FI122206B - Tehonsiirtomenetelmä ja -laitteisto - Google Patents

Description

TEHONSIIRTOMENETELMÄ JA -LAITTEISTO

Tekniikan ala 5 Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laitteisto tehon siirtämiseksi monivaiheisen vaihtosähköllä toimivan sähkökoneen (moottori tai generaattori) ja tehonsiirtoverkon, joka voi olla joko monivaiheinen vaihtosähköverk-ko tai tasasähköverkko, välillä. Keksintöä voi soveltaa myös tehonsiirtoon eri-10 laisten verkkojen välillä, kuten esimerkiksi tasasähköverkosta monivaiheiseen vaihtosähköverkkoon tai erijännitteisten vaihtosähköverkkojen välillä. Erityisesti keksinnön kohteena on tehonsiirto keskijänniteympäristössä, jossa sekä sähkökone että tehonsiirtoverkko ovat keskijännitteisiä.

15 Tunnettu tekniikka ja ongelman kuvaus

Keskijänniteverkolla tarkoitetaan yli 1 kV sähkönjakeluverkkoa, jota käytetään sähköenergian siirrossa esimerkiksi suurjännitteisen (yli 36 kV) kantaverkon ja pienjännitteisen (alle 1 kV) kuluttajaverkon välillä. Sähkönjakeluver-20 kot toimivat normaalisti 50/60 Hz vaihtosähköllä, mutta myös keski- tai suurjän-nitteisiä tasajänniteverkkoja on runsaasti käytössä erityisesti pitkillä siirtomatkoilla ja yhdistämään eritaajuisia verkkoja toisiinsa.

Suuritehoisissa, kuten yli 1 MW, sähkökoneissa on tunnetusti edul-25 lista käyttää keskijänniteitä pienemmän virran ja sitä kautta pienempien tehohäviöiden vuoksi. Sähkökoneen ja sähkönjakeluverkon välille tarvitaan usein jonkinlainen sovitin eri taajuuksien, eri jännitetasojen tai galvaanisen erotustarpeen ^ vuoksi. Tarvittava sovitus voidaan järjestää edullisesti taajuusmuuttajan ja ^ muuntajan avulla.

9 30 eu Taajuusmuuttajissa käytettävien kytkintyyppisten tehopuolijohde- komponenttien jännitekestoisuus on valmistusteknisistä syistä niin pieni, että

CL

keskijännitteellä niitä on kytkettävä useita sarjaan. Esimerkiksi patenttijul- £2 kaisusta US 7,471,532 on tullut tunnetuksi ratkaisu, jossa käytetään vähintään tn § 35 neljää sarjaan kytkettyä tehopuolijohdekytkintä vaihetta kohti. Lisäetuna sar- ° jaankytkennästä on se, että lähtöjännitteen pulssikuviossa on useita askeleita positiivisen ja negatiivisen ääriarvon välillä, mikä pienentää pitkillä kaapeleilla esiintyvää tunnetun heijastusilmiön aiheuttamaa moottorin eristyksille vaarallista 2 jänniteylitystä (kts. esim. Transient Effects in Application of PWM Inverters to Induction Motors / E. Persson / IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 28, no. 5, September/October 1992).

Sarjaan kytkentään liittyy useita ongelmia, kuten esimerkiksi se, että 5 moduulityyppisten pienijännitteisten tehopuolijohdekytkinten (esim. 1700Vjänni-tekesto) eristyslujuus ei ole riittävä keskijännitteille, mistä syystä tarvitaan hankalia kustannuksia lisääviä mekaanisia konstruktioita riittävien eristysten järjestämiseksi.

10 Tunnettu on myös ns. NPC (neutral point clamped) -kytkennän käyttäminen välijännitteisen taajuusmuuttajan toteuttamiseksi (kts. esim. New Medium Voltage Drive Systems using Three-Level Neutral Point Clamped Inverter with High Voltage IGBT, R.Sommer et al, Industry Applications Conference 1999, Thirty-Fourth IAS Annual Meeting, Conference Record of the 1999 15 IEEE). Tällaisessa kytkennässä käytetään suuren jännitekeston, esim. 4,5 kV, omaavia tehokomponentteja. Tällaiset komponentit ovat yleensä varsin kalliita mm. vaativan valmistusprosessin ja vähäisten valmistusmäärien takia, mikä nostaa myös tällä periaatteella valmistettujen laitteiden kustannuksia.

20 Yleisesti käytetty ratkaisu on myös sellainen, että käytetään pieni- jännitteistä, esim. 690V, taajuusmuuttajaa ja sen molemmin puolin muuntajia sovittamaan jännitetasot keskijännitteisiin moottoriin/generaattoriin ja verkkoon. Näin voidaan hyödyntää yleisesti käytettyä, kustannustehokasta ja teknisesti luotettavaa pienijännitteistä taajuusmuuttajateknologiaa, mutta ratkaisun haitta-25 puolena ovat kalliit muuntajat sekä suuriamplitudiset jännitepulssit keskijännite-puolella, mitkä lisäävät moottorin käämityksille kohdistuvaa rasitusta.

^ Pienjännitteisen taajuusmuuttajateknologian hyödyntämiseksi kes- ^ kijännitteillä on tunnettu ns. kaskadikytkentä, jollainen on esitelty esim. patentti- 00 9 30 julkaisussa US 5,625,545. Kaskadikytkennässä käytetään pienjännitteisiä te- £j hosoluja, jotka kytketään vaihekohtaisesti sarjaan ja joilla muodostetaan mm.

jänniteheijastusilmiön ja suodatuksen kannalta edullinen sinimuotoa jäljittelevä Q_ moniportainen jännitekuvio, jonka taajuus ja perusaallon amplitudi on asetelta- £2 vissa. Kytkennästä on olemassa monia tunnettuja variaatioita, jotka mahdollis in § 35 tavat mm. tehon virtaamisen molempiin suuntiin. Yhteistä kytkennöille on se, ^ että keskijänniteverkkoon liitytään muuntajalla, jossa on solukohtaiset toi- siokäämitykset. Koska muuntaja toimii verkon taajuudella, sen koko ja kustannukset ovat korkeat mikä on yleensä suurin ongelma tässä järjestelmässä.

3

Keksinnön yhteenveto Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan uudenlainen me-5 netelmä, joilla vältetään edellä mainitut epäkohdat ja mahdollistetaan teknisesti edullinen moniportainen jännitekuvio sekä sähkökoneen että vaihtojännitever-kon (tehonsiirtoverkko) liitännässä. Moniportaisuuden ansiosta esim. mahdollisesti tarvittava jännitteen suodatus verkkoliitynnässä vaatii vähemmän ja pienempiä komponentteja ja on siten taloudellisestikin edullisempaa kuin tunne-10 tuissa ratkaisuissa. Lisäksi järjestelmä mahdollistaa edullisen liittymisen tasa-jännitteellä toimivaan sähköpiiriin, kuten tehonsiirto- tai tehonsyöttölinjaan.

Keksintö soveltuu mille tahansa sähkökoneen tai jänniteverkon jännitetasolle, mutta se on erityisen edullinen silloin kun jompikumpi tai molemmat ovat keskijännitteisiä. Keksintöä voi soveltaa monentyyppiseen tehonsiirtoon, 15 kuten vaihtosähköverkon ja sähkökoneen välille, kahden vaihtosähköverkon välille, vaihtosähköverkon ja tasasähköverkon välille tai tasasähköverkon ja sähkökoneen välille.

Keksinnön mukaisessa perusratkaisussa sekä kolmivaiheiseen 20 sähkökonepiiriin että kolmivaiheiseen vaihtosähköverkkoon liitytään kaskadipe-riaatteen mukaisesti järjestetyillä pienijännitteisillä yksivaiheisilla tehosoluilla, jotka tehosolut liittyvät ryhmäkohtaisiin galvaanisen erotuksen muodostaviin muuntajiin. Kuhunkin tehosoluryhmään kuuluu vähintään yksi solu jokaisesta sähkökoneen ja verkon vaiheesta. Tunnetusti kolmivaihejärjestelmässä kolmen 25 vaiheen summateho voi pysyä vakiona vaikka vaihekohtaiset tehot vaihtelevatkin sinimuotoisesti, minkä ansiosta keksinnön mukaisesti järjestettyjen muuntajien kautta siirtyvät tehot pysyvät oleellisesti samansuuruisena kaikissa ryhmis-^ sä. Muuntajiin liittyvät piirit toimivat suurella taajuudella, esimerkiksi yli 1 kHz, ^ minkä ansiosta muuntajat ovat kooltaan pieniä ja kustannuksiltaan edullisia.

00 9 30 Tehosoluista ja muuntajista koostuvia ryhmiä voidaan kytkeä sar- £j jaan mielivaltainen määrä riittävän kokonaisjännitetason aikaansaamiseksi, ϊ Sarjaankytkentä mahdollistaa myös järjestelmän vikasietoisuuden parantamisen

CL

esimerkiksi siten, että jos jokin tehosolu vioittuu, koko se ryhmä, johon vioittunut £2 solu kuuluu, oikosuljetaan jolloin jäljellejäävät ryhmät voivat jatkaa toimintaansa.

m g 35 On myös mahdollista kytkeä tällaisten ryhmien ensiö- tai toisiopuolen tehosoluja cv pienjännitepuolella rinnan silloin, kun joko sähkökone tai tehonsiirtoverkko on pienjännitteinen.

4

Keksintö soveltuu käytettäväksi myös jännitetasoltaan erisuuruisten verkkojen välillä, esim. keskijännitteellä toimivan vaihtosähköverkon ja pienjännitteisen aurinkovoimalan välillä. Tällaisessa tapauksessa kaikki ryhmäkohtaisten muuntajien ensiöpiireihin liittyvät tehosolut voivat olla liitetty kaskadiperiaat-5 teella tehonsiirtoverkkoon ja kaikki muuntajien toisiopiireihin liittyvät tehosolut voivat olla kytketty rinnan aurinkokennojen syöttämään tasasähkölinjaan.

Tehosolut voivat olla erilaisia sen mukaan, millaiseen verkkoon ne liittyvät. Vaihtojänniteverkkoon ja sähkökoneeseen liittyvien solujen tehonkäsit-tely sisältää edullisesti kaksi yksivaiheista siltakytkentää ja tasajännitteen suo-10 tokondensaattorin, kun taas esimerkiksi yksisuuntaisessa tehonsiirrossa DC-keskijänniteverkkoon riittää pelkkä tasasuuntaus ja tasajännitteen suotokon-densaattori.

Keksintö mahdollistaa teknisesti edullisen moniportaisen sinimuo-toa jäljittelevän, taajuudeltaan aseteltavissa olevan vaihtojännitekuvion muodos-15 tamisen esimerkiksi keskijännitteisten sähkökoneen ja vaihtosähköverkon puolella käyttäen pienijännitteisiä tehosoluja. Tällaiset tehosolut pohjautuvat samaan teknologiaan jota käytetään yleisesti käytössä olevissa ja siten kustannuksiltaan edullisissa ja teknisesti luotettavissa pienijännitteisissä taajuusmuuttajissa. Keksinnön mukaisen suurtaajuisen muuntajan sydän on mahdollista 20 valmistaa edullisesti esimerkiksi nykyaikaisista pulverisydänmateriaaleista tai hyvin ohuesta muuntajalevystä. Muuntajan käämit voidaan puolestaan toteuttaa kierrosmääristä riippuen esimerkiksi kupari- tai alumiinifoliotekniikkaan tai ns. litz-lankatekniikkaan perustuen.

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

^ Piirustusten lyhyt kuvaus

(M

00 o 30 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerk- eu kien avulla viittaamalla oheisiin kuvioihin, joissa g Kuvio 1 esittää tunnetun tekniikan mukaista kaskadikytkentää säh-

CL

kökoneen ja keskijännitteisen verkon välillä, £2 Kuvio 2A esittää tunnetun tekniikan mukaista tehosolun kytkentää tn § 35 tehon suunnan ollessa pelkästään verkosta moottoriin päin, cm Kuvio 2B esittää tunnetun tekniikan mukaista tehosolun kytkentää tehon suunnan ollessa vapaa, 5

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista kaskadikytkentää sähkökoneen ja keskijännitteisen verkon välillä,

Kuvio 4A esittää keksinnön mukaista tehosolun kytkentää,

Kuvio 4B esittää toista keksinnön mukaista tehosolun kytkentää, 5 Kuvio 5 esittää keksinnön mukaista ryhmäkohtaisen muuntajan kyt kentää,

Kuvio 6A esittää keksinnön mukaisen muuntajan luonteenomaista käämijännitettä ja yhden käämin virtaa,

Kuvio 6B esittää keksinnön mukaisen muuntajan luonteenomaista 10 käämijännitettä ja kolmen vaiheen virtojen amplitudeja

Kuvio 7A esittää keksinnön mukaista tehosolun kytkentää tasajän-nitevoimansiirtoa käytettäessä,

Kuvio 7B esittää toista keksinnön mukaista tehosolun kytkentää ta-sajännitevoimansiirtoa käytettäessä, 15 Kuvio 8 esittää keksinnön mukaista kaskadikytkentää sähkökoneen ja keskijännitteisen verkon välillä, kun teho siirretään tasajännitteisen voiman-siirtolinkin kautta, ja

Kuvio 9 esittää keksinnön mukaista kaskadikytkentää aurinkoken-novoimalan ja keskijännitteisen verkon välillä.

20

Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus

Kuviossa 1 on kuvattu keskijännitteisen ns. kaskadikytketyn taajuusmuuttajan tunnettu peruskytkentä, jollaisen toiminta on tullut tunnetuksi 25 esimerkiksi patenttijulkaisusta US 5,625,545. Siinä ovat keskijännitteisiä sekä syöttöjännite MV, jonka taajuus on normaalisti 50 Hz tai 60 Hz, että sähkökoneen M/G taajuudeltaan aseteltavissa oleva liitäntäjännite. Taajuusmuuttaja ^ koostuu pienjännitteisistä tehosoluista, joita on kytketty useita sarjaan jokaises- ^ sa vaiheessa U, V, W. Tehosolut on kytketty yhteiseen muuntajaan T1, jonka 3- 00 o 30 vaiheinen ensiökäämitys WP on liitetty syöttävään keskijänniteverkkoon MV ja K jossa on erillinen 3-vaiheinen pienjännitteinen toisiokäämitys WGiu - WGnw jo- £ kaista tehosolua kohti. Syöttöverkkoon aiheutettujen yliaaltojen alentamiseksi

CL

toisiojännitteet voivat olla vaihesiirrossa keskenään esimerkiksi siten, että en- £2 simmäistä tehosoluryhmää Gi’, sisältäen tehosolut Ciu - Ciw, syöttävän käämi in g 35 ryhmän WGm - WGm jännitteet ovat vaihesiirrossa toista tehosoluryhmää G2’, ™ sisältäen tehosolut C211 - Cm, syöttävän käämiryhmän WG2u - WG2w jännittei den kanssa jne. Tehosoluryhmiä G1’ - Gn’ voi taajuusmuuttajaan kuulua mielivaltainen määrä. Mitä useampaa sarjaankytkettyä ryhmää käytetään, sitä use- 6 ämmästä askeleesta lähtöjännitteen pulssikuvio voi koostua, millä on edullinen vaikutus lähtöjännitteen yliaaltosisältöön.

Kuviossa 2A on esitetty eräs mahdollinen tehosolun C2Q sisäinen 5 kytkentä, jollaista voidaan tunnetusti käyttää silloin kun tehon virtaussuunta on pelkästään syöttöverkosta moottoriin päin. Tehosolua syöttää muuntajan kolmivaiheinen käämitys Wg, joka on liitetty syöttöliittimiin IN. Tehosoluun kuuluu diodeista D1 - D6 koostuva kolmivaiheinen tasasuuntaussilta REC, tasajännit-teen suotokondensaattori Cdc sekä yksivaiheinen vaihtosuuntausyksikkö INU, 10 johon kuuluu kaksi ns. vaihekytkintä, jotka voivat kytkeä kumman tahansa tasa-jännitteen navan DC+, DC- kumpaan tahansa lähtöliittimen OUT napaan. Ensimmäiseen vaihekytkimeen kuuluvat ohjattavat tehopuolijohdekytkimet, esim. IGBT:t, V11, V13 ja niiden rinnalle kytketyt ns. nolladiodit D11, D13 ja toiseen vaihekytkimeen V12, V14 ja D12, D14.

15 Silloin kun teho voi virrata kumpaan suuntaan tahansa, on tunnet tua käyttää kuvion 2B mukaista tehosolun kytkentää C4Q. Siinä käytetään ta-sasuuntaussillan REC asemesta aktiivista siltaa AFE3, joka koostuu kolmesta samanlaisesta vaihekytkimestä, joita käytetään myös vaihtosuuntausyksikössä INU. Syöttävän toisiokäämin WG ja AFE3-sillan väliin voi olla kytketty suoda-20 tinyksikkö LFU virran yliaaltojen vaimentamiseksi. AFE3-siltaa käyttämällä voidaan tunnetusti paitsi syöttää jarrutusteho verkkoon, saavuttaa myös lähes sinimuotoinen verkkovirran käyrämuoto, minkä ansiosta muuntajan toisiokäämien välinen vaihesiirto voi olla tarpeeton.

25 Kuvio 3 esittää tämän keksinnön mukaisen keskijännitteisen taa juusmuuttajan peruskytkentää. Siihen kuuluvat kaskadikytketyt pienjännitteiset tehosolut sekä keskijänniteverkon MV (taajuus 50 / 60 Hz, vaiheet L1, L2, L3) ^ että keskijännitteisen sähkökoneen M/G (taajuus aseteltavissa, vaiheet U, V, W) ™ puolella, ja tehosoluja yhdistävät suurtaajuiset muuntajat. Tehosolut ja muunta- 00 9 30 jät on järjestetty ryhmiin, joihin kuuluu vähintään yksi tehosolu jokaisesta vai- oj heesta. Esimerkiksi kuvion mukaiseen ryhmään G1 kuuluvat syöttöverkon puoli lella tehosolut CPn - Cpi3, muuntaja Ti ja sähkökoneen puolella tehosolut Csiu

CL

- Csiw· Muuntajassa on jokaista tehosolua kohti oma yksivaiheinen kääminsä, £2 tässä tapauksessa ensiökäämit Wpgh - Wpgi3 ja toisiokäämit Wsgiu - Wsgiw- m g 35 Tällaisia sarjaan kytkettyjä ryhmiä G1 - Gn on vähintään kaksi, mutta tyypillisesti oj enemmän, ja niitä voi taajuusmuuttajaan kuulua mielivaltainen määrä jännite tasojen sovitustarpeen tai tulo- ja lähtöjännitteiden pulssikuvioiden optimointi-tarpeiden mukaisesti. Samaan ryhmään kuuluu siis kuvion esimerkissä vähin- 7 tään 6 tehosolua, yksi jokaisesta vaiheesta muuntajan kummallakin puolella, mutta niitä voi olla enemmänkin sen mukaan kuin muuntajaan mahtuu käämejä. Keksinnön perusajatuksen mukaisesti ryhmään täytyy kuitenkin kuulua yhtä monta solua jokaisesta tulovaiheesta, esimerkiksi 2, ja yhtä monta solua jokai-5 sesta lähtövaiheesta, esimerkiksi 1, jolloin tässä esimerkissä ryhmään kuuluu yhteensä 9 solua.

Keksintöä on mahdollista soveltaa myös silloin, kun syöttöverkon MV ja sähkökoneen M/G nimelliset jännitetasot ovat erisuuruiset. Jännitetasojen sovitus voidaan hoitaa esimerkiksi muuntajien ensiö- ja toisiokäämien 10 kierrosmäärien avulla silloin, kun molemmilla puolilla halutaan säilyttää samanlainen moniportainen jännitekuvio. Erityisesti silloin, kun jompikumpi puoli on pienjännitteinen, on myös mahdollista kytkeä ko. pienjännitepuolen kaikki samaan vaiheeseen mutta eri ryhmiin kuuluvat tehosolut rinnakkain. Jännitetasojen sovitus on mahdollista hoitaa myös ensiö-ja toisiokäämien erisuuruisilla 15 lukumäärillä esimerkiksi siten, että muuntajien ensiöpuolelle on sijoitettu kuvion 3 esimerkkiin verrattuna kaksinkertainen määrä käämejä ja tehosoluja, jolloin ensiöpuolen jännitetaso saadaan sovitetuksi kaksinkertaiseksi toisiopuolen jännitetasoon nähden, käyttäen samanjännitteisiä tehosoluja.

Kuvion 3 esimerkissä tehosolut on järjestetty tähtikytkentään vaih-20 tosähköverkkojen liitäntöjen ja tähtipisteen välille. Alan ammattimiehelle on ilmeistä, että tehosolut voivat keksinnön puitteissa yhtä hyvin olla kytketty myös kolmiokytkentään, jolloin esimerkiksi tehosolut Csiu - Csnu on kytketty vaiheiden U ja V välille, tehosolut Csiv - Csnv on kytketty vaiheiden V ja W välille ja tehosolut Csiw - Csnw on kytketty vaiheiden W ja U välille.

25 Kuvion 3 ja myöhemmissäkin esimerkeissä on kuvattu normaalia 3- vaiheista verkkoa ja sähkökonetta, mutta keksintö ei aseta rajoituksia vaih-tosähköverkkojen vaiheluvulle kummallakaan puolella muuntajaa. Keksinnön ^ perusajatuksen mukaisesti molemmat vaihtosähköverkot liittyvät ryhmäkohtai- ^ seen muuntajaan aina vähintään yhtä monella tehosolulla kuin verkoissa on 00 9 30 vaiheita. Koska keksinnön mukaisen taajuusmuuttajan muodostama jännite on

eu pulssimaista, voi sen ja tehonsiirtoverkon MV välille olla kytketty suodatin FILT

g verkkovirran yliaaltojen rajoittamiseksi.

CL

CO

£2 Kuviossa 4A on esitetty keksinnön mukaisen yksivaiheisen te in § 35 hosolun C peruskytkentä. Siihen kuuluu muuntajaan liittyvä yksivaiheinen silta- cm kytkentä AFE11, DC-välipiirin suotokondensaattori Cdc ja yksivaiheinen vaih tosuuntaajassa INU. Sekä AFE11 että INU koostuvat samanlaisista tehopuoli-johdekytkimistä muodostetuista vaihekytkimistä, joiden yksityiskohdat on esitel- 8 ty edellä kuvion 2A yhteydessä. Keksinnön mukaisesti AFE11 toimii jatkuvasti 50% pulssisuhteella siten, että kaikkien samaan muuntajaan liitettyjen tehosolu-jen AFE-sillat toimivat samanvaiheisesti. Kuten alan ammattilaiselle on selvää, kuvion 4A esittämä tehosolu voi siirtää tehoa kumpaankin suuntaan, tuloliittimis-5 tä IN lähtöliittimiin OUT tai päinvastoin.

Koska AFE-silta toimii 50% pulssisuhteella, on siltakytkennän toinen vaihekytkin tunnetusti mahdollisuus korvata kahdella kondensaattorilla Ci, C2 kuvion 4B siltakytkennän AFE12 esittämällä tavalla. Kondensaattorit Ci, C2 mitoitetaan tässä kytkennässä kuormavirran ja halutun jännitevaihtelun mukai-10 sesti kuten on alan ammattilaiselle tuttua.

Alan ammattilaiselle on selvää, että silloin kun tehon virtaussuunta on muuntajasta tehosoluun päin, virta kulkee olennaisesti vain nolladiodien kautta joten AFE-siltakytkennän ohjattavien tehopuolijohteiden ohjaaminen ei ole välttämätöntä tai nämä komponentit voivat kokonaan puuttua kuvioiden 4A 15 ja 4B mukaisista AFE-siltakytkennöistä.

Yksittäisen tehosolun vikaantuessa, esim. IGBT:n oikosulussa, voi olla tarpeen erottaa koko vioittuneeseen tehosoluun liittyvä ryhmä laitteen toiminnasta. Tämän voi järjestää oikosulkemalla kaikkien ryhmän tehosolujen läh-töliitännät (OUT) esimerkiksi kontaktoreilla. Tämän ryhmän jännite jää tällöin 20 luonnollisesti puuttumaan koko laitteiston muodostamasta jännitekuviosta, mutta riittävän moniportaisessa järjestelmässä tästä ei välttämättä ole haittaa jolloin laitteisto voi jatkaa toimintaansa.

Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukaisen ryhmäkohtaisen muun- 25 tajan Ti peruskytkentä silloin, kun muuntajaan kuuluu 3 tulovaiheen käämiä WPi - Wp3ja 3 lähtövaiheen käämiä WSi - WS3. Kaikkien käämien käämityssuunnat ovat samat, jota osoittavat pienet täplät käämien toisessa päässä. Kaikkien ^ käämien kierrosmäärät ovat samat, ja koska sama yhteisen sydämen vuo lävis- ^ tää ne, ovat myös käämien jännitteet olennaisesti samansuuruiset ja -vaiheiset.

00 9 30 Ensio- ja toisiopuolella on luonnollisesti mahdollista käyttää myös erisuuruisia K kierrosmääriä esim. silloin, kun moottorin/generaattorin ja syöttöverkon nimelli- set jännitetasot ovat erisuuruiset.

CL

Keksinnön mukaisesti kaikkien samaan muuntajaan liittyvien te- £2 hosolujen Cpi - Cp3, Csi - Cs3 napojen IN jännitteet ohjataan samanvaiheisiksi.

tn § 35 Näinollen, mikäli jonkin tehosolun DC-välipiirin suotokondensaattorin Cocjänni- ° te pyrkii nousemaan ko. soluun syötetyn suuremman tehon vuoksi korkeam maksi kuin muiden solujen välipiirin jännitteet, nousee myös ko. tehosolun napajännite IN-liitännässä korkeammaksi kuin muiden, jolloin luonnollisesti myös 9 sen muuntajaan syöttämä virta kasvaa (piirin hajainduktanssit rajoittavat mahdollisista tehokytkinten ohjauspulssien ajoitusten epätäsmällisyyksistä johtuvia virtapulsseja, mihin tarkoitukseen voi myös käyttää ylimääräistä kuristinta muuntajan ja tehosolun välille). Näin kaikkien ryhmän tehosolujen välipiirin jän-5 nitteet pysyvät olennaisesti samansuuruisina vaikka niiden muuntajaan syöttä-mät tai siitä ottamat tehot vaihtelisivatkin. Myös muuntajan kautta siirretty teho pysyy olennaisesti vakiona ja verrannollisena moottorin/generaattorin kokonais-tehoon, koska samaan muuntajaan liitetään saman verran tehosoluja jokaisesta vaiheesta ja kolmivaihejärjestelmän summateho on tunnetusti olennaisesti vakio 10 vaikka vaihekohtaiset tehot muuttuvatkin sinikäyrän mukaisesti. Mahdollisia hetkellisiä poikkeamia tästä tasaisen tehon säännöstä, jotka poikkeamat voivat johtua esim. INU-lohkojen toiminnasta, tasoittavat energiavarastoina toimivat tehosolujen välipiirin suotokondensaattorit.

15 Kuvioissa 6A ja 6B on kuvattu tehonsiirtoon liittyviä olennaisia käy rämuotoja ajan t funktiona. Käyrä uw kuvaa muuntajan käämien jännitettä, jonka vaihtelualue kuvion 4B mukaista kytkentää käytettäessä on sama kuin tehosolujen välipiirien suotokondensaattorien jännite Udc ja kuvion 4A mukaisessa kytkennässä 2 x Udc- Jännitekuvion olennainen muoto on suorakulmainen, 20 sen pulssisuhde on vakio 50% ja taajuus ίκ edullisesti hyvin korkea, esimerkiksi 10 kHz. Käyrä iw kuvaa muuntajan käämin virtaa, jonka vaihtelualue Aiw on verrannollinen siirrettävään tehoon, eli INU-lohkon lähtövirtaan ί0υτ- Kuvio 6B havainnollistaa kolmeen rinnakkaiseen vaiheeseen, esim. L1, L2, L3, liitettyjen tehosolujen käämivirtojen vaihtelualueita Aiwi, Aiw2, ja AiW3- Käämivirrat muut-25 tuvat siirrettävään tehoon verrannollisesti olennaisen sinimuotoisena kaksinkertaisella sähkökoneen tai syöttöverkon taajuudella 2 x fM.

^ Keksintöä voi soveltaa paitsi kuvion 3 mukaisessa suorassa taa- ^ juusmuuttajassa sähkökoneen ja vaihtosähköverkon välillä, myös silloin kun 00 o 30 teho siirretään tasasähkölinkin kautta. Kuviossa 8 on esitetty kaavio tällaisesta ou ratkaisusta. Siinä keskijänniteverkkoon MV liittyvä jännitekuvio muodostetaan g kaskadikytkentään järjestetyillä tehosoluryhmillä Gpi - Gpni, joiden muodosta- maa moniportaista jännitekuviota voidaan suodattaa suodattimena FILT. Te-hosoluina Cp voidaan käyttää edellä kuvioissa 4A ja 4B kuvattuja ratkaisuja, ja

LO

§ 35 ne liittyvät keksinnön perusajatuksen mukaisesti ryhmäkohtaisiin muuntajiin Tpi o _ CM — I PN1 -

Vastaavasti sähkökoneeseen M/G liittyvä jännitekuvio muodostetaan keksinnön mukaisilla tehosoluryhmillä Gsi - Gsn2, joihin kuuluvat tehosolut 10

Cs (jotka voivat myös olla kuvioiden 4A tai 4B mukaisia) ja muuntajat TSi - Tsn2-Ryhmien lukumäärät N1 ja N2 voivat poiketa toisistaan.

Sekä syöttöverkon että sähkökoneen puoleisten muuntajien toiset käämit liittyvät tehosoluryhmiin Gi”, G2”, jotka kumpikin koostuvat useista sar-5 jaankytketyistä tehosoluista, jotka ovat joko kuvion 7A tai kuvion 7B mukaisia. Molemmat tehosoluryhmät G1”, G2”, liittyvät suoraan tasajännitelinkkiin HVDC. Muuntajiin tasajännitelinkin puolelta kytkeytyvien tehosolujen lukumäärän ei tarvitse olla sama kuin vaihtosähköpuolelta kytkeytyvien tehosolujen lukumäärän, koska suoran sarjaankytkennän ansiosta tasajännitelinkin puolella kaikkien 10 tehosolujen läpi kulkee aina sama teho.

Kuviossa 7A on esitetty mahdollinen tasajännitelinkin puolella sijaitsevan tehosolun Crec kytkentä. Tällaista kytkentää voi käyttää silloin, kun teho virtaa vain yhteen suuntaan, esimerkiksi ryhmässä G1” silloin, kun teho virtaa 15 aina verkosta moottoriin päin, tai ryhmässä G2” silloin, kun teho virtaa aina generaattorista verkkoon päin. Tehosoluun Crec voi tällöin kuulua kuvion 7A mukaisesti pelkästään yksivaiheinen diodeista koostuva tasasuuntaussilta ja suo-tokondensaattori Cdc-

Silloin kun tehoa siirretään molempiin suuntiin ja edellisessä yk-20 sisuuntaisen tehonsiirron tapauksessakin sillä puolella jossa teho siirretään ta-sajännitelinkistä poispäin, voidaan käyttää kuvion 7B esittämää tehosolun kytkentää CiNv· Tehosolu muodostuu kahdesta vaihekytkimestä ja tasajännitteen suotokondensaattorista. Vaihekytkimiä ohjataan 50% pulssisuhteella jolloin tehonsiirto toimii kuten edellä kuvion 5 selostuksessa on esitetty.

25

Kuviossa 9 on esitetty esimerkki keksinnön soveltamisesta aurinko-voimalaan. Siinä aurinkokennot tai -kennoryhmät PV^ - PVNp syöttävät tehoa ^ samaan pienjännitteiseen tasasähkölinkkiin (navat DC+, DC-), johon on liitetty ^ myös keksinnön mukaisesti järjestetyt tehosoluista ja muuntajista koostuvat 00 9 30 ryhmät Gi’” - Gn’”. Pienjännitteisyyden ansiosta kaikki tasasähkölinkkiin liitty- <3 vät tehosolut CSn - CSn2 voivat olla kytketty rinnan, eikä samaan muuntajaan £ liittyvien tehosolujen lukumäärälle ole rajoituksia. Kuvion 9 esimerkissä ko. lu-

CL

kumäärä on 2, mutta mikäli tehosolun komponenttimitoitus sen sallii, yksikin £2 riittää. Koska teho siirtyy tässä sovelluksessa pelkästään yhteen suuntaan au-

LO

§ 35 rinkokennoista vaihtosähköverkkoon MV, voi tasasähkölinkkiin liittyvissä te- ° hosoluissa Csn - Csn2 käyttää yksinkertaista kuvion 7B mukaista kytkentää, ja vaihtosähköverkkoon liittyvien tehosolujen Cpn - Cpn3 (kuvioiden 4A tai 4B mu- 11 kaiset) AFE-siltakytkennöissä ei ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä tarvita tai ne voi jättää ohjaamatta .

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutus-5 muodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Patenttivaatimuksissa tasasähköverkko ymmärretään yksivaiheisena sähköverkkona.

δ

CM

00

O

LO

CM

X

cc

CL

CD

CO

LO

05

O

O

CM

Claims (19)

12

1. Menetelmä kahden sähköverkon tai sähköverkon ja monivaiheisen sähkökoneen (M/G) välillä tehoa siirtävän laitteiston ohjaamiseksi, 5 jotka sähköverkot voivat olla monivaiheisia vaihtosähköverkkoja tai toinen niistä voi olla tasasähköverkko, ja joka laitteisto koostuu pienjännitteisistä tehosoluista (C), joissa on yksivaiheinen lähtöliitäntä (OUT), tunnettu siitä, että 10 tehosoluissa on myös yksivaiheinen tuloliitäntä (IN), tehosolut on järjestetty ryhmiin (Gi - Gn, Gpi - Gpni, Gsi - Gsn2, Gi”’- Gn’”) siten, että jokaiseen ryhmään kuuluu vähintään yksi tehosolu molempien sähköverkkojen tai sähköverkon ja monivaiheisen sähkökoneen jokaista vaihetta kohti, ja 15 kaikkien samaan ryhmään kuuluvien tehosolujen sisääntuloliittimet (IN) on liitetty yhteiseen muuntajaan, jossa muuntajassa on oma erillinen galvaanisesti muista erotettu kääminsä jokaista siihen liitettyä tehosolua varten, ja kaikkien samaan muuntajaan tehoa syöttävien tehosolujen tuloliit-20 timiin (IN) liittyviä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä ohjataan olennaisen sa-manvaiheisesti 50% pulssisuhteella.

2. Vaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tuloliittimiin (IN) liitettyjen ohjattavien teho-25 puolijohdekytkimien ohjaustaajuus on yli 1 kHz.

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, ^ tunnettu siitä, että o muuntajasta tehoa vastaanottavien tehosolujen tuloliittimiin (IN) liit-oo 9 30 tyviä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä ohjataan olennaisen samanvaiheisesti o] kuin muuntajaan tehoa syöttävien tehosolujen sisääntuloliittimiin (IN) liittyviä ^ ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä. CL CD

” 4. Jonkin vaatimuksista 1 - 3 mukainen menetelmä, LO § 35 tunnettu siitä, että O cv vaihtosähköverkkoon liittyvien tehosolujen lähtöliittimiin (OUT) liitty viä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä ohjataan siten, että muodostunut jännite- 13 kuvio on moniportainen, sinimuotoa jäljittelevä ja samantaajuinen vaihtosähkö-verkon kanssa, ja sähkökoneeseen liittyvien tehosolujen lähtöliittimiin (OUT) liittyviä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä ohjataan siten, että sähkökoneen vaiheliitti-5 miin muodostunut jännitekuvio on moniportainen ja sinimuotoa jäljittelevä ja sen perusaallon taajuus ja amplitudi on aseteltavissa.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1 - 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 10 järjestelmän vikasietoisuuden parantamiseksi jonkin tehosolun vioit tuessa koko ryhmän kaikkien tehosolujen lähtöliittimet (OUT) oikosuljetaan, jolloin jäljellejäävät ryhmät voivat jatkaa toimintaansa.

6. Laitteisto tehon siirtämiseksi kahden sähköverkon tai sähköver-15 kon ja monivaiheisen sähkökoneen (M/G) välillä, jotka sähköverkot voivat olla monivaiheisia vaihtosähköverkkoja tai toinen niistä voi olla tasasähköverkko, ja joka laitteisto koostuu pienjännitteisistä tehosoluista (C), joissa on yksivaiheinen lähtöliitäntä (OUT), 20. u n n e 11 u siitä, että tehosoluissa on myös yksivaiheinen tuloliitäntä (IN), tehosolut on järjestetty ryhmiin (Gi - Gn, Gpi - Gpni, Gsi - Gsn2, Gi”’- Gn’”) siten, että jokaiseen ryhmään kuuluu vähintään yksi tehosolu molempien sähköverkkojen tai sähköverkon ja monivaiheisen sähkökoneen jokais-25 ta vaihetta kohti, ja kaikkien samaan ryhmään kuuluvien tehosolujen sisääntuloliittimet (IN) on liitetty yhteiseen muuntajaan, ^ jossa muuntajassa on oma erillinen galvaanisesti muista erotettu ^ kääminsä jokaista siihen liitettyä tehosolua varten, ja 00 o 30 kaikkien samaan muuntajaan tehoa syöttävien tehosolujen tuloliit- £3 timiin (IN) liittyviä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä ohjataan olennaisen sa- £ manvaiheisesti 50% pulssisuhteella. Q_ CO £2

7. Vaatimuksen 6 mukainen laitteisto, LO § 35 tunnettu silta, että tuloliittimiin (IN) liitetyt ohjattavat tehopuolijohdekytkimet on järjestetty ohjattavaksi yli 1 kHz taajuudella. 14

8. Vaatimusten 6 tai 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että tehosoluun kuuluu tuloliitäntään (IN) liittyvä diodeista koostuva yksivaiheinen tasasuuntaussiltakytkentä, joiden diodien rinnalle voi olla kytketty 5 ohjattavat tehopuolijohteet, esim. IGBT:t (AFE11, AFE12), tasajännitteen suotokondensaattori Cdc ja lähtöliitäntään (OUT) liittyvä diodeista koostuva yksivaiheinen tasasuuntaussiltakytkentä, joiden diodien rinnalle on kytketty ohjattavat tehopuoli-johdekytkimet, esim. IGBT:t (INU). 10

9. Jonkin vaatimuksista 6-8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että myös muuntajasta tehoa vastaanottavien tehosolujen tuloliittimiin (IN) liittyvät ohjattavat tehopuolijohdekytkimet on sovitettu ohjattavaksi olennai-15 sen samanvaiheisesti kuin muuntajaan tehoa syöttävien tehosolujen sisääntulo-liittimiin (IN) liittyviä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä.

10. Jonkin vaatimuksista 6-8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että 20 muuntajasta tehoa vastaanottavien tehosolujen tuloliittimiin (IN) on liitetty pelkästään ohjaamattomista tehopuolijohteista koostuva tasasuuntaussil-ta.

11. Jonkin vaatimuksista 6-10 mukainen laitteisto, 25 tunnettu siitä, että sähkökoneeseen tai vaihtosähköverkkoon liitetyt tehosolut on kytketty tähtikytkentään siten, että niiden lähtöliittimet (OUT) on kytketty vaihekoh-g taisesti sarjaan sähkökoneen tai vaihtosähköverkon tai siihen liittyvän suodatti- men vaiheliittimen ja vaiheita yhdistävän tähtipisteen välille. 00 9 30

12. Jonkin vaatimuksista 6-10 mukainen laitteisto, g tunnettu siitä, että Q_ sähkökoneeseen tai vaihtosähköverkkoon liitetyt tehosolut on kyt- ” ketty kolmiokytkentään siten, että niiden lähtöliittimet (OUT) on kytketty vaihe in § 35 kohtaisesti sarjaan sähkökoneen tai vaihtosähköverkon tai siihen liittyvän suo- O cv dattimen kahden vaiheliittimen väliin.

13. Jonkin vaatimuksista 6-10 mukainen laitteisto, 15 tunnettu siitä, että tasasähköpiiriin liitetyt tehosolut on kytketty lähtöliittimistään (OUT) sarjaan tai rinnan.

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-13 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että tehosoluista järjestettyyn ryhmään (Gi”- Gn”) on kytketty sarjaan niin monta tehosolua, että niiden yhteinen jännitekestoisuus on riittävä keski- tai suurjännitteiseen tasajännitelinkkiin liittymiseksi. 10

15. Jonkin vaatimuksista 6-14 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että vaihtosähköverkkoon liittyvien tehosolujen lähtöliittimiin (OUT) liittyviä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä on sovitettu ohjattavaksi siten, että muo-15 dostunut vaihtojännitekuvio on moniportainen, sinimuotoa jäljittelevä ja saman-taajuinen vaihtosähköverkon kanssa, ja sähkökoneeseen liittyvien tehosolujen lähtöliittimiin (OUT) liittyviä ohjattavia tehopuolijohdekytkimiä on sovitettu ohjattavaksi siten, että sähkökoneen vaiheliittimiin muodostunut vaihtojännitekuvio on moniportainen ja sini-20 muotoa jäljittelevä ja sen perusaallon taajuus ja amplitudi on aseteltavissa.

16. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-15 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että tehosoluista järjestettyjä ryhmiä (Gi - Gn, Gpi - GPNi, GSi - GSn2, 25 Gi’”- Gn’”) on kytketty sarjaan niin monta, että niiden muodostama vaihtojännite on tasoltaan keskijännitteinen.

^ 17. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-16 mukainen laitteisto, ^ tunnettu siitä, että 00 o 30 ryhmäkohtaisten muuntajien ensiö- ja toisiokäämien erisuuruisten K kierrosmäärien avulla laitteisto on sovitettu toimivaksi erisuuruisilla sähköverk- £ kojen tai sähkökoneen (M/G) nimellisillä jännitetasoilla. CL CD £2

18. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-16 mukainen laitteisto, tn § 35 tunnettu siitä, että ° ryhmäkohtaisten muuntajien ensiö- ja toisiokäämien ja niihin liitetty jen tehosolujen erisuuruisten lukumäärien avulla laitteisto on sovitettu toimivaksi erisuuruisilla sähköverkkojen tai sähkökoneen (M/G) nimellisillä jännitetasoilla. 16

19. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 6-18 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että järjestelmän vikasietoisuuden parantamiseksi jonkin tehosolun vioit-5 tuessa koko ryhmän kaikkien tehosolujen lähtöliittimet (OUT) on sovitettu oi-kosuljettavaksi, jolloin jäljellejäävät ryhmät voivat jatkaa toimintaansa. δ (M i 00 o tn (M X en CL CD 00 h-· m O) o o (M 17