NO814431L - Vekselretter med individuell kommuteringskrets - Google Patents

Abstract

En individuell kommuteringskrets, som er bereg-. net på å bli benyttet sammen med en vekselretter, j omfatter to resonanssløyfer, som for den enes vedkommende er koplet til hovedstrømbanen i nærheten av hver hovedtyristor (14,16). Hver resonanssløyfe innbefatter en seriekoplet kommuteringskondensator (46,62) og induktor (49,66) sammen med en kommuteringstyristor (44,60) som er innrettet til å frem-. bringe en kommuteringspuls, i den hensikt å utslette belastningsstrømmen gjennom den ledende hovedtyris-. toren over en tilstrekkelig langvarig tidsperiode til å tillate overgang til ikke-ledende tilstand.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en vekselretter, nærmere bestemt en vekselretter med kommuteringskrets som tjener til å overføre hovedtyristorene til ikke-ledende tilstand.

Vekselrettere er tidligere kjent i og for seg og tjener

til å overføre elektrisk likestrømsenergi, f.eks. fra en brenn-stoffcelle e.l., til elektrisk vekselstrømsenergi, som passer til å kunne utnyttes av offentlige selskaper eller andre for-brukere av elektrisk energi. De fleste vekselrettere innbefatter minst ett par koplingselementer. Ved vekselvis påvirkning av hver omkopler eller bryter passerer det elektrisk energi fra likestrømskilden gjennom strømbelastningen først i den ene ret-ning og deretter i den motsatte retningen, slik at det frem-kommer en grunnleggende vekselstrøm-bølgeform.

I vekselrettere kan det benyttes mange forskjellige slags koplingsanordninger for å skifte om strømmen gjennom strømbelast-ningen. Halvleder-brytere, som f.eks. tyristorer, blir ofte benyttet i moderne vekselrettere, og anordninger av dette slag er vanligvis likerettet, slik at strømpulser med høy energi passerer gjennom anordningen når denne blir slått på ved hjelp av et passende signal som påtrykkes styreklemmen. Mange tyristorer vil som kjent ikke skifte fra en ledende til en ikke-ledende tilstand bare på grunn av at styresignalet fjernes fra styreklemmen, men krever at den momentane størrelse på strømmen gjennom tyristoren reduseres til null, samtidig med en liten positiv forspenning, før overgang til ikke-ledende tilstand.

Den prosess hvorved strømmen blir redusert til null gjennom tyristorene under belastning - slik at overgang til ikke-ledende tilstand kan finne sted - er kjent som "kommutering", og det har allerede vært foreslått mange forskjellige slags kretser for dette formål. Mange kommuteringskretser fungerer slik at de frembringer en kommuteringspuls for strømbelastningen fra en lageranordning, f.eks. en kondensator eller resonanskrets, over en tidsperiode av større varighet enn tyristorens fraslags-tid. Etter som belastningsstrømmen i denne periode blir tilført . av lageranordningen, faller den momentane størrelse på strømmen gjennom tyristoren til null over en periode med tilstrekkelig varighet til å muliggjøre overgang til ikke-ledende tilstand.

Av interesse i denne forbindelse er US-patentsøknad 973.339 (oppfinner J.R. Vivirito, inngitt 26.12.1978, "Hjelpekommuteringskrets for en vekselretter", overdratt til United Technologies Corporation). Det omtalte apparat innbefatter en hjelpekommuteringskrets av typen impulskommutert bro-fasevender-trinn, hvor ytterligere kommuteringsenergi blir lagret i et par motsatt ladete kondensatorer. Istedenfor'å fungere ved hver syklus er kommuteringskretsen forsynt med brytere som er koplet i serie med ladningskondensatorene og som bare settes i funksjon som reaksjon på en avfølt overstrømstilstand, for derved å skaffe til veie den ytterligere lagrete energi som kreves for kommutering av hovedtyristorene.

En annen redegjørelse som er av interesse finnes i US-patentsøknad 972.543 (oppfinner G.J. Messer, inngitt 22.12.1978, "Kontroll for en hjelpekommuteringskrets", overdratt til United Technologies Corporation). En styrekrets, som blir benyttet sammen med en hjelpekommuteringskrets for en vekselretter, rea-gerer på den forlengete tidsperiode som skyldes den ytterligere kapasitans som hjelpekondensatorene representerer, for å for-lenge igangsettelsen av sammensetningspulsen (makeup pulse). Dette tillater en naturlig demping av kommuteringspulsen, slik

at sammensetningspulsen begynner når momentanverdien av strømmen gjennom tyristoren er lav.

Det er et formål med oppfinnelsen å skaffe en vekselretter med en ny kommuteringskrets for overføring av hovedtyristorene fra deres ledende til deres ikke-ledende tilstand.

Ifølge et trekk ved oppfinnelsen lader en individuell kommuteringskrets, som blir benyttet i forbindelse med en vekselretter, kommuteringskondensatorene til en høyere spenning, og anvender herved en kommuteringskondensator av mindre størrelse.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen krever en kommuteringskrets, som blir benyttet i tilknytning til en vekselretter, ikke at kommuteringspulsene passerer gjennom likestrøm-samleskinnen, slik at det ikke er nødvendig med noen spesialutførelse

for nevnte samleskinne.

Ifølge enda et annet trekk ved oppfinnelsen har en kommuteringskrets, som blir benyttet i forbindelse med en vekselretter, en positiv og negativ del som er uavhengige, slik at det kan benyttes selektiv kommutering når som helst en hovedtyristor ikke fører strøm.

En annen fordel med oppfinnelsen består i at en kommuteringskrets for en vekselretter ikke påvirkes av et fall i inn-gangsspenningen til vekselretteren, slik at det alltid finnes tilstrekkelig lagret energi for å kommutere hovedtyristorene til ikke-ledende tilstand.

En ytterligere fordel med den individuelle kommuteringskrets ifølge oppfinnelsen er at det ikke kreves noen symmetri mellom kommuteringskretsens positive og negative deler, slik at en ikke behøver å benytte tilpassete komponenter i hver av kommuteringskretsens halvdeler.

Ifølge enda et annet trekk ved oppfinnelsens individuelle kommuteringskrets er at det ikke knytter seg noen resirkulerings-forsinkelse til påvirkningen av kommuteringskretsen, etter som kommuteringskondensatorene befinner seg på det riktige potensial etter at en hovedtyristor har blitt slått av.

De foregående og andre formål, trekk og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå klarere fra den etterfølgende beskrivelse av foretrukne utførelsesformer og medfølgende tegning, hvor: Den eneste figur viser et blokkskjema for en enkel vekselretter sammen med en utførelsesform av den individuelle kommuteringskretsen ifølge oppfinnelsen.

På tegningen er det vist en utførelsesform av vekselretteren med en kommuteringskrets ifølge oppfinnelsen. En nett-

eller effektvekselretter innbefatter en negativ samleskinne 10 og en positiv samleskinne 12, som begge mottar likestrøm fra en ytre likestrømskilde (ikke vist), som f.eks. en brenn-stoffcelle eller liknende. Selv om tegningsfiguren viser en enkelt vekselretter av halvbroutførelse, skal det forstås at et hvilket som helst antall halvbroer kunne vært benyttet, og det kan frembringes flerfaset elektrisk vekselstrøm-utgangseffekt fra en flerhet av korrekt faserettede halvbroer. Et par hoved-halvlederbrytere, som f.eks. en tyristor 14 og en tyristor 16,

er tilkoplet i en anode-til-katode-orientering over de to samle-skinnene. En induktor 22 er koplet til en knute 24 og over på

katodesiden av tyristoren 16. Induktorens 22 andre ende er koplet til en utgangsknute 26. På tilsvarende måte er en induktor 28 koplet til en knute 30 og over på tyristorens 14 anodeside. Den andre enden av induktoren 28 er koplet til utgangsknuten 26. En diode 32 er med sin anode koplet til knuten 24 og med sin katode til den positive samleskinne 12 for parallellkopling av hovedtyristoren 16. En diode 34 er med sin katode koplet til knuten 30, mens dens anode er koplet til den negative samleskinne 10 for å parallellkople hovedtyristoren 14. En utgangssamleskinne 36 er koplet til utgangsknuten 26 og danner en ut-gangsbane ut av vekselretteren for strøm fra likestrømskilden til en strømbelastning, såsom et effektgitter 38. Et filter 40 er normalt innkoplet i strømbanen fra vekselretteren og kan innbefatte anordninger som f.eks. transformatorer eller liknende, som også endrer størrelsene på den utgående elektriske energiens spenning/strøm-bølgeformer.

Som tidligere nevnt ganske kortfattet, går et spesielt trekk ved oppfinnelsen ut på å utforme kommuteringskretsen på

en særlig måte. Denne krets omfatter to halvdeler som oppviser prinsipielt samme komponentdeler. En kommuteringstyristor 44 utgjør det koplingselement, som utnyttes til å aktivere kommuteringskretsen dersom tyristoren 16 skal koples ut, og den har en katode som er koplet til knuten 24. Tyristorens 44 anodeende er koplet til den ene siden av en•kondensator 46 og også til en diodes 48 katode. Diodens 48 anode er koplet til den positive inngangs-samleskinne 12. Den andre siden av kondensatoren 46

er koplet til den ene enden av en induktor 49 og en diodes 50 katode. Induktorens 49 andre side er koplet til knuten 24. Dioden 50 er med sin anode koplet til den negative samleskinne 10.

En motstand 52 er koplet inn fra katoden av dioden 50 til den negative samleskinne 10, for å parallellkople dioden 50.

Den andre halvparten av kommuteringskretsen beskrives

i det følgende. Det er anordnet en tyristor 60, som koples inn for å kommutere tyristoren 14 til dens ikke-ledende tilstand. Tyristoren 60 er med sin katode koplet'til knuten 30 og med

sin anode til den ene siden av en kondensator 62 og også til en diodes 64 anode. Den andre siden av dioden 64 er koplet til den negative inngangs-samleskinne 10. En induktor 66 er koplet fra den andre siden av kondensatoren 62 til knuten 30. En diode 68 er med sin ene side koplet til tyristorens 60 katode og med

sin katode til den positive samleskinne 12. En motstand 70 er koplet inn fra diodens 68 anodeside til den positive samleskinne 12 og tjener til å parallellkople dioden 68.

Styrepulsene, som aktiverer samtlige tyristorer i kommuteringskretsen ifølge oppfinnelsen, vil vanligvis bli frembrakt ved hjelp av et komplisert kontrollsystem som avføler sp-ennings-strøm-bølgeformer ved tallrike punkter i vekselretteren. For imidlertid å forenkle 'og klargjøre forståelsen av den individuelle kommuteringskretsens virkemåte er det vist en hovedpuls-generator 80 og en kommuteringspulsgenerator 82 i forbindelse med denne utførelsesformen, for å frembringe styrepulsene i overensstemmelse med et ønsket koplingsmønster. En klokkepuls-generator 84 gir et tidsstyringssignal til hovedpulsgeneratoren 80 og kommuteringspulsgeneratoren 82, slik at det blir opprett-holdt en synkronisert forbindelse mellom pulsene som blir gene-rert av de enkelte generatorer. Hovedpulsgeneratoren 80 er koplet til hovedtyristorens 16 styreklemme via en ledning 86 og til hovedtyristorens 14 styreklemme via en ledning 88. På tilsvarende måte er kommuteringspulsgeneratoren 82 koplet til tyristorens 44 styreklemme via en ledning 90 og også til tyristorens 60 styreklemme via en ledning 92.

Virkemåten for den individuelle kommuteringskretsen ifølge oppfinnelsen vil sannsynligvis best forstås på basis av en rede-gjørelse over en arbeidssyklus. Når vekselretteren befinner seg i avslått tilstand, vil spenningen over kondensatorene 46

og 62 stabilisere seg på omtrent en halvpart av inngangsspen-ningen som er til stede over den negative samleskinnen 10 og den positive samleskinnen 12, nemlig E/2. En styrepuls fra hovedpulsgeneratoren 80 kopler tyristoren 16 til påslått tilstand, slik at den positive samleskinnen 12 blir koplet til utgangsknuten og en positiv strøm begynner å flyte gjennom utgangssamleskinnen 36 til effektgitteret 38. På samme tid opptrer spenningen E/2 fra likestrømskilden over dioden 50. Spenningen over tyristoren 44 fortsetter å holde seg på halvparten av spenningen fra likestrømskilden og det samme gjør spenningen over kondensatoren 46. Spenningen over dioden 48 går fra null til -^E/2. Det flyter en strøm gjennom den strømbanen som består av tyristoren 16, induktorene 22, 28 og 66, kondensatoren 62 og dioden 64. Denne strømmen fortsetter å flyte inntil spenningen over kondensatoren 62 svarer til spenningen E fra likestrømskilden. På

dette tidspunkt begynner dioden 68 å lede og hindrer derved en ytterligere økning i spenningsnivået over kondensatoren 62. Etter en meget kortvarig tidsperiode, dvs. noen få hundre mikrosekunder, faller strømmen i den nettopp angitte strømbanen til null når hviletilstanden er nådd.

Det følger nå en beskrivelse av en kommutering av "tyristoren 16 som finner sted når forbindelsen mellom den positive samleskinnen 12 og utgangssamleskinnen 36 skal oppheves i overensstemmelse med koplingsmønstret. Først endres styrepulsen fra hovedpulsgeneratoren på ledningen 86 til sin lave verdi,

og det blir avgitt en styrepuls fra kommuteringspulsgeneratoren 82 på ledningen 90 til tyristorens 44 styreklemme. Denne kopler tyristoren til påslått tilstand og det passerer en strømpuls gjennom tyristoren 44 og resonanskretsen, omfattende kondensatoren 46 og induktoren 49. På slutten av en halvsyklus har spenningen over kondensatoren 46 antatt den motsatte polariteten og har et spenningsnivå på bare litt mindre enn E/2. Kommute-ringsstrømmen begynner nå å flyte gjennom den strømbanen som dannes av dioden 49, kondensatoren 46, induktoren 49 og paral-lellkombinasjonen av tyristoren 16 og dioden 32. Når størrelsen på denne strømpulsen nærmer seg belastningsstrømmen, dersom det er noen, og flyter gjennom tyristorens 16 anode-til-katode-bane, omkoples tyristoren 16 til sin ikke-ledende tilstand.

Deretter blir tyristoren 14, i avhengighet av en puls

fra hovedpulsgeneratoren 80, koplet om til sin ledende tilstand og forbinder derved den negative samleskinnen 10 med utgangsknuten 26 og utgangs-samleskinnen 36. Dersom spenningen over kondensatoren 46 er mindre enn spenningen over samleskinnen, blir den ladet som følge av en kort strømpuls gjennom induktoren 22, knuter 24 og induktoren 49 inntil dens spenningsnivå har steget til et punkt hvor den arreteres av dioden 50. P-å dette tidspunkt er kondensatoren 62 fullstendig ladet, mens tyristoren 60 er ikke-ledende, slik at dioden 64 får motsatt forspenning av spenningen på den negative samleskinnen 10. Kondensatoren 62 er nå følgelig fullt oppladet og kan, om nødvendig, avgi en kommuteringspuls for det neste koplingspunktet.

Ved det neste koplingspunktet skal tyristoren 14 koples om til sin ikke-ledende tilstand. Denne overgang vil - enten det kreves en kommuteringspuls eller ikke - tilsvare den nettopp beskrevne kommutering av tyristoren 16.

Selv om oppfinnelsen er vist og beskrevet i forbindelse med en foretrukket utførelsesform, vil det forstås at det kan foretas forskjellige endringer i form og detaljer uten derved å fravike de rammer som er trukket opp i etterfølgende krav.

Claims (4)

1. Vekselretter av det slag som er innrettet til å motta elektrisk energi fra en likestrømskilde og omforme den til veks-lende elektrisk energi på en utgangssamleskinne, karakterisert ved at den omfatter hovedbryterorgan for vekselvis tilkopling av den ene av et par inngangs-samleskinner til utgangs-samleskinnen og som kan overføres til ikke-ledende tilstand bare når det ikke flyter noen belastningsstrøm gjennom samme, kommuteringsorgan som omfatter et bryterorgan som er koplet inn i en resonanssløyfe i serie med kommuteringskondensatoren og med en induktor, og som videre omfatter et diodeorgan som er koplet til resonanssløyfen, for å arretere kommuteringskondensatoren til spenningspotensialet på den ene samleskinnen i nevnte par, idet kommuteringskondensatoren, når nevnte bryterorgan i serieresonanssløyfen gjøres ledende, lades ut i strøm-belastningen over en tilstrekkelig langvarig tidsperiode til å muliggjøre at hovedtyristoren, som er ledende, koples om til avslått tilstand.

2. Vekselretter i samsvar med krav 1, karakterisert ved at paret av inngangs-samleskinner består av en positiv og en negativ samleskinne som kan koples til nevnte likestrømskilde, og at nevnte hovedbryterorgan omfatter minst to tyristorer, som for den enes vedkommende er koplet inn mellom den positive samleskinnen og utgangs-samleskinnen, mens den andre tyristoren er innkoplet mellom den negative samleskinnen og utgangs-samleskinnen.

3. Vekselretter i samsvar med krav 2, karakterisert ved at det finnes to resonanssløyfer, som for den enes vedkommende er koplet til hovedstrømbanen mellom den ene tyristoren og utgangs-samleskinnen, mens den andre resonans-sløyfen er 'koplet inn mellom den andre tyristoren og utgangs-samleskinnen .

4. Vekselretter i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den dessuten innbefatter et par dicder som er koplet til kommuteringskondensatoren i resonanssløyfen, og at hver diode også er koplet til den ene inngangs-samleskinnen av samleskinneparet.