FI117259B - Välipiirikondensaattoreiden jännitteen tasaus - Google Patents

Description

117259 Välipiirikondensaattoreiden jännitteen tasaus

Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on kondensaattoreiden sarjaankytken-nän jännitteiden tasauskytkentä erityisesti taajuusmuuttajan välipiirikonden-5 saattoreita varten, joita on ainakin kaksi sarjaankytkettynä välipiirijännitteen yli.

Taajuusmuuttajien DC-puolen energiavarastona käytetään tavallisesti sarjaankytkettyjä elektrolyyttikondensaattoreita. Sarjaan kytkettävien kondensaattoreiden määrä riippuu taajuusmuuttajan syöttövaihejännitteestä ja on tavallisesti yksi kappale 230 voltilla, kaksi kappaletta 400 - 500 voltilla, kol-10 me kappaletta 690 voltilla ja neljä kappaletta 1000 voltilla. Kondensaattoreiden sarjaankytkentöjä voi edelleen olla rinnankytkettyinä välipiirissä. Rinnankyt-kentöjen määrä riippuu taajuusmuuttajan lähtövirrasta.

Kondensaattoreilla on tyypillisesti toisistaan poikkeava vuotovirta, joka tarkoittaa sitä, että sarjakytkennän yli vaikuttava staattisen tilan syöttöjän-15 nite ei jakaannu tasan kondensaattoreiden kesken. Tämä saattaa johtaa tilanteeseen, missä yksittäistä kondensaattoria rasittaa dynaamisessa tilassa sallittua suurempi jännite esimerkiksi virran aaltoisuuden ja kapasitanssitole-ranssien vaikutuksesta. Tämän vuoksi kondensaattoreiden rinnalle kytketään tavallisesti niin sanotut tasoitusvastukset, joiden kautta kulkeva virta on paljon 20 suurempi kuin kondensaattoreiden vuotovirta. Tällöin staattisen tilan jännit-teenjako määräytyy pääosin vastusten resistanssisuhteiden mukaisesti. Tun- • ♦ » . nettua tekniikkaa on myös käyttää vastusten lisäksi aktiivikomponentteja, esi- merkiksi emitteriseuraajakytkentöjä, joiden avulla saadaan terävämpi rajoitus *·/·] ilman kohtuutonta tehohäviön kasvua. Aktiivikomponentteja käytettäessä *· *: 25 komponenttikustannukset kuitenkin kasvavat.

: Tyypillinen yhden kondensaattorin tasausvastus noin 100 kVA:n te- - hoisessa taajuusmuuttajassa on arvoltaan 22 kilo-ohmia, jolloin sen häviöteho esimerkiksi 500 voltilla on 5,2 wattia. Koska kondensaattoreita ja vastuksia on : tällä jännitteellä kaksi sarjassa, on kokonaistehohäviö 10,4 wattia. Suurem- ··· ····. 30 millä jännitteillä hukkateho on tietenkin vielä suurempi.

, \ Taajuusmuuttaja tarvitsee toimiakseen tietyn määrän aputehoa oh- » · * : jaus- ja säätöpiirien sekä hilaohjainten käyttöön. Tämän tehon suuruus on tyy- pillisesti 10-20 wattia 100 kVA:n tehoisella taajuusmuuttajalla. Onkin helppo havaita, että tasausvastuksissa kulutetaan lähes saman verran tehoa hukka-35 lämmöksi kuin mitä tarvitaan koko taajuusmuuttajan aputehoksi. Olisi siis erit- * * 2 117259 täin edullista, jos kondensaattorelden tasakäynnin vaatiman tehohukan voisi käyttää hyödyksi laitteen aputehona.

Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada kytkentä, joka 5 välttää edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistaa kondensaattoreiden sar-jaankytkennän jännitteiden tasauksen luotettavalla tavalla siten, että jännitteen tasauksen yhteydessä muodostetaan apujännitelähde. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella kytkennällä, jolle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

10 Keksinnön mukainen kytkentä perustuu siihen, että sarjaankytket- tyjen kondensaattoreiden jännitteiden tasaamiseen käytetään vapaasti värähteleviä invertteripiirejä, jotka jännitteen tasaamisen yhteydessä tuottavat jän-nitesyötön muissa piireissä käytettäväksi jännitteeksi. Keksinnön mukaisen kytkennän avulla saavutetaan se etu, että muutoin hukkatehoksi häviävä teho 15 voidaan hyödyntää muissa pientä tehoa tarvitsevissa piireissä, kuten esimerkiksi taajuusmuuttajan yhteydessä sen ohjaus- ja säätöpiireissä sekä hilaoh-jainten apujännitteinä.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen 20 yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista:

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista kondensaattoreiden sarjaan-i V kytkennän jännitteiden tasauskytkentää; ja

Kuviot 2 ja 3 esittävät keksinnön mukaisesti kondensaattoreiden jännitteiden tasaukseen käytettäviä inverttereitä.

·«· • » « 25 Keksinnön yksityiskohtainen selostus • « ·

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen kondensaattoreiden sarjaankytkennän jännitteiden tasauskytkentä. Kuviossa 1 olevat kondensaat-torit on kuvattu taajuusmuuttajan välipiirin kondensaattoreiksi, mutta kek- • · **;·' sinnön mukainen kytkentä on käyttökelpoinen myös muissa mahdollisissa \\: 30 kondensaattoreiden sarjaankytkennän käyttökohteissa. Kuviossa esitetty taa- juusmuuttajan välipiiri käsittää positiivisen 1 ja negatiivisen 2 jännitekiskon, ’ , joiden välille on kytketty kolme kondensaattoria 3 sarjaan. Kuviossa 1 ei ole * * *· ψ • · ψ « · • * 3 117259 esitetty taajuusmuuttajan varsinaista vaihtosuuntausosaa, eli tehopuolijohteita ja niiden ohjauspiirejä, sillä keksinnön soveltaminen tai ymmärtäminen ei vaadi kyseisten komponenttien läsnäoloa.

Keksinnön mukaisesti jokaisen Saijaan kytketyn kondensaattorin 5 napoihin on kytketty vapaasti värähtelevä invertteri 4. Esimerkkejä vapaasti värähtelevistä inverttereistä on esitetty kuvioissa 2 ja 3. Vapaasti värähtelevät invertterit on kytketty kuvion 1 mukaisesti siten, että jokainen sarjaankytketty kondensaattori käsittää oman invertterinsä. Näin ollen jokaisen invertterin positiivinen napa on kytketty vastaavan kondensaattorin positiiviseen napaan ja 10 negatiivinen napa negatiiviseen napaan.

Keksinnön mukaisella kytkennällä voidaan taajuusmuuttajan yhteydessä välipiirin energiavarastona toimivien elektrolyyttikondensaattoreiden jännitteen tasaus toteuttaa siten, että samalla tuotetaan taajuusmuuttajan tarvitsema aputeho. Kunkin kondensaattorin rinnalle kytketään kahden transisto-15 rin 11, 12 ja muuntajan 13 muodostama vapaasti värähtelevä invertteri siten, että muuntajan ensiökäämin 14 keskipiste 15 kytketään kondensaattorin positiiviseen napaan ja saman käämin vapaat päät transistoreiden kollektoreille. Tällainen keksinnön suoritusmuoto on esitetty kuviossa 2. Edelleen kuvioon 2 viitaten transistoreiden 11, 12 emitterit on kytketty kondensaattorin negatiivi-20 seen napaan sekä kannat muutaman passiivikomponentin kera tunnetun tekniikan mukaisesti muuntajan ohjauskäämiin itsestään värähtelevän invertterin ····· muodostamiseksi. Itsestään värähtelevällä invertterillä tarkoitetaan yleisesti sitä, että tällaisen invertterin puolijohdekytkimien ohjaamiseen ei käytetä mi-]·*·. tään erillisiä ohjaus- tai ajoituspiirejä. Passiivikomponenttien avulla saadaan 4 « l]\ 25 invertteri muodostumaan sellaiseksi, että värähtelyn ansiosta puolijohdekytki- *;./ met johtavat vuoronperään ilman erillistä ohjaustehon tarvetta.

"·*/ Itsestään värähtelevän invertterin muuntajan 13; 23 toisioon 16; 26 :·: : indusoituu vaihtojännite, joka tasasuunnataan tasasuuntaussillalla 17; 27

apujännitteeksi soveltuvan tasajännitteen aikaansaamiseksi. Kaikkien invertterit 30 reiden täysaaltotasasuunnatut lähdöt kytketään yhteen kuvion 1 esittämällä :**[: tavalla antamaan aputehon syöttöön sovelias välijännite Va, esimerkiksi 24 V

. X ± 30%. Inverttereiden muuntajien toisiokäämin kierrosluku suhteessa ensiö- "1/ käämiin mitoitetaan siten, että tämä jännite saavutetaan tyypillisellä energiava- V rastokondensaattorin napajännitteellä. On selvää, että tälle väliapujännitteelle ·:*·: 35 tulee sallia laajat toleranssit, sillä ensiöjännitteen vaihteluvälikin on suuri.

·· · * · * • « • * 4 117259 Käytetyistä invertteriratkaisuista riippuen, siinä olevien transistorien tulee kestää 1,2- tai 2- kertainen kondensaattorijännite, mikä pahimmassa tapauksessa eli 500 voltin verkkojännitteellä ja 30% ylijännitteellä on 878 volttia. Tällöin voidaan siis valita 1000 voltin kollektorijännitteelle mitoitetut transistorit, 5 jolloin invertterin kytkentä on yksinkertaisin (kuvio 2) tai 600 voltin transistorit, jolloin kytkentä tarvitsee muutaman lisäkomponentin (kuvio 3).

Esitetyn kaltaisen invertterikytkennän tulo- ja lähtöjännitteet noudattavat muuntajan muuntosuhteella kerrottuna toisiaan, toisin sanoen jos tu-lojännite kasvaa, kasvaa myös tasasuunnattu lähtöjännite vastaavasti. Invert-10 terin mahdollisten epäideaalisuuksien vaikutus tähän riippuvuuteen on tyypillisesti erittäin pieni.

Koska muuntajien tasasuunnatut lähdöt on kytketty esitetyllä tavalla polariteettinsä säilyttäen yhteen, virtaa apujänniteteho pääosin sen muuntajan kautta, jonka toisiojännite on suurin. Tämä tarkoittaa puolestaan sitä, että enin 15 osa apujännitetehosta otetaan siitä energiavarastokondensaattorista, jonka napajännite pyrkii olemaan muihin sarjaankytkettyihin kondensaattoreihin nähden suurin. Kondensaattorista virtaa siis energiaa, mikä merkitsee kondensaattorin napajännitteen pienenemistä, kunnes se saavuttaa toiseksi suurimman napajännitetason. Tämä vuorovaikutus tapahtuu kuitenkin samanai-20 kaisesti kaikkien kondensaattoreiden kesken, jolloin lopputuloksena ovat yhtäläiset napajännitteet ja inverttereille likimain tasan jakautuva aputehon syöt-tö.

:\\ Tällä tavoin on siis saavutettu energiavarastokondensaattoreiden *···. lähes hukkatehoton ja aktiivinen tasakäynti samalla kun kytkennällä voidaan 25 syöttää apujännitettä, esimerkiksi taajuusmuuttajan yhteydessä.

Keksinnön lisäetuna on inverttereiden komponenttitasoinen riippu- t » * **[/ mattomuus verkkosyöttöjännitteestä. Kaikissa tapauksissa samat komponentit : sisältävien, Saijaan kytkettyjen inverttereiden määrä kasvaa syöttöjännitteen mukana, joten suurillakaan syöttöjännitteillä ei tarvita suurijännitteisiä ja kalliita 5.:.: 30 kytkinkomponentteja, kuten tarvitaan erillisissä suoraan välipiirijännitteestä toimivassa apuvirtalähderatkaisussa. Jos syöttöjännite on 1000 voltin tasolla, ; ei vakiotuotannossa olevia kytkinkomponentteja enää löydykään.

*11/ Taajuusmuuttajien lähtöteholla on taipumusta olla suurempi suurella **:·* syöttöjännitteellä. Tällöin aputehoakin tarvitaan useampien hilaohjainten vuok- 35 si enemmän, mutta useampien sarjaan kytkettyjen välipiirikondensaattoreiden ·· · » · « • « • · 5 117259 vuoksi tähän tehtävään onkin käytettävissä vastaava määrä toisiopiireistään rinnankytkettyjä inverttereitä.

Keksinnön mukaisessa kytkennässä käytettävä invertteri toisiotasa-suuntaimineen voidaan helposti toteuttaa piirilevyn palasella tai vaikkapa 5 epoksiin valettuna yksikkönä, joka on pienihäviöisenä helppo sijoittaa suoraan tehokondensaattoreiden napoihin. Tällaisen volyymikomponentin hinta on mahdollista saada erittäin alhaiseksi ja muuntajat voidaan tarvittaessa varustaa vahvennetulla eristyksellä, jolloin aputehon välijännite voidaan tuoda maan potentiaaliin esimerkiksi rinnakkaisen akku käytön mahdollistamiseksi silloin, 10 kun välipiirijännitettä ei ole vielä kytketty päälle tai kun se on normaaliin toimintaan nähden liian pieni. Samoin on helppo toteuttaa maan potentiaalissa tapahtuva vahinkokäynnistyksen estopiiri.

Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten 15 rajoitu yllä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

♦ t 1 • I i • » · ♦ · • ·· • · • · • · * · · 9 li • I Ml t i « 9 9 9 • ·« • · · • · 1 * » · * 9 ·

• M

• · · • ♦ • ♦ 999 9 • f • · m «·· mi a a a a 1 • a • a m a a a · «· i «aa • 1 9 9

Claims (1)

117259 Patenttivaatimus Kondensaattoreiden sarjaa nkytkennän jännitteiden tasa us kytkentä erityisesti vaihtosuuntaajan välipiirikondensaattoreita (3) varten, joita on ainakin kaksi sarjaankytkettynä välipiirijännitteen yli, tunnettu siitä, että ta-5 sauskytkentä käsittää kondensaattorikohtaiset vapaasti värähtelevät invertterit (4) ja invertterikohtaiset tasasuuntaussillat, joiden invertterien tulonavat on kytketty invertteriä vastaavan kondensaattorin rinnalle ja joiden lähtönavat on kytketty vastaaville tasasuuntaussilloille, joiden lähdöt ovat rinnankytketyt jännitelähteen (Va) muodostamiseksi. 10 * * · • 99 9 · 9 9 999 9 9 9 9 • 99 9 9 9 9 9 • 9· 9 9 • 99 • 99 • 99 9 999 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 • 99 9·· 9·· • 1 • · «M 9 9 9 9 · 9 9 9 9 • 99 9 99 • 9 9 9 999 • 9 9 · • 9 · 9 9 9 9 9 9 9 7 117259 Utjämningskoppling för spänningarna i en seriekoppling av konden-satorer, speciellt för mellankretskondensatorer (3) i växelriktare, av vilka ät-minstonetvä är seriekopplade över mellankretsspänningen, kännetecknad 5 av att utjämningskopplingen omfattar kondensatorspecifika fritt oskillerande inverterare (4) och inverterarspecifika likriktningsbryggor, vilka inverterares ingangspoler är kopplade parallellt med en inverterares motsvarande konden-sator och vilkas utgängspoler är kopplade tili motsvarande likriktningsbryggor, vilkas utgängar är kopplade parallellt för att bilda en spänningskälla (Va). • · *· · • · » • « • · ··· • · « « • ft# * f ft · · • # · • •ft * · ft • · · • · # ft · ft • · · • •ft ··· ··· « • · • · · • · · ··· · ··· « · • # • ft# « • · ·· « • · · # « • ·