SE445160B - Sett vid kommutering i tre steg vid stromlikriktare eller vexelriktare - Google Patents

Description

v. 10 15 20 25 30 35 40 7900344-.8 z i grundtypen av effektstyrningen av s.k. fasstyrning, varvid grund- förloppet vid strömriktarens drift är en process med yttre kommute- ring. Strömövergången från en strömriktarhuvudgren till nästa, dvs kommuteringen, åstadkommas genom den yttre spänningen. Kommuterings- tiden, dvs tiden för strömövergången, bestämmes av fasstyrvinkeln, strömstyrkan och impedansförhållandena vid källan och lasten. Utifrån styrda likriktare utgörs av de vanligen använda halvledarströmriktar- na, och processen med yttre kommutering samt de övriga egenskaperna hos dylika strömriktare är allmänt kända och utförligt beskrivna i litteraturen.

Automatiska eller självstyrda likriktare eller växelriktare har samma grundegenskaper som liknande utifrån styrda strömriktare.

Strömkommuteringen sker emellertid ej spontant genom inverkan av en yttre spänning, utan åstadkommas genom en till strömriktaren hörande hjälpkrets. Grunden härför är exempelvis en passiv last på växelrik- tarens växelströmssida eller ett sådant fasläge för växelspänningen vid tidpunkten för kommuteringen, att någon yttre kommutering ej kan ske. Detta sammanhänger intimt med blindeffektens strömningsriktning.

I allmänhet kan man säga, att yttre kommutering är möjlig i det fall att växelströmssidan kan avge blindeffekt (exempelvis försörjnings- nätet), under det att egenkommutering är möjlig i alla andra fall (passiv last, elektromotorer;men även vid försörjningsnät). Egenkommu- teringen kan införas vid alla typer av laster. Det är härvid fram- förallt en fråga om strömriktarens komplexitet och pris, som idag vida överstiger utifrån styrda likriktare eller växelriktare.

Den mest betydande praktiska användningen av självstyrda ström- likriktare eller växelriktare är växelriktare för drivning av asynk- ronmotorer. Det förutsättes, att ytterligare en betydande användning utgörs av nätstyrda likriktare eller växelriktare för effektfaktor- kompensatorer, eventuellt för likströmsmotorer med förbättrade energi- parametrar.

De hittills använda likriktarna eller växelriktarna har oavsett de olika varianterna på hjälpkommuteringskretsar en gemensam egen- skap. Denna utgörs av det karakteristiska förloppet hos kommuterings- processen, vilken har i stort sett samma egenskaper även vid helt olika lösningar på kommuteringskretsen. För förklaring härav måste begreppet "kommuteringsstegä införas. Antalet kommuteringssteg är lika med antalet övergångar mellan strömriktarens huvud- och hjälp- grenar, vilka är nödvändiga för åstadkommande av hela kommuterings- förloppet. Med “hela kommuteringsförloppet" vid likriktare eller växel- 10 15 20 25 30 35 40 a. 7900544-8 riktare avses i detta sammanhang en fullständig strömöverföring från en huvudgren till nästföljande huvudgren, vilket i praktiken betyder strömöverföringen från en fas på växelströmssidan till nästföljande fas.

Den direkta kommuteringen, där den elektriska strömmen överförs direkt från en huvudgren till den därpå följande (exempelvis vid kon- ventionell yttre kommutering) omfattar med denna terminologi ett en- da steg.

Den indirekta kommuteringen, där den elektriska strömmen vid övergången från en huvudgren till nästföljande först kommuteras till en hjälpgren hos strömriktaren, är minst tvàstegig. Vid ström- eller spänningsväxelriktare och vidare vid andra typer av självstyrda ström- riktare, exempelvis likströmställare, förlöper den egentliga kommute- ringen till största delen i två steg, varvid det första steget utgörs av kommuteringen från en huvudgren till en sidogren (normalt innefat- tande en kommuteringskondensator, reaktorer och hjälptyristorer), medan det andra steget utgörs av kommuteringen från hjälpgrenen till nästföljande huvudgren (exempelvis till återföringsdioden vid spän- ningsväxelriktare och likströmställare resp. till huvudtyristorn hos den följande fasen vid strömväxelriktare).

Självstyrda strömväxelriktare användes idag huvudsakligen till varvtalsreglering av asynkronmotorer. Kommuteringsprocessen vid idag kända och använda effektkopplingar med tyristorer förlöper i två steg: Steg l - kommutering från huvudtyristorn till kommuteringskondensa- torns hjälpkrets (därvid ändrar sig fasströmmen ej).

Steg 2 - kommutering från kommuteringskondensatorns hjälpkrets till följande fas. Först vid detta andra steg sker en strömövergång mellan faserna.

I fig. l visas tidsförloppet för de elektriska strömmarna iR, is i de på varandra följande faserna R, S hos växelströmslasten samt spänningen uCK över kommuteringskondensatorn. Därvid är Id växelrik- tarens elektriska ingångslikström eller likriktarens utgångslikström, U spänningsökningen på kommuteringskondensatorn Ck,J“/kommuterings- vinkeln, Ck kommuteringskondensatorns kapacitans och Lk kommuterings- induktansen. Det rör sig härvid om tidsförloppen i strömväxelriktaren vid tvåstegskommutering.

Tvåstegskommuteringen har följande karakteristiska intervall, vilka visas i fig. 1: Tidsintervallet to - till kommuteringskondensatorn Ck för motsvarande fas och motsvarande tl för kommuteringen från huvudtyristorn 10 15 20 25 30 35 40 79oos44-a' 4 hjälptyristor. Till följd av grenarnas självinduktans och de eventu- ella begränsningsinduktanserna för di/dt varar detta intervall några mikrosekunder. Det rör sig härvid om det första kommuteringssteget.

Tidsintervallet tl - t2 - överladdning av kondensatorn med lastström till noll. Denna tid utgör i det konkreta schemat skydds- tiden tv för tyristorn (på tyristorn ligger en negativ spänning).

Tidsintervallet t2 - t3 lastström till positivt värde till den tidpunkt, då spänningen på kondensatorn Ck är lika med den momentana sammanlagda spänningen på - överladdning av kondensatorn med kommuteringsfaserna.

Tidsintervallet t3 - t4 - kommutering av den kommuteringskon- densatorn Ck och hjälptyristorn Tk innehållande hjälpkretsen till nästföljande hjälptyristor. Denna kommutering är identisk med ström- kommuteringen mellan faserna på växelströmssidan. För asynkronmoto- rer är denna tid för övrigt lika med en fjärdedel av svängningstiden för kondensatorn Ck och tvâ gånger totalströinduktansen för motorns kommuteringsfaser. Spänningen på kondensatorn stiger under interval- let t3 - t4 med värdetAtL vilket motsvarar överföringen av energi från kommuteringsfaserna till kondensatorn Ck. Intervallet t3 - t4 bildar det andra kommuteringssteget. På liknande sätt förlöper den tvåstegiga kommuteringen även vid andra varianter av strömväxelrik- tare. Den tvåstegiga kommuteringen har vid strömväxelriktare med asynkronmotorer följande karakteristiska särdrag. Det skall dock på- pekas, att denna jämförelse ej hänför sig till andra växelriktarty- per, ty den skall tjäna som grundval för nedanstående jämförelse med trestegskommutering. a) Hjälpkretsen är mycket enkel och behöver ej innehålla hjälp- tyristorer. b) Kommuteringskretsarna tjänar till bortkoppling av tyristo- rerna och även till energilagring frånölastinduktanserna; Detta är ett icke typiskt särdrag för tvåstegskommuteringï Kombinationen av båda funktionerna medför enkla kommuteringskretsar, men samtidigt är kraven på en kommuteringskondensator för uppfyllande av båda funk- tionerna mycket olika. - c) Av ovanstående särdrag b) följer en viss storlek på kommu- teringskondensatorn, vilken bestämmes av spänningsdimensioneringen av huvud- och kommuteringskretsarna (högt spänningsvärde U i fig. l under intervallet t3 - t4 vid litet värde på Ck). För högre värden på Ck växer emellertid vid likströmsreglering på strömriktaringången -den totala kommuteringstiden och kan begränsa växelriktarens frekvens- 10 15 20 25 30 35 40 s 7900344--8 område. d) Vid tvåstegkommutering kommer till följd av den stora kapa- citansen och en lång kommuteringstid strömmen genom hjälpkretsen att stiga med ogynnsam inverkan på komponenternas dimensionering. e) Kommuteringskondensatorn är direkt avhängig av lastkonstan- terna (motorn), och kommuteringsprocessen ändrar sig (även funktions- störningar kan inträffa) vid byte av motor. För denna växelriktare är det typiskt, att kommuteringskretsarna dimensioneras med hänsyn till de använda motorerna. Därför är dessa växelriktare lämpade exem- pelvis för drivning av flera motorer.

De ovan diskuterade egenskaperna, av vilka några är mycket ogynn- samma, kan förbättras inom ramen för tvåstegskommutering genom använd- ning av ytterligare kretsar. Exempelvis kan intervallen tl - tg och t2 - t3 i fig. l nedkortas med hjälpöversvängning över induktansen och ytterligare hjälptyristorer. Detta påverkar ej storleken av kon- densatorerna, men strömriktarens frekvensområde kan utökas genom att kommuteringstiden minskar. En liknande anordning beskrivs exempelvis i USA-patentskriften nr 3 980 941.

Föreliggande uppfinning syftar till att undanröja de ovan dis- kuterade nackdelarna, vilket syfte uppnås därigenom, att efter bort- koppling av en styrd halvledarkomponent i en huvudgren genom inverkan av en hjälpbortkopplingsgren kommuteras den elektriska strömmen på växelströmssidan från denna hjälpbortkopplingsgren till en hjälplag- ringsgren, varpå under inverkan av denna hjälplagringsgren den elek- triska strömmen övergår från växelströmssidans hittills ledande fas till nästföljande fas.

De anförda förhållandena och egenskaperna hos tvåstegskommute- ringen har beskrivits tämligen grundligt ovan i syfte att ge en bak- grund till trestegskommuteringen, vilken i några avseenden skiljer sig väsentligt från tvåstegskommuteringen. Syftet med trestegskommu- teringen är att åstadkomma en sådan kommuteringsprocess, att i växel- riktarens hjälpkretsar de hittills gemensamma funktionerna hos kommu- teringskretsarna separeras, nämligen dels den funktion som säkerstäl- ler bortkoppling av tyristorn, dels den funktion, som säkerställer energiöverföringen från lastinduktanserna till hjälpkondensatorerna.

Genom åtskiljandet av dessa båda funktioner uppnås följande fördelar: Den tyristorernas bortkoppling säkerställande hjälpkretsen kan utformas så, att betingelserna för strömeliminering i tyristorn (re- duktion av strömmen med definierad branthet till noll och förnyelse av blockeringsegenskaperna) uppfylles utan hänsyn till energiöver- 10 15 20 25 30 35 40 7900344-8 s föringen från lastinduktanserna. Den energiöverföringen från lastin- duktanserna säkerställande hjälpkretsen utformas därvid så, att över- föringen av energin från lasten kan ske på önskat sätt utan farliga överspänningar. Funktionsseparationen för de båda beskrivna hjälpkret- sarna behöver ej innebära en fullständig separation vid kretslösning- en. Av betydelse är härvid, att man framledes kan använda urkopplings- tyristorer, eventuellt effekttransistorer, i stället för tyristorer.

Därvid kan de tyristorns urkoppling säkerställande hjälpkretsarna utelämnas helt, ty dessa kretsar tjänar vid trestegskommutering ute- slutande till att åstadkomma tyristorns urkoppling. Med stigande dy- namiska egenskaper hos komponenterna, i synnerhet reduktionen av de- ras viloperioder, måste dimensioneringen och kopplingsstrukturen an- passas härtill.

Det är uppenbart, att genom åtskiljandet av de båda funktioner- na den direkta tillordningen av motorn och växelriktaren ej längre behöver beaktas, ty de tyristorns bortkoppling säkerställande kommu- teringskretsarna dimensioneras med hänsyn till lastens maximala elek- triska ström (strömriktarens typeffekt) och tyristorparametrarna.

Hjälplagringskretsarna måste dock anpassas tilJ.dekonkreta motorpara- metrarna. I praktiken innebär detta endast en inställning av regler- slingorna. Växelriktare med trestegskommutering är därför lämpade även för flermotordrift. övergången från tvåstegskommutering till trestegskommutering har några gemensamma resultat beträffande kretslösningen av Växelrik- tarens hjälpkommuteringsgrenar. Dessa kan beskrivas enligt följande: Vid Växelriktare, vilka arbetar med tvâstegskommutering, dimen- sioneras kommuteringskondensatorerna Ck på så sätt, att intervallet tl - tz i fig. 2 svarar mot tyristorernas viloperiod, vilket ungefär betyder 50 fzs. Därigenom erhålles i praktiken en reduktion av kondensa- torstorleken till ungefär 10% av kapacitansen. Utan ytterligare åt- gärder skulle detta medföra en så stor överspänning på kondensatorn och därigenom även på tyristorerna, att ett av spänningen förorsakat genomslag skulle uppträda. Genom reduktionen av kapacitansen är det möjligt att optimera växelriktarhjälpkretsens första funktion, dvs urkopplingen av tyristorn. Realiseringen av lagringskretsen för åstad- kommande av hjälpkretsens andra funktion kan i allmänhet förverkligas genom inkoppling av en ytterligare strömriktare. I praktiken krävs emellertid endast en likriktare, nämligen vanligen en diodlikriktare i bryggkoppling, vilken anslutes på lämpligt sätt till växelriktaren.

Lika väl som principen för tvåstegskommutering i grunden är gemensam 10 15 20 25 30 35 40 7 79ÛÛ544'3 för olika typer av växelriktare, så är även trestegskommunteringen i sina grunddrag gemensam för olika konkreta lösningar av hjälpkretsar.

Principen för trestegskommuteringen åskådliggörs i fig. 2a och 2b för fallet med en trefasig last RST. I fig. 2a visas schematiskt en krets för förklaring av begreppet "trestegskommutering", och i fig. 2b visas tidsförloppen för de elektriska strömmarna iR, is hos växelströmslastens RST faser R och S. Motsvarande storheter har här- vid samma hänvisningsbeteckningar som i fig. l.

Trestegskommuteringen förlöper i följande steg: Steg I: Intervallet to - tl - kommutering från huvudtyristorn Tl till hjälptyristorerna, induktanserna och kommuteringskondensatorn Ck. Induktanserna LV enligt fig. 2a representerar återigen de egna greninduktanserna och begränsningsinduktanserna med avseende på di/dt.

Steg II: Intervallet tz - t3 - kommutering från grenen med kommuteringskondensatorn Ck till hjälpgrenen med lagringskondensatorn Ca. Kondensatorn Cd utgörs av en bakom likriktaren belägen likströms- kondensator.

Steg III: Intervallet t3 - t4 - kommutering från lagringskonden- satorns Cd hjälpgren till huvudgrenen med tyristorn T2. Detta innebär väsentligen kommutering från en växelströmsfas till nästföljande.

Det skall påpekas att vid vissa växelriktartyper med trestegs- kommutering kan intervallen tz - t3 och t3 - t4 på så sätt, att kommuteringen från fas till fas inträder redan vid tidpunkten tz.

Pâ grund av de tämligen olika långa varaktigheterna för de and- ra och tredje stegen (i praktiken ungefär 20/is resp. 1000/us) är det- ta förhållande oväsentligt för kommuteringen.

Genom jämförelse med tvåstegskommuteringen inses, att överföring- överlappa varandra en av ström mellan faserna, således energilagringen av lasten i hjälpkondensatorerna äger rum under det tredje steget, då hjälpbort- kopplingskretsen är frånkopplad. Detta förklararidet ovan Omnämnda oberoendet av bortkopplingskretsen relativt energilagringen från las- ten. Hjälplagringskretsarna bildas normalt av en icke styrd likrikta- re i bryggkoppling som på likströmssidan är ansluten till en stor likströmslagringskondensator Cd. För en viss koppling av hjälpbort- kopplingskretsarna kan flera kopplingsvarianter av lagringslikriktaren existera. Exempelvis är bortkopplings- och lagringskretsarna delvis förenade, och lagringslikriktaren fungerar samtidigt som bortkopplings- likriktare.

Principen för lagringskretsen är att i den fas, i vilken ström- 10 15 20 25 30 35 40 7900344-8' a men upphör (i fig. 2a och 2b således fasen r) i det tredje kommute- ringssteget inkopplas en lagringskondensator Cd i serie på likrikta- rens likströmssida. Dess spänning motverkar strömmen i denna fas och åstadkommer den egentliga kommuteringen till nästföljande.fas (fig. 2a - tredje kommuteringssteget). I gränsfallet, då lagringskondensa- torn Cd närmar sig oändligheten, är dess koppling likvärdig med mot- spänningen, vilken tillföres de kommuterade faserna. Denna motspän- ning kan betecknas som tillsatskommuteringsspänning, vilken kan an- vändas för åstadkommande av strömkommuteringen mellan faserna oberoen- de av om lasten är lämpad för yttre kommutering eller ej. Lagrings- kapaciteten beror således vid trestegskommuteringen på lagringskapa- citeten hos 1ikströmslagringskondensatorn Ca, medan vid tvåstegskom- muteringen urladdningen av kommuteringskondensatorn är typisk under kommuteringen. Det är således återigen fråga om växelströmskondensa- torer. Vid varje kommutering lagras i kondensatorn Ca en viss, mot strömstyrkan och kommuteringstiden proportionell energimängd. För upp- nående av effektjämvikt är det nödvändigt att från lagringskondensa- torn Cd bortleda en lika stor energimängd. En möjlighet är exempelvis vid låga effekter att belasta kondensatorn i motståndet eller att bortleda energin via en styrd strömriktare till försörjningsnätet.

Bortledningsmetoden är ej grundläggande med hänsyn till principen för trestegskommuteringen, men i praktiken uppkommer emellertid en viss komplikation hos hela växelriktaren med ytterligare krav på den för bortledning av den lagrade energin nödvändiga effektkretsen och de elektroniska kretsarna.

Storleken på den från lagringskondensatorn bortledda effekten i relation till huvudlikriktarens effekt är en viktig parameter vid strömväxel- resp. -likriktare-med trestegskommutering. Den faktor, som till största delen påverkar den bortledda energimängden, är den energimängd, som lagras i lastinduktanserna. Av teorin följer, att pdenna energimängd vid asynkronmotorer, synkronmotorer_och även vid den av nätet bildade lasten utgörs av den energi, som lagrats i las- tens ströinduktanser. Denna last är i ekvivalentkopplingen i fig. 2 inkopplad i serie med den inre inducerade spänningen. Anslutningen av växelriktaren med trestegskommutering till nätet kräver med hän- syn till de små ströinduktanserna en mycket liten kommuteringsvinkel _och en mycket liten lagringskapacitet, exempelvis 2 - 6 elektriska _grader. Storleken av kommuteringsvinkeln kan styras av spänningen på lagringskondensatorn Cd och kan således egentligen påverka kommute- ringsförloppet. Vid asynkronmotorer uppgår kommuteringsvinkeln på

Claims (1)

1. 0 9 790034-4-8 grund av de större ströinduktanserna till 5 - 20 elektriska grader. Detta motsvarar även en större lagringskapacitet, vilken i förhållan- de till motorns skeneffekt uppgår till 4 - l5 % beroende på motorns kvalitet. I Trestegskommuteringen är ej begränsad till användning vid en viss lasttyp utan den kan i princip utnyttjas vid alla möjliga last- typer, vilka kan förekomma vid växel- eller likriktare. Huvudegenska- pen hos trestegskommuteringen är den funktionella separationen av hjälpkretsarna vid kommuteringen på så sätt, att såväl bortkopplingen av tyristorn som den egentliga strömkommuteringen mellan faserna kan optimeras. P A T E N T K R A V Sätt vid kommutering i tre steg vid strömlikriktare eller -växelriktare med självstyrd kommutering för separation av hjälpkret- sarnas bortkopplings- och lagringsfunktioner, k ä n n e t e c k - n a t a v att efter bortkoppling av en styrd halvledarkomponent i en huvudgren genom inverkan av en hjälpbortkopplingsgren kommute- ras den elektriska strömmen på växelströmssidan från denna hjälpbort- kopplingsgren till en hjälplagringsgren, varpå under inverkan av denna hjälplagringsgren den elektriska strömmen övergår från växel- strömssidans dittills ledande fas till nästföljande fas.