NL1030481C2

NL1030481C2 - Inrichting voor aansluiting op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter.

Info

Publication number: NL1030481C2
Application number: NL1030481A
Authority: NL
Inventors: Gerd Teroerde
Original assignee: Atlas Copco Airpower Nv
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-05-23
Also published as: RU2524169C2; JP2009516999A; RU2008125076A; WO2007060528A3; US8441150B2; US20090212640A1; CN101361257A; RU2011141565A; KR101286839B1; CA2630466C; CA2630466A1; WO2007060528A2; EP1969706A2; KR20080081285A; CN101361257B

Description

** 4

Titel: Inrichting voor aansluiting op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor aansluiting op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter, bijvoorbeeld een elektrische motor.

Een elektrische aandrijving, bijvoorbeeld voor een compressor, is 5 via aansluitpunten aangesloten op een elektrische aanstuureenheid die in de praktijk bijvoorbeeld omzetters omvat. De omzetters bieden met een relatief hoge frequentie hoge en lage spanningen en/of stromen in de vorm van pulsen. Door het inductieve karakter van de elektrische aandrijving ontstaat een gemiddelde spanning die bij optimale ontwerpcondities een 10 vooraf bepaalde referentiespanning benadert.

Naast de gemiddelde spanning met een fundamentele frequentie is ten gevolge van het schakelgedrag van de omzetters echter ook sprake van spanningscomponenten met hogere harmonischen. Laatstgenoemde spanningscomponenten, kortweg hogere harmonischen genoemd, 15 veroorzaken in de elektrische aandrijving hoogfrequente stromen met koppelvariaties tot gevolg. Hierdoor ontstaan schommelingen in het toerental, alsmede elektrische verhezen die resulteren in ongewenste opwarming van de aandrijving.

De uitvinding beoogt een inrichting voor aansluiting op een 20 inductieve impedantie, waarbij het hierboven genoemde nadeel wordt tegengegaan. In het bijzonder beoogt de uitvinding een inrichting voor aansluiting op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter te verkrijgen, waarbij het ontstaan van spanningscomponenten met hogere harmonischen wordt tegengegaan. Daartoe omvat de inrichting een reactief 25 element, waarbij de inrichting voorts is voorzien van ingangen voor het invoeren van uitgangssignalen van elektrische omzetters voor parallelle 1030481 2 voeding en tenminste één uitgang voor aansluiting op een voedingsaansluitpunt voor een fase van de impedantie, zodanig dat de inrichting is samengesteld om tijdens gebruik een hoogfrequente verschilcomponent van tenminste twee uitgangssignalen in hoofdzaak uit te 5 filteren.

Door het aanbieden van uitgangssignalen van de elektrische omzettere aan het reactieve element kan op voordelige wijze een hoogfrequente verschilcomponent van twee of meer uitgangssignalen in hoofdzaak worden uitgefilterd. De tenminste ene uitgang voor aansluiting 10 op het voedingsaansluitpunt voor een fase van de impedantie met een voornamelijk inductief karakter kan zodoende een aanstuursignaal genereren waarin althans één hoogfrequente verschilcomponent van de oorspronkelijke uitgangssignalen in hoofdzaak is geëlimineerd. Hierdoor neemt de hoeveelheid spanningscomponenten met hogere harmonischen, en 15 hun energiecomponenten in het gehele aanstuursignaal, af.

Bijgevolg blijven koppelvariaties van de impedantie met een voornamelijk inductief karakter meer constant, zodat ook schommelingen in het toerental, alsmede ongewenste opwarming van de impedantie, en vroegtijdige veroudering wordt tegengegaan. Daarnaast neemt de efficiëntie 20 van het systeem toe, omdat minder energie wordt verspild. Opgemerkt wordt dat de frequentie van de uitgefilterde verschilcomponent hoog is ten opzichte van de fundamentele frequentie.

Door het toepassen van een meervoudig aantal omzetters met parallelle voeding neemt bovendien het aantal discrete spanningsniveaus 25 toe, zodat het verschil met de gewenste vooraf bepaalde referentiespanning verder verkleint. Ook neemt de ‘overshoot’ en de stijgtijd van de voeding bij het voedingsaansluitpunt af. Hierdoor reduceert het gemeenschappelijk signaal van elektrische uitgangsspanningen, ook wel ‘common mode signals’ genoemd, zodat bijvoorbeeld ook ongewenste stromen in de lagers bij 30 elektrische machines verminderen. Voorts neemt hierdoor de mechanische 1 n 7 o k q 1 3 spanning in de wikkelingen van de impedantie met een voornamelijk inductief karakter af. Ook de elektromagnetische compatibiliteitsproblematiek neemt hierdoor af. Daarnaast kan door de meer optimale werking van het geheel de pulsfrequentie van de omzettere 5 lager worden ingesteld, zodat verliezen in de omzetters verder afnemen.

Op gemerkt wordt dat de inrichting overeenkomstig de uitvinding kan worden toegepast op impedanties met een voornamelijk inductief ! karakter die ofwel een enkelvoudige wikkeling ofwel een meervoudige wikkeling hebben, bijvoorbeeld voor voeding met drie fasen.

10 Op voordelige wijze is het reactieve element uitgevoerd als een inductief element, zodat uitgangssignalen van omzetters van het spanningsbron-type kunnen worden ontkoppeld. Het is uiteraard mogelijk het reactieve element anders uit te voeren, bijvoorbeeld als een capacitief element. Hierdoor kunnen uitgangssignalen van omzetters van met name 15 het stroombron-type worden ontkoppeld, dat wil zeggen dat tenminste één hoogfrequente verschilcomponent van twee uitgangssignalen in hoofdzaak kan worden uitgefilterd.

Opgemerkt wordt dat inductieve systemen bekend zijn voor het met behulp van een spoel, ook wel ‘common mode choke’ genoemd, 20 reduceren van common mode signalen. Hierdoor kunnen hoogfrequente verschilsignalen juist relatief gemakkelijk doorgelaten, terwijl een gemeenschappelijk deel van twee invoersignalen juist wordt uitgefilterd.

Overigens kan in plaats van een enkelvoudig reactief element in de inrichting overeenkomstig de uitvinding ook een meervoudig aantal 25 reactieve elementen worden toegepast, bijvoorbeeld in het geval van een voeding met meer dan één fase, of voor het verder terugdringen van hogere harmonischen.

Bij toepassing van een conventionele uitvoerspoel die aan een uitgang van een omzetter is aangesloten, zijn de afmetingen en daarmee de 30 kosten afhankelijk van de totale fasestroom. In het geval van de inrichting 1 0 3 0 4 8 1 4 overeenkomstig de uitvinding zijn de afmetingen van het reactieve element afhankelijk van het verschilsignaal. Het verschilsignaal vormt doorgaans slechts een fractie van het totale doorgelaten voedingssignaal voor de impedantie. Daar de afmetingen van het reactieve element relatief gering 5 blijven kan een kostenvoordeel worden behaald.

Op elegante wijze vindt de inrichting overeenkomstig de uitvinding zijn toepassing bij het aansturen van een elektrische aandrijving met een relatief hoog toerental. Bij toepassing van een conventionele uitvoerspoel die aan een uitgang van een omzetter is aangesloten, is namelijk bovendien 10 sprake van extra verliezen en een spanningsval die afhankelijk is van de fundamentele frequentie van de voedingsspanning. Aangezien de spanningsval bij de inrichting overeenkomstig de uitvinding praktisch achterwege blijft, kan de inrichting met voordeel worden toegepast bij een impedantie met een voornamelijk inductief karakter waarbij het nominale 15 toerental relatief hoog kan worden ingesteld.

Door voorts de schakelmomenten van de individuele uitgangssignalen die worden ingevoerd in een reactief element verschillend ten opzichte van elkaar in te stellen kan een verschilsignaal van twee uitgangssignalen nog effectiever worden uitgefilterd. De signaalbijdrage in 20 een eerste uitgangssignaal ten gevolge van een hogere harmonische verschilt dan namelijk van de signaalbijdrage in een twee uitgangssignaal ten gevolge van een hogere harmonische. Door beide uitgangssignalen in te voeren in het reactieve element kan de hogere harmonische, die een verschilsignaal vormt, in hoofdzaak worden uitgefilterd.

25 Zo kan een algoritme voor het schakelen van de omzettere zodanig worden ingericht dat tijdens elke pulsperiode één uitgangssignaal dat wordt ingevoerd in een reactief element, niet wijzigt. Uiteraard is het mogelijk een ander algoritme te ontwerpen, bijvoorbeeld waarbij tijdens elke pulsperiode slechts één uitgangssignaal wijzigt. Voorts kan een strategie worden 30 gekozen waarbij de uitvoerspanning van het reactieve element tijdens elke 4 Λ 7 Λ /. Q 1 5 pulsperiode slechts de twee toestanden omvat waarbij de spanning het meest dicht bij de vooraf bepaalde referentiespanning is gelegen.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn weergegeven in de volgconclusies.

5 De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden die in de tekening zijn weergegeven. In de tekening toont:

Figuur 1 een schematisch aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting overeenkomstig de uitvinding die is aangesloten op een 10 impedantie met een voornamelijk inductief karakter;

Figuur 2 een schematisch aanzicht van een tweede uitvoeringsvorm van een inrichting overeenkomstig de uitvinding die is aangesloten op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter;

Figuur 3 een schematisch aanzicht van een derde uitvoeringsvorm 15 van een inrichting overeenkomstig de uitvinding die is aangesloten op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter;

Figuur 4 een schematisch aanzicht van een vierde uitvoeringsvorm van een inrichting overeenkomstig de uitvinding die is aangesloten op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter; 20 Figuur 5 een grafische weergave van een resulterende spanning die wordt aangeboden aan een voedingsaansluitpunt van een impedantie met een voornamelijk inductief karakter;

Figuur 6 een grafisch weergave van een uitgangsstroomsterkte van een omzetter; en 25 Figuur 7 een grafische weergave van de stroomsterkte die via voedingsaansluitpunten aan de impedantie met een voornamelijk inductief karakter worden toegevoerd.

De figuren zijn slechts schematische weergaven van de uitvinding en worden uitsluitend gegeven bij wijze van niet-beperkende 30 uitvoeringsvoorbeelden.

1030481 6

Figuur 1 toont een schematisch aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een inrichting 1 overeenkomstig de uitvinding die is aangesloten op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter 2. De inrichting 1 omvat een reactief element, uitgevoerd als een inductief 5 element, meer in het bijzonder als een transformator 3. Het aantal wikkelingen van beide armen van de transformator 3 komt overeen, zodat een spanningsoverdracht van 1 wordt gerealiseerd. De transformator 3 is voorzien van ingangen voor het invoeren van uitgangssignalen van elektrische omzettere voor parallelle voeding die symbolisch zijn 10 weergegeven als Ui en U2. Via een eerste ingang vloeit een eerste stroom /1 door een eerste wikkeling van de transformator, terwijl via een tweede ingang een tweede stroom /2 door de tweede wikkeling van de transformator 3 vloeit in een richting tegengesteld aan de eerste stroom h. Over de eerste wikkeling staat een spanning Ul Het optelsignaal van I\ en /2, ook wel het 15 common mode signaal genoemd, genereert tegengestelde magnetische fluxen in de magnetische kern van de transformator 3, zodat het optelsignaal ongehinderd kan passeren. Het verschilsignaal van h en h, ook wel het differential mode signaal genoemd, genereert een netto magnetische flux, zodat het verschilsignaal, zeker hoogfrequente componenten daarvan 20 worden tegenwerkt. Aldus wordt bij de uitgang van de transformator 3 tenminste een hoogfrequente verschilcomponent van de twee uitgangssignalen I\ en /2 in hoofdzaak uitgefilterd.

De uitgangen van de transformator zijn verbonden en leiden naar een voedingsaansluitpunt voor een fase van de impedantie met een 25 voornamelijk inductief karakter 2. Zo wordt het resulterende, gefilterde signaal aangeboden aan de impedantie met een voornamelijk inductief karakter 2. Over de impedantie met een voornamelijk inductief karakter staat een spanning Uuoad.

Figuur 2 toont een schematisch aanzicht van een tweede 30 uitvoeringsvorm van een inrichting 1 overeenkomstig de uitvinding die is 1030481 7 aangesloten op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter. De impedantie met een voornamelijk inductief karakter is uitgevoerd als een elektrische machine 2 met drie fasen. De elektrische machine 2 kan bijvoorbeeld worden gebruikt als een elektrische aandrijving voor een motor 5 of voor generator toepassingen. Daarnaast kan de elektrische aandrijving worden toegepast voor compressoren. Voorts kan een ander type belasting met een voornamelijk inductief karakter worden toegepast, bijvoorbeeld een actief front end en/of een actieve filtertoepassing.

Evenals in de eerste uitvoeringsvorm van de inrichting 1 10 overeenkomstig de uitvinding genereren twee omzetters 4, 5, in Figuur 2 expliciet getoond, elektrische uitgangsspanningen voor het aansturen van de elektrische machine 2. Echter, de omzetters 4, 5 zijn elk ingericht voor het genereren van uitgangsspanningen met drie fasen f/ui, t/vi, f/wi, t/u2,

Uv2 en £7w2. Takken van elke fase worden paarsgewijs ingevoerd in een 15 inductief element 3A, 3B en 3C van de inrichting 1 overeenkomstig de uitvinding, die bijvoorbeeld is uitgevoerd als de transformator die is beschreven in het kader van Figuur 1. Het uitgangssignaal van elk inductief element 3A, 3B en 3C wordt toegevoerd naar een voedingsaansluitpunt voor een fase van de elektrische machine 2. Op dezelfde wijze als beschreven in 20 het kader van Figuur 1 worden aldus signalen aan de elektrische machine 2 toegevoerd waarbij tenminste een hoogfrequente verschilcomponent van twee uitgangssignalen in hoofdzaak zijn uitgefilterd.

Figuur 3 toont een schematisch aanzicht van een praktische derde uitvoeringsvorm van een inrichting 1 overeenkomstig de uitvinding die is 25 aangesloten op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter. De inrichting 1 omvat, evenals het geval is bij de inrichting 1 van Figuur 2 drie transformatoren 3A, 3B en 3C die op vergelijkbare wijze zijn aangesloten als hierboven beschreven. Voorts zijn de uitgaande aansluitpunten van de transformatoren 3A, 3B en 3C aangesloten op voedingsaansluitpunten van 30 een driefase elektrische aandrijving 2. De aansluitpunten zijn begin- en/of 1030481 8 eindpunten van een dubbele laag wikkelingen 8 met twee geïsoleerde sterpunten.

Naar analogie van Figuur 2 toont Figuur 4 een schematisch aanzicht van een vierde uitvoeringsvorm van een inrichting 1 5 overeenkomstig de uitvinding die is aangesloten op een éénfasige inductieve impedantie 2. In plaats van twee omzettere zijn in de huidige uitvoeringsvorm drie omzettere toegepast voor het genereren van drie uitgangsspanningen Ui, Uz en Uz. Middels de samengestelde inductieve elementen 3D, 3E, 3F en 3G worden tijdens gebruik van de inrichting 1 10 hoogfrequente verschilcomponenten van de drie uitgangssignalen Ui, Uz en Uz in hoofdzaak uitgefilterd. Op vergelijkbare wijze als getoond in Figuur 3 kan met behulp van de inrichting uit Figuur 4 een aansturing van een driefasige elektrische machine worden gerealiseerd. Uiteraard zijn ook andere circuits te construeren die dezelfde of nagenoeg dezelfde functie 15 realiseren als de inrichting 1 uit Figuur 4. Bij het ontwerp kan verzadiging van de inrichting worden tegengegaan door een gemiddeld gelijke uitvoerstroom in elke tak te laten stromen en een gelijk aantal tegengestelde windingen in de inductieve elementen 3 aan te brengen, dat wil zeggen, zodanig dat het aantal windingen die een veld in een positieve 20 richting genereren gelijk is aan het aantal windingen die een veld in een negatieve richting genereren.

Figuren 5, 6 en 7 tonen grafische weergaven van respectievelijk een resulterende spanning die wordt aangeboden aan een voedingsaansluitpunt van een impedantie met een voornamelijk inductief karakter, een 25 uitgangsstroomsterkte van een omzetter en de stroomsterkte die via voedingsaansluitpunten aan de impedantie met een voornamelijk inductief karakter worden toegevoerd.

De horizontale as stelt de tijd voor, waarbij het interval 0-5 ms de situatie toont van een drie-fasige elektrische machine die wordt 30 aangestuurd door een enkele omzetter overeenkomstig de bekende stand 1030481 _ 9 van de techniek. Het interval 5-10 ms toont de situatie van een drie-fasige elektrische machine die wordt aangestuurd door twee omzettere voor parallelle voeding zoals getoond in Figuur 2, terwijl het interval 10-15 ms de situatie toont van een drie-fasige elektrische machine die wordt 5 aangestuurd door drie omzetters voor parallelle voeding, waarvan één is getoond in Figuur 4.

Figuur 5 toont een vooraf bepaalde referentiespanning 20 van het spanningsverschil Un tussen de eerste en de tweede fase die wordt aangeboden aan de elektrische machine. Het gemanipuleerde 10 uitgangssignaal van de omzetter(s) is in het getoonde voorbeeld een pulscodemodulatie 21 met drie niveau's. Door meer dan twee omzetters met parallelle voeding toe te passen, neemt het aantal discrete niveaus toe, namelijk vijf, respectievelijk zeven, zie het interval 5-10 ms en 10-15 ms.

Figuur 6 toont in bovengenoemde intervallen de corresponderende 15 elektrische uitgangsstromen imv uit de omzetters voor alle drie fasen.

Duidelijk zichtbaar is dat de amplitude van de signalen uit de individuele afneemt. Dit wordt echter gecompenseerd door de signalen samen te voegen.

Voorts toont Figuur 7 de resulterende elektrische stromen imot die aan de aansluitpunten van de drie fasen van de elektrische machine worden 20 aangeboden. Overeenkomstig de uitvinding neemt de rimpel op het stroomsignaal af bij het doen toenemen van het aantal parallel aangesloten omzetters. Dit wordt veroorzaakt door het wegfilteren van hoger harmonischen.

De uitvinding is niet beperkt tot het hier beschreven 25 uitvoeringsvoorbeeld. Vele varianten zijn mogelijk.

Zo kan het inductieve element niet alleen als transformator worden uitgevoerd, maar ook als een ander inductief element, zoals een toroïde, een spoel, een ijzeren ring, een ijzeren kern, een common mode spoel, een stroom-gecompenseerde spoel en dergelijke.

1030481 10

Voorts kan de inrichting voor aansluiting op de impedantie met een voornamelijk inductief karakter, omvattende het reactieve element, in de impedantie met een voornamelijk inductief karakter worden aangebracht.

In een uitvoeringsvorm overeenkomstig de uitvinding wordt het inductieve 5 element althans gedeeltelijk gevormd door het pakket windingen van de impedantie met een voornamelijk inductief karakter. Het is echter ook mogelijk de inrichting separaat, buiten de impedantie met een voornamelijk inductief karakter te positioneren. Ook kan de inrichting in een of meer omzetter worden aangebracht.

10 Daarnaast kan in plaats van een pulscodemodulatie voor de uitgangssignalen van de omzetters ook een andere techniek worden toegepast, bijvoorbeeld een hysterese regeling.

Tevens is het mogelijk om in plaats van een elektrische wisselstroommachine een ander type impedantie met een voornamelijk 15 inductief karakter toe te passen, bijvoorbeeld een elektrische machine die wordt gevoed door een DC stroom en/of DC spanning.

Voorts kan de impedantie met een voornamelijk inductief karakter als een belasting werkzaam zijn, bijvoorbeeld voor het omzetten van elektrische energie in mechanische energie, zoals met een motor, maar ook 20 als bron voor het genereren van elektrische energie, zoals met een generator.

Dergelijke varianten zullen de vakman duidelijk zijn en worden geacht te liggen binnen het bereik van de uitvinding, zoals verwoord in de hiernavolgende conclusies.

25 1030481

Claims

1. Inrichting voor aansluiting op een impedantie met een voornamelijk inductief karakter, omvattende een reactief element, waarbij de inrichting voorts is voorzien van ingangen voor het invoeren van uitgangssignalen van elektrische omzetters voor parallelle voeding en 5 tenminste één uitgang voor aansluiting op een voedingsaansluitpunt voor een fase van de impedantie, zodanig dat de inrichting is samengesteld om tijdens gebruik een hoogfrequente verschilcomponent van tenminste twee uitgangssignalen in hoofdzaak uit te filteren.

2. Inrichting volgens conclusie 1, omvattende uitgangen voor 10 aansluiting op een driefasige impedantie met een voornamelijk inductief karakter.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij het reactieve element een inductief element omvat voor het ontkoppelen van een spanningsbron-omzetter.

4. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij het reactieve element een capacitief element omvat voor het ontkoppelen van een stroombron-omzetter.

5. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de impedantie een elektrische aandrijving omvat.

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de impedantie een compressoraandrijving omvat.

7. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de impedantie een aandrijving met een hoog nominaal toerental omvat.

8. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de 25 inrichting in de impedantie is aangebracht. 1030481

9. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het inductieve element althans gedeeltelijk wordt gevormd door het pakket wikkelingen van de impedantie.

10. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, waarbij 5 schakelmomenten van de omzettere verschillen.

11. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies welke zodanig is ingericht dat tijdens een pulsperiode één uitgangssignaal dat wordt ingevoerd in het reactieve element ongewijzigd blijft.

12. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies welke zodanig is 10 ingericht dat de uitvoerspanning van het reactieve element tijdens een pulsperiode slechts de twee toestanden omvat waarbij de spanning het meest dicht bij de vooraf bepaalde referentiespanning is gelegen i

13. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies waarbij de impedantie met een voornamelijk inductief karakter een actief front end 15 en/of een actief filter toepassing omvat.

14. Inrichting volgens één der voorgaande conclusies, voorts ingericht voor het schakelen tussen elektrische omzettere voor parallelle voeding. 1 03 0*ft 1_