FI119491B - Taajuusmuuttajan suotokuristinjärjestely - Google Patents

Description

119491 TAAJUUSMUUTTAJAN SUOTOKU RISTI NJÄRJ ESTE LY Tekniikan ala 5 Tämän keksinnön kohteena on taajuusmuuttajan suotokuristinjär- jestely.

Taajuusmuuttajissa on yleistä käyttää suotokuristinta verkkovirran yliaaltojen rajoittamiseksi. Kuristin voi sijaita joko 3-vaiheisen syöttöverkon lii-täntäpisteen ja tasasuuntaussillan välillä (Lac, kuvio 1) tai tasasuuntaussillan ja 10 DC-välipiirin suotokondensaattorin välissä (Ldc, kuvio 1).

Tunnettu tekniikka

Yleisesti käytetty perinteinen AC-kuristinratkaisu voi tunnetusti 15 koostua kolmesta erillisestä yksivaihekuristimesta tai se voi olla kuvion 2 esimerkin mukainen samaan pakettiin koottu kolmipylväinen ratkaisu. Kolme erillistä kuristinta on kustannuksiltaan korkeampi kuin kolmipylväinen kuristin, minkä vuoksi tällainen ratkaisu on harvinaisempi. Vastaava perinteinen DC-ku risti n ratkaisu on muuten samanlainen mutta siinä on yksi pylväs vähemmän 20 ja vastaavasti vain kaksi käämitystä. Kustannussyistä on yleistä käyttää myös vain yksikäämistä DC-kuristinta (joko Ldc+ tai Ldc-).

Kuvion 2 mukaisilla perinteisillä kuristimilla yhteismuotoinen impe- • danssi on pieni, koska yhteismuotoisella magneettivuolla ei ole kulkutietä sy- • · · · : dämen kautta. Nänollen tämä yleisin perinteinen ratkaisu vaimentaa huonosti .*:·! 25 yhteismuotoisia virtoja.

• · ·

Julkaisusta US6,987,372 on tullut tunnetuksi DC-kuristinratkaisu, • · *" jossa magneettisydämeen on järjestetty ylimääräinen pylväs ja haarakohtaiset • · · *;;;* käämitykset sen ympärille. Näin on saavutettu suuri yhteismuotoinen impe- * · *···* danssi joka soveltuu verrattain hyvin yhteismuotoisten virtojen vaimentamiseen.

30 *

Keksinnön yhteenveto • · · • * * · • · · .···. Tämän keksinnön kohteena on tällainen suotokuristinratkaisu, jon- • · ”‘ml ka erikoispiirteenä on suuri yhteismuotoisia virtoja rajoittava impedanssi sekä • ♦ . 35 lisäpiirteenä maasulun indikointimahdollisuus lisäkäämin avulla. Lisäksi kuris- ··· timen rakenneperiaate tekee mahdolliseksi asetella ero- ja yhteismuotoisten impedanssien suuruuksia erikseen toisistaan riippumattomasti.

2 119491

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa kuristimen magneettisydämeen on järjestetty lisäpylväs yhteismuotoisten virtojen aiheuttaman magneettivuon kulkutieksi. Lisäpylvään ja muiden, vaihekohtaisten pylväiden ympärillä sijaitsevien käämitysten ansiosta keksinnön mukaiseseen kuristimeen saadaan riit-5 tävä yhteismuotoinen impedanssi yhteismuotoisten virtojen vaimentamiseksi.

Keksinnön mukaisessa kuristimessa eromuotoisia virtoja suodattavat impedanssit muodostuvat samalla tavalla kuin perinteisessäkin ratkaisussa pylvään ja sen ympärille sijoitetun käämityksen ansiosta. Yhteismuotoisia virtoja vaimentava impedanssi muodostuu samoista käämityksistä ja lisäpylvään 10 magneettipiiristä. Ero-ja yhteismuotoisten kuristinosien impedanssit määräytyvät käämitysten kierrosmäärien, magneettisydämen osien pinta-alojen ja niiden välisten ilmavälien perusteella joten näiden osien dimensioiden kautta ero- ja yhteismuotoimpedanssien suuruudet voi asetella tietyissä rajoissa halutuksi toisistaan riippumatta. Koska yhteismuotoisen virran suuruus on normaalisti 15 huomattavasti pienempi kuin eromuotoisen virran suuruus, voi lisäpylvään mitoittaa pelkästään yhteismuotoisen virran perusteella jolloin sen poikkipinta-ala on pienempi kuin muiden pylväiden poikkipinta-ala. Lisäpylväässä on myös mahdollista käyttää erilaista materiaalia kuin magneettisydämen muissa osissa, jolloin lisäpylvään magneettisydän voidaan esimerkiksi optimoida vaimenta-20 maan erityisen hyvin suuritaajuisia yhteismuotoisia virtoja.

Keksinnön erään edullisen sovellusmuodon mukaisesti lisäpylväällä ei ole ilmaväliä lainkaan. Tällaisella DC-kuristinratkaisulla käämien Ldc+ ja Ldc- : välinen muuntajaefekti on hyvin pieni, mikä vähentää verkkosillan kokemaa jän- :*·,· niterasitusta moottoripiirin maasulkutilanteessa silloin, kun syöttöverkon tähtipis- • · 25 te on maadoitettu.

• · · ,···. Keksinnön erään toisen edullisen sovellusmuodon mukaisesti lisä- • · pylvään ympärille on asennettu käämi joka toimii herkkänä maasulun indikaattori:* rina.

• · ’···’ Kuristimen magneettisydämet voidaan valmistaa esimerkiksi levy- 30 osista stanssaamalla ja latomalla näin valmistetut osat päällekkäin samaan ta-paan kuin tehdään sähkömoottorien valmistuksessa. On myös mahdollista • · · käyttää muita tunnettuja ratkaisuja, esimerkiksi pulveri- ja ferriittisydämiä jotka .·*. soveltuvat rautalevyä paremmin suurtaajuisten yhteismuotoisten virtojen vai- mentamiseen.

• · ^ 35 Suorien pylväsosien käämitykset voidaan käämiä erillisten kelarun- kojen ympärille jotka sitten asennetaan valmiina käämityksinä paikoilleen pyi- • · väiden ympärille. Pylvään ollessa kaarenmuotoinen sen käämitykset voi vai- 3 119491 mistaa esimerkiksi toroidimuuntajista ja -kuristimista tunnetuksi tulleella tekniikalla.

Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle ratkaisulle tunnusomaiset piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 1, ja sen edullisille sovellutusmuodoille 5 tunnusomaiset piirteet muissa patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukainen kuristinratkaisu soveltuu parhaiten kohteisiin, joissa yhteismuotoisten virtojen rajoittaminen on erityisen tärkeää, esimerkiksi rinnankytkettyjen taajuusmuuttajien yhteydessä sekä verkoissa joissa käytetään herkkiä maasulkuvahteja. AC-kuristinversiota voi käyttää myös verkkoon- 10 jarruttavien taajuusmuuttajien LCL-filtereissä tai sen voi kytkeä taajuus-muuttajan ja moottorin välille, jolloin yhteismuotoinen impedanssi rajoittaa moottorin laakereita rasittavia maavirtoja.

15 Piirustusten lyhyt kuvaus

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää taajuusmuuttajan pääpiiriä 20 Kuvio 2 esittää perinteistä kolmipylväistä AC-kuristinratkaisua tai perinteistä kaksipylväistä DC-kuristinratkaisua,

Kuvio 3 esittää erästä keksinnön mukaista DC-kuristinratkaisua i.;*; Kuviot 4a ja 4b esittävät magneettivuon kulkureittejä ero- ja yhteis- muotoisella virralla keksinnön mukaisessa DC-kuristinratkaisussa • · ·*·*. 25 Kuviot 5a ja 5b esittävät erästä keksinnön mukaista AC-kuristin- « .···. ratkaisun • ·

Kuviot 6a ja 6b esittävät toista keksinnön mukaista AC-kuristin- · · .‘.‘I ratkaisua.

• · • · «·· 30 Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus • · · • « · ·· • · ·

Kuvio 1 esittää normaalin kolmivaiheisen PWM-taajuusmuuttajan ·***. pääpiiriä, jossa on diodeista koostuva verkkosilta 10 syöttöverkon kolmivaihei- sen vaihtojännitteen tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi, • · * 35 suotokondensaattori Cdc, kolmesta tehopuolijohteilla toteutetusta vaihekytki- mesta koostuva kuormasilta 11, joka muodostaa välipiirin tasajännitteestä koi- • · :.*'i mivaiheisen lähtöjännitteen U, V, W sekä ohjausyksikkö 12. Kuviossa on esi tetty myös molemmat vaihtoehtoiset verkkovirran yliaaltojen suodattamiseksi 4 119491 yleisesti käytetyt kuristinratkaisut Lac ja Ldc. Kuristimen vaihekäämien käämi-tyssuunta on merkitty pienellä täplällä kuristimen viereen. Yleinen DC-kuristinratkaisu on myös sellainen jossa käytetään vain yhtä haarakohtaista kuristinta (Ldc+ tai Ldc-).

5 Kuviossa 2 on esitetty tyypillisen perinteisen kuristimen rakenne.

AC-kuristimessa Lac magneettisydän koostuu kolmesta pylväästä 11 ja pylväiden päädyt yhdistävistä ikeistä 12. Magneettipiirissä on myös ilmaväli 13, jolla asetellaan haluttu induktanssiarvo ja virtaraja, jolla magneettisydän alkaa kyllästyä. Pylväiden ympärille on käämitty samansuuntaisesti vaihekohtaiset käämi-10 tykset Lr, Ls, Lt. Vastaava DC-kuristin Ldc on muuten samanlainen, mutta siinä on yksi pylväs vähemmän ja vastaavasti vain kaksi käämitystä Ldc+ ja Ldc-tai vain yksi käämitys, esimerkiksi Ldc+.

Taajuusmuuttajasovelluksessa kuormavirta kulkee tunnetusti suurimman osan ajasta vain kahden vaiheen kautta (eromuotoinen virta), jolloin 15 tässä kuristinratkaisussa myös magneettivuo kulkee vastaavasti pääasiassa vain kahden pylvään kautta kerrallaan. Suuritaajuista yhteismuotoista virtaa, eli kaikkien syöttövaiheiden tai molempien DC-välipiirin napojen kautta kulkevaa samansuuntaista virtaa, aiheuttaa normaalisti kuormasillan nopeiden kytken-täilmiöiden ja moottoripiirin hajakapasitanssien yhteisvaikutus. Tällainen virta 20 aiheuttaa jokaiseen kuristimen magneettisydämen pylvääseen samansuuntaisen vuon, jonka aiheuttamalle magneettivuolle ei ole paluureittiä sydänmateri-aalia pitkin, minkä vuoksi yhteismuotoinen induktanssi on tällaisessa kuristinrat-kaisussa hyvin pieni.

s\s DC-kuristinta käytettäessä sekä yksihaaraisella (Ldc+ tai Ldc-) että 25 kaksihaaraisella (Ldc+ ja Ldc-) ratkaisulla saavutetaan tunnetusti sama verkko- • .··*. virran yliaaltojen suodatusvaikutus. Kaksihaaraista ratkaisua käytetäänkin lä- hinnä virran rajoittamiseksi moottoripiirin maasulkutilanteessa, koska tällaisessa • · · ."I, tilanteessa virta tyypillisesti kulkee vain toisen haaran kautta. Silloin kun tällai- **·* sen kuristimen käämitysten magneettisydän on yhteinen kuvion 2 esimerkin 30 mukaisesti, on käämeillä vahva keskinäinen magneettinen kytkentä (muuntaja- '·:·* efekti), minkä vuoksi maasulkutilanteessa ensimmäisen käämin yli muodostuva «*· * jännite indusoituu myös toisen käämin yli. Tämä indusoitunut jännite lisää verk- :"*· kosillan 10 kokemaa jänniterasitusta. Kahden täysin erillisen DC-kuristimen * · · ratkaisussa tällaista ylimääräistä jänniterasitusta ei tule.

35 Kuviossa 3 on esimerkki edullisesta keksinnön mukaisesta DC- • · '···' kuristinratkaisusta, jonka magneettisydämessä on normaalien pylväiden 1a, 1b ja niitä ympäröivien käämien Ldc1+, Ldc1-, lisäksi lisäpylväs 3. Lisäksi mag-neettisydämeen kuuluu pylväät yhdistävät ikeet 2a, 2b. Lisäpylvään ilmaväli 5 5 119491 voi olla erikokoinen kuin muiden pylväiden ilmaväli 4a, 4b tai se voi puuttua kokonaan.

Keksinnön erään edullisen sovellusmuodon mukaisesti lisä-pylväässä ei ole ilmaväliä ja sen ympärille on sijoitettu käämitys 6 maasulkuti-5 lanteen havaitsemiseksi. Maasulussa virta kulkee tyypillisesti vain toisen käämityksen Ldc1+, Ldc1- kautta jolloin magneettisydämen vuo kulkee vastaavasti vain kyseistä käämitystä vastaavan pylvään ja lisäpylvään kautta. Koska taajuusmuuttajan kuormasillan tehokytkimet pystyvät tunnetusti katkaisemaan virtansa hyvin nopeasti, tyypillisesti alle 10 ps:ssa, voidaan tällaisen lisäkäämin 10 avulla havaittu maasulkuvirta katkaista jo hyvin alhaisella virtatasolla, esimerkiksi alle 5% laitteen nimellisvirrasta. Lisäpylvään poikkipinta-alan mitoitus pohjautuu sen läpi kulkevan vuon maksimiarvoon, joten tällaisessa tilanteessa, jossa maasulkuvirta katkaistaan 5% tasolla laitteen nimellisvirrasta, vastaavasti myös lisäpylvään poikkipinta-ala voi olla 5% luokkaa reunapylväiden poikkipin-15 ta-alasta. Koska maasulkutilanteen havaitsemiseksi riittää ohjaussignaalitasoi-nen pulssi, voi käämitys 6 olla pienivirtainen (ohuempi johdin kuin reunakää-meissä) ja kierrosmäärältään vähäinen, esimerkiksi 1/100 reunakäämien kier-rosmäärästä.

Kuvioissa 4a ja 4b on havainnollistettu ero- ja yhteismuotoisen vir-20 ran aiheuttaman magneettivuon kulkua kuvion 3 mukaisessa esimerkki-kuristimessa. Kuvion 4a esittämässä eromuotoisen virran tapauksessa käämitysten Ldc1+ ja Ldc1- aiheuttamat magneettivuot ovat erisuuntaisia (koska väli- •piirissä DC+ haaran ja DC- haaran virrat ovat erisuuntaiset) vahvistaen toisiaan. ··· ♦ .'.j Tällaisessa täysin symmetrisessä tilanteessa vuo ei kulje lisäpylvään kautta ,·:·[ 25 ollenkaan, jolloin sen ympärillä mahdollisesti sijaitsevaan käämiin 6 ei indusoidu 4 « · (··.( jännitesignaalia. Kuvion 4b esittämässä yhteismuotoisen virran tapauksessa käämitysten Ldc+ ja Ldc- aiheuttamat magneettivuot ovat samansuuntaisia jol-loin niiden aiheuttamat magneettivuot summautuvat ja kulkevat lisäpylvään • · *···’ kautta, jolloin sen ympärillä mahdollisesti sijaitsevaan käämiin 6 indusoituu jän- 30 nitesignaali.

*

Maasulkutilanteessa, jossa virta kulkee vain yhden käämin kautta *·..**· (tilannetta ei kuviossa ole erikseen esitetty), ensimmäisen reunapylvään virralli- ,··*, sen käämin indusoimalle vuolle löytyy kulkureitti lisäpylvään kautta, joten toisen .“!· reunapylvään vuo ja sitä kautta myös toisessa reunapylväässä sijaitsevan kää- 35 min yli indusoitunut jännite jäävät hyvin pieniksi. Keksinnön mukaisella kuristi- • ·· mella saavutetaan tässä tilanteessa siis sama vaikutus kuin kahdella täysin eril-V·: lisellä kuristimella, mutta uusi ratkaisu on huomattavasti edullisempi koska magneettisydämeen tarvittava materiaalimäärä on vähäisempi.

6 119491

Kuvioissa 5a ja 5b on esimerkki keksinnön mukaisen kolmivaiheisen AC-kuristimen symmetrisestä toteutuksesta. Tässä vaihekohtaiset haarat muodostuvat kuvion 5b mukaisesti puolikaaren muotoisista magneettisydämistä 5 1r, 1s,1t ja niiden ympärillä sijaitsevista käämityksistä R1, S1, T1. Vaihekohtai set haarat sijoitetaan lisäpylvään 2c ympärille 90° välein kuvion 5a mukaisesti. Magneettipiirin ilmaväli 3c voi sijaita esimerkiksi kuvion 5b mukaisesti lisäpylvään ja vaihekohtaisten haarojen välissä. Lisäpylvään ympärille voi sijoittaa maasulun indikointikäämin, jolla tilanne havaitaan samalla tavalla kuin DC-10 kuristimen tapauksessakin.

Kuvioissa 6a ja 6b on toinen esimerkki keksinnön mukaisen kolmivaiheisen AC-kuristimen toteutuksesta. Tässä vaihekohtaiset haarat muodostuvat kuvion 6b mukaisesti symmetrisesti 120° välein sijoitetuista suorakulmaisista magneettisydämen pylväsosista 1R, 1S, 1T joiden ympärille käämitykset 15 R2, S2, T2 on sijoitettu. Lisäpylväs 2d on tässä esimerkkitapauksessa kol mionmuotoinen, jolloin vaihekohtaiset haarat voi sijoittaa sen ympärille symmetrisesti kuvion 6a mukaisesti.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella 20 jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

• · • · · • ♦ · »»· · • · • · · • ·« • · *·· • · · • « 1 ♦ ··· • • · ··· • · · • ♦ t ·♦· • · 1 • · • · « · · • · · * ♦ ♦

• M

M» • · • · • · · ««» • « • f • · • ·· • · # ♦ ··· · • · « • ·♦ • ·

Claims (12)

119491

1. Taajuusmuuttajan kolmivaiheinen AC- tai kaksivaiheinen DC-kuristinjärjestely, 5 jossa on magneettisydän, jossa on AC-kuristinjärjestelyn vaihekoh- taisettai DC-kuristinjärjestelyn haarakohtaiset pylväät (1a,1b, 1 r, 1s, 1t, 1R, 1S, 1T), joiden ympärille on järjestetty AC-kuristinjärjestelyn vaihekohtaiset tai DC-kuristinjärjestelyn haarakohtaiset käämitykset (Ldc1+, Ldc1-, R1, S1, T1, R2, S2, T2) suodattamaan eromuotoisia virtoja, ja 10 jossa kuristimen magneettisydämeen on järjestetty lisäpylväs (3, 2c, 2d) yhteismuotoisten virtojen vaimentamiseksi, tunnettu siitä, että lisäpylväs (3, 2c, 2d) on järjestetty ilman sen ympärille sovitettuja vaihe- tai haarakohtaisia käämityksiä, jolloin yhteismuotoisten virtojen vai-15 mentaminen aikaansaadaan lisäpylvään ja vaihe- tai haarakohtaisten pylväiden ympärille järjestettyjen käämitysten muodostaman yhteismuotoisen impedanssin avulla.

2. Vaatimuksen 1 mukainen kuristinjärjestely, 20 tunnettu siitä, että lisäpylväs on ilman ilmaväliä.

3. Vaatimuksen 1 mukainen kuristinjärjestely, tunnettu siitä, että lisäpylväs on eri materiaalia kuin muut pyi- • ·· · ·*· ϊ väät. 25 • · · .···.

4. Jonkin vaatimuksen 1 - 3 mukainen kuristinjärjestely, • · /*1. tunnettu siitä, että lisäpylvään ympärillä on käämitys (6), joka V.'* muodostaa piensignaalitasoisen pulssin maasulkutilanteessa. • · «··

5. Vaatimuksen 4 mukainen kuristinjärjestely, v.: tunnettu siitä, että lisäpylvään käämityksen käämilangan poik- ♦ »· kipinta-ala on pienempi kuin muiden pylväiden käämien poikkipinta-ala.

·· • ♦ • ·· .···. 6. Vaatimuksen 4 mukainen kuristinjärjestely, • · **] 35 tunnettu siitä, että lisäpylvään käämityksen kierrosmäärä on pienempi kuin muiden pylväiden käämien kierrosmäärä ··· • · • ♦ ···

7. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen kuristinjärjestely, 119491 tunnettu siitä, että kuristimen magneettisydämen lisäpylvään poikkipinta-ala on pienempi kuin muiden pylväiden pinta-ala.

8. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen kolmivaiheisen AC- 5 kuristimen kuristinjärjestely, tunnettu siitä, että vaihekohtaiset haarat muodostuvat puolikaaren muotoisista magneettisydämistä (1 r, 1 s, 11), joiden ympärille on järjestetty käämitykset (R1, S1, T1).

9. Jonkin vaatimuksista 1 - 7 mukainen kolmivaiheisen AC- 10 kuristimen kuristinjärjestely, tunnettu siitä, että vaihekohtaiset haarat muodostuvat suorakulmaisista magneettisydämen pylväsosista (1R, 1 S, 1T), joiden ympärille on järjestetty käämitykset (R2, S2, T2).

10. Jonkin edeltävän vaatimuksen mukainen kolmivaiheisen AC-15 kuristimen kuristinjärjestely, tunnettu siitä, että lisäpylväs on poikkileikkaukseltaan neliömäinen.

11. Vaatimuksen 10 mukainen kolmivaiheisen AC-kuristimen kuristinjärjestely, 20 tunnettu siitä, että vaihekohtaiset haarat on järjestetty 90° vä lein lisäpylvään (2c) ympärille.

: 12. Jonkin vaatimuksista 1-9 mukainen kolmivaiheisen AC- • M · ·'·.· kuristimen kuristinjärjestely, • · 25 tunnettu siitä, että lisäpylväs (2d) on poikkileikkaukseltaan .···, kolmionmuotoinen, ja vaihekohtaiset haarat on sijoitettu sen ympärille symmet- • · risesti 120° välein. * · t • 1 1 · 1 • · · • · • · «·1 • 1 · * · · • 1 · • « · • · • * · · ··· • 1 * 1 t»l • · * ·»· • · • · ··« · t » I • ·1 • · 119491