FI64026C - Inverterkoppling - Google Patents

Description

64026

Invertterikytkentä

Esillä oleva keksintö kohdistuu invertterikytkentään, jossa on tasajännitelähde, joka omaa itse välioton tai jonka yli kytketyssä jännitteenjakopiirissä on väli-otto, ja kaksi sarjaan kytkettyä tyristorikytkintä, jotka ovat kytketyt johtosuunnassa tasajännitelähteen yli ja joissa on kummassakin tyristorin yli kytketty RC-suoja sekä tyristorin kanssa sarjaan kytketty kuristin, jolloin tyristorikytkimien välisestä pisteestä haarautuu ainakin yhden kuristimen ja yhden kondensaattorin sarja-kytkennän sisältävä keskihaara mainittuun väliottoon.

Siitä asti kun tyristorit tulivat komponentteina markkinoille on niitä käytetty invertterikytkennöissä varsin paljon.

Esillä oleva keksintö koskee nimenomaan sellaista invertteri-kytkentää, jossa käytetään tyristoreita yhdessä kyllästyvien kuristimien kanssa. On sen vuoksi paikallaan todeta, että kyllästyvien magneettikomponenttien käyttö suuntaajatekniikassa ei sinänsä ole uusi asia. Kyllästyviä kuristimia käytetään yleisesti venttiilien (diodien, tyristorien ja Hg-venttiilien) suojaamiseen liiallisia virran ja jännitteen muutosnopeuksia vastaan kuten jäljempänä oleva yksityiskohtainen selvitys osoittaa. Myös esimagnetoituja kuristimia ja magneettivahvistimia on suuntaajatekniikassa käytetty jo vuosikymmeniä. Viitataan tässä oheiseen julkaisuluetteloon.

Esimerkiksi lähdeviitteessä /4/ esitetään kyllästyvien kuristimien käyttöä tyristorien kytkentä- ja katkaisu-häviöiden vähentämiseen. Samaa aihetta käsitellään niinikään viitteissä /5/, /8/ ja /13/. Kyllästyvien 2 6 4 C 2 6 kuristinten käyttöä jännitteen nousunopeussuojaukseen käsitellään mm. viitteissä /2/, /5/ ja /12/.

Kyllästyviä kuristimia on lisäksi käytetty rinnankytkettyjen tyristorien syttymisviiveiden tasaukseen /4/ sekä sarjakytkennöissä jännitteenjaon tasoitukseen tyristorien syttyessä /7/.

Liitteessä /11/ esitetään oleellisesti ottaen Morgan-periaatteen mukainen menetelmä resonanssi-invertterin tehollisen taajuuden nostamiseen ja liitteissä /1/ ja /10/ esitellään magneettivahvistinsovellutuksia.

Seuraavassa tarkastellaan oheisen kuvion 1 mukaista kytkentää, joka koostuu paristoista ja tyristoreista

Ti ja T£, suojakeloista L^, RC-suojista C^, kommu- tointikondensaattorista C, pääinduktanssista Lp/ haja-induktanssista L sekä kuormasta R^ ja kccnrnutointidiodeista Dl ja D2. Suojakelojen tarkoituksena on suojella tyristoreja T^ ja T2 liialliselta virran nousunopeudelta ja yhdessä RC-suojien kanssa liialliselta jännitteen nousu-nopeudelta. Lp muodostaa C:n kanssa varsinaisen kommu-tointipiirin, jonka tarkoituksena on tyristorin sammuttaminen kuten kirjallisuudesta on tunnettua (Bedford-Hoft: Principles of Inverter Circuits).

Taajuuden ollessa pieni (alle 1kHz) voidaan Lk C^R1 helposti mitoittaa siten, että nykyisin yleisesti saatavilla tyristoreilla ja E:n ollessa 500-600 V (kolmi-vaihesillalla tasasuunnattu 380 V:n jännite) tyristorin sallitut dV/dt ja dl/dt arvot eivät tule ylitetyksi ja toisaalta RC-suojien häviöt pysyvät kohtuullisina. Taajuuden kasvaessa on keloja L , L ja L. sekä kondensaat- P O Λ toria C pienennettävä. Tämän seurauksena tyristorien dl/dt ja dV/dt nousevat jos R^ ja C^ pysyvät vakioina sillä kuten tunnettua 3 < il n o dV - _J_ R. m dt max 2L, x ' ’ k

Kuten (1):stä selviää voi asian korjata R^:ta pienentämällä mutta tämän seurauksena on C^:tä kasvatettava jotta piiri 2L^ C.^ pysyisi riittävästi vaimennettuna eikä aiheuttaisi jännitepiikkejä. Jos kriteerinä pidetään kriittisesti vaimennettua resonanssipiiriä saadaan C: lie 8Lk C, = -S- (2)

V

eli R^:n pienentämisestä seuraa C^:n kasvaminen. Koska RC-suojien häviöteho on muotoa phävia ~ e2 £ ci <3> nousee häviöteho varsin nopeasti taajuuden kasvaessa. Häviötehon absoluuttiarvo riippuu voimakkaasti asetetuista vaatimuksista ja käytettävissä olevista komponenteista. Jäljempänä esitettävässä esimerkkitapauksessa siedettävä käytännön raja on alle 5kHz. Lisäksi on syytä pitää mielessä, ettei tyristori siedä millaista RC-suojaa hyvänsä. Valmistajat antavat usein ylärajan C1:lle ja alarajan R^:lle. Tästä johtuen ei taajuutta voi loputtomiin kasvattaa edes RC-suojan häviöiden kustannuksella .

Eräs tunnettu keino sovittaa yhteen suuren taajuuden tuoma vaatimus pienistä keloista ja pienten häviöiden asettama vaatimus suurista L^:n induktansseista on tehdä kelat kyllästyviksi. Tämä perustuu siihen, että varsinaisen toiminnan aikana virrat ovat niin suuret, että on kyllästyneenä ja sen induktanssi on pieni sallien suurehkon taajuuden.

4 64026

Sen sijaan RC-suojien R^C^ toimiessa on ao. kelan virta pieni, jolloin kela on kyllästymättömässä tilassa ja sen induktanssi on suuri jolloin dV/dt on (1):n nojalla pieni ja kuten (1):n ja (2):n nojalla ilmenee voidaan C pitää pienenä,jolloin häviöt ovat pienet. Käytännössä voi L^tn induktanssi olla kyllästymättömässä tilassa jopa 500 kertainen kyllästystilaan verrattuna ja suuremmatkin muutokset ovat mahdollisia. Tällä menetelmällä on kuitenkin eräs vakava haitta kuten seuraavasta ilmenee.

Jos otaksutaan, että on juuri lakannut johtamasta ja I on kommutoimassa D^:lle tavanomaiseen tapaan, on tässä tilanteessa Uc:n jännite maksimissaan ja kyllästymättömässä tilassa, jolloin sen induktanssi on tyypillisesti luokkaa 100-200 ^uH.

Tällöin pisteen A jännite B:tä vasten eli käytännössä T^:n yli vaikuttava jännite voi nousta varsin suureksi sillä LT = E + (Uc - §) ^k . ; (Rl = -) (4) P k

Kun edellä esitetyn perusteella sijoitetaan E/2 300 V

ja kondensaattorin C jännite Uc esim. - 800 V, saadaan U' = 600V + (800V - 300V) 200 /UH = 1nnn v

250 yiiH

Asian merkitys kasvaa sen vuoksi, että tyristorin jännite-luokan kasvaessa tyristorien suurimmat nopeudet pienenevät, joten suuriin taajuuksiin pyrittäessä joudutaan käyttämään verraten pienijännitteisiä tyristoreja ja toisaalta tyristorien sarjakytkentä on kallis ja teknisesti hankalahko ratkaisu.

5 64026

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainittu ongelma, ts. pienentää kyseessä olevaa jänni-tehuippua kun käytetään kyllästyviä kuristimia. Tämän saavuttamiseksi on keksinnön mukaiselle invertterikyt-kennälle tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisessa patenttivaatimuksessa 1.

Keksinnössä on siis olennaista se, että tyristorien kanssa sarjassa olevien kuristimien lisäksi myös piirin keski-haarassa oleva kuristin on kyllästyvä. Edullisesti kes-kihaaran kuristin muodostuu vakiosuuruisen sekä kyllästyvän kuristimen sarjakytkennästä.

Keksintöä valaistaan seuraavassa lähemmin esimerkin avulla ja viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuvio 1 esittää jo selostettua tunnettua kytkentää, ja kuvio 2 esittää esillä olevan keksinnön mukaista kytkentää.

Kuvion 2 mukainen kytkentä on muuten samanlainen kuin kuvion 1 mukainen, jossa siis myös kuristimet voivat olla kyllästyviä, mutta esillä olevan keksinnön mukaan on kuviossa 2 piirin keskihaaraan L :n kanssa sarjaan

P

kytketty kolmas kyllästyvä kuristin .

Kun tämä kuristin mitoitetaan niin, että virrasta riippumatta

Lx = k Lk (5) jossa k on sopiva vakio, voidaan jännitepiikki poistaa miltei täysin.

Jos esimerkiksi on kuten edellisessä esimerkissä ja kaavan (5) k=3, saadaan (4):ään sijoittamalla 6 64026 U' - E + <Vc - !> L +L+L.

p k 1

= 600V + (800V - 300V) 200 /uH

50^uH+200^uH+600yUH

= 718 V

eli jännitehuippu on pudonnut lähes 30 %. Tässä on syytä todeta, että C:n jännite voi olla vielä paljon korkeampi kuin em. 800V jolloin kyllästyvällä lisäkuristi-mella L^ saavutettu etu entisestään korostuu.

Keksinnön mukaista kytkentää soveltaen voidaan siis tyristorien jännitteennousunopeutta pienentää ilman, että niiden jänniterasitus tai RC-suojan häviöteho kasvaisi. Tämä tarkoittaa myös käytännössä sitä, että tyristorien teknillis-taloudellista maksimitoimintataajuutta voidaan nostaa, jopa moninkertaistaa.

Lopuksi on vielä syytä huomauttaa, että kuvioiden 1 ja 2 kytkennät ovat osittain vain periaatteellisia. Käytännössä on useimmiten niin, että on vain yksi jännitelähde E, ja tämän yli on kytketty esimerkiksi kahden kondensaattorin muodostama jännitteenjakaja, jonka keskipiste toimii mainittuna väliottona. Kuristin

L taas voi vuorostaan muodostua esimerkiksi muuntajan P

ensiökäämistä.

Luettelo viitteistä: /1/ US-patentti 3 324 380 /2/ US-patentti 3 321 695 /3/ SE-kuulutusjulkaisu 316 862 /4/ SE-patentti 227 486 /5/ GB-patentti 1 407 594 /6/ " 1 360 112 /7/ CH-patentti 475 669 /8/ " 467 549 /9/ US-patentti 2 635 222 7 6 4 C 2 6 /10/ US-patentti 2 857 563 /11/ Seeling, T. Thyristorwechselrichter mit sättigbaren Drosseln fUr Mittelfrequenzanwendungen IEEE Trans, on Magnetics,

Vol. MAG-2, no. 3, Sept.1966 /12/ Min.B.J. An Improved Snubber Circuit

Wearsch, H.W. for Power Semiconductors IAS 77, Annual /13/ Meyer, Manfred Beanspruchung von Thyristoren in selbstgefiihrten Strom-richtern

Siemens Zeitschrift Mai 1965, Heft 5 /14/ Technische Mitteilungen

4,5, 9 AEG

Claims (3)

64026

1. Invertterikytkentä, jossa on tasajännitelähde, joka omaa itse välioton tai jonka yli kytketyssä jännitteenjako-piirissä on väliotto, ja kaksi sarjaan kytkettyä tyristori-kytkintä, jotka ovat kytketyt johtosuunnassa tasajännitelähteen yli ja joissa on kummassakin tyristorin (T1; T2) yli kytketty RC-suoja (Rl, Cl) ja tyristorin kanssa vastarinnan kytketty kommutointidiodi (Dl; D2) sekä tyristorin kanssa sarjaan kytketty kuristin (Lk), jolloin tyristorikytkimien välisestä pisteestä haarautuu ainakin yhden kuristimen (L ) P ja yhden kondensaattorin (C) sarjakytkennän sisältävä keski- haara mainittuun väliottoon, tunnettu siitä, että tyristorikytkimien kanssa sarjassa olevat kuristimet (L^) ovat sinänsä tunnetulla tavalla kyllästyttäviä kuristimia, ja että mainitun keskihaaran sisältämä kuristin (L , L,) P i muodostuu myös ainakin osaksi kyllästyvästä kuristimesta (L.j) , jolloin mainitut kuristimet (L^, ) on lisäksi mitoi tettu niin, että ne kyllästyvät suunnilleen samanaikaisesti, jotta niiden induktanssien suhde säilyisi likimain vakiona.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että keskihaaran kuristin muodostuu kyllästyvän kuristimen (L.) sekä kiinteän kuristimen (L ) sarjakytkennästä. ^ Jr

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kytkentä, tunnettu siitä, että keskihaaran kuristin muodostuu osaksi (L ) muuntajan ensiökäämistä. Sr