SE455147C - Elektrisk vaexelriktare - Google Patents

Description

455 147 2 negativt riktade pulser, vilka har en primär komponent motsvarande den för den sinusformade växelströmmen önskade grundfrekvensen.

Generering av elektrisk växelströmsenergi medelst en dylik anord- ning medför i sig att bildas övertonskomponenter förutom den sinus- formiga växelströmsgrundfrekvensen, vilka på ett eller annat sätt måste avlägsnas eller undertryckas, innan belastningsströmmen kan tillföras en växelströmsapparat eller allmän kraftförbrukare. Det har visserligen tidigare föreslagits en mängd olika metoder för minskning av övertonshalten i en växelriktares utspänning, och en konbination av pulsbreddsmodulering jämte en viss seriefiltrering har medfört, att man erhållit en sinusformig utsignal av relativt hög kvalitet.

I och med införandet av den monolitiska integrationstekniken på växelriktarområdet, har effektomkopplingsorgan, sådana som effekt- transistorer, tyristorer etc. samt integrerade kretsar möjliggjort en avsevärd reducering av antalet växelriktarkomponenter samt dessas storlek och vikt. De filter som användes i en växelriktarkrets, tenderar emellertid till att bli en av de kostsammare och tyngre komponenter, vilket har medfört att det har utvecklats talrika förfaranden, som till en minimum reducerar den mängd filtrering som erfordras för att syntetiskt bilda en godtagbar växelströmsvâgform.

Dessutom kräver användandet av filter med hög impedans för elimi- nering av övertoner en stor seriekopplad induktansspole, och spän- ningsreglering är i normala fall nödvändig för att kompensera för spänningsfallet över denna spole, alltefter som belastningen på växelriktaren varierar.

I USA-patentet 3 614 590 beskrives en integrerad monolitisk växelriktare, i vilken en digitalt härledd styrvågform användes för de helbryggkopplade effektomkopplingsorganen. Den styrande vågformen består av spänningspulser av lika bredd, skilda åt genom avstånd eller pauser, som kan vara av olika bredd, alla bildade av ett jämnt eller udda antal lika inkrement. Såsom visas i detta USA- -patents figur 4, anges för omkopplingsorganen ett antal program- merade vågformer, vilka har till uppgift att reducera övertonshalten i växelriktarens utsignal.

Det primära syftet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en elektrisk växelriktare med integrerade omkopplingsorgan, som uppvisar ett minimum av styrketsar och belastningsströmsfilter och som kan tillverkas till låg kostnad i kronor per kilowatt.

I enlighet med föreliggande uppfinning bildar en digital krets m 455 147 ett programmerat omkopplingsprogram eller -mönster för styrning av en elektrisk energiväxelriktares integrerade starkströmsomkopplings- organ på sådant sätt, att övertonerna av lågt och högt ordningstal i växelriktarens utsignal bringas att uppträda inom godtagbara gränser genom utjämning av slitsningen i det programmerade mönstret till ett växelriktarfilter med låg impedans. Samtidigt användes i den trefasiga växelriktaren integrerade omkopplingsorgan, vilka är konstruerade som billiga halvbryggor, som aktiveras med låg omkopp- lingsfrekvens, så att växelriktarens verkningsgrad förblir hög vid en låg tillverkningskostnad i kronor per kilowatt.

Enligt uppfinningen användes i en billig växelriktare med hög verkningsgrad ett utsignalfilter med låg impedans, så att det icke behövs någon spänningsreglering inom växelriktarens belastningsom- råde. Enligt uppfinningen föreslås en ny typ av programmerad om- kopplingsvâgform för en elektrisk växelriktares integrerade, halvbrygg- kopplade omkopplingsorgan, vilken bildar vissa övertoner av lägre ordningstal i syfte att nedbringa storleken av övertonerna av högre ordningstal och därigenom reducera den i det trefasiga utsignal- filtret cirkulerande strömmen.

I enlighet med uppfinningen gäller, att en viss styrsignal på ett nytt sätt balanseras vid tillförseln till ett lågimpedansfilter, så att det icke erfordras någon spänningsreglering inom växel- riktarens belastningsomrâde. Den styrande vågformen omställer de fast integrerade omkopplarna, vilka är kopplade som en trefasig halvbryggsväxelriktare, med en låg periodhastighet i syfte att bibehålla en hög verkningsgrad hos växelriktaren.

Växelriktaren enligt uppfinningen karaktäriseras följaktligen, enligt huvudkravet, av styrorgan för bildande av en återkommande programmerad vågform bestående av två halvperioder och varur styrsignalen erhålles och tillföres omkopplingsorganens styringång, varvid denna programmerade vågform uppvisar en serie slitsar i endast början och slutet av respektive halvperiod därav, varvid vågformens andra halvperiod utgör inversionen av vågformens första halvperiod och varvid bredd, antal och placering på slitsarna i endast början och slutet av respektive halvperiod är så valda,att styrsignalen aktiverar omkopplingsorganen således, att en grund- frekvent växelströmssignal bildas jämte vissa övertoner av lägre ordningstal i växelriktarens utgång, samtidigt som amplituden hos andra övertonerna av högre ordningstal reduceras.

Ovanstående och övriga uppfinningen kännetecknande drag be- skrives närmare nedan med hjälp av en speciell, särskilt lämplig 455 147 4 utföringsform_därav, som är åskâdliggjord-på bifogade ritningar, på vilka: Figur 1 är ett blockschema över en enligt uppfinningen kons- truerad anordning, som visas driva en konventionell 3-fasig, halv- bryggkopplad elektrisk växelriktare; figur 2 är ett diagram, som åskådliggör den styrvàg som till- föres omkopplingsorganen samt den ofiltrerade utspänningsvågen från anordningen enligt figur 1; figur 3 är ett diagram, som åskådliggör amplituderna hos över- tonskomponenterna i växelriktarens utspänning, och figur 4 är en grafisk framställning, som visar den speciella programmerade vågformen enligt föreliggande uppfinning tillsammans med en halvvåg av växelspänningen från växelriktaren.

I figur 1 visas sålunda en som exempel vald utföringsform av en styrvâgsgenerator enligt uppfinningen, vilken är lämplig för generering av en upprepad serie av programmerade vågformer som lämpar sig för styrning av strömledningssekvenserna hos en 3-fasig växelriktare. I den särskilt föredragna utföringsformen innefattar vågformsgeneratorn 10 ett digitalur 12, som alstrar en serie upp- repade pulser av en given frekvens, vilka står i given relation H till grundfrekvensen hos växelriktarens utsignal. Om exempelvis en utsignal med en frekvens av 6OHz önskas, bör urets 12 pulsfrekvens väljas sä, att den utgör en multipel av frekvensen 60 Hz, detta för att var och en av grundfrekvensens 360 el. grader skall komma att inne- hâlhaett lika stort antal utgângspulser från uret 12 ("klockan"). Enligt ï föreliggande uppfinning är denna pulsfrekvens vald till 172,8 kHz.

Klockan 12 är genom en ledning 14 kopplad till en räknare 16, som är anordnad att räkna de av klockan 12 avgivna pulserna och att alstra en serie frekvensrelaterade fyrkantvågor, av vilka var och en står i viss relation till de övriga på känt sätt och vilka avges på ett flertal utgångsledningar. Räknaren 16 uppvisar en noll- ställningsingâng 27, som då den tillföres en viss signal återställer de bistabila vippkretsarna till deras utgângs- eller nolltillstând.

Räknarens 16 utgång är genom en flerledarkabel 18 förbunden med ingângarna till ett permanentminne ROM ("read-only memory") 20, så att de enskilda lagringsplatserna i detta kan adresseras i tur och ordning på vanligt sätt.

Härefter hänvisas också till figur 2A, 2B och 2C, som åskådlig- gör de programmerade vågformer vilka av enheten ROM 20 avges på ledningarna 22, 24 och 26. En nollställningspuls erhålles periodiskt på ledningen 27 i tidpunkt, som motsvarar slutet av varje hel period 455 147 av grundfrekvensen, för att nollställa räknaren 16. Det är att märka, att den programmerade vågformen innehåller pulser av olika stor bredd och att den innehåller nio övergångs- eller omkopplings- punkter i varje halvperiod av grundfrekvensen. Den programmerade vâgformen under den sista halvperioden, dvs. 180-360 elgrader, motsvarar det inverterade värdet av den första halvperioden, dvs. 0-180 elgrader. Digitala inverteringsgrindar 28, 30 och 32 är anslutna till var sin av ledningarna 22, 24 och 26 och är anordnade att bilda en inverterad vågform av var och en av de programmerade vâgformerna från permanentminnet 20. En drivkrets 34 tillföres var och en av de programmerade vàgformerna och avger för varje program- merad vågform en signal, som lämpar sig för drivning av en växel- riktares omkopplingsorgan.

En viktig aspekt av föreliggande uppfinning är att åstadkomma en elektrisk växelriktarkonstruktion samt ett styrsystem för denna, som kan framställas till låg kostnad per kilowatt.

Styrsignalerna fråndrivkretsen 34 överföres på en flerledar- kabel 36 till en växelriktare 38. Växelriktaren 38 är en trefasig växelriktare av den för fackmannen välkända typen och uppvisar en negativ och en positiv ingångssamlingsskena 40 respektive 42, till vilka en yttre elektrisk likströmskälla (en visad), t.ex. en bränslecell e.d., är ansluten. Tre par integrerade högspännings- omkopplare 43, 44; 45, 46 och 47, 48 är vart för sig på visat sätt inkopplat mellan den negativa ingângsskenan 40 och den positiva ingångsskenan 42 för omformning av den elektriska likströmseffekten.

Denna halvbryggkoppling användes emedan endast två omkopplingsorgan, därvid erfordras i varje pol. Omkopplarna för varje pol är aldrig samtidigt strömförande, emedan detta skulle orsaka ett "genomslag". vilket väsentligen är en kortslutning mellan de båda ingângssamlings- skenorna, den negativa och den positiva, vilket skulle kunna skada likströmskällan eller de integrerade omkopplarna, eller bådadera.

Alternativt kan i det idealiska tillståndet omkopplingselementen i varje seriekopplat par aldrig vara samtidigt icke-ledande eller frånslagna, emedan detta skulle medföra momentant avbrott i ström- flödet från likströmskällan till förbrukaren, och därigenom för- sämrad verkningsgrad. Vart och ett av omkopplarorganen 43-38 uppvisar en styringång 53-58 respektive, som är anordnad att selektivt göra den integrerade omkopplaren ledande eller oledande, beroende på styr- signalens karaktär.

Ledningar 60, 62 och 64 är förbundna med de ledningar, som sammanbinder de seriekopplade omkopplarna 43 och 44, 45 och 46 respek- 455 147 6 tive 47 och 48, samt leder belastningsströmmen från omkopplings- organen. Ett lågpassfilter 66 är anordnat att tillföras den genom omkopplarna passerande belastningsströmmen för att bilda en sinus- formig utspänningssignal, och det innefattar en induktansspole 68, en spole 70 och en spole 72, vilka är inkopplade i serie i var sin av ledningarna 60, 62 och 64. Lågpassfiltret 66 innefattar också en mellan ledningarna 60 och 62 inkopplad kondensator 74, en mellan ledningarna 60 och 64 inkopplad kondensator 78 och en mellan ledningarna 62 och 64 inkopplad kondensator 76. Lâgpassfiltret 66 är av konven- tionellt utförande, med det inses utan vidare av fackmannen på området ifråga, att ett filter med låg impedans och därför billigt kan användas i växelriktarkonstruktionen enligt uppfinningen genom att utnyttja den speciella utjämningsprogrammerade omkopplingsvåg- form, som beskrivits i det föregående. Detta beror delvis på att man istället för att tillämpa ett omkopplingsschema, där puls-slitsarna ("notches") eller omkopplingspunkterna är valda för att reducera de lägre övertonerna så mycket som möjligt och därigenom öka halten av övertoner av högre ordning, enligt föreliggande uppfinning er- håller möjlighet att välja storleken av övertoner av lägre ordning, så att ett lågimpedansfilter, t.ex. ett 5%-filter, kan användas för att slutgiltigt syntetiskt bilda den sinusformiga signalen av grund- frekvens. För att förstå funktionssättet hos anordningen enligt föreliggande uppfinning, får man hålla i minnet att fasvågorna på de tre fasledarna i ett 3-fasigt elnät skiljer sig från varandra med 120 el. grader, vilken fasrelation bestämmes av de programmerade styrvågsignalerna från minnet ROM 20, såsom visas i figur 2A-2C.

Följaktligen är de programmerade vågformer, som matas till varje par omkopplare identiskt lika, så när som på att de har en inbördes fasdifferens som uppgår till 120 elgrader av grundfrekvensen.

Vidare är att märka, att den programmerade vågformen enligt uppfinningen är identiskt lika med båda halvperioderna och uppvisar nio övergångar för omkopplingspunkter, där varje omkopplare omkastas mellan strömförande och strömlöst tillstånd. De exakt optimala över- gângspunkterna för utjämningen mellan slitsningen ("notching") och filtret är identiska i följande tabell och de anges i elektriska grader i relation till grundfrekvenssignalen. 7 455 147 Omkopplingspunkt Elektriska grader 1 5,125 2 9,875 3 21,5 4 23,5 ' 5 156,5 6 158,5 7 170,125 8 174,875 9 180 Såsom framgår av figur 2A, befinner sig omkopplaren 43 vid tidpunkten t = O i sitt strömförande tillstånd, medan omkopplaren 44 är frånslagen och förbinder den positiva likströmssamlingsskenan med ledningen 60. I det fasläge, som närmast svararmot 5,125 el- grader, ökat med ett inkrement från klockan 12 genom räknaren 16, uppnår det logiska tillståndet på ledningen 22 i utgången från det permanenta minnet 20 ROM den första punkten och växlar tillstånd, varigenom omkopplaren 43 omstyres till sitt strömlösa tillstånd samtidigt som omkopplaren 44 omstyres till sitt strömförande till- stånd. I detta tillstånd kopplas samlingsskenan 40 för den negativa likspänningen till ledningen 60, varigenom dennas potential växlar till den negativa inspänningens värde. Dessa övergångar eller väx- lingar fortsätter genom 180 elektriska grader under styrning från det fasta minnet ROM 20, och ledningstillståndet hos vardera av omkopplarna 43 och 44 växlas i de i tabellen angivna övergångs- punkterna för den positiva halvperioden. Vid tidpunkten t e 180 el. grader omkastas detta funktionsmönster, så att omkopplaren 43 blir strömlös under den första halvperioden, medan omkopplaren 44 är ström- förande. Under den andra halvperioden, dvs. 180-3600, avger minnet ROM 20 den omvända programmerade vågformen till ledningen 22, varigenom omkopplarna 43 och 44 sålunda göres omväxlande strömförande och strömlösa i exakt samma elektriska övergångs- eller växlings- punkter för den negativa halvperioden. Såsom framgår av figur 2D, bringar den selektiva omställningen av omkopplarna 43, 44 och 45, 46 i enlighet med den programmerade vågformen enligt uppfinningen den âskådliggjorda spänningen att uppträda mellan ledningarna 60 och 62. På liknande sätt gäller, att den selektiva omställningen av omkopplarna 45, 46 och omkopplarna 47, 48 med hjälp av den liknande, men fasförskjutna programmerade vågform, som avges av minnet ROM 20 på ledningarna 24 och 26, bringar den i figur 2E visade vâgformen att uppträda mellan ledningarna 62 och 64. Vidare bringar den 455 147 8 selektiva omkastningen av omkopplarna 47, 48 och av omkopplarna 43, 44 under inverkan av en annan liknande, men fasförskjuten program- merad vâgform den i figur 2F visade vâgformen att uppträda mellan ledningarna 64 och 60. Det torde inses, att det är den exakta bredden, positionen och antalet fyrkantslitsar i den programmerade vågformen, som bestämmer art och halt av övertoner hos växelriktarens utsignal.

Samtidigt är antalet övergångs- eller omkopplingspunkter proportionellt med växelriktarens verkningsgrad, i det att växelriktarens verknings- grad blir desto högre, ju färre gånger växelriktarens omkopplings- organ slås till och från.

Ett trefasigt lâgimpedansfilter 66 är kopplat till ledningarna 60, 62 och 64 för att sammansätta de på desamma uppträdande pulserna till en sinusformig vågform på för fackmannen välbekant sätt. Det torde inses att de komponenter, varav filtret 66 består, är noggrant anpassade efter den vågform, som matas till de integrerade halv- ledaromkopplarna 42-48 för att den totala övertonshalten i växel- riktarens sinusformiga uteffekt inom växelriktarens hela belast- ningsområde icke skall överskrida förutbestämda toleransgränser.

Såsom beskrivits i det föregående, innehåller filtret 66 dämpspolar 68, 70 och 72, som är inkopplade i serie i var sin av ledningarna 60, 62 och 64, samt kondensatorer 74, 76 och 78, som är inkopplade mellan ledningarna 60-62, 62-64 respektive 64-60. De flesta förut kända frefasiga växelriktare har varit försedda med högimpedans- filter i sin utgång för att avlägsna de större amplitud uppvisande övertonerna av högre ordning, vilka eljest skulle störa den sinus- formiga beskaffenheten av den uttagna grundfrekvenssignalen. Sådana högimpedansfilter innefattar en stor seriekopplad induktansspole i utgångsledningen, vilken har en hög serieimpedans vid grundfrek- vensen. Inom växelriktarens hela strömbelastningsområde motsvarar följaktligen spänningsfallet över denna induktansspole av en liknande förändring i den ledningsspänning, som.matas till ett belastnings- objekt. Ett sätt att kompensera för denna spänningsvariation har varit att reglera den effektiva utspänningen genom variationer i den programmerade vågform som användes för omkopplingen, eller genom att ändra likspänningen eller genom en kombination av dessa båda metoder.

Detta förfarande, jämte förändring av övertonskomponenterna i växel- riktarens utspänning, kräver ett dyrbart och komplicerat kontroll- och styrsystem för övervakning av utspänningen och utförande av de nödvändiga justeringarna av manöverschemat för omkopplingsorganen.

Filtret 66 i anordningen enligt föreliggande uppfinning uppvisar 455 147 emellertid en låg serieimpedans för belastningsströmmen, så att variationen i utspänning icke blir mer än 5% från tomgång till fullast. Enär denna variation ligger inom godtagbara tolerans- gränser för de flesta allmännyttiga och liknande ändamål, behöver man icke använda någon ytterligare spänningsreglering. Om det emellertid skulle vara önskvärt med en mindre spänningsavvikelse än så inom belastningsområdet eller om den inmatade likspänningen sjunker som funktion av belastningen, kan man använda en billig öppen-slingreglering för att höja ingångslikspänningen med ett belopp, som är proportionellt med variationer i utströmsbelast- ningen. Denna typ av reglering är enkel och för fackmannen välbekant samt kan på mycket billigt sätt byggas in i växelriktaren enligt föreliggande uppfinning.

En annan betydande fördel med uppfinningen är att den program- merade vågformen också till ett minimum begränsar storleken respektive amplituden av momentala strömpulser, som passerar genom växel- riktarens omkopplingsorgan, till värden som icke överstiger vad som erfordras för avgivning av belastningsströmmen. I figur 3 visas ett diagram över övertonernas amplituder upp t.o.m. den 49:e över- tonen. Den lägre amplituden hos övertoner av högre ordningstal, alstrade genom aktivering av omkopplingsorganen i enlighet med den programmerade vågformen enligt uppfinningen, nedbringar till ett minimum det krav på toppströmföring, som åvilar filtret 66, de integrerade omkopplingsorganen 43-48 och själva likströmskällan.

Enär växelriktarens samtliga komponenter måste vara konstruerade med hänsyn tagen till kravet på toppström av viss storlek och denna speciella faktor oftast är direkt proportionell med komponenternas, speciellt de integrerade omkopplarnas, kostnad, är det klart att ett krav på låg toppström avsevärt kan reducera den totala kostnaden per kilowatt vid växelriktarens tillverkning. Dessutom medför den lägre amplituden hos övertonerna av högt ordningstal, att den genom filtret 66 cirkulerande strömmen reduceras.

Slutligen visas i figur 4 en grafisk framställning av den programmerade styrvâgformen, överlagrad på en halvvåg av grund- frekvensen, exempelvis 0-180 elektriska grader, samt en bild av filtrets aktuella utgångsform under driftförhållanden. Det inses, att den kombinerade effekten av pulsslitsarna i styrvågformen 80 med en liten mängd lâgimpedansfiltrering gör utsignalens 82 slutliga form närmelsevis sinusformig relativt grundfrekvensvågen 84k

Claims (4)

455 147 10 15 20 25 30 35 10 äATsNTxRAv

1. Elektrisk växelriktare for omriktning av elenergi frán en likströmskälla till en närmelsevis sinusformad växelströmsvág, varvid växelriktaren innefattar inorgan (40, 42) för mottagande av elektrisk likströmsenergi från en stromkälla i form av en negativ och en positiv insig- nal, omkopplingsorgan (38), som växelvis omställes till strömförande och strömlost tillstånd i beroende av till- ståndet hos en styrsignal, som tillföres en styringång, för att alstra en serie positiva och negativa pulser från nämnda elektriska energikälla, samt filterorgan (66), är kopplade till nämnda omkoppplingsorgan för att avlägsna övertonerna av högre ordningstal från de positiva och ne- gativa pulserna ur omkopplingsorganen och därvid alstra en närmelsevis sinusformig grundfrekvent växelstromssignal, k ä n n e t e c k n a d av styrorgan (10) för bildande av en återkommande programmerad vågform bestående av två halvperioder och varur styrsignalen erhålles och tillfores nämnda omkopplingsorgans (38) styringång, varvid denna programmerade vågform uppvisar en serie slitsar i endast början och slutet av respektive halvperiod därav, varvid SOU! vågformens andra halvperiod utgör inversionen av vågfor- mens första halvperiod, varvid bredd, antal och placering på slitsarna i endast början och slutet av respektive halvperiod är så valda, att styrsignalen aktiverar nämnda omkopplingsorgan således, att en grundfrekvent växel- strömssignal bildas jämte vissa övertoner av lägre ord- ningstal i växelriktarens utgång, samtidigt som amplituden hos andra övertonerna av högre ordningstal reduceras, och varvid den återkommande vàgformen motsvarar 180 elektriska grader och att slitsarna är omkopplingspunkter och upp- kommer vid 10 15 20 25 30 35 'I 455 147 omkopplingspunkt elektriska grader 1 5,125 9,875 21,5 23,5 156,5 158,5 l70,125 l74,875> 180

2. Våxelriktare enligt patentkrav l, OOQGOIñ-UJN k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda styrorgan också innefattar ett minnesorgan (20), i vilket den programmerade vágformen är lagrad i var för sig adresserbara platser, och att styrorganen vidare innefattar en intervallklocka (12) för avgivning av en utsignal, som står i viss relation till nämnda växelströmssignals grundfrekvens, samt ett räkne- organ (16) för sekvensiell adressering av de skilda lag- ringsplatserna i nämnda minnesorgan.

3. Växelriktare enligt patentkrav 2, k ä n n e - t e c k n a d av att minnesorganet (20) alstrar en serie programmerade vágformer, som uppvisar 120 elektriska gra- ders inbördes fasdifferens, att nämnda omkopplingsorgan (38) innefattar tre par omkastare, som är kopplade för att avge de negativa och positiva pulserna på tre skilda led- ningar, och att varje omkastare i nämnda omkopplarpar in- ställes växelvis till strömförande och strömlöst tillstànd i enlighet med den programmerade vàgformen, så att det bildas en serie positiva och negativa pulser på nämnda separata ledning, vilka uppvisar en inbördes fasdifferens av 120 elektriska grader. k ä n n e - t e c k n a d av att nämnda filterorgan är ett 5% filter.

4. Växelriktare enligt patentkrav 1,