SK11532002A3 - Spôsob zníženia amplitúdy nežiaducich harmonických a elektrické viacstupňové zariadenie na zníženie nežiaducich harmonických - Google Patents

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu a zariadenia na zníženie interferenčných harmonických zložiek generovaných vo výkonových konvertoroch.

Doterajší stav techniky

Výkonová elektronika všeobecne pracuje pomocou spínačov, čo vedie k vytváraniu harmonických zložiek. Naviac sa výkonové systémy skladajú zo subsystémov, kde každý z nich pracuje na svojej vlastnej frekvencii. Kombináciou týchto rôznych frekvencii vznikajú rôzne harmonické zložky, známe ako fenomén záznejov.

Záznej' je periodickou variáciou amplitúda oscilácie, ktorá má za následok superpozíciu dvoch susedných frekvencií.

Všeobecnou snahou je oddeliť tieto subsystémy pomocou filtrov, obsahujúcich cievky a kondenzátory.

V prípade trojfázového invertora pre pohonné motory v železničných aplikáciách sa napríklad navrhuje v spise WO 96/33538 úprava vín s pulznou šírkovou .moduláciou pomocou sady vlnových korekcií v diskriminátore. Tento spôsob umožňuje eliminovať mŕtve časy v spínaných sadách vín a tak značne redukovať nežiadúce harmonické zložky, hlavne piateho a siedmeho rádu, ktoré sa objavujú v motorovom prúde a harmonické šiesteho rádu, ktorá sa objavuje na strane napájania a na strane točivého momentu stroja.

r r

Avšak, zmena konfigurácie systému je často limitovaná stratami v polovodičoch alebo fyzikálnymi vlastnosťami systému.

Veľký počet dokumentov, medzi nimi aj spisy US-A-4 638 417, DE-A-196 51 281, DE-A-3 912 706. GB-A-2 232 835 a US-A-4 339 697, navrhuje aplikáciu nastaviteľnej vlny, ktoré je premennou k pulzne širkovo modulovaným vlnám, ktoré majú ovládať invertor, v podstate s cieľom redukovať šum.

Podstata vynálezu

Tento vynález je zameraný na vytvorenie jednoduchého zariadenia na redukciu alebo dokonca aj elimináciu harmonických, ktoré majú pôvod v skladaní rôznych spínacích frekvencií v niekoľkostupňových výkonových konvertoroch.

Vynález je zameraný zvlášť na spôsob a zariadenie, ktoré môžu byť aplikované na systém obsahujúci aspoň dva z nasledujúcich funkčných subsystémov: odporový brzdný menič, invertor/usmerňovač.

Vynález sa týka spôsobu a zariadenia na redukciu amplitúd nežiadúcich harmonických v niekoľkostupňových výkonových konvertoroch, v ktorých je/sú spínač/e aspoň jednej z týchto stupňov kontrolované pulzmi s premennou náhodnou frekvenciou. Vynález teda poskytuje spôsob zníženia amplitúdy nežiadúcich harmonických ¹ vytváraných ' v niekoľkostupňovom výkonovom spínacom zariadení, obsahujúcom aspoň jeden vstupný filter, odporový brzdný menič s aspoň dvomi spínačmi a niekolkostupňovým invertorom obsahujúcom aspoň štyri spínače, kde sa tento invertor priamo napojí na cez stredový bod invertora k stredovému bodu odporového brzdného meniča, kedy podľa tohto spôsobu sa spínače odporového brzdného meniča ovládajú pulzami s premenou náhodnou frekvenciou.

' Ď r r

Elektronické viacstupňové spínacie amplitúd nežiadúcich harmonických, zariadenie na zníženie generovaných v tomto zariadení, hlavne vo forme záznejov, obsahuje aspoň jeden vstupný spínače filter, odporový brzdný menič a niekoľkostupňový obsahujúci aspoň dva spínače sérii.

Podstatou invertor, obsahujúci aspoň vynálezu je, že invertor štyri je priamo pripoj ený na odporový brzdný menič prepoj ením cez ich stredové body, a že obsahuje generátor frekvencie napojený na ovládanie spínačov premennej odporového náhodnej brzdného meniča.

Podľa jedného výhodného uskutočnenia elektronického viacstupňového spínacieho zariadenia podlieha náhodná frekvencia Gaussovému rozloženiu hlavnej frekvencie, odpovedajúce frekvencii použitej pre ekvivalentné zariadenie na pevnej frekvencii. Frekvencie prednostne sledujú Gaussovu

15% až 35% od distribúciu, ktorej odchýlka je iného výhodného vyhotovenia elektronického stredu. Podľa viacstupňového spínacieho zariadenia náhodná frekvencia podlieha neGaussovému rozloženiu. Aj v tomto prípade môže byť výhodne štandartná odchýlka distribúcie v rozpätí 15% až 35% hlavnej frekvencie.

Zvlášť výhodné je, ak elektronické viacstupňové spínacie podľa vynálezu má spínače invertora ovládané PWM vín odpovedajúcich spínacím uhlom zariadenie vypočítaných pre redukciu alebo elimináciu amplitúdy aspoň napäťovej vlny dodávanejV súlade s týmto konvertor výkonové invertorom vynálezom spínacie z niekoľkých funkčných filter, odporový brzdný alebo usmerňovač.

jeden nepárnej harmonickej do záťaže.

znamená termín „výkonový zariadenie pozostávajúce subsystémov zahrňujúcich menič a niekolkostupňový vstupný invertor

Odporový brzdný menič spínačov, prednostne typu všeobecne pozostáva z aspoň dvoch

IGBT a usporiadaných v sérii, kde r r

C c r každý z nich je zapojený paralelne s diódou so záverným predpätim, pričom zostava spinača/diódy je v sérii s odporom.

Všeobecne jedno rameno niekolkostupňového invertora, napríklad trojstupňového, pozostáva aspoň zo štyroch spínačov, prednostne typu IGBT, spojených v dvojiciach. Každý spínač je zapojený paralelne s diódou so záverným predpätim.

Podľa tohoto vynálezu sú spínače meniča ovládané pulzami s premennou náhodnou frekvenciou.

Stred výhodne odpovedá fixnej frekvencii obvykle používanej na ovládanie uvedených spínačov.

Podľa jedného konkrétneho príkladu je stredná ovládacia frekvencia spínača medzi 600 až 900 Hz a štandartná odchýlka je medzi 150 až 250 Hz.

Podľa jednej dôležitej charakteristiky tohto vynálezu je niekoľkostupňový invertor napojený na odporový brzdný menič, t.j. tento menič môže byť napojený na invertor svojim stredovým bodom.

To znamená, že je tak možné obísť nutnosť prítomnosti samostatného medziľahlého kondenzátorového napäťového deliča pre odporový brzdný menič.

Prehľad obrázkov na výkresoch

Obr.l predstavuje obvodovú schému dvojstupňového konvertora podľa stavu techniky.

Obr. 2 predstavuje obvodovú schému konvertora, ktorý používa spôsob a zariadenie na zníženie harmonických zložiek podľa tohto vynálezu.

Obr. 3 predstavuje tvar vlny použitej na ovládanie invertora s tromi spínacími uhlami ai, a₂, a₃.

Obr. 4 predstavuje ovládací signál s nastavovacím vlnovým signálom, ktorý je použitý pre odporový brzdný menič podľa vynálezu.

Γ '

Príklady uskutočnenia vynálezu

Obr.l popisuje dvojstupňový konvertor podľa stavu techniky. Pozostáva z niekoľkých podzostáv, a to zo vstupného filtra _1, odporového brzdného meniča 2 a invertora 4. V popísanom prípade je zobrazené iba jedno rameno trojstupňového invertora.

Vstupný filter klasicky pozostáva z cievky Laz dvoch kondenzátorov C3 a C4.

Odporový brzdný menič 2 pozostáva z dvoch spínačov pri a Fr2, prednostne typu IGBT, ktoré sú usporiadané v sérii, >

pričom každý z týchto spínačov je zapojený paralelne s diódou Dri, Dr2 v závernom stave, kde zostava spínač/dióda je zapojená v sérii s odporom Rl -a R3, ktoré umožňujú disipáciu energie, ktorá nie je spotrebovaná záťažou Ml.

Naviac na zaistenie zdroja napätia je odporový brzdný menič vybavený kapacitným napäťovým deličom, pozostávajúcim z dvoch kondenzátorov C3 a C4.

Jedno, rameno konvenčného trojstupňového invertora je predstavované na obr.l. Pozostáva zo štyroch spínačov, prednostne typu IGBT, spojených v dvojiciach, t.j. TI a T2, T3 a T4. Na každom zo spínačov je upravená paralelne dióda Dl až D4. Kapacitný napäťový delič 3 je tvorený dvomi kondenzátormi Cl a C2 a je taktiež zapojený paralelne k invertoru _4.

Ako bude zrejmé z obr.l, stredové body Xý a X odporového brzdného meniča nie sú podľa stavu techniky spojené.

Predložený vynález je uvedený na obr. 2 a podľa tohto vyhotovenia sú príslušné stredové body X' , X odporového brzdného meniča upravené medzi dvomi kondenzátormi. Toto zvlášť výhodne umožňuje, že pre jednotlivé subsystémy odporový brzdný menič 2/ invertor už nie sú potrebné kapacitné napäťové deliace mostíky.

r- r r

r c · r

r r

r

Spôsob fungovania trojstupňového invertora 4_ je celkom bežný a umožňuje priamo distribuovať vysoké napätie -VNz vrchného trolejového vedenia cez dva IGBT spínače tak, že sú vodivé po dvojiciach, najprv horné dva spínače IGBT1, IGBT2, potom stredné dva spínače IGBT2, IGBT3 a potom spodné dva spínače IGBT3, IGBT4 .

Aproximáciou sínusoidy sa tak vytvoria tri úrovne napätia a to VN, VN/2 a 0.

Druhý kapacitný napäťový delič tak nastavenie stredného potenciálu a tým aj už nie je nutný na pre správnu funkciu invertora, pretože stredové body X, dobrú distribúciu vysokého napätia.

V porovnaní s dvojstupňovým

X' umožňujú dostatočne investorom umožňuj e trojstupňový systém znížiť úroveň harmonických zložiek pomocou lepšej aproximácie sínusoidy.

Pretože napätie dodávané invertorom do záťaže je symetrické vzhľadom k osi Oy, vývoj vo Fourierovej rade zahrňuje iba základné nepárne harmonické 3., 5., 7., 9., atď.

rádu:

HT (t) =aisin (ωί+Φ;) +a₃sin (3ωύ+Φ₃) +a₅sin (5mt+4>5) + . . . .

v ktorých t znamená čas, ω je základná uhlová frekvencia a Φ21-1

Ϋ je fáza korešpondujúca s frekvenciou (2ί-1)ω, kde i=l,2, 3....

Môže byť uvedené, že je možné dosiahnuť systém n lineárnych rovníc, kde n je neznáma, v ktorej sú koeficienty a₃, a₅, a? vyjadrené ako funkcie spínacích uhlov 0(1, 0.2, a₃. . . .

Obr,2 ukazuje tvar vlnovky, korešpondujúci so spínacími uhlami ai, 0(2, a₃. Invertovaním systému rovníc môže byť spínací uhol «i, oí₂ , 0(3 vyjadrený ako funkcia koeficientov vývoja

Fourierovej rady a₃, a₅, a₇.

Je tak teda možné vypočítať spínací uhol, požadovaný na elimináciu určitej harmonickej vybratej na začiatku. Inými slovami, rafinovaný výber krivky vlny, aplikovanej na invertovaný subsystém, umožňuje eliminovať na strane stroja určité harmonické, hlavne tie najmenej žiadúce, ako sú c c

r. harmonické 5. a 7. radu. Harmonické 3.radu a násobku 3 nie sú na strane stroja neprijateľné, pretože ide v tomto prípade o trojfázový systém s izolovanou nulou.

Obvykle je snaha o to, aby kapacitný mostík 3, tvorený kondenzátormi Cl, C2, nebol zahrnutý a pokiaľ je to možné, aby sa odporový brzdný menič priamo pripojil na invertor v mieste X, X' . V tomto prípade je záznej nevyhnutný a bude potlačený iba pokiaľ sa poskytne z odporového brzdného meniča ďalej popísaný príkaz.

V priebehu normálnej funkcie invertor ¹ tak generuje v stredných bodoch X, X' harmonické, ktorých frekvencia je násobkom 3 pracovnej frekvencie. Napríklad, pokiaľ pracuje invertor na frekvencii 50 Hz, môžu byť na strede X, X' nájdené frekvencie 150 Hz, 300 Hz, 450 Hz, atď.

V príklade zobrazenom na obr.2 je odporový brzdný menič 2 priamo pripojený na invertor _4, pracujúci na svojej vlastnej frekvencii, napr.800 Hz. Táto frekvencia je schopná kombinácie so všetkými harmonickými prítomnými na stredovom bode X, X' na vytvorenie zázneja. Je potrebné povedať, že tento záznej je proporcionálne intenzívnejší, čím sú frekvencie bližšie k sebe.

Špecificky, pokiaľ je fl harmonická frekvencia invertora a f2 frekvencia odporového brzdného meniča 2, môžu byť obsiahnuté dva zázneje s kmitočtom (fl+f2)/2 a (fl—f2)/2.

Aby sme predišli tomuto fenoménu postačí, aby sme si predstavili použitie náhodnej ’' frekvencie na ovládanie odporového brzdného meniča. Rozdelenie tejto frekvencie je napr. Gaussova distribúcia s hlavnou hodnotou rovnou obvyklej pracovnej frekvencii f_o=8OO Hz a majúcej štandardnú odchýlku radu úf=200 Hz. Obr.3 dáva príklad kontrolného signálu 6 pre spínače odporového brzdného meniča IGBTs, t.j. IGBT Frl, IGBT Fr2 s náhodnou frekvenciou. Nastavovacia krivka 5 udáva úroveň rozsahu modulácie, aplikovanej na odporový brzdný menič.

Jedno výhodné vyhotovenie vynálezu pozostáva z generovania vstupného signálu, ktorý je vzorkovaním sínusovej funkcie cez interval konečného času, napr. jedna vzorka každých 10 ms počas intervalu ls, a ktorého frekvencia sa mení v čase pri použití generátora náhodných čísel.

Vztiahnuté k jednoduchej frekvencii sú spínacie straty vo výkonových komponentoch rovnaké.

Riešenie doporučené pre vynález má samozrejme niekoľko velmi dôležitých výhod:

redukcia záznejov, ktorá je proporčne väčšia, ako je štandartná odchýlka, redukcia šumu v systéme, prípadne potlačenie kapacitného napäťového deliča medzi odporovým brzdným meničom a invertorom.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob zníženia amplitúdy nežiadúcich harmonických vyváraných v niekolkostupňovom výkonovom spínacom zariadení, obsahujúcom aspoň jeden vstupný filter (1), odporový brzdný menič (2) s aspoň dvomi spínačmi (Frl, Fr2) a niekoľkostupňový invertor (4) obsahujúci aspoň štyri spínače (TI, T2, T3, T4), kde tento invertor sa priamo napojí na cez stredový bo (X) invertora (4) ku

   stredovému bodu (X') odporového brzdného meniča (2), vyznačujúci sa tým, že spínače (Frl, Fr2) odporového meniča (2) sa ovládajú pulzami s premennou náhodnou frekvenciou.
2. 2. Elektronické viacstupňové spínacie zariadenie na zníženie amplitúd nežiadúcich harmonických, generovaných v tomto zariadení, hlavne vo forme záznejov, obsahujúci aspoň jeden vstupný filter (1), odporový brzdný menič )2) obsahujúci aspoň dva spínače (Frl, Fr2) , a niekolkostupňový invertor (4), obsahujúci aspoň štyri spínače (Tl, T2, T3, T4) v sérii, vyznačujúci sa tým, že invertor (4) je priamo pripojený na odporový brzdný menič (2) prepojením cez ich stredové body (X, X') a že obsahuje generátor premennej náhodnej frekvencie napojený na ovládanie spínačov (Tl, T2, T3, T4) odporového brzdného meniča (2).
3. 3. Elektronické viacstupňové spínacie zariadenie podlá nároku 2, vyznačujúce sa tým, že náhodná frekvencia podlieha Gaussovému rozloženiu hlavnej frekvencie, odpovedajúce frekvencii použitej pre ekvivalentné zariadenie na pevnej frekvencii.

   r. r
4. 4. Elektronické viacstupňové spínacie zariadenie podlá nároku 2, vyznačujúce sa tým, že náhodná frekvencia podlieha ne-Gausovému rozloženiu.
5. 5. Elektronické viacstupňové spínacie zariadenie podía ktoréhokoľvek z nárokov 2 až 4, vyznačujúce sa tým, že štandartná odchýlka distribúcie je v rozpätí 15% až 35% hlavnej frekvencie.
6. 6. Elektronické viacstupňové spínacie zariadenie podľa ktoréhokoľvek z nárokov 1 až 4, vyznačujúci sa tým, že spínače (TI, T2, T3, T4) invertora (4) sú ovládané PWM vín odpovedajúcich spínacím uhlom vypočítaných na redukciu alebo elimináciu amplitúdy aspoň jednej nepárnej harmonickej napäťovej vlny dodávanej invertorom (4) do záťaže (Ml).