FI121492B - Taajuusmuuttajan ylijännitesuojaus - Google Patents

Description

TAAJUUSMUUTTAJAN YLIJÄNNITESUOJAUS

Tämän keksinnön kohteena on taajuusmuuttajan välipiirin ylijännite-suojalaitteisto. Keksinnön kohteena on erityisesti pienellä välijännitepiirin kon-5 densaattorilla varustetun, pulssileveysmoduloinnilla (PWM) ohjattavan taajuus-muuttajan ylijännitesuojalaitteisto.

Pienellä tasajännitevälipiirin kondensaattorilla varustettu PWM-taajuusmuuttaja on esitetty esimerkiksi julkaisussa US-B2-6,801,441. Ko. julkaisu esittää monivaiheista, jänniteohjattua PWM-taajuusmuuttajaa, jossa on ohja-10 usyksikkö, monivaiheiseen vaihtosähkölähteeseen kytkettävä ohjaamaton verk-kosilta, tasajännitevälipiiri sekä ohjattu kuormasilta taajuudeltaan vaihtelevan monivaiheisen vaihtojännitteen syöttämiseksi monivaiheiseen kuormaan, jossa taajuusmuuttajassa verkkosilta on kytketty kuormasiltaan ilman suurikapasitans-sista, energian välivarastona toimivaa tasajännitekondensaattoriyksikköä. Täl-15 laisen PWM-taajuusmuuttajan tasajännitevälipiirissä käytetään vain kapasitanssiltaan pientä kondensaattoria hajainduktansseihin sitoutuneen energian aiheuttamien jännitepiikkien rajoittamiseksi kytkentätilanteissa.

Tällaisen taajuusmuuttajan välipiirissä täytyy olla ylijännitesuoja erikoistilanteiden, esimerkiksi verkkokatkoksen, varalta.

20 Eräs taajuusmuuttajan ylijännitesuojaratkaisu on esitetty julkaisus sa DE-A1-102 57 096. Ko. julkaisu esittää taajuusmuuttajaa, jossa on tasasuuntaaja kolmivaiheisen verkkojännitteen tasasuuntaamiseksi tasajännite-välipiirin tasajännitteeksi ja vaihtosuuntaaja tasajännitepiirin tasajännitteen vaihtosuun-taamiseksi kolmivaiheiseksi, taajuudeltaan vaihtelevaksi vaihtojännitteeksi, jolla 25 syötetään esimerkiksi vaihtosähkömoottoria. Ko. julkaisussa on esitetty ka-pasitanssiarvoltaan suhteellisen pienen välipiirin kondensaattorin rinnalle kytkettävä ylijännitesuojakytkentä, joka koostuu suurikapasitanssisesta elektrolyyttikondensaattorista ja sen kansa sarjaan kytketystä kytkentälaitteesta. Kytkentälaitteessa on vastuksen ja diodin sarjaankytkentä ja sen rinnalle kytketty, vas-30 tuksista, varistorista ja tyristorista koostuva kytkin.

Elektrolyyttikondensaattorin tarvitsee tässä DE-julkaisun sovelluksessa kestää vain ylijännitetilanteiden hetkelliset ylivirtapiikit joten se on kooltaan ja kustannuksiltaan huomattavasti pienempi kuin perinteinen suoraan väli-piiriin kytketty kondensaattori, joka mitoitetaan täyden rippelivirran ja riittävän 35 eliniän perusteella. Ratkaisu ei vaadi toimiakseen mitään ohjauspiirejä. Ratkaisun haittapuolena on kytkennässä tarvittavat lisäkomponentit, esimerkiksi elekt- 2 rolyyttikondensaattori, jotka vaativat paljon tilaa ja lisäävät laitteen kustannuksia.

Toinen tunnettu ratkaisu välipiirin ylijännitesuojaukseen on välipiiriin sijoitettu jarrukatkoja, jossa tehokytkin kytkee vastuksen välipiirin kondensaat-5 torin rinnalle kun sen jännite ylittää toimintarajan. Ratkaisun haittapuolena ovat katkojan komponentit, jotka lisäävät laitteen kustannuksia ja vievät paljon tilaa.

Muita tunnettuja ratkaisuja välipiirin ylijännitesuojaukseen ovat väli-piirin kondensaattorin rinnalle suoraan kytketyt erilaiset ylijännitesuojat, kuten ns. surge arrester, varistori tai tehozenerdiodi: 10 - Surge arrester -tyyppisen suojan heikkoutena on se, että sen jännite jää alhaiseen arvoon niin kauaksi aikaa kuin virtaa kulkee, joten se vaatii sar-jaankytketyn tehokytkimen, jotta siihen ei alkaisi tulla energiaa suoraan syöttö-verkosta (eräs tällainen ratkaisu on esitetty patenttihakemuksessa US2004246641) 15 - Varistori -tyyppisen suojan mitoitus voi joissakin tapauksissa olla han kalaa, koska se on luonteeltaan loiva, eli vuototason ja varsinaisen leikkaus-tason välinen jännite-ero on suuri - Zener -tyyppinen suoja on luonteeltaan ideaalinen, koska sen toimintaraja on hyvin jyrkkä. Tehozener on kuitenkin hyvin kallis komponentti.

20 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epä kohdat ja saada aikaan sellainen PWM-taajuusmuuttajan välipiirin ylijännite-kytkentälaitteisto, jolla aikaansaadaan luotettava suojaus kustannuksiltaan edullisia komponentteja käyttäen.

Keksinnön mukaisesti ylijännitesuojauksessa käytetään varistorin ja 25 pienijännitteisen tehokytkimen sarjaankytkentää, jossa tehokytkimen jännite-mitoitus on alhaisempi kuin välipiirin normaali toimintataso. Näin saavutetaan pienellä välipiirin kondensaattorilla varustetun taajuusmuuttajan välipiirin luotettava ylijännitesuojaus, joka perustuu tunnettuihin ja luotettavaksi todettuihin komponentteihin, jotka ovat pienikokoisia ja kustannuksiltaan edullisia.

30 Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle ylijännitesuojalle tunnus omaiset piirteet on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkin avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää jänniteohjatun PWM-taajuusmuuttajan pääpiiriä, jos-35 sa on keksinnön mukainen välipiirin ylijännitesuojakytkentä, kuvio 2 esittää varsinaisen ylijännitteeltä suojaavan edullisen komponentin, varistorin, luonteenomaista toimintakäyrää, 3 kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen ylijännitesuojakytkennän piiri-kaaviota ohjauspiireineen, ja kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen ylijännitesuojan toimintakäyriä.

Kuvio 1 esittää kolmivaiheista jänniteohjattua PWM-taajuus-5 muuttajaa, jossa on veikkosilta (tasasuuntaaja) 10 syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen, jossa on vaihejännitteet Uu, U|_2, Ui_3, tasasuuntaamiseksi ta-sajännitevälipiirin tasajännitteeksi UDc sekä kuormasilta (invertteri) 12 tasa-jännitevälipiirin tasajännitteen vaihtosuuntaamiseksi taajuudeltaan vaihtelevaksi kolmivaiheiseksi vaihtojännitteeksi, jonka vaihejännitteet ovat Uu, Uv, Uw tehon 10 kulkiessa verkosta kuormaan päin. Taajuusmuuttaja voi syöttää esimerkiksi kolmivaiheista vaihtovirtamoottoria. Kuormasilta 12 on kokoaaltosilta, jossa ohjausyksikkö 13 ohjaa pulssileveysmodulaatiolla kunkin vaiheen vaihekytkimiä. Vaihekytkimellä tarkoitetaan vaiheen ylä- ja alahaaran puolijohdekytkimien yhdessä muodostamaa kytkintä, jossa kunkin tehopuolijohdekytkimen rinnalla on 15 vastarinnankytketty diodi. Verkkosilta 10 on ohjaamaton kokoaaltosilta, jolloin siinä on diodeista koostuva diodisilta.

Verkkosilta 10 on kytketty kuormasiltaan 12 ilman suurikapasitans-sista, energian välivarastona toimivaa tasajännitekondensaattoriyksikköä. Ta-sajännitevälipiirissä on siten vain pienikapasitanssinen kondensaattori Cdc tasa-20 jännitteen suodattamiseksi.

Kuten edellä on esitetty, tällaisen taajuusmuuttajan välipiirissä täytyy olla ylijännitesuoja erikoistilanteiden, esimerkiksi verkkokatkoksen, varalta. Keksinnön mukaisessa ratkaisussa ylijännitesuojauksessa käytetään kuviossa 1 esitettyä varistorin ja pienijännitteisen tehokytkimen sarjaan-kytkentää 11.

25 Varistori (metal oxide varistor, MOV) on energian absorbointi- ominaisuuksiltaan erinomainen komponentti, joka on laajalti käytetty ja kustannuksiltaan edullinen. Kytkemällä keksinnön mukaisesti varistorin R1 kanssa sarjaan puolijohdetehokytkin V1 voidaan siihen perustuvan ylijännite-suojan leikkausominaisuus saada riittävän jyrkäksi taajuusmuuttajakäyttöön.

30 Tämän idean mukaisessa ratkaisussa varistori mitoitetaan siten, et tä sen vuotovirta jännitteellä UDcn - Uviavaianche (= välipiirin normaalin tilan toi-mintajännite - tehokytkimen läpilyöntijännite) on mitätön, esim. kymmenien mik-roampeerien luokkaa. Tällöin tehokytkimen häviöteho on pieni ja sen jännite-kestoisuuden voi mitoittaa huomattavasti alhaisemmaksi kuin välipiirin maksimi-35 jännite, mikäli kyseinen tehokytkin on sellainen, että se kestää jatkuvan vuoto-virran sille ominaisella läpilyöntijännitteellä (esim. kytkimen V1 nimellis-jännite voi olla 200V, kun pääpiirin tehopuoljohtimien nimellisjännite on 1200V). Teho- 4 kytkimenä on edullista käyttää esimerkiksi MOSFET-transistoria, jota on helppo ohjata ja jonka pulssivirtakestoisuus on tyypillisesti hyvin suuri verrattuna nimel-lisvirtaan. Ko. komponentilla on myös tässä sovelluksessa tarvittava ns. ava-lanche-ominaisuus, eli se kestää pienen virran läpilyönti-jännitteellä kunhan jat-5 kuvaa tehonkestoa ei ylitetä. MOSFETin rinnalla voi myös käyttää suuriohmista vastusta, jolloin sen ei tarvitse toimia koko ajan avalanchealueella.

Tehokytkintä ohjataan tässä sovelluksessa suoraan välipiirin jännitteestä esim. Zener-diodiin tai kuvion 3 mukaiseen vastusketjuun R2, R3 ja komparaattorifunktion sisältävään vahvistinkytkentään 14 perustuvalla ohjaus-10 piirillä, jonka on edullista olla muusta taajuusmuuttajan apujännite- ja ohjausjärjestelmästä riippumaton. Ohjauspiirissä on edullista olla hystereesiä päälle- ja poiskytkentärajojen välillä. Ohjauspiirin toteutuksen yksityiskohtia ei ole tässä esitetty, koska ne ovat alan ammattimiehelle ilmeiset.

Keksinnön mukaisen ylijännitesuojan toimintaperiaate selviää kuvi-15 ossa 4 esitetyistä luonteenomaisista toimintakäyristä, jotka selostetaan seuraa-vassa: - kun välipiirin jännite UDc on pienempi kuin tehokytkimen V1 läpilyöntijännite Uav, tehokytkimen jännite Uvi seuraa välipiirin jännitettä ja ylijännitesuojan R1 jännite ja virta ovat 0 20 - kun Udc ylittää läpilyöntijännitteen Uav, tehokytkimen jännite

Uvi rajoittuu tähän arvoon ja sen ylittävä jännite tulee varistorin yli (Uri = Udc - Uav)· Ylijännitesuojan virta iri kasvaa UR1 :n funktiona varistorin toimintakäyrän mukaisesti - kun UDc saavuttaa suojaustason Upr, tehokytkin V1 ohjataan 25 johtavaksi jolloin sen jännite Uvi romahtaa lähes nollaan ja va ristorin näkemä jännite Uri hyppää vastaavasti täyteen välipiirin jännitteeseen (Uri = UDc)· Oikein mitoitetun ylijännitesuojan virta iRi nousee tällöin niin suureksi että välipiirin jännitteen nouseminen suojaustasoa korkeammaksi estyy. Esimerkiksi jos pii- 30 rissä on 200V tehokytkin ja suojaustaso on 700V, hyppää varis- torin näkemä jännite 500V tasolta 700V tasolle jolloin ylijännitesuojan virta hyppää vastaavasti n. 1mA tasolta 100A tasolle silloin kun käytetään kuvion 2 mukaista varistoria - kun välipiiriin tuleva teho vähenee, välipiirin jännite Udc alenee 35 varistorin virta-jännite ominaiskäyrän mukaisesti. Kun jännite alenee ohjauspiirillä (14) määritetyn hystereesin verran alaspäin (Uri = Udc = Upr - Uhyst) tehokytkimen V1 ohjaus lopetetaan 5 jolloin sen jännite nousee jälleen läpilyöntitasolle ja varistorin näkemä jännite laskee vastaavasti, joten ylijännitesuojan virta laskee hyvin pienelle vuotovirtatasolle.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutus-5 muodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Tehokytkin voi olla MOSFET, IGBT, transistori tms. komponentti joka sietää jatkuvan toiminnan avalanche-alueella pienellä virralla.

Claims (4)

1. Taajuusmuuttajan välipiirin ylijännitesuojalaitteisto, joka taajuusmuuttaja on jänniteohjattu PWM-taajuusmuuttaja, jossa on vaihtosähkö- 5 lähteeseen (Uu, Ul2> Ul3) kytkettävä ohjaamaton verkkosilta (10), tasajännite-välipiiri sekä ohjattu kuormasilta (12) taajuudeltaan vaihtelevan monivaiheisen vaihtojännitteen (Uu, Uv, Uw) muodostamiseksi, jossa taajuusmuuttajan tasajännitepiirissä on pienikapasitanssinen tasajännitekondensaattori, jolloin verkkosilta (10) on kytketty kuormasiltaan (12) 10 suoraan ilman suurikapasitanssista, energian välivarastona toimivaa tasajänni-tekondensaattoria, ja jonka ylijännitesuojalaitteiston muodostaa tasajännitekondensaat-torin rinnalle kytketty varistorin (R1) ja puolijohdekytkimen (V1) sarjakytkentä, jonka puolijohdekytkimen jännitemitoitus on alhaisempi kuin tasa- 15 jännitevälipiirin normaali toimintataso, tunnettu siitä, että puolijohdekytkin on ohjattavissa toimimaan vuoto- eli avalan-che-alueella silloin, kun ylijännitesuojalaitteisto ei rajoita välipiirin jännitettä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen ylijännitesuojalaitteisto, 20 tunnettu siitä, että puolijohdekytkin on MOSFET, IGBT, tran sistori tms. tehokomponentti, joka sietää jatkuvan toiminnan avalanche-alueella pienellä virralla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen ylijännitesuojalaitteisto, tunnettu siitä, että puolijohdetehokytkimen päälle- ja 25 poiskytkentärajojen välillä on hystereesi.

4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen ylijännitesuojalaitteisto, tunnettu siitä, että tehokytkimen rinnalla on vastus jatkuvan avalanche-alueella toimimisen välttämiseksi. 30