FI73545C - Vaexelriktare. - Google Patents

Description

ΓΒ1 m,KWULUTUSJULKAISU 77ςΛς 8 11 UTLÄGGNINGSSKRIFT /00 4 5 C .... Patentti uyönvictty * \ n n 4. „ ., f. ,,- ,. · . 1 ... 1 „ t 0 ^ ,> η rt (51) Kv.Hc.>t.Cl.« H 02 M 7/515, H 02 H 7/122 £^jQ|y|| FINLAND (21) Patenttihakemus— Patentansökning 771477 (22) Hakemispäivä — Ansökningsdag 10.05*77 (Fl) (23) Alkupäivä — Giltighetsdag 10.05*77 (41) Tullut Julkiseksi — BllvEt offentllg 13,11.77

Patentti· ja rekisterihallitus /44) Nihtäväksipanon ja kuul.julkaisun pvm. — 30.06.87

Patent· och registerstyrelsen 1 Ansökan utlagd och utl.skriften publicerad (86) Kv. hakemus — Int. ansökan (32)(33)(31) Pyydetty etuoikeus — Begird prioritet 12.05-76 2U.II.76 Iso-Br itann i a-Storbr i tann i en(GB) 19533/76, 19533/76 (71) Thermal Dynamics Corporation, P.O. Box 10, West Lebanon, New Hampshire, USA(US) (72) John Bengt Göran Hedberg, Göteborg, Ruotsi-Sverige(SE) (74) Berggren Oy Ab (54) Vaihtosuuntaaja - Växelriktare

Esillä oleva keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaiseen sarjakondensaattorityyppi seen vaihtosuuntaajaan, jonka sisäinen vaimennus on vähäinen ja jossa on tyristorit vaihto-suu ntause1ementteinä.

Mainitun tyyppisillä vaihtosuuntaajilla on se etu, että ne ovat hyvin yksinkertaisia rakenteeltaan, niiden paino on vähäinen, ne ovat halpoja valmistaa sekä kykenevät siirtämään suuria tehoja. Niillä on kuitenkin se haittapuoli, että ne ovat herkkiä kuormituksen vaihtelui 11 e;;ongelmi a syntyy erityisesti silloin kun uiostulovirta on pieni ja/tai ulostulojännite korkea. Tämän johdosta on tämä vaihtosuuntaajatyyppi sopimaton hitsausvirtaläh-teeksi, koska mainittua tyyppiä olevia kuormituksen pudotuksia usein esiintyy sähköhitsauksessa. Tämän takia on esimerkiksi vaihtosuuntaajaa käytettäessä hitsausvirtal ähteenä ollut pakko mitoittaa vaihtosuuntaaja niin, että se aiheuttaa suuria sisäisiä häviöitä, mikä sinänsä vaimentaa niitä korkeita ylijännitteitä, jotka saattaisivat syntyä vähäisesti vaimennetussa vaihtosuuntaajassa kuormituksen ollessa alhainen. Tämä kuitenkin antaa vaihtosuuntaajalle huonon hyötysuhteen ja merkitsee siten olennaista haittaa. Vaihtoehtoisesti voidaa.i vaihtosuuntaajan muuntaja yli- 2 73545 mitoittaa kestämään alhaisia kuormituksia kyllästymättä, mikä kuitenkin johtaa suureen painoon ja kasvaviin valmistuskustannuksiin.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on aikaansaada johdannossa mainittua lajia oleva parannettu vaihtosuuntaaja, jolla on pieni paino ja hyvä hyötysuhde ja joka on olennaisesti tunteeton edellä mainitun tyyppisille kuormituksille.

Tässä tarkoituksessa ehdotetaan käytettäväksi sentyyppistä vaihtosuuntaajaa, joka määritellään patenttivaatimuksen johdanto-osassa ja jolle on tunnusomaista patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkki-osassa mainitut ominaisuudet.

Keksintöä tullaan seuraavassa selostamaan lähemmin viitaten joukkoon oheisessa piirustuksessa kaaviomaisesti esitettyjä suoritus-esimerkkejä, joista tulee ilmenemään keksinnölle tunnusomaisi a piirteitä ja etuja. Kuvio 1 on kytkentäkaavio keksinnön mukaisesta vaihtosuuntaajasta. Kuvio 2 on kytkentäkaavio yhteistoimintaa varten kuvion 1 mukaisen vaihtosuuntaajan kanssa tarkoitetusta ohjauspiiristä, Kuviot 3 ja 4 esittävät jännite- ja virtakäyriä, jotka esiintyisivät vaihtosuuntaajassa normaalikäytössä vastaavasti alhaisella kuormituksella, mikäli siinä ei olisi jännit-teenrajoituslaitetta. Kuvio 5 esittää vastaavia jännite- ja virtakäyriä kuvioiden 1 ja 2 mukaisessa vaihtosuuntaajassa alhaisella kuormituksella, jolloin siinä on kuvion 1 tai kuvion 6 mukainen jännitteenrajoituslai te. Kuviot 6 ja 7 esittävät kuvion 1 mukaisen jännitteenrajoitusl aitteen muunnelmia. Kuvio 8 esittää jännite- ja virtakäyriä kuvioiden 1 ja 2 mukaisessa vaihtosuuntaajassa alhaisella kuormituksella, jolloin siinä on kuvion 7 mukainen jännit-teenrajoi tuslai te .

Kuviossa 1 esitetty vaihtosuuntaaja on kohdassa 10 yhdistetty kolmivaiheiseen vaihtovirtaverkkoon. Sisääntuleva virta tasasuun-nataan kuusi puissitasasuuntaajassa 11, jolloin johtoihin 12, 13 uiostulevaa 3 73545 tasasuunnattua jännitettä tasataan puskurikondensaattorilla 14, mikä merkitsee sitä, että muuttaja toimii yhdistettynä jäykkään tasflLjänni-telähteeseen, jolla on alhainen sisäinen impedanssi.

Taajuudenmuuttajän vaihtosuuntauselemcntit muodostuvat tyristoreista 15, 16, joita ohjataan niin, että ne syttyvät vuorotellen. Taajuu-denmuuttajan muuntajaa on yleisesti merkitty numerolla 17, ja sen ensiökäämi 18 on kytketty sarjaan työkondensaattorien 19, 20 kanssa. Muuntajan 17 toisiokäämi 21 on tasasuuntaussillan 22 ja kuristimen 23 kautta yhdistetty pinteisiin 24, 25, joihin voidaan kytkeä kuorman molemmat navat, esimerkiksi hitsauselektrodin pidin ja hitsattava työ-kappale. Pinteiden 24, 25 väliin on kytketty kondensaattori 26, joka esimerkiksi taajuudenmuuttajaa käytettäessä hitsausvirtalähteenä voi toimia halutun tyhjäkäyntijännitteen ylläpitämiseksi. Tämän lisäksi on rinnakkaiselin 27 järjestetty kuorinitusvirran mittaamiseksi, jolloin rinnakkaiselimestä otettua jännitettä käytetään taajuudenmuutta jän ohjaamiseksi, kuten lähemmin selostetaan alempana viitaten kuvioon 2.

Kuvion 2 mukaisesti on rinnakkaiselimen 27 toinen liitäntäpinne yhdistetty maahan ja toinen liitäntäpinne on yhdistetty vahvistimeen 30, joka vahvistaa rinnakkaiselimen 27 signaalia millivolttitasosta voltti tasoon. Vahvistin 30 on vertailuvastuksen 31 kautta yhdistetty toisaalta potentiometrin muodossa olevaan virranasetuslaitteeseen 32, toisaalta vahvistimeen 33, joka toimii tasodiskriminaattorina, Vir-ranasetuslaite 32 toimii halutun ulostulovirran asettelemiseksi taa-juudenmuuttajasta. Taajuudenmuuttajän halutun enimmäisulostulojännitteen asettelemiseksi on järjestetty potentiometrin muodossa oleva jännitteenasettelulaite 35, joka vertailuvastuksien 36 kautta on yhdistetty toisaalta taajuudenmuuttajan> pinteeseen 25, toisaalta vahvistimeen 37, joka toimii tasodiskriminaattorina. Tyristorien 15, 16 tilan valvomiseksi on järjestetty tunnustelupairi, joka käsittää muuntajan 38, jonka ensiöpuoli on diodien 39, 40 kautta yhdistetty tyristorien 15, 16 anodeihin A·^, ja katodeihin K-^, Muuntajan 38 toisiopuoli on toisesta päästään maadoitettu ja toisesta päästään yhdistetty vertailupiiriin, joka käsittää kaksi vastusta 41, 42, jolloin vastuksen 42 toinen pää on yhdistetty vakiosuuruiseen negatiiviseen jännitteeseen. Vastuksien 41, 42 yhdyspiste on edelleen yhdistetty vahvistimeen 43, joka toimii tasodiskriminaattorina ja jonka vaihtopisteen määräävät vastukset 41, 42 sekä mainittu vakio- 73545 suuruinen negatiivinen jännite. Vahvistimet 33, 37 ja <13 ovat yhdistetyt kumpikin omaan sisäänmenoonsa 45, 46, 47 ja porttiin 48, joka toimii sovinnaiseen tapaan. Jotta JA-portti 48 antaisi ulostulosignaalin, vaaditaan siten, että vahvistimesta 33 saatu ulostulosignaali on positiivinen, ts. että rinnakkaiselimellä 27 mitattu kuorrni-tusvirta alittaa asettelulaitteen 32 määräämän arvon. Edelleen vaaditaan vastaavalla tavalla, että vahvistimen 37 ulostulosignaali on positiivinen, ts. että pinteessä 25 esiintyvä kuormitusjännite alittaa asettelulaitteessa 35 asetellun ohjearvon. Lopuksi vaaditaan, että vahvistimen 43 ulostulosignaali on positiivinen, mikä merkitsee sitä, että jommankumman tyristorin 15 tai 16 anodijännite on negatiivinen katodiin nähden, mikä vuorostaan on kriteeri sille, että molemmat tyristorit 15 ja 16 ovat lakanneet johtamasta virtaa.

JA-portti 48 on yhdistetty monostabiiliin multivibraattorin 50, jolla oi ennakolta määrätty pulssipituus vastaten tyristorien 15, 16 lepoaikaa, esimerkiksi 30 mikrosekuntia. Multivibraattorin 50 ulostulo Q saadaan siten positiivinen jännitepulssi ajaksi, joka vastaa tyristorien 15, 16 lepoaikaa. Pulssi annetaan JK-multivibraattorin 51 triggaussisäänmenoon T, jolloin JK-multivibraattorin 51 ulostulo vaihtuu iriultivibraattorista 50 saadun pulssin lopulla. JK-multivibraattorin 51 ulostulot Q, Q ovat kondensaattorien 52, 53 kautta yhdistetyt kumpikin transistorin 54, 55 kantaan. Transistorien 54, 55 emitterit ovat yhdistetyt maahan, kun taas niiden kollektorit ovat yhdistetyt kumpikin oman tyristoreita 15, 16 varten tarkoitetun sytytysruuun-tajan 56, 57 ensiökäämiin. Ensiökäämien toinen pää on yhdistetty ennakolta määrätyn positiivisen potentiaalin omaavaan pinteeseen, ja toisiokäämien päät ovat yhdistetyt kyseisen tyristorin 15 tai 16 anodiin tai A2 ja hilaan G-^ tai G2 · JK-multivibraattorin 51 ulostuloista saatavat signaalit tulevat vuorotellen kondensaattorien 52, 53 kautta tekemään transistorit 54, 55 johtaviksi kondensaattorien 52, 53 ennakolta määräämäksi lyhyeksi ajaksi, jolloin tyristorit 15, 16 vuorotellen saavat lyhyen sytytyspulssin ja si^en vuorotellen syöttävät muuntajan 17 ensiökäämiin 18 virtaa vaihtovirran synnyttämiseksi, jonka taajuuden määräävät JA-portin 48 liitäntöihin 45, 46, 47 tulevat signaalit.

Kuvio 3 esittää jännitteitä pisteissä 60, 61 sekä jännitettä U^g muuntajan 17 ensiökäämin 18 yli kuvioiden 1 ja 2 esittämän taa-juudenmuutta jän ulostulossa normaal [kuormitukset La , sellaisena kuin 73545 sitä on tähän asti selostettu. Kuvio 3 esittää lisäksi ulostulovir-taa 12^ pinteen 25 läpi sekä ulostulovirtoja ja 1-^ (viimemainit tu katkoviivalla) tyristoreista 15, 16. Kuviossa 3 esittää merkki t^ ajankohtaa jolloin tyristori 15 syttyy, tg ajankohtaa, jolloin tyristori 15 tulee virrattomaksi saaden negatiivisen jännitteen anodin ja katodin K^ välille johtuen muuntajan 17 ensiökäämin 18 ja kondensaattorien 19, 20 muodostamasta värähtelypiiristä, tg ajankohtaa, jolloin tyristori 16 syttyy, ja t^ ajankohtaa, jolloin tyristori 16 tulee virrattomaksi saaden negatiivisen anodijännitteen johtuen mainitusta värähtelypiiristä 18, 19, 20. Edelleen esittää t,. ajankohtaa, jolloin tyristori 15 jälleen syttyy, jolloin tapahtuma toistuu niin kauan kun kuormitus on olennaisesti muuttumaton.

Kuviossa 4 esitetään vastaavia jännite- ja virtakäyriä taajuudenmuut-tajan ulostulovirran ollessa alhainen ja/tai ulostulojännitteen ollessa korkea. Ilmenee, että ulostulovirran ollessa alhainen on työ-kondensaattorien 19, 20 jälleenvarausaika pitkä. Tämä johtaa siihen, että muuntaja 17 kyllästyy seurauksena voimakas virrankasvu muuntajassa, kuten ilmenee tyristorivirtapulssien i i takareunoilla. Tämä johtaa myöskin voimakkaaseen ylivärähtelyyn muuntajajännitteessä U^g ja siitä seuraa korkea jännite kondensaattorien 19, 20 yli. Joh tuen siitä, että kondensaattorien 19, 20 ulostulojännite on seuraa-valla pulssilla (kohdassa tg) korkea, kasvaa seuraava ylivärähtely muuntajajännitteessä edelleen, jolloin jännitteet UgQ, ja d^g kasvavat laviininomaisesti siihen ajankohtaan saakka, jolloin jokin taajuudenmuuttajän komponentti vaurioituu liian korkean jännitteen johdosta. Näin ollen havaitaan, että taajuudenmuuttaja, sellaisena kuin se on tähän asti selostettu viitaten kuvioihin 1 ja 2, ei voi toimia alhaisella ulostulovirralla ja/tai korkealla ulostulojännitteellä. Sen vuoksi taajuudenmuuttaja ei voi toimia tyhjäkäynnillä käytettäessä sitä esimerkiksi hitsausvirtalähteenä.

Kuviossa 4 havainnollistettujen haittapuolien välttämiseksi on taa-juudenmuuttaja varustettu laitteella muuntajan 17 ensiöpuolen·ja työkondensaattorien 19, 20 yli vaikuttavan jännitteen rajoittamiseksi ennakolta määrättyyn arvoon, joka ylittää vaihtosuuntaajan syöttö-jännitteen, ts. sisäänmenojohdoissa 12, 13 vaikuttavan jännitteen. Kuviossa 1 esitetyssä kytkennässä muodostuu tämä jännitteenrajoitus-laite kahdesta piiristä, joista kumpikin sisältää zenerdiodin 62 vastaavasti 63, virranrajoitusvastuksen 64 vastaavasti 65 seka dio- 6 73545 din 66 vastaavasti 67, jolloin diodit 66, 67 estävät virran ze-nerdiodien johtosuunnassa. Zenerdiodien 62, 63 estojännite valitaan siten, että se on jonkin verran alhaisempi kuin korkein jännite, jolla pisteessä 61 esiintyvä jännite U saa ylittää johdoissa 12, 13 vaikuttavan syöttöjännitteen. Kun siten pisteen 61 jännite ylittää johdon 12 jännitteen vastaavasti alittaa johdon 13 jännitteen zenerdiodien 62, 63 estojännitettä vastaavalla arvolla, voi virta kulkea pisteestä 61 piirin 64, 62, 66 kautta johtoon 12 ja pisteen 61 polariteetin ollessa vastakkainen piirin 65, 63, 67 kautta johtoon 13.

Kuten osoitetaan kuviossa 1 katkoviivoin, voidaan zenerdiodit 62, 63 korvata varistorei11 a 68, 69 .

Kuviossa 6 esitetään kuvion 1 jännitteenrajoituspiirin toinen suoritusmuoto. Tämän muunnelman mukaan on vastukset 64, 65 korvattu yhdellä ainoalla vastuksella 70, joka on kytketty jännitteenra-joituspiirien yhteiseen haaraan, jolloin zenerdiodit 62, 63 on kytketty vastakkain, kun taas diodit 66, 67 on järjestetty samalla tavalla kuin on selostettu kuvion 1 yhteydessä. Edelleen voidaan, kuten on osoitettu katkoviivoin, zenerdiodit 62, 63 korvata yhdellä ainoalla varistorilla 71. Kuten on osoitettu katkoviivalla 72 kuvioissa 1, 6 ja 7, voidaan jännitteenrajoituspiirit myöskin yhdistää muuntajan 17 ensiökäämin 18 ulosottoon.

Käytettäessä jotakin kuvioissa 1 ja 6 esitettyä suojapiiriä saadaan alhaisella kuormituksella, ts. alhaisella uiostulovirral1 a ja/tai korkealla ui ostul ojännitteel 1 ä vaihtosuuntaajan ulostu-lopinteissä 24, 25 kuvion 5 mukaisia jännite- ja virtakäyriä. Kuviosta 5 ilmenee, ettei pisteellä 61 esiintyvä jännite 1) kasva vyörynomaisesti, vaan rajoittuu pääasiallisesti arvoon, joka ylittää johdon 12 tai 13 jännitteen määrällä, joka vastaa zenerdiodien 62, 63 estojännitettä U , lukuunottamatta lyhytaikaista ja suhteellisen alhaista jännitepiikkiä, joka aiheutuu kyseisen suojavastuksen 64, 65 tai 70 jännitteenputouksesta. Todetaan siten, etteivät virta- ja jännitepulssit muutu ajan mukaan kuviossa 4 esitetyllä vyörynomaisei 1 a tavalla.

7 73545

Kuviossa 7 esitetty jännitteenrajoituslai te muodostuu kahdesta piiristä, joista kumpikin sisältää diodin 66 vastaavasti 67 ja tyristorin 80 vastaavasti 81. Piirit sisältävät edelleen yhteisen virranrajoitusvastuksen 82. Kumpaakin tyristoria 80, 81 varten on järjestetty sytytyspiiri käsittäen virranrajoitusvastuksen 83 tai 84 sekä zenerdiodin 85 tai 86. Zenerdiodit 85, 86 voidaan korvata väristorei11 a. Zenerdiodien 85, 86 estojännite U " valitaan niin, että se hieman alittaa korkeimman jännitteen, jolla pisteen 61 jännite U saa ylittää syöttöjohtojen 12, 13 syöt- 61 töjännitteen. Kun siten pisteessä 61 esiintyvä jännite ylittää johdon 12 vastaavasti alittaa johdon 13 jännitteen zenerdiodien 85, 86 estojännitettä vastaavalla määrällä, syttyy tyristori 80 tai 81, niin että virta voi kulkea pisteestä 61 piirin 82, 80, 66 läpi johtoon 12 ja pisteen 61 polariteetin ollesa vastakkainen piirin 82, 81, 67 läpi johtoon 13.

Käytettäessä kuvion 7 esittämiä suojapiirejä saadaan alhaisella kuormituksella, ts. alhaisella uiostulovirral1 a ja/tai korkealla uiostulojännitteel1ä vaihtosuuntaajan uiostulopinteissä 24, 25 kuvion 8 mukaisia jännite- ja virtakäyriä. Kuviosta 8 ilmenee, ettei pisteessä 61 esiintyvä jännite U kasva vyörynomaisesti, 61 vaan se rajoittuu pääasiallisesti arvoon, joka ylittää johdossa 12 tai 13 olevan jännitteen määrällä, joka vastaa zenerdiodien 85, 86 estojännitettä U ", lukuunottamatta lyhyttä suhteellisen alhaista jännitepiikkiä, joka aiheutuu kyseisen suojavastuksen 82 jännitteenputouksesta. Siten havaitaan, etteivät virta- ja jänni-tepulssit muutu ajan mukaan kuvion 4 esittämällä vyörynomaisei!a tavalla.

Keksintö ei rajoitu edellä selostettuihin ja piirustuksissa esitettyihin suoritusesimerkkeihi n, vaan sen toteutusta voidaan tietenkin muunnella monella tavalla seuraavien patenttivaatimuksien pui ttei ssa.

Claims (2)

8 73545

1. Vaihtosuuntaaja, jolla on pieni sisäinen vaimennus ja joka on sitä tyyppiä, jossa on vaihtosuuntauselementteinä tyristorit (15, 16), jotka on kytketty sarjaan toistensa kanssa tasajännitelähteen (11) napojen väliin, ja muuntaja (17) toisiokäämityksineen (21), joka on kytketty kuormaan, ja en-siökäämityksineen (18), jonka toinen pää on yhdistetty tyristorien (15, 16) toistensa kanssa yhteenkytkettyyn puoleen, ja jonka toinen pää on yhdistetty ainakin yhden työkondensaatto-rin (19, 20) toiseen napaan, jonka kondensaattorin toinen napa on kytketty tasavirtalähteeseen (11), jolloin jännitteen rajoittamiseksi vaihtosuuntaajan muuntajan (17) ja työkondensaat-torin tai -kondensaattorien (19, 20) yli on järjestetty jännit-teenrajoituslaite (62-71, 80-86) sähkön johtamiseksi takaisin tasavirtalähteeseen, joka jännitteenrajoituslaite kunkin työ-kondensaattorin kohdalla muodostuu piiristä, joka on kytketty rinnan tämän työkondensaattorin kanssa tasavirtalähteen (11) toisen navan sekä kondensaattorin ja muuntajan ensiökäämityk-sen (18) tai mainitun ensiökäämityksen (18) tietyn pisteen välille, ja joka käsittää elimet (66, 67), joka tekee piirin johtamattomaksi vaihtosuuntaajan myötäsuunnassa, tunnettu siitä, että tyristorit (15, 16) on kytketty yhteen ilman välillä sijaitsevaa kommutointikuristinta, sekä että mainittu piiri käsittää elimet (62, 63, 68, 69, 71, 80, 81, 85,86), jotka on sovitettu saattamaan piiri johtavaksi vaihtosuuntaajan estosuunnassa vasta kun jännite kondensaattorin (19, 20. sillä puolen, joka on liitetty muuntajan ensiökäämityk-seen (18) ylittää saman kondensaattorin sen puolen jännitteen, joka on kytketty jännitelähteeseen (11) tietyssä määrin, joka vastaa vaihtosuuntaajän moitteettoman toiminnan liian pientä ulostulovirtaa ja/tai liian korkeata antojännitettä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen vaihtosuuntaaja, tunnettu siitä, että kukin piiri käsittää tyristorin (80, 81. sekä tyristorin (80, 81) anodin ja ohjauselektrodin väliin yhdistetyn zenerdiodin tai varistorin (85, 86). 73545 9