FI82330B - Frekvensomvandlare och dess anvaendning i samband med en asynkronmotor. - Google Patents

Description

1 82330

Taajuusmuunnin ja sen käyttö epätahtimoottorin yhteydessä

Keksintö kohdistuu yleisesti staattisiin tehotaajuusmuutta-jiin ja täsmällisemmin rajoittamattomiin taajuusmuuttajiin (Unrestricted Frequency Changer, UFC) ja niiden sovellutuksiin, esimerkiksi nopeudeltaan aseteltaviin vaihtovirtamoottori-käyttöihin.

Rajoittamatonta taajuusmuuttajaa (UFC) ja siihen liittyvää staattisten kytkinten ohjausta jännitteeltään ja taajuudeltaan ohjatun vaihtovirta-aallon kehittämiseksi on selitetty US-patenteissa 3 470 447 ja 3 493 838. Näissä patenteissa on esitetty kuinka kunkin kuorman lähtövaiheeseen liittyvän staattisen konvertterin kytkimet voidaan ohjata selektiivisesti ja syklisesti johtaviksi tietyn aikavälin ajaksi kehittämään ja antamaan tehon, jonka määrää tulojännitteen ohjattu osa, joka itse rajoittuu kahden aikavälin väliin, joita käytetään lähdön oikosulkemiseen, mistä prosessista saadaan tuloksena lähtövaih-tojännite, jonka taajuus riippuu johtavien aikavälien toisto-taajuudesta ja jonka suuruus määräytyy kunkin staattisen kytkimen tehollisen johtavana olon aikajaksosta. Tällaista rajoittamatonta taajuusmuuttajaa voidaan edullisesti soveltaa säätÖ-nopeusvaihtovirtakäytöissä kuten julkaisun L. Gyugyi, B.R. Pelly: "Static Power Frequency Changers", John Wiley & Sons 1976 sivuilla 5-14 ja 363-383 on esitetty. Tähän liittyen Gyugyi ja Pelly ovat esimerkiksi havainneet, että UFC on luonnostaan ominaisuuksiltaan kaksisuuntainen sen tulossa olevan teholähteen ja sen lähdössä olevan teholähteen välillä, mikä mahdollistaa moottorikäytön toiminnan neljässä kvadrantissa ilman kalliita lisäpiirejä.

Rajoittamaton taajuusmuuttajatekniikka on tullut erityisen mielenkiintoiseksi uusien kaksisuuntaisten kytkimien, esimerkiksi tehotransistorien ja sammutettavien (GTO) tyristorilaitteiden käyttöön tulemisen myötä.

2 82330

Esillä oleva keksintö aikaansaa rajoittamattoman taajuusmuuttajan (UFC) kaksisuuntaisten kytkimien ohjauksen kunkin kytkimen vuorolla lähtövaiheen kytkentäjakson sisällä siten, että kytkin suorittaa toistuvasti ja vuorotellen yhden elementaarisen johtavuusaikavälin ja yhden sitä seuraavan oikosulkuaika-välin määrätyn määrän kertoja jokaisen kytkimen tapauksessa ja kyseisen kaksisuuntaisen kytkimen toiminta-aikajaksolle jaettuina aikoina lähtövirran parantamiseksi tämän avulla.

Tällainen kaksisuuntaisten kytkimien ohjaus aikaansaadaan digitaalisesti. Elementaaristen johtavuusaikavälien valinta kullekin kaksisuuntaiselle kytkimelle ja johtavuusaikavälien jako kytkimen aikajaksolle suoritetaan mallin mukaisesti, joka ottaa huomioon halutun taajuuden ja jännitteen lähdössä.

Digitaalista tekniikkaa käytetään 1) vakiosuhteen säilyttämiseksi lähtöjännitteen ja lähtötaa-juuden välillä ilmavälin vakiovuota varten induktiomoottoriin sovellettaessa, 2) oleellisesti saman jänniteinkrementin aikaansaamiseksi kuin tunnetuissa UFC-muuttajissa valitsemalla ja osoittamalla elementaaristen johtavuusaikavälien lukumäärät kaksisuuntaista kytkintä kohden siten, että ne vastaavat tunnetun tekniikan yhtä johtavuusaikaväliä lähtövaihtojänniteaallon yhden vaiheen kytkentä j aksossa .

Keksintö kohdistuu laajassa muodossa staattiseen sähköiseen taajuusmuuttajalaitteeseen, joka on kytketty monivaiheisen vaihtovirtateholähteen ja monivaiheisten vaihtovirtakuormien välille, johon laitteeseen sisältyy: kutakin mainittua vaihtovir-takuormaa varten joukko ohjattavia kaksisuuntaisia kytkinyksi-köitä, jotka ohjataan johtamaan järjestyksessä aikajakson (TP) aikana, välineet, jotka aikaansaavat kullekin kytkinyksikölle ohjattavan johtavuusaikavälin (t), joka esiintyy mainitussa järjestyksessä ohjattavalla toistotaajuudella, energian johtamiseksi mainitusta vaihtovirtateholähteestä peräkkäisten jännite- 3 82330 segmenttien aikana vaiheittaisella pohjalla ja välineet mainitun järjestyksen johdettujen jännitesegmenttien syöttämiseksi mainittuun kuormaan monivaiheisen vaihtovirtatehonsyöttöläh-dön muodostamiseksi yhdessä näihin kytkinyksiköihin liittyvien samanlaisten kytkinyksiköiden joukkojen kanssa, jolloin mainitulla vaihtovirtatehonsyöttölähdöllä on taajuus, joka on mainitun vaihtovirtateholähteen taajuuden ja mainitun toisto-taajuuden erotuksen funktio, jossa laitteessa on välineet, jotka on tahdistettu mainittuun toistotaajuuteen ja jotka vaikuttavat mainittuun ohjattuun johtavuusaikaväliin (t) siten, että ne määräävät mainitussa kytkinyksiköiden järjestyksessä n elementaarista johtavuusaikaväliä (t*), jotka on jaettu mainitun järjestyksen kunkin kytkinyksikön toiminnan aikakehykselle (T) ja jotka esiintyvät taajuudella, joka on n kertaa mainittu toistotaajuus, jolloin mainittujen elementaaristen johtavuus-aikavälien (t*) summa tällaisessa aikakehyksessä (T) on yhtäsuuri kuin mainittu ohjattava johtavuusaikaväli (t), välineet arvon n määräämiseksi kokonaislukuna mainitun vaihtovirtatehon-syöttölähdön lähtötaajuudesta riippuen ja välineet mainitun järjestyksen kytkinyksiköiden ohjaamiseksi kulloinkin "n" kertaa ennen toisen kytkinyksikön ohjaamista virran laadun parantamiseksi tämän avulla mainitussa monivaiheisessa tehonsyöttöläh-dössä ja tulovaihtovirtateholähteessä.

Keksintö voidaan ymmärtää yksityiskohtaisemmin seuraavasta parhaana pidetyn suoritusmuodon selityksestä, joka on esitetty esimerkkinä ja tarkoitettu luettavaksi oheisiin piirustuksiin liittyen, joissa:

Kuvio 1 on lohkokaavio edellä mainittujen US-patenttien 3 470 447 ja 3 493 838 mukaisesta tunnetusta UFC-moottorikäyttö-järjestelmästä, kuvio 2 on kaavio, joka esittää käyrien avulla kuvion 1 järjestelmän ohjauspulssijonojen PI, P2 kolmen eri toistotaajuuden ja pulssivälin vaikutusta lähtötaajuuteen ja -jännitteeseen ja lähtövirtaan, 4 82330 kuvio 3A esittää kuvion 1 kolmea vaihetta kuormaan liittyvinä, kuvio 3 esittää vertailua varten käyrien avulla kuvioiden 1 ja 3A järjestelmän toimintaa, kun konvertterien kommutoiviin kytkimiin ei kohdisteta ohjausta lähtöjännitteen suuruuden aset-telemistarkoituksessa, kuvio 4 esittää käyrien avulla kuinka kuvion 1 järjestelmän ohjauspulssijonot Pl ja P2 aikaansaavat ohjattujen oikosulku-jaksojen välille rajoittuvat ohjatut johtavuusjaksot lähtöjännitteen suuruuden asettelemiseksi, kuvio 5 on kaavio, jossa on käyrät, joissa on vertailtu kuvion 1 UFC-järjestelmän kolmea vaihetta, kuviossa 6 on kohdakkain asetettuina jännite- ja virtakäyrät, jotka esittävät kestoajaltaan kasvavia johtavuusjaksoja ja niiden vaikutusta vaihtovirtateholähteestä otettujen tulovirtojen harmonisiin, kuvio 7 on käyräpiirros, jossa on verrattu kuvion 3 chjaustilan-netta, kuvion 4 ohjaustilannetta ja kuvion 1 konvertterin kytkimien esillä olevan keksinnön mukaista ohjaustapaa, kuvio 8 esittää keksinnön mukaista ohjaustapaa arvoilla n = 1, n=2, n=3jan=4, missä n osoittaa johtavuusjakson jakamisen ja osittamisen kertalukua käyrien esittäessä vaikutuksen lähtövirran laatuun, kuvio 9 esittää arvoilla n = 1 ja n = 4 johtavuusjakson jakamisen ja osittamisen tärkeää vaikutusta tulovirran harmonisi in, kuvio 10 on käyräpiirros, joka esittää kuvion 1 signaalien Pl, P2 generointia ja ohjaussignaalien johtamista kuvion 1 järjestelmän konverttereille, kuvio 11 esittää arvolla n = 2 kuvion 10 ohjaussignaalien ajoitusta ja jakautumaa keksinnön mukaisen johtavuusjakson jaon ja osittamisen aikaansaamiseksi, kuvio 12 on lohkokaavio ohjauspiiristä, joka mahdollistaa digitaalisen käsittelyn keksinnön mukaisten ohjaussignaalien generoinnissa , kuvio 13 on käyrä, joka esittää induktiomoottorin jännite-taajuusominaiskäyrän epälineaarisuutta, kuvio 14 esittää käyrien avulla kuinka hakutaulukot on tehty kuvion 12 taulukon TI^ tapauksessa, 5 82330 kuvio 15 esittää käyrien avulla kuinka hakutaulukot on tehty kuvion 12 taulukon TB^ tapauksessa ja kuvio 16 esittää kuvion 12 digitaalisen ohjauspiirin tärkeimpien signaalien aikasuhteita.

Keksintöä selitetään sen havainnollistamista varten vaihtovirta-käyttöjärjestelmän osana. On kuitenkin selvää, että tässä selitettävää rajoituksetonta taajuusmuuttajaa (UFC) voidaan käyttää erilaisissa teollisissa ja muissa sovellutuksissa.

Keksinnön parhaana pidetyn suoritusmuodon vaihtovirtakäyttö-järjestelmässä rajoituksetonta taajuusmuuttajaa (UFC) käytetään muuttuvan taajuus- ja jännitesäädetyn lähtötehon muodostamiseksi vaihtovirtainduktiomoottorin nopeuden ohjaamista varten. Induktiomoottorin jännite-taajuusominaiskäyrän mukaisesti perus-taajuista lähtöjännitettä muutetaan oleellisesti lähtötaajuu-teen verrannollisesti. Tällainen lähtöjännitteen muutos on tähän asti saavutettu yksinkertaisella pulssinleveyden muutta-mismenetelmällä. Tämä tunnettu ratkaisu aiheuttaa moottorivirran harmonisten kasvamisen ja enemmän yliaaltoja syöttölähteen virtaan suhteellisesti alhaisilla moottorin nopeuksilla. Tässä esitetään uusi jännitteenohjausmenetelmä, joka minimoi syöttö-lähteen ja moottorin virran yliaallot koko nopeus- (lähtötaajuus-) alueella. Tämän tuloksena saadaan huomattava moottorin suori-tusominaisuuksien parantuminen pienillä nopeuksilla ja taloudellisia etuja tulon suodatusvaatimusten ja moottorin häviöiden pienenemisestä johtuen.

Rajoitukseton taajuusmuuttaja (UFC), joka on selitetty US-pa-tenteissa 3 470 447 ja 3 493 838 staattisina "keinotekoisesti" kommutoituina taajuuskonverttereina, joilla on säädettävä lähtö jännite, on kirjallisuudessa yleisesti tunnettu ja tästä tunnettua tyyppiä olevasta konvertterista käytetään seuraa-vassa merkintää UFC.

Muihin ‘staattisiin konverttereihin verrattuna UFC-muuttajalla on merkittäviä etuja, jotka tekevät siitä erityisen sopivan 6 82330 taajuudeltaan säädettävän sähkötehon kehittämiseen vaihtovir-tamoottoreiden nopeuden ohjaamiseen. Nämä edut voidaan luetella seuraavasti: 1. Yksiportainen tehon muuttaminen kaksisuuntaisella tehon-virtauksella (ts. teho voi virrata joko kuormaan tai kuormasta). Tämä mahdollistaa regeneroivan moottorijarrutuksen.

2. Laaja lähtötaajuusalue, jota tulo- (syöttö-) taajuus ei rajoita. Ts. kehitetty lähtötaajuus voi olla alempi, korkeampi tai yhtä suuri kuin tulotaajuus.

3. Lähtöaaltomuodon taajuusspektri on riippumaton halutun perustaa juuskomponent in amplitudista. Lisäksi lähtöaaltomuodon "ei-toivottujen" (harmonisten) komponenttien taajuudet eroavat paljon perustaajuudesta koko lähtötaajuusalueella. Tämä harmonisten taajuuksien ero perustaajuudesta kasvaa "luonnostaan" (ts. lähtöjännitteen aaltomuodon konstruoinnin menetelmää muuttamatta) peruslähtötaajuuden pienentyessä. Siten moottorin harmonisten virtojen taajuudet pysyvät suurina perustaajuuteen verrattuna, jopa pienillä nopeuksilla. Moottori pyörii siten nykimättä.

4. Kolmivaiheisen konvertterin lähtöjännitteet ovat luonnostaan tasapainossa. Kolmea lähtöjännitettä voidaan kuitenkin ohjata erillisinä.

5. Moottorin positiivinen (induktiivinen) tehokerroin aiheuttaa negatiivisen (kapasitiivisen) tehokertoimen (yhtä suurella vaihekulmalla) vaihtovirtalähteeseen. Lähdön (kuorman) ykkösen suuruinen tehokerroin heijastuu siten muuttumattomana vaihto-jännitelähteeseen.

6. Ohjaus on yksinkertainen eli lähtötaajuutta ja -virtaa voidaan ohjata US-patenteissa esitetyllä tavalla kahdella sopivasti toisiinsa nähden siirretyllä pulssijonolla, joilla molemmilla on sama taajuus.

v 82330

Rajoittamattoman taajuusmuuttajan haittana on kuitenkin, että edellä mainituissa US-patenteissa selitetyssä tunnetussa jän-nitteenohjausmenetelmässä lähtöjännitteen ja vaihtovirtateholähteestä otetun tulovirran harmonisten komponenttien amplitudit kasvavat huomattavasti perustaajuisen lähtöjännitteen pienetessä. Tästä on seurauksena koneen häviöiden kasvu pienillä nopeuksilla ja se voi edellyttää huomattavaa suodatusta syöttö-johtimissa. Tässä esitetään esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä, jolla perustaajuisen lähtöjännitteen amplitudia ohjataan säilyttäen hallitsevien harmonisten ja perustaajuisen jännitteen ja -virran amplitudisuhteen oleellisesti vakiona UFC-muuttajän tulo- ja lähtönavoissa, kun lähtöjännite muuttuu maksimista nollaan.

Edellä mainituissa US-patenteissa selitetty rajoittamaton taajuusmuuttaja- (UFC-) moottorikäyttöjärjestelmä on esitetty kaaviollisesti kuviossa 1. Se muodostuu kolmesta samanlaisesta kaksisuuntaisesta tehokonvertteripiiristä CV^, CV2, CV^, jotka syöttävät induktiomoottorin M staattorikäämejä W^, W2# ohjauslogiikasta GL, joka kehittää kunkin konvertterin CV^, CV2, CV2 kaksisuuntaisten kytkinyksiköiden (A^, A^, B^, B2, C^, C2) ON- ja EI-ohjaukseen tarvittavat sähköiset signaalit. Järjestelmä sisältää ajoitussignaaligeneraattorin TWG, joka antaa kaksi pulssijonoa P^, P2 ulkoisten analogiasignaalien ohjaamana, jotka määräävät asetusarvoelimen SP avulla moottorille syötetyn lähtötaajuuden fQ ja -jännitteen V . Kuviossa 2 esitetyt aaltomuodot (a), (b), (c) havainnollistavat kahden ohjauspulssijonon P^, P2 ja UFC-muuttajän lähtöjännitteen keskinäisiä suhteita. Kuten aaltomuodosta (a) havaitaan, pulssi-jono P^ määrää lähtötaajuuden ja aaltomuodon (b) mukaan pulssi-jono P2 määrää peruslähtöjännitteen amplitudin V . Mainitut kaksi pulssijonoa on kytketty toisiinsa siten, että lähtöjännite VQ kasvaa lähtötaajuuden f kasvaessa moottorin ilmavälin vuon säilyttämiseksi oleellisesti vakiona. Kuviossa 1 on esitetty ohjauslogiikkapiirin GL kytkinyksikön A^ kytkimenohjain-piirin kytkinohjaus konvertterissa CV^ kytkinyksikön A^ sisäl- 8 82330 täessä GTO-komponentin asennettuna kaksisuuntaiseen toimintaan. Kytkinyksikkö A^ edustaa muita kytkinyksiköitä A2, B^, B2, ja C2-

Kuvion 2 käyrästä (c) ilmenee, että kahden peräkkäisen pulssin P1' P2 välillä ohjatut kaksisuuntaiset kytkimet (A^, A2, B·^, B2, ... tai C2) kytkevät vaihtovirtasyöttöteholähteen antaman yhden syöttöjänniteaallon segmentin muuttajan lähtöön. Kahden peräkkäisen pulssin P2 ja välillä kaksisuuntaiset kytkimet oikosulkevat konvertterin lähdön. Nämä peräkkäiset "jännite-segmentit" johdetaan tulosta ja syötetään lähtöön määrätyn joh-tavuuskuvion mukaisesti, jossa on mukana peräkkäin kuusi eri kaksisuuntaista kytkintä, kuten kuvion 1 esimerkissä esitetty A-^. Nämä peräkkäiset "jännitesegmentit" muodostavat lähtövaihto-jännitteen V , jolla on oleellisesti sinimuotoinen verhokäyrä, kuten kuvion 2 käyrässä (c) on esitetty erilaisille lähtötaajuuk-sille f = l/3fT, f = f_ ja f = 5/3f_. Kaksisuuntaisen kvtki-men (A^, A2, B^...C2) kahden peräkkäisen pulssin P^ P2 (jotka on esitetty kuviossa 2 kohdassa (a) vast, (b) välillä johtavana olon aikaansaamien "jännitesegmenttien" keskiarvo vaihtelee oleellisesti sinimuotoisesti lähtöjakson aikana kuten kuvion 2 kohdan (c) katkoviiva esittää. Konvertterin lähtöjännitteen V f, joka on esitetty kuviossa 2 kohdassa (c), aiheuttamaa moottorivirtaa i esittää kuvion 2 käyrä (d). Siinä oleva katkoviiva esittää moottorivirran i peruskomponenttia i-0£ ·

Kytkentäkuvio riippuu kahden peräkkäisen pulssin P^, P^ välisestä ajasta sekä pulssijonojen taajuudesta. Vuon säilyttämiseksi vakiona moottorin ilmavälissä, kun taajuus f kasvaa o (pulssijonojen P^, P2 taajuus kasvaa), jännitettä VQ suurennetaan automaattisesti asettamalla P^ ja P2 kauemmaksi toisistaan, mikä siten lisää kunkin "jännitesegmentin" leveyttä.

Tämä on esitetty kuviossa 2 kohdissa (a), (b) ja (c) kolmelle lähtötaajuustapaukselle: fQ = l/3fj, fQ = ja fQ = 5/3fj, missä fj. on kolmea konvertteria CV^, CV2, CV^ syöttävän vaihto-jännitesyöttölähteen taajuus.

9 82330

Kuvio 3A esittää UFC-muuttajaa kytkettynä kuorman kolmeen vaiheeseen .

UFC-muuttajän toiminnan perusperiaatteet ovat ymmärrettävissä paremmin tarkastelemalla kuvioissa 3 ja 4 UFC-muuttajän kolmesta lähdöstä yhdelle esitettyjä aaltomuotoja. UFC-muuttajän pe-rustaajuinen lähtöjänniteaaltomuoto V , kun peruskomponentin suuruuden ohjaus jätetään toistaiseksi huomioonottamatta, voidaan kehittää antamalla kytkinyksikköparien A-^I^, A1^2' B1C2' B1^2' C1A2' C1B2 3°^taa tässä järjestyksessä kiinteän ajanjakson T, niin että jokainen syöttöjohtimien jännitteistä tulee kytketyksi vuorollaan kuorman yli tämän taukojakson aikana. Sekvenssi toistetaan määrätyllä toistotaajuudella. Kuten kuviossa 3 on esitetty, tällainen toistuva kytkentäkuvio ulottuu aikajakson TP yli, joka muodostuu peräkkäisistä samanlaisista aikakehyksistä T, jotka on merkitty erikseen viitemerkeillä T-^, T2, T^, T^, ja Tg. Tämä kytkentäkuvio muodostaa lähtöjännitteen VQ, jolla on "haluttu" peruskomponentti Vp, jonka taajuus f on yhtä suuri kuin syöttövaihtojännitteen taajuuden fIN ja kyt-kentäkuvion toistotaajuuden fgw välinen ero, kuten edellä mainituissa patenteissa on selitetty.

Kuvion 3 esittäessä järjestelmän toimintaa, jossa jokaisen kaksisuuntaisen kytkinyksikön johtavuusaika (T) ulottuu kahden peräkkäisen kytkentäkohdan NC koko välille, esim. järjestyksen ^A1B2' A1^2' ®1^2'' * *^1®2^ kahden ON-tilaan tulevan staattisen kytkimen välille, kuvio 4 esittää järjestelmää, jossa johtavuus-aikaa (T) ohjataan, esim. pienentämällä sitä tästä maksimiajasta T arvoon t^. Kuten kuviossa 4 on esitetty, tämä saavutetaan oikosulkemalla lähtönavat, ts. kuorma, komplementaarisen ajan t2 = (T-t^) ajaksi. Tämä suoritetaan samaan tulojohtimeen kytkettyjen kytkinten parilla (A^^, C^C2» BiB2^ * Tama ajan t^ leveysohjaus kehyksen T sisällä mahdollistaa peruslähtöjännit-teen ohjauksen kuten molemmissa edellä mainituissa patenteissa on selitetty. Tälle ohjausmuodolle on tunnusomaista toistuva kytkentäkuvio, joka ulottuu aikajakson TP yli, joka muodostuu 10 82330 kuudesta tasaisin välein sijoitetusta aikakehyksestä T, jotka on merkitty T^-Tg, Aikakehyksessä tehokytkimet A-^ ja B2 kytketään johtaviksi aikavälin t^ ajaksi. Aikavälin t^ lopussa kytkimet A^ ja A2 kytketään johtaviksi aikavälin t2 ajaksi kuorman oikosulkemiseksi ja siten muodostamaan tien kuorman virralle. Seuraavassa aikakehyksessä kytkimet A^ ja kytketään johtaviksi aikavälin t^ ajaksi tulo jännitteen VA(2 inkrementin syöttämiseksi kuormaan. Aikakehyksen T2 aikavälin t-^ lopussa kytkimet Ai ja C2 kytketään johtamattomiksi ja kytkimet ja C2 kytketään johtaviksi saman aikakehyksen aikavälin ajaksi kuorman oikosulkemiseksi. Kytkentäkuvion sekvenssin muu osa ilmenee kuvion 4 tarkastelusta. Kuviosta ilmenee myös, että pulssijono määrää aikakehyksen T ja siten lähtöjänniteaaltomuodon VQ perus-taajuisen tai halutun lähtöjännitteen Vp lähtötaajuuden, kun taas pulssijono P2 määrää määrätyssä aikakehyksessä T aikavälien t-^ ja t2 suhteelliset pituudet ja siten perustaajuisen komponentin Vp amplitudin.

Kytkentäkuvio täydellisen kolmivaiheisen UFC-muuttajän kolmelle vaiheelle on esitetty kuviossa 5.

Edellä esitetyn tunnetun UFC-järjestelmän eräänä haittana on, että ei-haluttujen (harmonisten) komponenttien amplitudit kasvavat lähtöjännitteessä,kun lähtötaajuus pienenee. Tämä johtuu siitä, että aikaväli t^, jonka aikana tulojännitettä syötetään moottorikuormaan, pienenee muuttamattoman aikakehyksen T suhteen, kun lähtötaajuus pienenee, jotta lähtöjännitteen ja taajuuden suhde pysyisi vakiona vaihtovirtamoottorille. Pienenevästä aikavälistä t^ ja kasvavasta aikakehyksestä T on seurauksena suuremmat harmoniset virrat moottorissa alhaisilla lähtötaajuuk-silla kuten ilmenee moottorin virran aaltomuodoista i (d) kuviossa 2. Moottorin häviöt kasvavat siten moottorin nopeuden laskiessa.

Toisena haittana on, että myös tulovirtojen, jotka otetaan UFC-muuttajan tulossa kolmivaiheisesta vaihtovirtateholähteestä, 11 82330 harmonisten amplitudit kasvavat, kun lähtöjännitteen peruskomponenttia pienennetään pienentämällä aikaväliä t^. Tämä näkyy kuviossa 6 segmenteistä iA, joiden keskiarvo on iAF ja jotka on sijoitettu lähtöjännitteen aaltomuodon VQ, jonka peruskomponentti on VqF, segmenttien kohdalle (ks. kuvion 6 käyrät (a) ja (b)). Tämän seurauksena suodatusvaatimukset UFC-muuttajän tulonavoissa kasvavat huomattavasti lähtötaajuuden (ja siten lähtöjännitteen) pienentyessä.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on minimoida ja poistaa nämä haitat. Tämän saavuttamiseksi on esitetty sellainen jän-nitteenohjausmenetelmä, jossa merkittävien harmonisten amplitudit pysyvät oleellisesti peruskomponentin amplitudiin verrannollisina, kun peruskomponentin amplitudia pienennetään pienillä lähtötaaj uuksilla.

Keksinnön mukaisen UFC-lähtöjännitteen ohjausmenetelmän ydin selviää vertaamalla kuvion 7 käyriä (a), (b) ja (c).

Käyrä (a) esittää aikaisemmin kuvattua menetelmää, jossa syöttö-vaihtojännitelähteen jännitteet kytketään peräkkäin vakioaikavä-lien T ajaksi lähtöön (kuormaan) UFC-lähtöjännitteen perusaalto-muodon kehittämiseksi käyttämättä lähtöjännitteen peruskomponentin amplitudia ohjaavia välineitä.

Käyrät (b) esittävät edellä mainituissa US-patenteissa selitettyä jännitteenohjausmenetelmää. Kuten edellä on selitetty, samansuuruiset ajat T on jaettu kahteen aikaväliin t^ ja t2* Aikavälin t^ aikana syöttöjännitteet ovat, kuten edellä kytkettyinä lähtöön tehokonvertterin kytkimillä. Aikavälin t2 aikana syöttöjännitteet ovat irtikytkettyinä ja kuorma on oikosuljettu tehokonvertterin kytkimillä. Aikavälien t^ ja t2 suhteelliset pituudet perusajan (tai aikakehyksen) T sisällä määräävät UFC-muuttajan kehittämän peruslähtöjännitteen amplitudin.

Käyrät (c) esittävät ehdotetussa jännitteenohjausmenetelmässä käytettyä perustekniikkaa. Kuten kuviossa on esitetty, saman- i2 82330 suuruiset ajat T on jaettu n (kuviossa n on neljä) osa-aikaan T , eli nT = T. Jokainen osa-aika T on jaettu kahteen aika-* * * * *

väliin ja jotka antavat yhteenlaskettuna t^ + t^ = T

ja siten, että nt^ = t^ ja nt2 = t2- Jokaisen aikakehyksen T

aikavälien t-^ aikana sama syöttöjännite, joka on vuorossa normaalissa UFC-sekvenssissä, kytketään toistuvasti n kertaa

He lähtöön, kun taas aikaväleinä t2 syöttöjännite on erotettuna lähdöstä ja kuorma on, kuten edellä, oikosuljettuna. Koska

He He nt-^ = t-^ ja nt. = t2, on ilmeistä, että lähtöjänniteaallon peruskomponentti on sama kuin tunnetulla ohjausmenetelmällä saatu.

He He

Kuitenkin koska aikavälit t^ ja t2 ovat yleensä lyhyempiä kuin vastaavat tunnetun tekniikan aikavälit t^ ja t2, voidaan osoittaa, että lähtöjännitteen ja tulo- (syöttö-) virran aaltojen merkittävimpien harmonisten komponenttien amplitudit eivät kasva kuten tunnetussa ohjauksessa vaan että ne itse asiassa pienenevät, kun lähtöjännitteen peruskomponentin amplitudi pienenee maksimiarvostaan.

On huomattava, ettei osiin jakamisen määrätyn aikakehyksen T sisällä eikä osiin jakamisen toiston peräkkäisissä aikakehyksissä tarvitse olla samanlaisia. Toisin sanoen osa-aikavälien ★ * * T , t^ ja t2 ei tarvitse muodostaa muuttumatonta kuviota tietyssä aikakehyksessä ja erilaisia kuvioita voidaan käyttää peräkkäisissä aikakehyksissä. Aikakehyksen T vaihtelevan osiinjakamisen * ★ * tapauksessa aikavälien T ja T, t. ja t., t~ ja t„ väliset ai- *--fe ^ He ^ k kaisemmin annetut riippuvuudet (nT = T, nt·^ = t^, nt^ = t2) voidaan yleistää seuraavasti: n n n Σ Tk = T, Σ tlk tl ja Σ t2k _ t2; k=l k.l kil missä kokonaisluku n voi vaihdella aikakehyksestä toiseen.

Moottorivirran "aaltoisuuden" pienenemisenä saavutettu etu * ilmenee kuvion 8 käyristä (d). Osa-aikojen T lukumäärän kasvaessa perusaikakehyksessä T yhdestä (tunnettu tekniikka) kahteen, 13 82330 kolmeen ja neljään määrätyllä lähtötaajuudella f (f = 1/(6T)-f^) virran iQ aaltoisuus pienenee huomattavasti.

Kun n = 1, esim. kuten edellä mainituissa US-patenteissa, koko aikakehys T jakautuu pienempään johtavuusjaksoon t^ ja komplementaariseen oikosulkujaksoon t2* Kuvioiden 1 ja 4 siltakonvert-terijärjestelmän staattiset kytkimet johtavat ajan t^ kyt kien lähteen jännitteen VA_B kuormaan ja staattiset kytkimet A^2 suorittavat yhdessä oikosulkemisen aikana mikä erottaa kuorman lähteestä ja aikaansaa loven lähtöaaltoon, kuten käyrissä (a) on esitetty lähtöjännitteelle V . Johtavuuskuvio osoittaa, että kytkimet A-^ ja C2 johtavat seuraavassa aikakehyksessä T ajan t·^, mitä seuraa oikosulku kytkimien ja välillä toisen aikajakson t2 ajan jne. Käyrät (b) esittävät ohjausjaksot aikaväleille t^ ja käyrät (c) aikaväleille t2 Käyrät (d) esittävät virran i suuruuden, jolla on ylisuuret huiput ja kuopat johtuen VQ-käyrien voimakkaasti korreloivista jännitteistä kohdassa (a). Ts. virta iQ kasvaa aikavälien t^ aikana, kun kuormaan (moottoriin) syötetään jännitettä, ja laskee häviöistä johtuen aikavälien t2 aikana, kun kuorma on oikosuljettuna.

Kuvio 8 esittää mitä tapahtuu kun aikaväli T jaetaan esillä *

olevan keksinnön mukaisesti kahteen yhtäsuureen osajaksoon T

•k 1/2T. Kummassakin näistä osajaksoista T suoritetaan sama menet- * tely kuin edellä mainituissa patenteissa: 1) aikajakso t·^, joka on puolet ajasta t,, aikaansaa kapeamman jänniteaaltoviipa- *· * leen VAB (käyrät (a)), ja 2) tätä seuraa lepojakso t2* joka on puolet jaksosta t2» Sama menettely suoritetaan kaksi kertaa (n = 2) alkuperäisen kestoltaan T pituisen aikajakson aikana. Kuviossa 8 on esitetty myös tapaus, jossa n = 3. Viipaleet ovat edellistä pienempiä ja erotettu toisistaan välillä olevilla lepo-jaksoilla, jotka on varattu kuorman oikosulkemiseen. Kuviossa 8 on esitetty lisäksi tapaus n = 4. Virran i paraneminen (käyrät (d)) on näkyvintä aikavälin T jaon viimeisen lisäyksen tapauksessa.

i4 82330

Kuvio 9 esittää kohdassa (e) kuvioon 6 verrattuna tapaukselle, jossa lähtötaajuus f = l/3fj (missä on tuloaallon taajuus), kuinka vaiheen A (jännitteen V^) tulovirran iA ylemmät ja alemmat huiput leviävät aikakehyksen T yli, kun kumpikin pinta-ala jaetaan neljällä (n = 4).

Pinta-alat, jotka uudessa ratkaisussa saadaan jakamalla tunnetun tekniikan mukaisesti alkuperäisestä jännitesegmentistä, muodostavat itse asiassa yhteenlaskettuna saman kokonaispinta-alan kuin mistä on lähdetty siten, että lähtöjännitteen keskiarvo ei muutu.

Kuvion 9 käyrä (e) esittää tulovirran aaltomuodon iA muutoksia, kun n kasvaa yhdestä neljään. Siitä ilmenee, että tulovirta-aallon "verhokäyrä" arvolla n = 4 on samankaltainen kuin täydellä lähtöjännitteellä saadaan ja että jännitteensäätö aikaansaa vain suhteellisen suuritaajuisia komponentteja, jotka voidaan oikosulkea suhteellisen pienillä suotimilla UFC-muuttajän tulonavoissa.

Kuvion 1 UFC-tehokonvertteri on esitetty kolmivaiheiseen vaihto-virtateholähteeseen (V^, νβ, Vc) ja kolmivaiheiseen kuormaan (W^, V^, W^) liittyvänä. Induktiomoottorin M asianomaisiin käärineihin W-^, W2, liittyvät kolme konvertteria CV^, CV2 ja CV^ on esitetty siltatyyppisinä. Siten jokainen vaihe (W^, W2, W^) on varustettu staattisten kytkinten parilla (A^,A2) , (Β-^,Β^ ja (Ci,C2)f jolloin jokaisella parilla on yhteinen osa, joka on kytketty tulovaiheeseen (A, B, C). Havaitaan, että kuviossa 1 esitetyn siltatyyppisen piirin tapauksessa oikosulkutien aikaansaamiseen ei tarvita lisäkytkinlaitteita, koska oikosulku, joka kytketään jakson t2 aikana, voidaan kytkeä missä tahansa sillan "haarassa" kahden sarjaankytketyn kaksisuuntaisen kytkimen kautta. Tämä on esitetty kuvioissa 4 ja 8. Tällaisessa järjestelyssä on selvää, että kuuden kytkimen keskinäinen johtavuussekvenssi on (A1B2), (A1C2), (B-^), (B1A2), (C·^) ja (C·^). Sensijaan että siirryttäisiin kytkimestä C-^ kytkimeen A·^ kytkimestä B2

II

15 82330

kytkimeen C2, kytkimestä kytkimeen , kytkimestä C^ kytkimeen A2> kytkimestä kytkimeen ja kytkimestä A2 kytkimeen B2 aikakehyksen T määräämissä pisteissä NC peräkkäisten tulojän-nitevaiheiden VAB, VAC jne. välillä, tunnetun tekniikan ajan t-^ (ehdotetussa parannetussa UFC-järjestelmässä ajan t^ = t-^/n) päättymiskohtaan on sijoitettu oikosulkujakso t2 tekemällä kytkinparit (A-LA2), (C^^) (B^^) johtaviksi aikajakson TP

ajaksi. Tämä tehdään yhden kerran tunnetun tekniikan ratkaisussa. Sen sijaan keksinnön mukaisessa UFC-ohjaustavassa tämä toistetaan n kertaa yhtä monen oikosulkujakson muodostamiseksi jaettujen johtavuus jaksojen t-^/n välille, kuten kuviossa 8 on esitetty tyypillisessä tapauksessa arvoille n=2,n=3jan=4.

On selvää, että siltatyyppistä konvertteria on selitetty tässä vain havainnollistamista varten. Edellä mainitussa L. Gyugyin ja B.R. Pellyn kirjassa on selitetty yksityiskohtaisesti, että UFC-muuttajassa voidaan käyttää tulovaiheiden välillä muita kuin siltatyyppisiä staattisten kytkimien järjestelyjä. Esimerkkinä voidaan viitata sivun 41 kuvan 1.25 järjestelyyn kolmepulssiselle taajuusmuuttajalle, sivujen 42-44 kuvan 1.26 järjestelyyn kuusi-pulssiselle taajuusmuuttajalle, sivun 45 kuvan 1.27 järjestelyyn yhdeksänpulssiselle taajuusmuuttajalle ja sivun 46 kuvan 1.28 järjestelyyn 12-pulssiselle taajuusmuuttajalle. Nämä sivut sisällytetään tätä selitystä varten tähän esitykseen viitteinä.

Kuten kuviossa 2 on esitetty, kun UFC-tekniikkaa sovelletaan vaihtovirtamoottorin nopeudenohjaukseen, johtavuusaikavälin ^ suhteellinen pituus pienenee ja oikosulkuaikavälin t2 suhteellinen pituus kasvaa aikakehyksessä T, joka myös kasvaa, kun UFC-muutta jän lähtötaajuus pienenee lähtötaajuuden ja -jännitteen suhteen ja siten moottorin ilmavälin vuon pitämiseksi likimain vakiona. Kuten edellä on jo selitetty kasvavasta kestoajasta T ja pienenevästä aikavälisuhteesta t^/^ on seurauksena huomattavasti lisääntyvät yliaallot sekä moottorissa että tunnetun UFC-muuttajan syöttövirroissa suhteellisesti pienillä lähtötaajuuk-silla. Toisaalta suhteellisesti korkeilla lähtötaajuuksilla 16 82330 peruslähtöjännite on lähellä maksimiarvoaan. Tällöin aikaväli on tullut pidemmäksi kuin ja tunnetun tekniikan jännitteensäädöllä ei ole enää merkittävää vaikutusta lähtö- ja tulovir-tojen yliaaltoihin.

Sen sijaan ehdotetussa jännitteensäätömenetelmässä, jossa perus- *

aikakehys T on jaettu n osakehykseen, joiden kestoaika on T

* * (joissa kussakin on t^ ja t2 aikavälit, joiden aikana kuorma on joko kytkettynä tulon lähteeseen tai oikosuljettuna), UFC-muuttajan tehokomponenttien kytkentätaajuus kasvaa n kertaiseksi. Käytännön UFC-moottorikäyttöjärjestelmässä lähtötaajuutta voidaan ohjata tyypillisesti nollasta kaksinkertaiseen tulotaajuu-teen ulottuvalla alueella (60 Hz tuloteholähteen tapauksessa alue on 0-120 Hz). Tämä edellyttäisi perusaikakehyksen T muuttamista arvosta T = 1/6 (f^) (nollalähtötaajuus) arvoon T = l/(18fj.).

Toisin sanoen ajan T pituus maksimilähtötaajuudella ^omax=2fj) on kolmannes ajan T pituudesta minimilähtötaajuudella (fomin=°)· Tämä merkitsee sitä, että tehokomponenttien kytkentätaajuus kasvaa kertoimella kolme maksimilähtötaajuudella.

Koska tunnetun tekniikan jännitteensäädöllä on haitallinen vaikutus lähtö- ja tulovirtojen yliaaltoihin ennenkaikkea suhteellisen alhaisilla lähtötaajuuksilla ja UFC-muuttajän tehokomponenttien kytkentätaajuutta ei voida tehdä mielivaltaisen suureksi käytännön syistä (se aiheuttaa esimerkiksi kytkentähäviöitä), on päädytty siihen, että jännitteensäätömenetelmä, jossa osa- •k aikakehysten T lukumäärä muuttuu aikakehyksen T pituuden mukana, antaa parhaan käytännön ratkaisun. Tämän järjestelyn avulla sekä lähtö/tulovirran yliaallot että UFC-muuttajän tehokomponenttien kytkentätaajuus voidaan pitää kohtuullisissa rajoissa koko lähtötaajuusalueella.

Yhteenvetona todetaan, että ehdotetussa UFC-muuttajän lähtö- jännitteen säätömenetelmässä peruskehys T, jonka aikana tulo- jännitteet kytketään peräkkäin lähtöön, jaetaan n (n on yhtä * * suurempi kokonaisluku) osakehykseen, joiden kesto on T (T = nT ).

i7 8 2 330 *

Jokainen osakehys jakautuu edelleen kahteen aikaväliin t, ja * * t2» Aikakehykseen T sisältyvien aikavälien t·^ aikana kuorma on kytkettynä UFC-tehokytkimien välityksellä johonkin tulojännit- * teistä. Aikavälin t2 aikana lähtö on erotettuna syöttölähteestä ja kuorma on oikosuljettu UFC-tehokytkimillä. Peruslähtöjän- 4e ★ nitteen amplitudi on likimain verrannollinen suhteeseen t^/T .

Osa-aikakehysten lukumäärä (jonka määrää kokonaisluku n) muuttuu aikakehyksen T funktiona (n pienenee, kun T pienenee) siten, että * * suhde t^/T , joka määrää peruslähtöjännitteen amplitudin, pysyy samana tietyllä arvolla T arvosta n riippumatta. Myös tällöin * * erisuuruisten osa-aikavälien t^ ja t2 tapauksessa peruslähtöjännitteen amplitudin määrää suhde n * Σ 'W1' k=l

Tarkasteltaessa kuvion 7 käyriä (a) voidaan mainita, että jotta mikä tahansa kuvion 1 johdinpari voitaisiin kytkeä kuormaan, tarvitaan kytkinyksikkö, jossa on ainakin kaksi kaksisuuntaista kytkintä BS. Siten havaitaan, että kyseiset kytkinyksiköt A^B2, B^A2» Α^2, ^1^2' ®1^2 voivat erillisinä toimiessaan aikaansaada kuusi erilaista tulojohtimien ja kuorman piirimuotoa, jotka piirimuodot sisältävät yhden tulojohdinparin ja kuorman toisessa kahdesta mahdollisesta toisiinsa käänteisesti suhtautuvasta kytkentämuodosta. Siten jokainen kytkentäyksikkö muodostaa toimintaan ohjattuna erilaisen piirimuodon mainittujen tulojohtimien ja lähtöpiirin välisistä kuudesta erilaisesta piiri-muodosta jokaisen mainituista piirimuodoista kytkiessä kuorman ja tulojohdinparin toisiinsa. Selitystä varten yksityiset kaksisuuntaiset kytkimet BS oletetaan ideaalisiksi, ts. ne voidaan sulkea ja avata mielivaltaisella hetkellä ja suljetussa tilassa virta voi kulkea vapaasti koko ajan kumpaankin suuntaan.

Oletetaan aluksi, että kuvion 3A ohjauspiiri CT on järjestetty siten, että kytkinyksiköiden Aj^, A1C2, biC2' B1A2' C1A2' C1B2 annetaan johtaa tässä järjestyksessä kiinteän aikajakson T, niin is 82330 että jokainen tulojohtimien jännitteistä kytkeytyy vuorotellen kuorman yli saman aikavälin ajaksi, jolloin sekvenssi toistetaan määrätyllä toistotaajuudella R. Kuten kuviossa 4 on esitetty, tämä syklinen tai toistuva kytkentäkuvio ulottuu aikajakson TP yli, jonka määräävät kuusi peräkkäistä samanlaista aikakehystä T, jotka on merkitty erikseen T^, T2, T^, ja Tg. Jokainen kytkinyksikkö on ohjattuna toimintaan koko aikakehyksen T ajaksi, kuten kuvion 4 kytkentäkäyrä SW osoittaa. Tämä kytkentämuoto aikaansaa lähtöjänniteaallon V , jolla on "haluttu" perusaalto Vp, jonka taajuus f on yhtäsuuri kuin tulovaihtovirran taajuuden fj ja kytkentäkuvion toistotaajuuden fgW erotus. Järjestelmä ja edellä olevan tyyppinen ohjaus, joka kehittää tämän lähtöjän-niteaaltomuodon, soveltuu potentiaalisesti hyvin vaihtovirta-koneen nopeuden ohjaukseen seuraavista syistä: Laaja lähtötaa- juusalue on mahdollinen, syöttötaajuuden molemmilla puolilla olevat taajuudet ovat saavutettavissa, syöttötaajuuden ohitus tapahtuu häiriöittä, alimman harmonisen komponentin taajuus eroaa paljon "perustaajuudesta" ja tasavirta- tai aliharmonisia komponentteja ei esiinny.

Vaikka tämän tyyppisellä ohjauksella on omat etunsa, sen sovellutusalue on huomattavan rajoittunut, koska vaikka taajuudensää-tö on mahdollinen, lähtöjännitteen ohjausta ei voida ciikaansaada muuten kuin ohjaamalla tulojännitettä. Tämän tyyppistä ohjausta ei voida käyttää tehokkaasti vaihtovirtakoneen nopeudensäätöön.

Kunkin kytkinyksikön johtavuuskulma tai kytkentäaika on asianomaisen aikakehyksen T koko pituus (oletettaessa kytkimet ideaalisiksi). Esimerkiksi kuviosta 3 voidaan helposti havaita, että aikakehyksen T^ tapauksessa kytkinyksikkö A^B2 asettaa tulojännitteen A-B kuormaan kehyksen koko kestoajaksi. Seuraavassa kehyksessä (T2) kytkinyksikkö A-^C,, ohjataan toimintaan asettamaan jännitteen A-C kuormaan kehyksen T2 koko kestoajaksi jne.

Kuvion 7 käyriä (b) tarkasteltaessa voidaan havaita, että lähtö-jännitteen keskiarvon suuruutta voidaan ohjata yksinkertaisesti

II

i9 82330 ja tarkasti ohjaamalla johtavuuskulmaa (johtavaksi kytketyn ajan pituutta) asianomaisen aikakehyksen T sisällä ja sen suhteen, esimerkiksi siten kuin kuvion 4 käyrät esittävät. Tässä kuviossa samoin kuin kuviossa 3 on esitetty kuusi ajallisesti tasavälein sijaitsevaa vaihtojännitettä, jotka ovat ominaisia kolmivaiheiselle syöttöteholle, vaihekiertonsa mukaisesti eli järjestyksessä A-B, A-C, B-C, B-A, C-A ja C-B. Jokainen kuvion 5 aikakehyksistä on jaettu osiin t^ ja joiden pituuksia voidaan ohjata kehyksen pituuden suhteen. Kehyksen jakson t^ aikana tähän aikakehykseen liittyvät toimintaan ohjatut kytkinyksiköt kytkevät asianomaisen tulojännitteen kuorman yli. Sen sijaan kehyksen jakson t2 aikana tulojännite kytketään irti ja konvertterin kolmesta "haarasta" yhdessä olevat kaksi kytkin-yksikköä oikosulkevat kuorman muodostaen kiertävän tien induktiivisen kuorman virralle. t^ on siten tulojännitteen syötön johtavuuskulma tai kytkentäaika ja aikaväli t2 on oikosulkuaika-väli. Ohjaamalla jaksojen suhdetta t^:t2 ja samalla pitäen niiden summan vakiona (t^ + t2 yhtä kuin T) lähtöjännitteen-peruäcomponenttia voidaan ohjata mielivaltaisella määrätyllä taajuudella jatkuvasti maksimista nollaan.

Tarkasteltaessa edelleen kuvion 7 käyriä (b) kunkin konvertterin CV^, CV2, CV-j kytkimiä ohjataan tunnetun tekniikan ohjausmuo-dossa kuuden ohjausaaltomuodon DW mukaisesti, jotka on esitetty kuvion 10 alaosassa ja merkitty niiden vasemmanpuoleisissa päissä X^, Y^, Z^, Y2, Z2 ja X2, minkä lisäksi kunkin konvertterin ohjausaaltomuotojen ryhmiä on siirretty 120° seuraavan konvertterin ohjausaaltomuodoista. Esimerkiksi jos nämä ohjausaalto-muodot on valittu mielivaltaisesti konvertterin CV^ kytkimille aaltomuotojen oikeassa päässä osoitetun jakautuman mukaisesti, tällöin konvertterin CV2 ohjausaaltomuodot tulevat olemaan samoja kuin konvertterin CV^ ohjausaaltomuotojoukko paitsi, että niitä on siirretty 120°, ja konvertterin CV3 aaltomuodot tulevat olemaan samoja kuin konvertterin CV2 aaltomuodot paitsi että niitä on siirretty 120°. Yhteinen ohjauspiiri kehittää ohjausaaltomuoto jen ryhmän DW ja jakaa ne kolmen konvertterin CV3, CV2 ja CV3 kesken.

20 82330

Kuvioiden 1, 2 ja 4 pulssien P^, P2 toistotaajuuden kehittää ajoitusaaltomuotogeneraattori, jossa on kello, jonka lähtötaa-juutta voidaan asetella kuvion 1 asetusarvoelimen SP kautta syötetyn vertailujännitteen suuruuden asettelemisen välityksellä. Kaikki kuvion 10 käyrät ovat siten samalla suhteellisella aika-akselilla. Generaattorin lähtö muodostuu jonosta kestoltaan lyhyitä pulsseja P , jotka ovat yhtä kaukana toisistaan ja esiintyvät säännöllisinä aikaväleinä. Pulssit PQ syötetään piiriin, joka aikaansaa kiinteän aikaviiveen D.. Tämän tuloksena saadaan lähtöpulssit P^. Pulssit P^ syötetään toiseen aikaviiveeseen D2, minkä avulla muodostetaan lähtöpulssit P^, jotka ovat pulssien PQ suhteen vielä enemmän viivästyneitä.

Pulssit P^ syötetään säädettävälle viivepiirille, joka muodostaa lähtöpulssit P2, jotka ovat ajan t^ viivästyneitä pulssien P^ suhteen. Tämä aikaviive on esitetty aseteltavasti ajoitettuna pengerfunktiona D^, jonka lähdön takareuna derivoidaan pulssien P2 muodostamiseksi. Ajoitusaaltomuodon aseteltavuus on esitetty symbolisesti kahdella satunnaisella asettelulla, jotka on esitetty katkoviivamuodossa kohdassa D^. Kuvion 10 pulssit I määrää kiikku viivästetyn pulssin P2 vaikutuksesta tai jos viiveen D3 aikaviiveasetus on suurempi kuin pulssien P^ ja palautuspulssien P väli, jälkimmäinen pulssi P . Pulssit P toimivat siten "raja-pulsseina" ja osoittavat jaksojen t-^ rajat. Koska pulssien PQ ja P^ välinen viive on verrattain lyhyt, suurin mahdollinen aika t-^ tulee tällöin lähes yhtäsuureksi kuin aika T. Tässä tilassa UFC-muuttajasta saadaan suurin käytännöllinen lähtöjännite samoin kuin kuvioiden 3 ja 7, käyrät (a), tapauksessa. Pulssit P^ palauttavat pulssin I nollaan (sen arvot ovat I ja I).

Pulsseja P^ käytetään tehonsiirron kytkinyksiköiden (A^, A2,...

Cl, C2) johtavuuden käynnistämiseen. Pulssien P2 taajuus on sama, mutta niitä on siirretty aseteltavasti valitun aikavälin t^ verran. Näitä pulsseja käytetään kytkinyksikön johtavaksi kytketyn ajan päättämiseen. Pulssijono P^ määrää siten lähtötaajuu-den ja pulssijono P2 lähtöjännitteen. Muuttamalla pulssien P2 paikkoja pulssien P^ suhteen voidaan muuttaa johtavuusaikavälien

II

2i 82330 tai kytkentäaikojen ja johtavaksi kytkettyjen aikojen t suhdetta, mikä siten muuttaa lähtöjännitteen keskiarvoa, kuten edellä mainituissa US-patenteissa on selitetty.

Pulssit P2 johdetaan myös viiveen kautta pulssijonon P2 kehittämiseksi. Pulssijonoa P2 viivästetään pulssijonon P2 suhteen lyhyen ajan, joka tarvitaan tehonsiirron kytkinyksiköiden kytkeytymiseen johtamattomiksi. Pulsseja P2 käytetään kytkinyksiköiden johtavuuden käynnistämiseen, kun tarkoituksena on muodostaa "oikosulku"-tie, joka katkaisee energian siirtämisen t kuormaan. Viiveen lähdöstä tuleva pulssijono P^ on hieman edellä pulsseja P-, antaen siten aikaa seuraavien tehonsiirron *· f kytkinyksiköiden käynnistämiselle. Pulsseja P^ käytetään siten edellisen "oikosulkevan" johtavuusaikavälin päättämiseen kuten signaali F esittää.

Aikavälin t^ käynnistämiseen käytetään siten yhtä pulssijonoa, jolla on tasainen pulssitaajuus, ja toista pulssijonoa, jolla on sama tasainen taajuus mutta jolla on sopiva siirtymä ensimmäisen jonon suhteen, käytetään päättämään aikajakson t^ ja käynnistämään aikavälin t2*

Signaali I edustaa johtavuusjaksoa vaihtojännitteen "viipaleen" antamiseksi lähtöön syöttöteholähteestä. Signaalia F käytetään "oikosulkemiseen". "Viipale-" ja "oikosulku-” ohjaussignaalien jakelu ja syöttäminen aikaansaadaan rengaslaskuritoiminnan avulla. Tähän käytetään tavanomaisella tavalla kellopulsseja Pq yhteis-liipaistavaa tyyppiä olevan kiikun liipaisemiseksi, joka muodostaa kaksi suorakulmaista pulssijonoa G ja G. Pulssit G osuvat aina parillisten P^ pulssien kohdalle, kun taas pulssit G osuvat parittomien P^ pulssien kohdalle. Pulssit ja saadaan syöttämällä pulssit G ja P^ ja vastaavasti G ja P^ kahdelle JA-portille. Pulssit ja K2 syötetään kahden kolmiportaisen rengaslaskurin tuloihin. Toisen rengaslaskurin lähdöt ovat IX, 1Y ja 1Z. Toisen rengaslaskurin lähdöt on esitetty viite-merkeillä 2X, 2Y ja 2Z. Tuloksena saadaan vastaavat lähtöaalto-muodot IX', 1Y', 1Z1, 2Z', 2Y' ja 2X'. Nämä ovat perusaaltomuodot, 22 82330 jotka tekevät tehonsiirron kytkinyksiköt johtaviksi "viipale"-aikavälien t^ aikana. Kuten edellä on selitetty, pulssit F määräävät aikavälit t2, joiden aikana "oikosulkevat" kytkinyksiköt johtavat. Nämä pulssit jaetaan kuudeksi erilliseksi pulssijonoksi 81-86 syklisellä tavalla. Aaltomuodot DW edustavat ohjaussignaaleja, jotka on syötetty lähdöistä IX', 1Y', 1Z', 2X', 2Y', 2Z' ja 81-83, sen jälkeen kun ne on yhdistetty yksityisille kaksisuuntaisille staattisille kytkimille jakamisen jälkeen, yhden lähtövaiheen, nimittäin konvertterin CV^ tapauksessa. Ohjaussignaalien ja kytkinyksiköiden välinen yhteenkuuluvuus on seu-raava: X·^ liittyy yksikköön A-^, Y^ liittyy yksikköön B^, Z·^ liittyy yksikköön C-^, Y2 liittyy yksikköön > Z2 liittyy yksikköön C2 ja X2 liittyy yksikköön A2.

Seuraavassa selitetään esillä olevan keksinnön mukaista ohjauksen toteutusta edellä mainittuun US-patenttiin liittyen sovellettuna nopeudeltaan säädettävään vaihtovirtamoottorin käyttöjärjestelmään. Tunnetun tekniikan mukaisen induktiomoottorin UFC-käyttö-järjestelmän, johon verrattuna esillä oleva keksintö muodostaa parannuksen, toiminnan ja ohjauksen selittämiseksi täydellisesti tähän sisällytetään viitteinä edellä mainitut US-pateritit 3 479 447 ja 3 493 838.

Rajoittamaton taajuusmuuttaja, jossa käytetään ehdotettua menetelmää lähtöjännitteen ohjaamiseksi jakamalla kytkimien johtavuus jaksot t^ ja t2 osiin kussakin aikakehyksessä T, kuten kuvion 7 käyrät (c) esittävät, voidaan toteuttaa käyttämällä tähän viitteinä sisällytettyjen US-patenttien kuvioissa 7, 15 ja 17 esitettyjen tunnettujen UFC-laitteiden kolmivaiheisia siltatyyp-pisiä konverttereita, kaksisuuntaisia staattisia kytkimiä ja eristettyjä jakelupiirejä. Ehdotetun UFC-laitteen ohjauspiirien ja tunnetun UFC-laitteen toiminnan perusvaatimukset ovat samanlaisia lähtötaajuuden ohjauksen osalta, jonka määrää ulkoinen vertailujännite, lähtötaajuuden funktiona suoritettavan lähtöjännitteen ohjauksen osalta (vaihtovirtamoottorikäyttö-sovellutuksen edellytys), kunkin perusaikakehyksen T kokonais-johtavuusjakson t^ ohjauksen osalta lähtöjänniteaaltomuotojen

II

23 82330 peruskomponentin vaaditun amplitudin kehittämiseksi ja tässä kuviossa 4 määrättyjen toistuvien UFC-kytkentäkuvioiden kehittämisen osalta. Ehdotetun UFC-laitteen vaatimana lisäohjaustoimin- tana on aikaansaada ti ja t0 johtavuusjaksojen jakaminen n kappa-* * ^ leeseen t^ ja t£ osajaksoja kussakin aikakehyksessä T. Kokonaisluku n vaihtelee lähtötaajuuden f mukana, kuten edellä on todettu.

Ehdotetun lähtöjännitteen ohjausmenetelmän vaatimat kytkentä-aaltomuodot on esitetty kuviossa 11 arvolle n = 2, ts. johtavuus-jaksojen t^ ja t2 ollessa jaettu kahteen yhtäsuureen jaksoon tll' fc12 t21' *"22' Nämä aaltomuodot ovat kuviossa 10 viite-merkillä DW merkityistä aaltomuodoista muunnettuja ja ne on merkitty Zl, Yl, Xl, X2, Y2, Z2. Kuten kuvion 7 käyrät (c) osoittavat, arvolla n = 4 aikaväli t, = (T-t~) on siten jaettu neljällä x ^ * * ja aikakehys T on myös jaettu neljällä, T = 1/4 T, t^ = 1/4 t^.

Kuviossa 7 t^:n jakamisella saadut neljä jako-osaa on jaettu tasaisesti aikakehyksen T sisälle. Tämän seurauksena myös komplementaarinen aikaväli t9, jota käytetään oikosulkutien kehittä- ^ it it ie miseen, on myös ositettu nt^ = t·^, nt2 = tj, nT = T.

Kuvio 8 esittää käyrinä jakoa peräkkäin arvoilla n = 2, n = 3 ja n - 4. Siinä käyrät (a) esittävät kuinka alkuperäinen jänni-teviipale (n = 1) on jaettu kahteen, kolmeen ja neljään osa-viipaleeseen, jotka on jaettu tasaisesti aikakehykselle T. Käyrät (b) esittävät asianomaisten kytkinparien A^B2, aiC2' biC2 jne. johtavuusjaksoja lähtövaiheen kytkentäkuviossa ja käyrät (c) esittävät "oikosulkujaksoja", jotka saadaan vuorotellen peräkkäisillä kytkinpareilla A1A2, C^C2, B1B2 3ne* Kun n = 2 kunkin kytkinparin kytkentäkuvio suoritetaan kahdesti kahta peräkkäistä "viipale-" ja "oikosulku-" aikaväliä varten. Arvolla n = 3 kuvio suoritetaan kolme kertaa kullakin "viipale-" kytkinparilla ennen siirtymistä seuraavaan "oikosulkupariin" kytkentäkuviossa. Arvolla n = 4 yhtä paria käyristä (b) ja yhtä paria käyristä (c) toistetaan vuorotellen neljä kertaa. Käyrät (d) osoittavat vaikutuksen virran i yliaaltoihin lähtövaiheessa.

o J

Havaitaan, että "viipaleiden” jakamisen tuloksena yliaaltojen taajuus kasvaa samalla kun niiden suuruus pienenee huomattavasti.

24 82330

Kuviossa 9 käyrät (a) ovat vaihelähtövirtoja iQ^, io2, i03 tapauksessa, jossa fQ = l/3fj (fQ peruslähtötaajuus, fj. perus-tulotaajuus). (b), (c), (d) ovat käyriä, jotka esittävät kolmen konvertterin CV^, CV2 ja CV^ johtavuusjaksoja tunnetulla ohjaus-muodolla (n = 1) ja keksinnön mukaan, kun n = 4. Kytkentäkuvio ensimmäiselle vaiheelle (CV-^) on B1A2, C^A2, C]_B2' A1B2 Yhdessä vuorottelevien "oikosulkujaksojen" kanssa, jotka parien A^A2, ja B^B2 johtaminen aikaansaavat. Vastaavasti toiselle vaiheelle (CV2) kytkentäkuvio tunnetussa muodossa on A-^C2, ΒΛ, BlA2, CiA2 samalla kun C1C2, Β·^Β2 ja A1A2 ovat välillä "oikosulkevat" parit. Kolmas vaihe (CV^) on kaavion C.^B2, A^B2, A1C2 ^a B1C2 mukainen 3a parit B^B2, A^A2 ja määräävät peräkkäin "oikosulkutiet". Käyrät (e) esittävät tulovirtaa, joka aiheutuu energian ottamisesta syöttöteholähteestä kutakin "viipaletta" muodostettaessa. Energia on keskittynyt viipaleen aikaan ja se on suurin, kun jännite on suurin. Keksinnön mukaan arvolla n = 4 "oikosulkujakso" on jaettu 1/4-osiin ja levitetty tasaisesti aikakehykselle T. Siten konvertterille ; CV^ kuvion alun johtavuusosat B^A2 ja A^A2 toistetaan neljä ker- ·' taa mutta ajaltaan neljänneksen kestävinä. Tästä on seurauksena käyrien (e) vasemman puolen kunkin virtaviipaleen i^ jakautuminen neljäksi osaviipaleeksi, jotka levittäytyvät tyhjien tilojen yli, kuten käyrien (e) oikealla puolella on esitetty. Tämä parantaa oleellisesti tulovirran harmonisten laatua.

Kuten kuviossa 11 on esitetty, vaiheen 1 ja konvertterin CV^ tapauksessa aikakehyksen T^ ensimmäisen puolikkaan aikana ohjaussignaali X^ aikaansaa johtavuusjakson t·^ kytkinyksikölle A2 ja samanaikaisesti ohjaussignaali Y2 aikaansaa johtavuusjakson t^ . . kytkinyksikölle B2· Tämän jälkeen kytkinyksikön A^ ohjaussignaali Χχ ja kytkinyksikön A^ ohjaussignaali X2 aikaansaavat oikosulku-jakson t2Y· Sama ohjausmuoto toistetaan toisen kerran aikakehyksen T^ toisen puolikkaan aikana jaksoja t^2 3a ^22 varten· 25 82330 Tämän jälkeen seuraa saman vaiheen 1 (CV^) toinen aikakehys T2, jossa on kaksi samanlaista peräkkäistä kytkentäkuviota, ohjaussignaali kytkinyksikölle A2, Z2 yksikölle C2 "viipalointia" varten aikana t^ ja Z^ yksikölle C·^ ja Z2 yksikölle C2 "oikosulkua" varten aikana t^. Nämä toistetaan aikoina t^2 ja t22· Tämän jälkeen seuraa aikakehys T^ ja edelleen konvertterin CV·^ kuuden staattisen kytkimen A^, A2, B^, B2, C·^, C2 aikakehykset T^-Tg. Vastaavat ohjaussignaalien yhdistelmät, jotka vaikuttavat konverttereihin CV2 ja CV^ vaihesiirrettyinä 120° konverttereista toiseen, muodostavat kolme vaihetta 01# 02, 0^. Ohjaussignaalien X1~Z2 ja kyseisten kytkinyksiköiden välinen taulukko on seuraava:

Taulukko IV

Valhe X1 Y1 Z1 Y2 Z 2 X2_ 01 ζχ Bl cx b2 c2 a2 02 C1 ^ Βχ A2 B2 C2 03 B! C1 Αχ C2 A2 E,

Signaalit X^, Y^, Z^, Y2, Z2, X2 voidaan kehittää tähän viitteinä sisällytettyjen US-patenttien 3 493 838 ja 3 470 447 ajatusten mukaisesti, jolloin signaaleja X^-Z2 muunnetaan kehittämään toiston (n kertaa) ja vuorottelevien "viipale-" ja "oikosulku-" jaksojen jonon elementaariset aikavälit, jotka ovat murto-osia tunnetun tekniikan mukaisista aikaväleistä. Keksinnön parhaana pidetty suoritusmuoto on kuitenkin kuviossa 12 lohkokaaviona esitetyn digitaalisen kaavion mukainen.

Seuraavassa osoitetaan, että ehdotetussa UFC-ohjauksessa osiin- jaon aste n, ts. kunkin aikakehyksen T sisältämien osa-aikakehys-* ten T lukumäärä voidaan helposti asettaa kunkin lähtötaajuuden arvon mukaisesti. Suurentamalla arvoa n lähtötaajuuden f pienentyessä (ts. aikakehyksen T suurentuessa) moottorin virran sekä syöttölähteen virran yliaallot voidaan pitää suhteellisen pieninä koko lähtötaajuusalueella. Digitaalinen ratkaisu helpottaa lisäksi lähdön epälineaarisen jännite-taajuusohjausfunktion toteutta- 26 82330 mistä, jota tarvitaan käytännön vaihtovirtamoottorikäytössä.

Kuvio 13 esittää esimerkkiä tällaisesta lähdön jännite-taajuusriippuvuudesta vaihtovirtamoottorille. Kuten kuviossa 4 on esitetty kytkentäkuvio muodostaa lähtöjänniteaallon V , jolla on "haluttu" perusaalto Vp, jolla on taajuus f (vaihto-virtasyöttöteholähteen tulotaajuuden fj. ja kytkentäkuvion toisto-taajuuden välinen erotus). Kuvion 13 ominaiskäyrä (c) esittää moottorin jännitettä (Vp) taajuuden (fQ) funktiona yksikön suuruiselle moottorin nimellisarvolle (PU). Käyrä on lineaarinen suurimman osan ajasta paitsi erittäin alhaisilla taajuuksilla. Tällä alueella RP moottorin jännitettä nostetaan epälineaarisesti staattorikäämin resistanssin jännitehäviön kompensoimiseksi V/Hz-suhteen pitämiseksi vakiona ja siten moottorin ilmavälin vuon säilyttämiseksi vakiona.

Digitaalisella ratkaisulla on lisäetuna, että se mahdollistaa lähtöjännitteen Vp peruskomponentin suuruuden ja aktiivisen johta-vuusjakson t^ välisen riippuvuuden linearisoinnin lisäämättä lainkaan piirin monimutkaisuutta. Seuraava matemaattinen yhtälö esittää aikavälin t·^ ja jännitteen Vp amplitudin välisen kosini-riippuvuuden. _

6V f TMT-tjA

Vp = cos U + -irH COS

missä VL on johtimien välinen syöttövaihtojännite ja t on aika.

Tämä lauseke linearisoidaan asettamalla t^ riippumaan aikakehyksestä T siten, että jännitteen V„ amplitudi muuttuu lineaarisesti Γ lähtötaajuuden f mukana. On kuitenkin selvää, että muita riippuvuuksia kuin lineaarinen voidaan valita, milloin se on sopivaa.

Vaihtovirtamoottorikäyttöä varten tarkoitetun kuviossa 12 esitetyn UFC-ohjauspiirin ehdotetun toteutuksen mukaan ohjauksessa käytetään kahta peruspiiritekniikkaa, jotka mahdollistavat kaupallisesti saatavilla olevien keski- ja suurtiheysintegroitujen piirielementtien käyttämisen komponenttien lukumäärän pienentä- 27 82330 miseksi ja luotettavuuden parantamiseksi. Kaikki muuttujien väliset toiminnalliset riippuvuudet on määrätty "hakutaulukoilia" , jotka on tallennettu taulukoihin TB^, TB2 ja TB^. Kaikki ajoitetut tapahtumat johdetaan kideoskillaattorin 110 perusaika-jaksosta laskureilla CNT^, joka liittyy taulukkoon TB^, CNT2, joka liittyy taulukkoon TB2, ja CNT^, joka liittyy taulukkoon TB .

3 Lähtöjännite määrätään digitaalisesti jänniteviipaleiden t^/n avulla lähtötaajuuden f funktiona. Sen digitaaliset arvot ovat listattuina taulukossa (TB^). Taulukko TB^ sisältää siten digitaalisia tietoja, jotka edustavat riippumattomien (tulo-) muuttujien ja riippuvien (lähtö-) muuttujien järjestettyjä pareja. Näille tiedoille annetaan tietyssä vaihtovirtamootto-rikäyttösovellutuksessa tarvittava resoluutio. Tällainen "hakutaulukko" toteutetaan elektronisen muistipiirin avulla, joka sisältää muistikennomatriisin, jossa on M riviä ja N saraketta. Jokainen tällainen kenno sisältää kaksitilaisen (binäärisen) informaatiobitin. Kennot on organisoitu M ryhmäksi, joissa jokaisessa on N kennoa. Jokainen ryhmä edustaa N kennon muistipaikkaa. Se sisältää N-bitin binäärinumeron. Riippumattoman muuttujan arvoja on asetettu vastaamaan tällaiset erilliset muistipaikat, joihin on tallennettu vastaavat riippuvan muuttujan arvot. Syöttämällä riippumattoman muuttujan binäärikoodatut arvot osoitteina muistipiireille voidaan valita vuorostaan ne tietyt muistipaikat, joihin vastaavat riippuvan muuttujan arvot on tallennettu. Viimeksi mainitut saadaan muistin lähtödatapor-teista. Selitetty menettely muodostaa "taulukkohaun" esim. linjoilla 105 taulukosta TB^ laskurille CNT^, linjoilla 106 taulukosta TB2 laskurille CNT2 ja linjoilla 107 taulukosta TB^ laskurille CNT^. Käytetyt elektroniset muistit ovat integroituja ohjelmoitavia lukumuistipiirejä (PROM), jotka säilyttävät tallennetut muuttujien arvot pysyvästi.

UFC-tyyppisen nopeudeltaan säädettävän vaihtovirtamoottorikäytön ohjauksen tapauksessa lähtötaajuus f (riippumaton tulomuuttuja) määrätään ulkoisesti vertailujännitetasolla (SP kuviossa 1), 28 82330 jonka suuruus on verrannollinen haluttuun taajuuteen. Tällainen jatkuvasti muuttuva analoginen vertailujännite SP, joka saadaan pisteestä 100, muutetaan binäärikoodatuksi digitaaliseksi dataksi analogia-digitaali- (A/D) muuntimella 101. A/D-muunnin voi kehittää johtimilla 102 taulukkoon 1 (TB^) lähtö-koodit, joissa on vähintään 11 binäärinumeroa. Tämä antaa vaaditun resoluution, esim. 0-120 Hz suuruisella lähtötaajuusalueel-la resoluution 0,06 Hz. Tämän suuren resoluution merkitys on siinä, että moottorin vääntömomentin äkillinen muutos staattori-taajuuden askelmuutoksen seurauksena jää alle kymmenen prosentin nimellisvääntömomentista jopa moottorille, joka kehittää ni-mellisvääntömomentin erittäin pienellä yhden prosentin (0,6 Hz) jättämätaajuudella nimellistaajuudesta (60 Hz). A/D-muuntimen 101 on suoritettava lähtötaajuuden vertailujännitteen SP jokaisen näytteen muuntaminen digitaaliseksi datasanaksi lyhimmän perusaikakehyksen T sisällä. Tämä vaatimus määrää nopeuden, jolla järjestelmä voi päivittää lähtötaajuuden. Aikakehys T liittyy lähtötaajuuteen seuraavan yhtälön mukaisesti T = -^γψ—^ , mikä tapauksessa f = 60 on T = _1_ 360 + 6f o kolmivaiheisen siltatyyppisen UFC-muuttajan tapauksessa. Maksimi lähtötaajuudella f = 120 Hz arvolla fT = 60 Hz, T = 0,9259 ms.

O 1 .λ 11-bittinen A/D-muunnin, joka toimii peräkkäisten approksimoin tien muunnosperiaatteella toteuttaa nämä resoluution ja muunnos-nopeuden vaatimukset.

Taulukkoon TB^ johtavan linjan 102 digitaalista lähtötaajuusda-taa käytetään myös linjojen 103 ja 104 kautta määrittelemään kahdessa muussa hakutaulukossa TB2, TB^ ohjauksen kytkimien ohjaussignaalien x , χ2, , Y2, Z^, Z2 kehittämiseen tarvitsemat suu reet. Taulukko TB^ antaa osiin jaettujen aktiivisten johtavuus-jaksojen arvot, t^/n, taulukko TB2 antaa osiin jaetun perusaikakehyksen T/n ja taulukko TB3 antaa osiin jakamisen asteen n.

29 8 2 3 3 0

Muistien Koot (MxN) taulukkoja TB^ TB2, TB^ varten määräytyvät sekä tulon f että tallennettujen muuttujien vaaditusta resoluutiosta. Johtimien 102, 103 ja 104 tulomuuttuja f on 11-bittinen suure, joka muodostaa 11 bitin binäärisen osoitteen kullekin muistille, ts. taajuudella f on 2^ = 2048 erilaista arvoa, jotka edellyttävät M = 2048 (2k) muistipaikkaa kullekin taulukolle kunkin lähtömuuttujan vastaavien M binääriarvojen tallentamiseksi. Kunkin paikan muistikennojen lukumäärän N määrää vaadittu lähtömuuttujan resoluutio. Taulukon TB2 sisältämä muuttuja T/n on UFC-muuttajän lähtötaajuuden määräävä aikajakso.

Tarkasteltaessa kuviota 14 ja kun oletetaan, että konvertterien CV^, CV2, CV2 vaihtovirtateholähteen taajuus fj = 60 Hz, aikakehyksen pituus T arvolla n = 1 saadaan lausekkeesta T = 1/360 + 6fQ. Jos moottorin toiminta-alue on 0-120 Hz, aikakehyksen T arvo, kun f = 0, on T = 1/360 = 2,777 ms, mikä on käyrän (c) ordinaatta I. Arvolla f = 120 Hz T = 1/360 + 720 = 0,9259 ms, mikä on käyrän (c) ordinaatta J toiminta-alueen vastakkaisessa päässä. Käyrä (c) esittää arvon T taajuuden f funktiona. Esillä olevan keksinnön mukaan, kun moottorin nopeus on laskenut 60 Hz ; kohdalle, n muutetaan arvoon n = 2. Piste A käyrällä (c) kohdas sa 60 Hz vastaa arvoa T = 1/360 + 360 = 1,388 ms. Kun n muuttuu arvoon n = 2, T muuttuu arvoon T/2, joten toimintapiste siirtyy pisteestä A pisteeseen A', jolla Viimeksimainitulla on puolet A:n ordinaatan suuruudesta. Kun f laskee arvosta 60 Hz arvoon 40 o

Hz, ominaiskäyrä kulkee pisteestä A' pisteeseen B kaikkien toimintapisteiden sijaitessa kohdassa T/2 käyrään (c) nähden. Pisteessä B n muuttuu jälleen arvosta 2 arvoon 3 ja T/2 muuttuu arvoksi T/3. Arvolla n = 3 seurataan käyrää B'C kaikkien toimintapisteiden ollessa kohdassa T/3 käyrään (c) verrattuna, f muuttuu arvosta 40 Hz-20Hz. Pisteen B' ordinaatta on 1/3 ominaiskäyrän (c) pisteen b ordinaatasta. Jälleen nopeuden edelleen pienetessä ja ohittaessa 20 Hz pisteen n muuttuu arvoon n = 4 ja T/3 muuttuu arvoksi T/4. Uusi ominaiskäyrä on C'D, missä pisteellä C on ordinaatta, joka on 1/4 käyrän (c) ordinaatasta T arvolla f = 20 ja kaikki muut toimintapisteet seuraavat kohdassa T/4 3o 82330 käyrästä (c). Taulukko TB2 sisältää kaikki arvot pisteestä J pisteeseen A, pisteestä A' pisteeseen B, pisteestä B' pisteeseen C, pisteestä C pisteeseen D kuten edellä on selitetty resoluutiolla 120/2048 = 0,06 Hz digitaalisesta datasta toiseen. Todellisuudessa on huomattava, että alueet 40-60, 20-40 ja 0-20 arvoille n = 2, 3, 4 ovat vain havainnollistavia. Luvun n ei tarvitse saada kaikkia näitä arvoja tai pelkästään näitä arvoja. Lisäksi kokonaisluku n voi muuttua siten kuin halutaan tai siten kuin taajuusalueella on käytännöllistä. Taajuusportaan Af = 0,06 Hz resoluutiota varten perusaikakehyksen T = l/6fj. = 1/360 resoluution on oltava 2,8 yus erittäin pienillä taajuuksilla.

(ΔΤ = -6T^ AfQ, AT = “47''"0 ^ Af arvolla f = 0) . Koska nolla-taajuuksien lähellä perusaikakehyksen jako-osien lukumäärä n = 4, suureen T/n resoluution on oltava AT/n <0,1 ^us. Edellä mainittu resoluutiovaatimus voidaan tyydyttää valitsemalla kellotaajuus 2 MHz (jonka jakso τ = 0,5 yus). Tämä aikaansaadaan 4 MHz kide-oskillaattorilla 110, joka ohjaa ajoituspiiriä 112, joka antaa linjalle 113a 2 MHz kellosignaalin. Maksimitaajuudella f = 120 Hz saavutetaan taajuusresoluutio Af <0,1 MHz arvolla n = 1 5 o - (Af = -1,944*10 AT arvolla fQ = 120 Hz) käyttämällä 2 MHz kellotaajuutta. Osa-aikakehyksen T/n arvot taulukosta TB2 ovat välillä T/n = 0,6944 ms (arvolla f = 0 Hz ja n == 4) ja T/n = 0,9259 ms (arvolla f = 120 Hz ja n = 1) eli välillä 6?4/4 ,x 10— = 1389 ja 92hl x - 1,Q— = 1852 0,5 x 10 b 0, 5 x lo“b aikayksikköä (yksi aikayksikkö on τ =0,5 ^us kellotaajuudella 2 MHz). Osa-aikakehysten T/n arvoalue lausuttuna kidekellon 110 aikayksiköissä tallennetaan taulukkoon 2 binäärimuodossa. Taulukko 2 (TB2) on muisti, jossa on N = 11 bitin levyisiä muistipaikkoja (211 = 2048 > 1852).

Samanlaista tarkastelua voidaan käyttää taulukon 1 vaatiman muistin kokoon, johon on tallennettu osiin jaetun aktiivisen aikajakson t^/n binäärikoodatut arvot.

Il 3i 82330

Kuvio 15 esittää käyrää (C), joka edustaa aktiivista jaksoa t^, esim. ohjausta ilmavälin vakiovuon kompensoimiseksi kuvion 13 mukaisesti. Käyrä (C) on johdettu kuvion 14 käyrästä korjaamalla kertoimella fQ/120, niin että kullakin hetkellä lähtö-jännite Vp on yhtä suuri kuin maksimijännite Vmax x fo/120.

Siten taajuudella 60 Hz käyrän (C) toimintapiste K on puolet käyrän (c) arvon k suuruudesta. Vastaavasti arvolla 40 Hz = 1/3 arvosta 120 Hz toimintapiste L on 1/3 käyrän (c) pisteen 1 ordinaatästä. Arvolla 20 Hz = 1/6 arvosta 120 Hz käyrän (C') ordinaatta M on 1/6 käyrän (c) ordinaatasta m. Taajuudesta p, tyypillisesti 15 Hz, alkaen kuviossa 13 esitetyn epälineaarisen kompensoinnin vaikutuksesta käyrän (C *) toimintapiste P seuraa nousevaa käyrää sen sijaan, että se laskisi nollaan. Esillä olevan keksinnön mukainen t^/n-käyrä johdetaan käyrästä (C) käyttämällä osiin jakoa tekijällä 1/n taajuuksilla 60 (missä n siirtyy arvoon n = 2), 40 (missä n siirtyy arvoon n = 3) ja 20 (missä n siirtyy arvoon n = 4). Siten K' on puolet ordinaatasta K, kun taas L' on 1/3 ordinaatasta L ja M' on 1/4 ordinaatasta M. Hakutaulukko, joka edustaa t^/n-käyrän (JK, K'L, L'M, M'N) diskreettejä digitaalisia arvoja on tallennettu taulukkoon TB^. Todellisuudessa kuviossa 15 samoin kuin kuviossa 14 arvot 60 Hz, 40 Hz, 20 Hz ja 120 Hz ovat vain havainnollistamista varten. Edut keksinnön käyttämisestä esim. siten, että nopeus-alueella määritellään vyöhykkeitä, joissa n = 2, 3 tai 4, voidaan saada halutuilla arvon n alueilla ja niin monella tällaisella alueella kuin halutaan tai on käytännöllistä.

Suureen t^/n maksimiarvot lähestyvät arvoja T/n maksimilähtö-taajuudella (f = 120 Hz, n = 1), kun halutaan suurin UFC-muutta-jasta saatavissa oleva lähtöjännite. Muistin koko suureen t^/n arvojen tallentamiseksi lähtötaajuuden f funktiona on jälleen M = 2K, N = 11. On myös ilmeistä, että lähtöjännitteen huonoin resoluutio on 1/2389 (AVp < 0,07 %) 0 Hz lähellä olevilla lähtö-taajuuksilla käytettäessä 11 bitin binääristä tallennusta.

32 82330

Ehdotetun moottorikäytön perusaikakehysten jakoasteen n numeroarvo määrää sen kuinka monta kertaa osa-aikakehys toistetaan täydellisen perusaikakehyksen T muodostamiseksi valmiiksi.

Arvoilla n = 1, 2, 3, 4 arvot (n-1) = O, 1, 2, 3 tallennetaan taulukkoon 3 (TB^). Taulukon 3 tarvitsema muistin koko on M = 2k (2048 muistipaikkaa, jotka on varattu 11-bitin lähtötaajuus-alueelle) ja N = 2 neliarvoisen (n-1) tekijän tallentamisen mahdollistamiseksi.

Kolmea suuretta t-^/n, T/n ja (n-1), jotka saadaan tulosuureen f osoittamista taulukoiden muistipaikoista, käytetään kolmen binäärisen alaspäin laskevan laskurin CNTl, CNT2 ja CNT3 "esiasetusarvoina". Esiasetus tapahtuu linjan 105 kautta laskurille CNT^ taulukosta TB^, linjan 106 kautta laskurille CNT2 taulukosta TB2 ja linjan 107 kautta laskurille CNT^ taulukosta TB^· Tähän tiettyyn binääriarvoon, esim. B, esiasetetut laskurit tarvitsevat B kappaletta kellojaksoja saavuttaakseen nollatun tilan, esim. tilan, jossa laskuri sisältää binäärisen nolla-arvon kaikissa asteissa. Alaslaskuajät kestävät siten Β·τ sekuntia, minkä päättyessä laskurin MIN- (minimilaskenta-arvo-) signaali asettuu tosi-tilaan (ylemmälle loogiselle tasolle). Ensimmäinen laskuri CNTRl, johon on esiasetettu t^/n, ajoittaa aktiiviset johtavuusosajaksot. Toinen laskuri CNTR2, johon on esiasetettu T/n, ajoittaa osa-aikakehykset. Kolmas laskuri CNT3, johon on esiasetettu (n-1), laskee peräkkäisten osa-aikakehysten T/n lukumäärän, joka tarvitaan kullakin perusaikakehyksellä T kovertterin kehittämällä lähtötaajuudella f (F = 1/6 T - f^).

Edellä olevasta kolmen laskurin toimintamuodon selityksestä havaitaan, että kolmen laskurin ajanhetken nolla esiasetetusta tilasta alkaen laskurien tilan ilmaisevat signaalit MINI, MIN2 ja MIN3, joita edustaa loogisesti ON/EI-laite 117 signaalille MINI (johdin 108), ON/EI-laite 118 signaalille MIN2 (johdin 109) tai ON/EI-laite 119 signaalille MIN3 (johdin 116), ovat tavallisesti epätosia (alemmalla loogisella tasolla). Siten johtimen 108 MINI voi olla tosi ajanhetkellä nolla vain nollalähtöjänni-: tettä haluttaessa ja aktiivisen aikajakson t^/n ollessa vastaavasti li 33 82 330 nolla. Linjan 109 MIN3 on tosi korkeilla lähtötaajuuksilla, kun (n-1) = 0. Alaslaskentavaiheen aikana signaalit MIN pysyvät alemmalla tasolla. Kun laskuri saavuttaa nollatun tilan, tämän laskurin signaalin MIN-taso siirtyy ylemmälle tasolle osoittaen tämän laskurin kehittämän aikajakson päättymisen. Signaali MINI on siten alemmalla loogisella tasolla (nolla) aktiivisten johtavuus jaksojen t^/n aikana ja ylemmällä loogisella tasolla (ykkönen) oikosulkujaksojen t2/n aikana. Signaali MIN2 siirtyy ylemmälle tasolle (on ykkönen) kunkin T/n osa-aikakehyksen päättyessä. Signaali MIN3 siirtyy ylemmälle tasolle kaikkien n osa-aikakehyksien päättyessä, kun tullaan perus-aikakehyksen loppuun. Kolmea laskuria CNTl, CNT2, CNT3 ohjaa linjan 114 signaali LOAD ja ajoitus- ja ohjauslogiikan 112 kehittämä linjan 113 pulssi CLK. Laskurien signaalien MINI, MIN2, MIN3 ajoitukset on esitetty kuviossa 16 kello- ja latauspulssien suhteen.

Kuten edellä on selitetty, ehdotettu UFC-toimintatapa edellyttää, että kunkin vaiheen staattiset tehokytkimet A^, Ä2* B^, 1^, C^, C2 toimivat määrätyssä kuviosekvenssissä, joka toistuu joka kuudennen perusaikakehyksen T jälkeen (ks. taulukko IV). Sekä syöttö-tehon kuormaan kytkevien johtavien (aktiivisten jaksojen) kytkin-parien (A^, B2) että kuorman oikosulkevien (passiivisten jaksojen) kytkinparien (A^, A2# C^, C2»···) yhdistelmä pysyy samana tietyn perusaikakehyksen T aikana. Se vaihtelee kuitenkin kehyksestä toiseen kuuden perusaikakehyksen (T^-Tg) kuluessa. Kussakin perusaikakehyksessä aktiivisen osajakson aikana johtavat kytkimet 3a passiivisen osajakson aikana johtavat kytki met (Aj^)... valitaan vuorottelevasti. Jokaiseen siirtymäkoh-taan aktiivisesta osajaksosta passiiviseen osajaksoon sijoite-: taan ei-johtava aikajakso kyseessä olevien staattisten tehokyt- kinten nollasta poikkeavien kytkentäaikojen huomioonottamiseksi. Tämän ei-johtavan aikajakson muodostaa kytkin INH, joka ohjaa laskuria CNT5.

34 8 2 3 3 0

Kytkentäsekvenssien selityksestä seuraa, että aktiiviset/passii-viset jaksot ja perusaikakehysten järjestysnumero määräävät kytkinten aktivointikuvion kullakin hetkellä. Kytkentäkuvion gene-rointilogiikka 150 on toteutettu käyttämällä edellä olevien parametrien yhteenkuuluvia loogisia arvoja tulodatasanoina ja vastaavia kuuden kytkimen aktivointitiloja (kolmivaiheisen symmetrisen ryhmän 18 kytkimen joukossa kolmella on identtiset akti-vointitilat konvertterissa) lähtödatasanoina ja käyttämällä vielä erästä hakutaulukkoa, joka vastaa edellä mainittua taulukkoa 4.

Käyttämällä binäärilaskuria CNTR4, jota kello-ohjataan jokaisen perusaikakehyksen T lopussa, kehitetään logiikkasignaalien SQ1, SQ2, SQ3 binäärikoodimuotoinen kolmibittinen kombinaatio, joka ilmaisee kehitettävien kuuden perusaikakehyksen järjestysnumeron. Näihin kolmeen logiikkasignaaliin liitetään laskurilta CNTl tulevan linjan 138 signaali SQO, joka edustaa aktiivisia (ylemmällä logiikkatasolla) ja passiivisia (alemmalla logiikkatasolla) aikajaksoja. Nämä neljä johtimien 138, 155, 156, 157 signaalia muodostavat nelibittisen osoitekoodin taulukon 4 muistille. Piirin 4 150 kytkentäsekvenssimuistin koko on M = 16 (2 =16) x N = 6 (6 bittiä tarvitaan kuvion 11 mukaisen UFC-muuttajän 18 kytkimen kuuden eri aktivointitilan määrittelemiseen). Ajoitustilojen SQq, SQ^, SC^, SQ^ osoittaman muistin 150 kuuden bitin levyisenä lähtödatana on johtimien 172-176 kytkinten aktivointisignaalit Xr X2/ Y2' zi' Z2‘ Nämä signaalit (loogiset tasot) tallen netaan aluksi lähtösalpapiiriin 159. Lähtöön siirrettyinä ne syötetään erotusjakeluvahvistimille lähtöavainnettujen ohjaimien kautta yleisesti tunnetulla tavalla. Avainnettujen ohjaimien tehtävänä on estää johtavaksi kytkettävien staattisten kytkinten aktivoituminen ennen kuin avattavien kytkinten virrat lakkaavat kulkemasta. Linja 168 antaa signaalin SW0FF, joka on alemmalla tasolla sen ajan (tyypillisesti 5 ^us), kun laskuri CNT5 laskee estokytkimen INH esiasetetusta arvosta. Binäärinen INH *"/- koodauksen logiikka on valittu kaksisuuntaisina tehokytkiminä käytettyjen staattisten kytkinkomponenttien (sammutettavien eli GTO-tyristorien) kytkentäaikatoleransseihin sopivaksi.

Il

Claims (4)

35 8 2 3 3 0

1. Staattinen sähköinen taajuusmuuttajalaite, joka käsittää useita vaiheeseen kuuluvia staattisia muuttajia, jotka kukin on kytketty monivaiheisen vaihtovirtalähteen (VA/ VB, VC), jonka taajuus on fin, ja monivaiheisen, f0-taajuista vaihtovirtaenergiaa syöttävän vaihtovirtalähdön yhden vaiheen väliin, ja jokaista muuttajaa varten on useita ohjattavia kaksisuuntaisia kytkinyksiköitä (CVi, CV2, CV3), jotka ovat ohjattavissa johtaviksi peräkkäisin aikajaksoin (T1“T6' Tp; T) aikaväleillä (Tp), joilla on ohjattava tois-totaajuus fsw (®1/Tp) joka määrää lähtötaajuuden fQ, jolloin jokaisella lähtövaiheen kytkinyksiköllä on ohjattava johta-vuusaikaväli (t) kussakin aikakehyksessä (T) energian johtamiseksi vaihtovirtalähteestä siihen kuuluvan muuttajan kautta peräkkäisten jännitesegmenttien (VQ) aikana ja tämän jännitesegmentin aikana saadun energian syöttämiseksi mainitussa järjestyksessä vaihtovirtalähtöön monivaiheisen vaih-tovirtatehonsyöttölähdön muodostamiseksi yhdessä näihin kytkinyksiköihin liittyvien samanlaisten kaksisuuntaisten kytkinyksiköiden joukkojen kanssa, ja jolloin lähdön vaihtovirran taajuus on vaihtovirtateholähteen taajuuden fjN ja mainitun toistotaajuuden fsw erotuksen funktio, tunnettu siitä, että siinä on välineet, jotka on tahdistettu toisto-taajuuteen fsw ja aikakehyksiin ja jotka on järjestetty ohjattavan johtavuusaikakehyksen (T) aikana määräämään n:n elementaarisen johtavuusaikavälin (ti*) peräkkäisyyden mainittua energiansyöttöä varten, jotka aikavälit on jaettu koko aikakehykselle (T) ja esiintyvät taajuudella joka on n x toistotaajuus näissä aikakehyksissä, jolloin elementaaristen johtavuusaikavälien (t*) summa jokaisessa aikakehyksessä (T) on sama kuin mainittu ohjattava johtavuusaikaväli (t) ja n:n suhde lähtötaajuuteen fQ on kokonaisluku, sekä välineet kytkinyksiköiden yhden tilan mukaisen n:n jännitesegmentin peräkkäisyyden ohjaamiseksi ennen kytkinyksiköiden toisen tilan mukaisen peräkkäisyyden ohjaamista tarkoituksena parantaa laitteen lähdöstä saadun vaihtovirtaenergi-an ja laitteen tuloa syöttävän vaihtovirtalähteen virran laatua. 36 82330

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen taajuudenmuuttajalaite, tunnettu siitä, että mainitut arvon määräävät välineet käsittävät: ensimmäiset muistivälineet (TB^) mainitun vaihtovirtateho-lähteen sähköisten kulmien digitaalisen esityksen tallentamiseksi, jotka edustavat elementaarista johtavuusaikaa (ti/n=T*) halutun lähtötaajuuden fQ funktiona, toiset muistivälineet (TB2) mainitun vaihtovirtateholähteen sähköisten kulmien digitaalisen esityksen tallentamiseksi, jotka edustavat ajan osakehystä (T/n=T*) halutun lähtötaajuuden f0 funktiona, kolmannet muistivälineet (TB3) mainitun vaihtovirtalähteen sähköisten kulmien digitaalisen esityksen tallentamiseksi, jotka edustavat aikakehykseen sisältyvien osa-aikakehysten lukumäärää halutun lähtötaajuuden f0 funktiona, jolloin mainittuihin tahdistusvälineisiin sisältyy: ensimmäiset laskurivälineet (CNT 1), joita mainitut ensimmäiset muistivälineen (TB^) ja mainittu toistotaajuus ohjaavat n:n elementaarisen johtavuusaikavälin (t/n) synnyttämiseksi, toiset laskurivälineet (CNT 2), joita mainitut toiset muistivälineet (TB2) ja mainittu toistotaajuus ohjaavat aikakehyksen (T) n:n osa-aikakehyksen (T/n) synnyttämiseksi, kolmannet laskurivälineet, joita mainitut kolmannet muistivälineet ja mainittu toistotaajuus ohjaavat kunkin peräkkäisen aikakehyksen T määräämiseksi, mainittujen ohjausvälineiden sisältäessä jakeluvälineet, jotka reagoivat mainittujen ensimmäisten, toisten ja kolmansien laskurivälineiden toiminnan samanaikaiseen esiintymiseen mainitun järjestyksen kunkin kytkinyksikön ohjaamiseksi toistuvasti.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että kunkin järjestyksen mainitut kytkinyksiköt jokaisessa lähdön vaiheessa on yhdistetty pareittain virran johtamiseksi yhdestä lähdön vaiheesta toiseen elementaaristen johta-vuusaikavälien aikana ja yhdistetty pareittain kahden tällaisen elementaarisen johtavuusaikavälin välillä virtatien oikosulkemiseksi mainitusta vaihtovirtateholähteestä, jol loin 37 82330 mainitut ensimmäiset laskurivälineet (CNT 1) määräävät johtavuus- ja oikosulkuaikavälien vuorottelun, mainitut toiset laskurivälineet (CNT 2) määräävät vuorottelun toiston kokonaisluvun n mukaisesti, mainitut jakeluvälineet määräävät kytkinyksiköiden mainitut johtavuus- ja oikosulkuparit mainitussa kytkinyksiköiden j ärj estyksessä.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen laite, tunnettu siitä, että kuorma on induktiomoottori, mainittujen ensimmäisten muistivälineiden (TB^) mainitut digitaaliset esitykset edustavat elementaarista johtavuusaikaväliä lähtötaajuuden fQ funktiona siten, että mainitun monivaiheisen teholähde-lähdön lähtövaihtojännitteen ja lähtötaajuuden välillä säilyy vakiosuhde.