignaalit tahdistetaan , ’ , seuraavilla toimenpiteillä jotka tehdään kaikissa invertteriyksiköissä: muodostetaan kiertovirtasumma, *; kasvatetaan kytkentätaajuutta kiinteän askeleen verran määrätyksi, esimerkiksi yhden modulointijakson puolikkaan ajaksi, mikäli kiertovirtasumma 30 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

5. Patenttivaatimusten 1 - 3 mukainen menetelmä, » i 35 tunnettu siitä että kolmioaaltojen tai vastaavien modulointisignaalien tahdistus v : tehdään säätämällä niiden taajuutta verrannollisena ilmaistuun kytkentätaajui- seen kiertovirtaan. 116649

6. Jonkin vaatimuksen 1 - 5 mukainen menetelmä, jota käytetään yhtä lukuunottamatta kaikissa rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien verkkosiltojen ja/tai kuormasiltojen invertteriyksiköissä.

7. Rinnankytketyistä verkkoonjarruttavista taajuusmuuttajista (FC1, 5 FC2) koostuva laitteisto, joissa taajuusmuuttajissa on invertteriyksikkökohtaiset modulaattorit sekä verkkosilloissa että kuormasilloissa, tunnettu siitä, että laitteisto: mittaa taajuusmuuttajien välistä kiertovirtaa, ja tahdistaa modulaattorit toisiinsa virranmittaustiedon perusteella.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että verkkosiltojen kytkentätaajuus (fKi) on asetettu keskenään samaksi mutta erisuuruiseksi kuin kuormasiltojen kytkentätaajuus (f«2).

9. Patenttivaatimusten 7 ja 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että kiertovirran estämiseksi rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien 15 välillä niiden invertteriyksikkökohtaisten modulaattorien kolmioaallot tai vastaavat modulointisignaalit tahdistetaan siten, että kaikissa yksiköissä: muodostetaan kiertovirtasumma, kasvatetaan kytkentätaajuutta kiinteän askeleen verran määrätyksi, | esimerkiksi yhden modulointijakson puolikkaan ajaksi, mikäli kiertovirtasumma 20 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

\ 10. Jonkin vaatimuksen 7 - 9 mukainen laitteisto, jota käytetään yhtä 25 lukuunottamatta kaikissa rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien verkkosiltojen ja/tai kuormasiltojen invertteriyksiköissä. * # » a * a > ‘ · > a a » a a > i a 8 116649