SE502191C2 - Förfarande och anordning för kompensering av bortfall av en växelriktare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 502 191 2 Med hänsyn till att maximalspänningen för halvledarkomponen- ter hela tiden ökar, blir detta förhållande allt vanligare.

I många fall kan man inte acceptera ett totalt bortfall av en växelriktare. Ett exempel på detta är vid järnvägslok, där en redundans är nödvändig för att loket åtminstone nödtorftigt skall kunna dra sig till nästa station. Ett känt sätt att åstadkomma detta är att koppla två växelriktare i serie till likströmskällan, för erhållande av två separata växelström- mar, som kan vara kopplade till var sin motor eller till olika lindningar på samma motor. Om då den ena växelriktaren faller ur, parallellkopplar man den med ett motstånd, som upptar det spänningsfall som den bortfallna växelriktaren skulle upptagit. Man uppnår då att den hela växelriktaren ej utsättes för alltför hög likspänning, men den effekt som skulle gått till den bortfallna växelriktaren, går därmed förlorad i värme, med motsvarande kylningsproblem.

Ett förekommande driftsfall i tåg är när man låter växel- strömar från på likströmssidan seriekopplade växelriktare mata var sin drivmotor. En förutsättning är då att båda växelriktarna avger samma effekt, ty eljest komer den in- gående likspänningen inte att fördela sitt spänningsfall lika över växelriktarna. En total symmetri är visserligen inte nödvändig, så länge som ingen växelriktare erhåller en lik- spänning överstigande den maximalt tillåtna. Om emellertid i ett traktionsfall de av strömmen från en av växelriktarna drivna hjulen slirar, så kommer effektupptaget att sjunka och därmed spänningsfallet över växelriktarens likspänningsin- gång. Den andra växelriktaren får då en motsvarande förhöjd spänning, vilket är en klar olägenhet.

Det är ett syfte med uppfinningen att helt eller delvis eliminera dessa svårigheter och genom förhållandevis enkla medel åstadkomma en redundans utan extrema förluster. Detta och andra syften, som framgår av den fortsatta beskrivningen, uppnås enligt uppfinningen genom ett förfarande och en anord- ning av ovannämnt slag, som uppvisar de särdrag som anges i den kännetecknande delen av krav 1 resp. krav 4. 10 15 20 25 30 502 191 3 Vid anläggningar av det avsedda slaget är det enligt känd teknik förekomande att man har ett antal huvudväxelriktare, t.ex. två, som levererar var sin växelström för huvudeffekt, till exempel för motordrift. Därutöver har man ett hjälpsys- tem för att erhålla elektrisk kraft till andra system, t.ex. belysning, fläktar, kompressorer eller luftkonditionering, där man bland annat är intresserad av att erhålla mera kon- ventionell växelströmsfrekvens (50 eller 60 Hz). Det är även i detta fall lämpligt att uppdela likströmskällans spänning på flera växelriktare, som ger var sin flerfasiga växelström och koppla dessa till var sin transformator. Man får då två strömkällor, så att om den ena blir felaktig, den andra kan omkopplas till att mata samtliga förbrukare. Även i detta fall måste en bortfallen växelriktare ersättas med ett mot- stånd.

I enlighet med uppfinningen anordnar man nu så, att man har ett antal hjälpväxelriktare och n gånger detta antal huvud- växelriktare, där n är ett heltal större än eller lika med 1.

Med n = 1 är två huvudväxelriktare kopplade i serie till lik- strömskällan, medan två hjälpväxelriktare för sig är vara seriekopplade till sama likströmskälla. Ingenting hindrar emellertid att man exempelvis dubblerar huvudväxelriktarna (n = 2), så att man har två var för sig serieinkopplade par av huvudväxelriktare. För ett lok med fyra drivmotorer kan man då få var sin drivspänning till dessa.

Vidare kopplar man hjälpväxelriktarna med sina växelströmsut- gångar till var sin primär lindningsuppsättning i en gemensam transformator, vars sekundärlindningar försörjer hjälpsyste- mets förbrukare. Det blir då möjligt att låta hela den från likströmskällan kommande likströmmen passera igenom en hjälp- växelriktare, om dess motsvarande huvudväxelriktare fallerar.

Den växelströmseffekt som därvid alstras i denna hjälpväxel- riktare kommer att ledas till den nämnda transformatorn och göras tillgänglig på växelströmsutgången till övriga hjälp- växelriktare, så att effekten kan matas åter mot likströmssi- dan. Såvitt avser den nödvändiga hårdvaran är det tydligt att det för uppfinningens tillämpning är önskvärt att den nämnda 10 15 20 25 30 .502 191 4 transformatorns kapacitet göres tillräcklig, liksom också kapaciteten för hjälpväxelriktarna. I vilken grad detta skall ske beror av hur mycket effekt man anser sig behöva vid det nödläge man vill avhjälpa. (I denna beskrivning har för enkelhets skull en växelriktares för likström avsedda anslut- ning benämnts ingång och den för växelström benämnts växel- strömsutgång, detta trots att effekttransporten mellan lik- strömssida och växelströmssida kan ske ät båda hållen.) Ehuru det är möjligt att utöva uppfinningen med ett godtyck- ligt antal huvud- och hjälpväxelriktare, torde det vanligaste bli att antalet är tvä. Principen är emellertid oförändrad, om antalet är större.

Uppfinningen skall nu närmare beskrivas i form av ett icke begränsande utföringsexempel i anslutning till figurerna.

Figur l visar ett schematiskt diagram över en anläggning med två huvudväxelriktare och två ytterligare växelriktare. Figur 2 visar ett exempel på en för uppfinningen användbar växel- riktare av i och för sig känt slag. Figur 3 visar ett exempel på med styrpulser aktiverade spänningar i en växelriktare enligt Figur 2.

'I den följande beskrivningen förutses bekant hur växelriktare är konstruerade och styres, med hänsyn till existensen av en rikhaltig litteratur i ämnet. Det hänvisas exempelvis till "Power Electronics" av Kjell Thorborg och till "High Power Electronics - HVDC and SVC" av Åke Ekström (Stockholm 1989), vilka arbeten härmed förklaras innefattade genom hänvisning i föreliggande beskrivning.

I den schematiska Figur 1 visas ett system i enlighet med uppfinningens principer, närmast avsett för järnvägsdrift. En likströmskälla 1, 2 levererar via tvâ växelriktare 3, 4 två trefasiga växelströmmar med ledningar 5 och 6 till en driv- motoruppsättning T, som kan bestå av en eller flera driv- motorer. Växelriktarna, som är urkopplingsbara medelst från- skiljare 7, styres med pulser från en styrenhet C via led- ningar 9, varvid styrenheten lämpligen, särskilt vid järn- 10 15 20 25 30 35 502 191 5 vägsfordon, kan erhålla varvtalssignaler från drivenheten T via en ledning 9a, varigenom växelströmmens frekvens kan anpassas till motorvarvtalet. Likspänningen är, som framgår av figuren, delad lika mellan de båda växelriktarna 3 och 4.

Detta gäller i princip automatiskt, så länge dessa har in- bördes lika belastning på växelströmssidorna.

Parallellt med denna uppsättning av huvudväxelriktare avsedda för drivmotorerna T finns det ett hjälpkraftsystem bestående av två ytterligare växelriktare 10, ll, vilka också är in- bördes seriekopplade till samma likströmskälla 1, 2. Deras växelströmsutgångar är i enlighet med uppfinningen kopplade till var sina primärlindningar på en transformator 12, vars sekundärlindningar levererar trefasström i ledningar 13 för allmänna benov, såsom belysning, fläktar m.m. Dessa växel- riktare, som också kan frånkopplas medelst frånskiljare 7, är styrda av styrenheten C på sådant sätt, att en i princip konstant systemfrekvens hålles (50 eller 60 Hz).

Det må påpekas att trefastransformatorn är något speciell, eftersom den är försedd med tre lindningsuppsättningar, två trefasiga “primär1indningar" och en trefasig sekundärlind- ning. Omsättningstalet mellan “primärlindningarna“ inbördes är 1:1 medan omsättningstalen mot sekundärlindningarna är givna av den önskade servisspänningen. Om alltså sekundär- lindningarna under normal drift matar ut t.ex. 300 kVA, skall alltså vardera primärlindningen leverera 150 kVA.

I enlighet med uppfinningen är nu likströmssidornas före- ningspunkter mellan resp. par av växelriktare 3, 4 och 10, 11 sammankopplade med en ledning 14. Därigenom uppnås att för- delningen av likspänningen Un” mellan växelriktarna 3 och 4 blir densama som den mellan växelriktarna 10 och 11.

Vid ett typiskt fall är motorenhetens T effektuttag 3 MW, medan effektuttaget för hjälpkraften från transformatorn 12 kan vara endast 300 kW. Emellertid är det möjligt, om någon av växelströmsledningarna, till exempel 5, belastas mindre än den andra (något som kan inträffa vid slirning), att lik- 10 15 20 25 30 35 502 191 6 strömmen genom växelriktaren 3 skulle tendera att minska.

Detta kompenseras enligt uppfinningen, därigenom att växel- riktaren 10 kommer att dra mera ström och därmed avge mera effekt till transformatorn 12. Denna överskottseffekt kommer att i första hand minska effektuttaget från växelriktaren 11, vars likström kommer att minska. Ledningen 14 kommer därmed att kunna leverera en överskottsström motsvarande skillnaden mellan likströmarna genom växelriktarna 10 och 11 mot punk- ten 8 och därmed möjliggöra att växelriktaren 4 får mera likström än som går igenom växelriktaren 3.

För det fall att en av huvudväxelriktarna, t.ex. 3, helt faller bort och måste frånskiljas, sker detsamma, men i mera utpräglad form, så att växelriktaren 10 via transformatorn 12 matar en positiv effekt till växelriktaren 11, vars likström därmed blir riktad mot ingångsspänningen, varför växelrikta- ren 4 kommer att bli matad med likström från båda växelrik- tarna 10 och 11.

Det är i och för sig möjligt att dimensionera samtliga fyra visade växelriktare för lika stora maximieffekter. Redundans- effekten vid bortfall av en huvudväxelriktare 3 eller 4 blir då maximal, så att den kvarvarande av dem kan drivas med sin egen fulleffekt. Detta kan emellertid bli onödigt dyrbart, om man bara önskar kunna få framdrivning med minskad fart. Med de ovan exemplifierade data för full motoreffekt om 3 MW och hjälpkraft 300 kW kan det till exempel vara lämpligt att vid frånfall av en huvudväxelriktare nöja sig med en fjärdedel, 750 kw, för motordriften och oförändrat uttag från hjälp- kraftkällan 13. Med ett antagande att matningsspänningen är 3000 V DC, erhålles då, om den kvarvarande huvudväxelriktaren är 4, att likströmen genom denna blir 500 A, bestritt genom att genom växelriktaren 10 levereras 350 A och genom växel- riktaren 11, som levererar ström från likströmskällans minus- pol mot ledningen 14, 150 A. Detta innebär att den effekt som upptages av växelriktaren 10, fördelas på uttaget från trans- formatorns sekundärsida och på en tillförsel till växelrikta- rens 4 likströmssida. I detta exempel innebär det, med an- tagande att effektfaktorn cos 9 är 0,8, att transformatorn 10 15 20 25 30 35 502191 7 under normaldrift omsätter 375 kVA men under den så dimensio- nerade redundansdriften omsätter 656 kVA, motsvarande vad som tillföres från den tillförande primärlindningsuppsättningen.

Det är alltså tydligt att man vid uppfinningen behöver en för ändamålet dimensionerad transformator av speciellt slag, vars båda primärlindningar måste kunna tåla över tre gånger större belastning vid redundansfallet.

Det är tydligt att en motsvarande redundansverkan kdmer att uppträda även vid ett bortfall av en av växelriktarna 10 eller ll.

I Fig. 1 har med streckade linjer antytts två ytterligare huvudväxelriktare, vilka är kopplade parvis seriekopplade till samma likströmskälla. En sådan modifierad utföringsform kan vara lämplig för ett lok med fyra motorförsedda drivax- lar, som alltså erhåller drivkraft från var sin av de fyra huvudväxelriktarna. Även här kommer uppfinningens fördelar att uppnås, vilket fackmannen förstår. Nödtraktionseffekten kan då hållas procentuellt högre vid det fall att en huvud- växelriktare går sönder. Liksom i fallet med två huvudväxel- riktare kommer en utjämning av spänningen mellan seriekoppla- de huvudväxelriktare att erhållas vid ojämnt effektuttag t.ex. på grund av slirning.

För att uppnå de nämnda matnings- och växelriktarförhållande- na måste styrningen från styrkretsen C ske på lämpligt sätt.

För närvarande föredrages att använda pulsbreddsmodulering i spänningsstyv regim. Vid dylik modulering och med släckbara ventilelement (t.ex. GTO-tyristorer) kan man åstadkomma en automatisk övergång mellan effektöverföring från likströmssi- da till växelströmssida och effektöverföring åt motsatt håll.

Eftersom principerna för styrning av dylika växelriktare är tidigare känd och beskriven i litteraturen, är det tillräck- ligt att exemplifiera med ett kopplingsschema hämtat ur den nämnda monografin av Axe Ekström, varur rig. 2 øch 3 är hämtade. Styrningen sker genom s.k. pulsbreddsmodulering.

Styrningen är så anordnad, att alltid minst en av de två 10 15 20 i 502 191 8 tyristorventiler som är ansluten till varje fas alltid är ställd för att leda bryggströmen. Sålunda gäller för den med a betecknade fasen att alltid antingen ventilen G1 eller ventilen G4 är tänd. Då dioderna D1 och D4 är parallellkop- plade med tyristorerna, sä kommer antingen en av tyristorerna eller en av dioderna alltid att leda ström. - I det enklaste fallet, fyrkantsmodulering, kommer spänningarna på växel- strömsanslutningarna, Uu, Uh, Um (där m betecknar en tänkt mittpunkt mellan likströmspolerna) att få de i Fig. 3 visade vågformerna. Fasspänningen till neutralpunkten framgår av den nedersta kurvan i Fig. 3.

Mera komplicerade pulsmoduleringar är kända, som ger mindre övertonsinnehåll. Vid sådana mera komplicerade pulsmodule- ringar, som används vid relativt lägre nivåer på växelspän- ningens grundton, omkopplas relativt oftare mellan de två ventilerna i en fas, Detta förfarande är allmänt känt som pulsbreddsmodulering.

Claims (8)

10 15 20 25 3G 3s- 502 191 9 Patentkrav

1. Förfarande för kompensering av snedbelastning eller bort- fall av en växelriktare i ett med likström matat system, där ett antal huvudväxelriktare för växelströmsmotordrift är med sina likströmsingàngar kopplade minst parvis i serie till en likströmskälla och sina växelströmsutgàngar kopplade till minst en drivmotor, varjämte ett antal ytterligare växel- riktare är med sina likströmsingàngar kopplade i serie till samma likströmskälla och sina växelströmsutgangar kopplade till ett elektriskt hjälpnät, kännetecknat av att antalet huvudväxelriktare är n gånger antalet ytterligare växelrikta- re, där n är ett heltal som är större än eller lika med ett, att föreningspunkterna mellan huvudväxelriktarnas likströms- ingångar sammankopplas med var sina motsvarande förenings- punkter mellan de ytterligare växelriktarna, att de ytterli- gare växelriktarna har sina växelströmsutgångar kopplade till var sin lindningsuppsättning på en gemensam transformator, och att samtliga växelriktare innefattar släckbara ventiler samt styres medelst pulsmodulering i fyrkvadrantdrift.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att det nämnda heltalet n är ett och antalets huvudväxelriktare är två.

3. Förfarande enligt krav 1, kännetcknat av att det nämnda heltalet n är två och antalet huvudväxelriktare är fyra, kopplade två och tva i serie.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, klnnetecknat av att vid fel på en av huvudväxelriktarna denna frånkopplas medelst frânskiljare.

5. Växelriktaranordning med en likströmsingàng (1, 2) och minst två växelströmsutgångar (5, 6) matade från var sin till likströmsingången seriekopplad huvudväxelriktare (3, 4), vilkas växelströmsutgångar är kopplade till minst en motor (T), jämte en växelriktarstyrenhet (C) kännetecknad av att 10 15 20 25 502 191 10 med varje nämnd huvudväxelriktare (3, 4) är parallellkopplad en ytterligare växelriktare (10, 11), de ytterligare växel- riktarna är med sina växelströmsutgångar kopplade till en gemensam transformator (12) och transformatorn är dimensione- rad för att från en av de ytterligare växelriktarna, vars motsvarande parallellkopplade huvudväxelriktare är ur funk- tion, överföra växelströmseffekt till minst en annan ytterli- gare växelriktare, och att växelstyrenheten (C) är anordnad att styra åtminstone de ytterligare växelriktarna medelst pulsbreddsmodulering i fyrkvadrantdrift, varigenom elektrisk effekt är matningsbar från den ytterligare växelriktare, vars motsvarande parallellkopplade huvudväxelriktare är frånskild, via transformatorn och via minst en annan ytterligare växel- riktares växelströmsutgång till den senares likströmsingång.

6. Växelriktaranordninenligt krav 5, kännetecknad av att antalet huvudväxelriktare är två.

7. Växelriktaranordning enligt krav 5 eller 6, kânnetecknad av att samtliga växelriktare är spänningsstyva.

8. Växelriktaranordning enligt något av krav 5 - 7, känne- tecknad av att en varvtalsavkänningssignal (9a) är kopplad från nämnda minst en motor till växelriktarstyrenheten (C) för att reglera nämnda huvudväxelriktare till en varvtalsbe- roende frekvens.