FI119308B - Kondensaattorivälineiden latauskokoonpano - Google Patents

Description

119308

Kondensaattorivälineiden latauskokoonpano

Keksinnön tausta

Nykyaikaisissa suuritehoisissa taajuusmuuttajissa tai vastaavissa laitteissa tarvitaan satojen wattien tehoisia apujännitelähteitä huolehtimaan 5 mm. ohjauslogiikan apujännitteistä, tehokomponenttien hilaohjauksista sekä säädettävien jäähdytyspuhaltimien tehonsyötöstä. Nämä apujännitelähteet on tavallisesti toteutettu ilman suuria, painavia ja kalliita verkkotaajuisia muuntajia jo senkin vuoksi, että taajuusmuuttajan on toimittava myös satunnaisten verkkokatkoksien aikana tasajännitevälipiiriinsä ja kyseisen taajuusmuuttajan syöt-10 tämien koneiden inertiaan varastoituneen energian varassa.

Tavanomainen apujännitelähde on diodisiltatasasuuntaimen, tasa-jännitevälipiirikondensaattorin ja galvaanisen erotuksen antavaa muuntajaa suurella taajuudella syöttävän vaihtosuuntaajan muodostama kokonaisuus. Tällaisen apujännitelähteen käytössä on kuitenkin eräitä ongelmia, kuten verk-15 koon kytkemisen yhteydessä tapahtuva suuri virtapulssi ja se, että apujännitelähteen diodisilta tasasuuntaa välipiiriinsä syöttävässä verkossa esiintyvät yli-jännitepiikit.

Kuviossa 1 esitetään esimerkki tunnetun tekniikan mukaisesta apu- jännitelähteestä. Viitaten kuvioon 1, verkkoon kytkemisen yhteydessä tapahtu- 20 va apuvälipiirikondensaattorin Cpa varautuminen synnyttää diodisillan 100 vai- :. *i kutuksesta suuren virtapulssin, jota on suojasulakkeiden palamisen estämi- • · :.:*: seksi rajoitettava jollakin tavoin. Mekaanisen kytkentälaitteen aiheuttama jän- **.,’.* niiteen muutosnopeus saattaa helposti olla useita tuhansia voltteja mikrose- j:‘: kunnissa, jolloin minimissäänkin muutaman mikrofaradin kapasitanssin omaa- : 25 va apuvälipiirin kondensaattori Cpa pyrkii helposti aiheuttamaan usean tuhan- «M · ^ .*··. nen ampeerin virtapiikin syöttävästä jäykästä verkosta. Kuvion 1 kytkennässä virtaa rajoitetaan välipiirikondensaattorin Cpa kanssa sarjaan kytketyn lataus-,V( vastuksen Rpa avulla, joka oikosuljetaan kytkimellä Spa välipiirikondensaattorin :!;* Cpa jännitteen noustua riittävän lähelle nimellistä arvoansa. Latausvastus on *·;** 30 kuitenkin suuri kooltaan, ja se saattaa vikatilanteessa aiheuttaa ylikuumetes- {**.. saan tulipalon tai muuta vaaraa.

:***: Kuviossa 2 esitetään esimerkki suuritehoista verkkovaihtosuuntaa- • · · y..' jaa syöttävän verkon jännitteestä ajan funktiona. Kuviosta 2 nähdään, että suu- ;i.* ritehoinen verkkovaihtosuuntaaja aiheuttaa verkkoon tiheästi toistuvia ylijänni- * · ***** 35 tepiikkejä 200, jotka apujännitelähteen diodisilta tasasuuntaa välipiiriinsä. Käy tännön mittauksissa on havaittu, että 690 voltin verkkojännitteellä positiivisten 119308 2 ylijännitepiikkien huippujen ja negatiivisten ylijännitepiikkien huippujen erotus voi olla luokkaa 2000 volttia, joten ylijännitepiikit täytyy ehdottomasti ottaa huomioon apujännitelähteen dioditasasuuntaimen 100 ja sen jälkeisten ener-giavarastokomponenttien sekä kytkinpuolijohteiden mitoituksessa. Se taas 5 saattaa aiheuttaa suuriakin lisäkustannuksia tai johtaa nopeiden komponenttien hankaliin sarjakytkentäratkaisuihin. Lisäksi, mikäli aputehon tarve on niin pientä, että piikkien sisältämä energia ei kulu sitä myöten kun sitä tulee apuvä-lipiiriin, kasvaa välipiirin jännite, kunnes apujännitelähteen vaihtosuuntaajaosa on pakko pysäyttää, jotta kytkinkomponentit eivät vahingoitu kasvavien kytken-10 tähäviöiden vuoksi.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on kehittää kondensaattorivälineiden lataus-kokoonpano, jolla yllä mainitut ongelmat voidaan ratkaista. Keksinnön tavoite saavutetaan kondensaattorivälineiden latauskokoonpanolla, jolle on tunnus-15 omaista se, mitä sanotaan itsenäisessä patenttivaatimuksessa 1.

Keksintö perustuu siihen, että kondensaattorivälineitä ladataan la-tauspulssien sarjalla, jossa sarjassa kukin latauspulssi on muodostettu syöttävän jännitteen vastaavasta verkkojaksosta, ja kunkin latauspulssin jännite on suurempi kuin edellisen latauspulssin jännite kunnes ennalta määrätyt ehdot 20 täyttyvät, jolloin latauspulssien jännitteen kasvu pysähtyy.

Keksinnön mukaisen kondensaattorivälineiden latauskokoonpanon • · : etuna on se, että samaa latauskokoonpanoa voidaan käyttää useilla eri jänni- tetasoilla. Lisäksi etuna on se, että keksinnön mukaisella latauskokoonpanolla : voidaan estää ylijännitepiikkien kulkeutuminen latauskokoonpanon välipiiriin.

• * I « « 25 Kuvioiden lyhyt selostus • · • ·

Kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista apujännitelähdettä; . . Kuvio 2 esittää suuritehoista verkkovaihtosuuntaajaa syöttävän ver- • · · kon jännitettä ajan funktiona;

Kuvio 3 esittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen konden-30 saattorivälineiden latauskokoonpanon sisältävän taajuusmuuttajan yksinker-.···. taisteltua kytkentäkaaviota; ja

Kuvio 4 esittää kuvion 3 latauskokoonpanon jännitteitä ajan funktio- • · · na.

*·· • · * · • · * 3 119308

Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuvio 3 esittää yksinkertaistettua kytkentäkaaviota taajuusmuuttajasta, joka käsittää keksinnön erään suoritusmuodon mukaisen kondensaattorivälineiden latauskokoonpanon. Kuvion 3 taajuusmuuttaja käsittää pääpiirin ja 5 apujännitelähteen. Pääpiiri sisältää positiivisen kiskon DC+ ja negatiivisen kiskon DC- välille kytketyt pääpiirin kondensaattorivälineet (ei esitetty) ja näiden kondensaattorivälineiden lataamiseen sovitetun, ohjattavia puolijohdekomponentteja Tg-Tw sisältävän puoliohjatun tasasuuntaussillan. Apujännitelähde sisältää apujännitelähteen kondensaattorivälineet CaUx ja latauskokoonpanon 10 apujännitelähteen kondensaattorivälineiden CaUx lataamiseksi. Apujännitelähde on sovitettu syöttämään tehoa mm. mainittujen ohjattavien puolijohdekomponenttien Tu-Tw ohjaamista varten mainittujen apujännitelähteen kondensaattorivälineiden CaUx avulla.

Kuvion 3 taajuusmuuttajassa on apujännitelähteen kondensaattori-15 välineiden latauskokoonpanossa korvattu tunnetun tekniikan mukaiset diodisil-tatasasuuntain 100 ja latausvastus Rpa vaiheenleikkausmoodissa toimivalla ty-ristorikytkimellä Tch, joka suorittaa apujännitelähteen välipiirin kondensaattori-välineiden CaUx varauksen siten, ettei liiallista latausvirtapiikkiä pääse syntymään. Lisäksi vaiheenleikkaus käytännöllisesti katsoen poistaa verkossa esiin-20 tyvien ylijännitepiikkien vaikutuksen välipiirijännitteeseen rajoittamalla välipiiri- ... . jännitteen tiettyyn, ennalta aseteltuun arvoon. Apujännitelähteen vaihtosuun- • · · .* taajaosaa syötetään tällä rajoitetulla jännitteellä, kunnes päävälipiirin jännite i · · nousee olennaisesti nimelliseen arvoonsa, jolloin pääpiiri alkaa automaattisesti • · I*··' syöttää apujännitepiiriä diodikytkimen Dop kautta. Diodikytkimen Dop anodi on : 25 liitetty positiiviseen kiskoon DC+, ja sen katodi on liitetty samaan pisteeseen • · · kuin lataustyristorin katodi, eli kondensaattorivälineiden CaUx positiiviseen napaan.

Kuvion 3 latauskokoonpanolla estetään automaattisesti apujännite-lähteen välipiirin jännitteen nousu yli sallitun arvon tilanteissa, joissa pääpiirin · .···. 30 jännite on alle ennalta määrätyn tason. Tilanteet, joissa pääpiirin jännite on alle .*.** mainitun ennalta määrätyn tason, käsittävät taajuusmuuttajan käynnistystilan- · : " teet ja verkkokatkostilanteet. Taajuusmuuttajan normaalin käytön aikana apu- jännitelähteen kondensaattorivälineet CaUx saavat virtaa suuren kapasitanssin omaavien pääpiirin kondensaattorivälineiden kautta, jolloin apujännitelähtee- .*··. 35 seen ei pääse kulkeutumaan haitallisen suuria jännitepiikkejä.

• « ·#· 4 119308

Ennen kuin pääpiirin puoliohjattu tasasuuntaussilta voidaan käynnistää, tarvitaan sillan tyristoreiden Tu-Tw ohjausta varten apujännitettä, joka aikaansaadaan apujännitelähteellä. Apujännitelähde käsittää apujänniteläh-teen kondensaattorivälineiden CaUx lisäksi vaihtosuuntaimen 310 ja galvaani-5 sesti erottavan muuntajan 320.

Kuvion 3 mukaisesti syöttävän verkon vaihe U on liitetty apujännite-lähteeseen siten, että lataustyristorin Tch anodi on liitetty suoraan vaiheeseen U. Apujännitelähteen välipiirin yhteinen potentiaali on negatiivinen kisko DC-, jonka välityksellä verkon vaiheesta U syöttönsä ottava apujännitelähde sulkeu-10 tuu syöttävän verkon vaiheisiin V ja W pääpiirin puoliohjatun tasasuuntaussil-lan alahaarojen diodien Dv ja Dw kautta. Kuviossa 3 apujännitelähteen kondensaattorivälineiden Caux negatiivinen napa on liitetty suoraan negatiiviseen kiskoon DC-.

Apujännitelähde käsittää myös leikkurin 30, ensimmäisen integraat-15 torin 31, toisen integraattorln 32, jaksonllmaisimen 34, nollausvällneen 35, summaimen 36, rajoitinpiirin 37, liipaisinpiirin 38 ja erotusmuuntajan 39. Vaihe U on liitetty suoraan leikkuriin 30 ja jaksonilmaisimeen 34.

Negatiivista kiskoa DC- vastaan vaikuttava vaihejännite rajoitetaan leikkurilla 30 noin 64 voltin amplitudiseksi suorakaideaaltoa muistuttavaksi aal- 20 tomuodoksi, jotta päästään eroon verkkojänniteriippuvuudesta. Jakson- . . ilmaisimesta 34 saadaan tieto, milloin leikatun aaltomuodon amplitudi alittaa 64 • · » / / volttia, mikä puolestaan merkitsee lataustyristorin Tch yli vaikuttavan verkkojak- • · · ! son päättymistä. Edellä mainittu 64V raja on valittu siten, että se on kaksinker- täinen liipaisinpiirin 38 sisältämän diacin liipaisutasoon 32V nähden.

• * * 25 Vaihejännitteen kanssa synkronissa oleva leikattu aaltomuoto syöt- tää kahta integraattoria, joista ylempänä olevan ensimmäisen integraattorin 31 :***: RC-aikavakio τι on valittu sellaiseksi, että ensimmäisen integraattorin 31 lähtö- ·«« jänniterampin huippuarvo ei voi kasvaa liipaisinpiirin liipaisutasoon 32V asti verkkojakson aikana. Ensimmäinen integraation 31 nollataan nollausvälineellä .*··' 30 35 jokaisen verkkojakson päätteeksi, joten ramppiaalto alkaa aina nollatasolta.

• · *!* Alempana olevan toisen integraattorin 32 RC-aikavakio τ2 on paljon ·· : ’·* suurempi kuin τι, joten toisen integraattorin 32 kondensaattorin jännite kasvaa ί(>’: hitaasti. Integraattoreiden 31 ja 32 lähtöjännitteet summataan summaimella 36, .···. jolloin saadaan saha-aalto, jonka amplitudi kasvaa joka verkkojaksolla, jolloin • · · 35 lopulta ylitetään liipaisutaso.

• ·

«M

5 119308

Kuviossa 4 on esitetty ajan funktiona apujännitelähdettä käynnistys-tilanteessa syöttävä jännite Uaux. integraattoreiden 31 ja 32 lähtöjännitteiden summa ΙΙΣ| sekä erikseen toisen integraattorin 32 lähtöjännite U32 ja ensimmäisen integraattorin 31 lähtöjännite U31. Kuvion 4 jännitteet on ilmaistu nega-5 tiivisen kiskon DC- suhteen. Käynnistystilanteessa jännite Uaux on lataustyristo-rin Tch anodin jännite negatiiviseen kiskoon DC- nähden. Jännitteen Uaux kukin verkkojakso käsittää kuvion 4 mukaisesti kaksihuippuisen kohouman. Mainittujen kaksihuippuisten kohoumien välillä olevat nollajännitteiset osuudet muodostuvat oleellisesti niistä ajanjaksoista, joissa vaiheen U jännite on vaiheiden 10 V ja W jännitteitä pienempi.

Kun jännite Ui ylittää liipaisutason, syöttää liipaisupiiri 38 erotus-muuntajan 39 kautta lyhyen virtapulssin lataustyristorin Tch hilalle, ja tyristori Tch syttyy, mikäli sen anodi on positiivisempi kuin katodi. Apujännitelähdettä syöttävän jännitteen Uaux verkkojakson loppuosasta leikataan tavallaan viipale, 15 jonka aiheuttama virtapulssi kasvattaa apuvälipiirikondensaattorin Caux napajännitettä. Kondensaattoria Caux lataava latauspulssi kulkee ohjattavan puoli-johdekytkimen TCh kautta. Virtaa rajoittaa sekä verkon että tulokuristimen induktiivinen reaktanssi.

Lataustyristorin TCh sytytyshetken koko ajan aikaistuessa konden- 20 saattorin Caux napajännite saavuttaa viimein arvon, jolla rajoitinpiiri 37 pysäyt- . . tää toisen integraattorin 32 lähtöjännitteen nousun. Tämä merkitsee latausty- « * / ristorin Τ<* hilaohjauksen aikaistumisen päättymistä, jonka seurauksena apu- · välipiirin jännite stabiloituu senhetkiseen arvoon. Lataustyristorin TCh lii- ··· paisuhetki säätyy automaattisesti sellaiseen ajankohtaan, että haluttu apujän-·.· · 25 nitelähteen välipiirijännite säilyy kuormituksen muutoksista riippumatta.

: Rajoitinpiiri 37 voi olla säädettävä siten, että kondensaattorin napa- jännitteen sitä arvoa, joka aikaansaa toisen integraattorin 32 lähtöjännitteen ··· nousun pysähtymisen, voidaan muuttaa. Vaihtoehtoisesti säädettävä rajoitinpii-ri 37 voidaan sovittaa sellaiseksi, että se pysäyttää latauspulssien jännitteen • * · 30 nousun latauspulssien jännitteen ylitettyä rajan, jota voidaan muuttaa rajoitin- • · *!* piirin säädöllä. Rajoitinpiirin 37 säädettävyydellä saavutetaan se etu, että ver- ·· : '·· kossa esiintyvät häiriöt voidaan ottaa huomioon tapauskohtaisesti, ja lataus- :[[[: pulssi voidaan aina muodostaa verkkojännitteen sellaisesta osasta, joka ei si- .···. säilä haitallisen suuria jännitepiikkejä.

* · · '..,m 35 Keksinnön mukainen kondensaattorivälineiden latauskokoonpano *"*" voidaan sovittaa syötettäväksi myös muuntyyppisellä jännitteellä kuin mitä 6 119308 edellä kuvatussa esimerkissä käytettiin. Edullisesti keksinnön mukainen kon-densaattorivälineiden latauskokoonpano sovitetaan syötettäväksi jännitteellä, joka käsittää selviä verkkojaksoja, joista kukin sisältää loppuosassaan osuuden, jossa jännite lähestyy nollaa ensimmäisen aikaderivaatan ollessa äärelli-5 nen. Näistä verkkojaksojen loppuosista leikataan sitten viipaleita latauspulssi-en aikaansaamiseksi.

Edellä esitetyllä vaatimuksella jännitteen ensimmäisen aikaderivaatan äärellisyydestä on käytännössä vain vähän merkitystä, koska kaikki todelliset piirit sisältävät jonkin verran induktanssia ja/tai kapasitanssia. Se, että la-10 tauspulssi aikaansaadaan edullisesti verkkojakson laskevasta loppuosasta, johtuu ohjattavan kytkimen kommutointitarpeesta.

Kuvion 3 kokoonpanossa lataustyristorin Τ«* yli vaikuttava jännite saavuttaa nollatason kunkin verkkojakson aikana kondensaattoria Caux ladattaessa. Näin varmistetaan lataustyristorin Td, kommutointi. Mikäli lataustyristori 15 Tch korvattaisiin jollakin hilalta sammutettavalla latauskomponentilla, kuten GTO-tyristoriiia, ei kyseisen latauskomponentin yli vaikuttavan jännitteen tarvitsisi saavuttaa nollatasoa komponentin sammuttamiseksi. GTO-tyristori mahdollistaisi lisäksi sen, että kondensaattorivälineiden lataamiseen voitaisiin käyttää myös verkkojakson kasvavaa osuutta. Tavallista tyristoria vastaava GTO-20 tyristori on kuitenkin huomattavasti kalliimpi.

, , Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan • · · *· " toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yl- • · : lä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puit- ··· teissä.

: 25 t·· · • · • · · * * * ·«· · ··· • · • · ·* • · • » · * · · • ·

• M

• · • · • f* ·· • · t ·· I·· • · • · • · · • t · • · · • · · ··· • · • *··

Claims (6)

1. 7 119308
2. 1. Kondensaattorivälineiden latauskokoonpano, joka on sovitettu syötettäväksi verkkojaksoja sisältävällä jännitteellä, ja joka käsittää konden-5 saattorivälineiden (CaUx) lataamiseen sovitetun hilalla varustetun puolijohdekyt-kimen (Tcn) ja välineet (30-39) hilalla varustetun puolijohdekytkimen ohjaussignaalin muodostamiseksi, latauskokoonpanon ollessa tunnettu siitä, että ohjaussignaalin muodostamisvälineet (30-39) sisältävät leikkurin (30), ensimmäisen integraattorin (31), toisen integraattorin (32), jaksonilmaisimen (34), 10 nollausvälineen (35), summaimen (36), rajoitinpiirin (37), liipaisinpiirin (38) ja erotusmuuntajan (39), jossa leikkuri (30) on sovitettu rajoittamaan syöttävä verkkojaksoja sisältävä jännite olennaisesti suorakaideaalloksi, jolla on ennalta määrätty amplitudi, 15 jaksonilmaisin (34) on sovitettu ilmaisemaan syöttävän jännitteen verkkojakson päättyminen, ensimmäinen integraattori (31) on sovitettu muodostamaan mainitusta suorakaideaallosta ramppiaaltoa, jonka arvo nollataan nollausvälineellä (35) jokaisen verkkojakson päätteeksi saha-aaltojännitesignaalin muodostami-20 seksi, jolloin tieto kunkin verkkojakson päättymisestä saadaan jaksoni!- • * maisimelta (34), toinen integraattori (32) on sovitettu muodostamaan mainitusta suo-rakaideaallosta ramppiaaltojännitesignaali, jonka arvo kasvaa kunkin verkko- • jakson aikana kunnes rajoitinpiiri (37) pysäyttää ramppiaaltojännitesignaalin ·** · :25 arvon nousun ennalta määrättyjen ehtojen täyttyessä, summain (36) on sovitettu summaamaan ensimmäisen integraattorin (31) saha-aaltojännitesignaali ja toisen integraattorin (32) ramppiaaltojänni- . . tesignaali summasignaaliksi (Oi), ja • · · liipaisupiiri (38) on sovitettu tilanteissa, joissa summasignaali (Ui) • · *'··' 30 ylittää ennalta määrätyn liipaisutason, syöttämään erotusmuuntajan (39) kautta sytytyspulssin puolijohdekytkimen (Τ^) hilalle. ·**: 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kondensaattorivälineiden la- • · · tauskokoonpano, tunnettu siitä, että ensimmäisen integraattorin (31) aika- 9 * · *;*/ vakio (τι) on olennaisesti pienempi kuin toisen integraattorin (32) aikavakio 35 (τ2). 8 119308
3. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kondensaattorivälineiden latauskokoonpano, tunnettu siitä, että rajoitinpiirin (37) ennalta määrätyt ehdot, joiden täyttyessä rajoitinpiiri (37) pysäyttää toisen integraattorin (32) muodostaman ramppiaaltojännitesignaalin arvon nousun, sisältävät konden- 5 saattorivälineiden (Caux) napajännitteen raja-arvon ja/tai latauspulssien jännitteen raja-arvon.
4. 4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen kondensaattorivälineiden latauskokoonpano, tunnettu siitä, että rajoitinpiiri (37) on säädettävä siten, että ennalta määrättyjä ehtoja, joiden täyttyessä rajoitinpiiri (37) pysäyttää toi- 10 sen integraattorin (32) muodostaman ramppiaaltojännitesignaalin arvon nousun, voidaan muuttaa.
5. 5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen kondensaattori-välineiden latauskokoonpano, tunnettu siitä, että leikkurin (30) tulo ja jak-sonilmaisimen (34) tulo on kytketty samaan potentiaaliin kuin hilalla varustetun 15 puolijohdekytkimen (Tch) anodi, ja rajoitinpiirin (37) tulo on kytketty samaan potentiaaliin kuin hilalla varustetun puolijohdekytkimen (Τ<*) katodi.
6. 6. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen mukainen kondensaattori-välineiden latauskokoonpano, tunnettu siitä, että hilalla varustetun puolijohdekytkimen (Tch) anodin ja katodin välillä vaikuttaa verkkojaksoja sisältävä 20 syöttävä jännite, ja kondensaattorivälineet (Caux) on sovitettu kytkettäväksi hilalla varustetun puolijohdekytkimen (Tch) katodiin siten, että kondensaattorivä-*.**: lineiden (CaUx) jännitteen kasvu alentaa suoraan verkkojaksoja sisältävän syöt- :.!: tävän jännitteen amplitudia. M· • · * · Ml • · • · · • « « ♦ ·* ♦ • · « · < • ♦ « «·· · ··· • · • · ·*· • · • · · • · ♦ ♦ ·· • · • · »· · ·· • · • ·· ·«· • • · ··· ··· I · I « I » • *·♦ t · • I «•t 9 119308