CZ22137U1 - Zapojení emulátoru kapacit pro ověření funkce akcelerometru - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká obvodu přepěťové ochrany pro vypínatelné tyristory TY a/nebo výkonové tranzistory IGBT ve vysokonapěťových měničích, ve kterých je použito sériové řazení polovodičových prvků.

Dosavadní stav techniky

Standardní zapojení obvodu přepěťové ochrany je znázorněno na Obr. 1.

U vypínatelných tyristorů TY musí být rychlost nárůstu proudu při sepnutí tyristoru TY omezena na výrobcem předepsanou hodnotu. Pro toto omezení se do série s tyristorem TY zapojuje tzv. strmostní indukčnost cívky Ls, případně je velikost nárůstu proudu omezena parazitní indukčností vodičů v obvodu tyristoru TY. Při vypínání tyristoru TY, či komutaci nulové diody Do v měniči dochází k velmi rychlému zániku proudu procházejícímu těmito součástkami. Na sériově zapojené strmostní indukčností cívky Ls potom vzniká přepětí namáhající tyristor TY. K omezení velikosti tohoto přepětí je paralelně k tyristoru TY a nulové diodě Do zapojen obvod přepěťové ochrany tvořený diodou Ds, odporem Rv a kondenzátorem C, jehož úkolem je převzít proud, který tekl tyristorem TY. Tento proud je v přepěťové ochraně snižován definovanou rychlostí, čímž je omezena velikost přepětí na strmostní indukčností cívky Ls během vypínání tyristoru TY, nebo nulové diody Do. Hlavním funkčním prvkem přepěťové ochrany je kondenzátor C, který se nabíjí zanikajícím proudem strmostní indukčností cívky Ls a zvyšuje se tak napětí na tomto kondenzátoru C. Rychlému vybití kondenzátoru C při opětovnému sepnutí tyristoru TY zabraňuje dioda Ds, zapojená s tímto kondenzátorem C do série. K vypínání tyristorů TY v měniči dochází periodicky. Před dalším vypnutím se zvýšené napětí na kondenzátoru C musí vrátit na počáteční hodnotu. Velikost proudu, kterým se kondenzátor C vybíjí přes sepnutý tyristor TY je omezena odporem Rv.

V případě vysokonapěťových měničů, kde jsou tyristory TY spolu se svými ochrannými obvody zapojeny sériově, je třeba u tohoto zapojení přepěťové ochrany dimenzovat velikost kondenzátorů C nejen proti vzniku přepětí od strmostní indukčností Ls. Tyristory TY a nulové diody Do zapojené v obvodu sériově vykazují určitý rozptyl jak ve statických parametrech tj. proud v blokovacím a závěrném směru, tak v parametrech dynamických tj. spínací a vypínací doby. Tyto rozdíly v parametrech mají za následek nerovnoměrné rozložení napětí na sériově zapojených prvcích. Pro vyrovnání statické nerovnoměrnosti rozložení napětí je obvod doplněn statickým děličem napětí, tvořeným odpory Rs. Velikost odporů Rs se musí volit tak, aby proud odporem byl několikanásobně větší než udávaný proud tyristoru TY v blokovacím stavu a závěrný proud nulové diody Do. Ztrátový výkon na odporech Rs tak vychází značně velký a má za následek velký objem prostoru, nutného pro instalaci těchto odporů v měničovém bloku a rovněž snížení účinnosti celého měniče. Podobně to platí pro vybíjecí odpory Rv, na kterých vzniká rovněž značný ztrátový výkon o velikosti = 1/2 * C x U² x f, kde C je kapacita kondenzátoru, U je napětí na které se kondenzátor nabíjí a f je spínací frekvence měniče.

Při návrhu obvodu přepěťové ochrany sériově zapojených polovodičových součástek je třeba navrhovat velikosti použitých kondenzátorů a odporů na nejhorši možný případ rozptylu parametrů použitých výkonových tyristorů a diod. Přitom je nutné brát v úvahu, že velikost těchto parametrů je funkcí mnoha veličin, jako je např. teplota, pracovní napětí, spínaný proud i stáří prvků. To vede na značnou předimenzovanost ochranných obvodů, mající za následek velké tepelné ztráty a z nich vyplývající nižší účinnost celého měniče.

Při použití standardního konstrukčního řešení jsou jednotlivé prvky obvodu vodivě spojeny dle schématu zapojení pomocí samostatných vodičů kruhového, nebo plochého průřezu tj. pásky, plechy.

- 1 CZ 22137 Ul

U měničů s výkonovými tranzistory se přímé sériové řazení tranzistorů nepoužívá. Tím je pro tyto měniče limitující hodnota maximálního pracovního napětí daná vlastnostmi použitých tranzistorů.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny obvodem přepěťové ochrany pro vypínatelné tyristory a/nebo tranzistory ve vysokonapěťových měničích, sestávajícím z diody a kondenzátoru, ke kterému je paralelně připojeno sériové spojení odporu a tranzistoru řízeného obvodem podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je řídicí obvod určený pro spínání tranzistoru v závislosti na velikosti napětí na kondenzátoru.

io K obvodu s diodou Ds může být sériově zapojena tlumivka Ls. Tato je do obvodu připojena pouze tehdy, když pro omezení strmosti proudu nebude postačovat indukčnost přívodních vodičů.

K odporu je připojena paralelně nulová dioda zapojená svojí katodou ve směru kladného potenciálu úbytku napětí na odporu. Do série s kondenzátorem je zapojena dioda. Pro zapojení s vypí15 natelným tyristorem je součástí zapojení strmostní tlumivka, pokud pro omezení proudu tyristorem nepostačuje indukčnost přívodních vodičů.

K jednomu tyristoru a/nebo tranzistoru může být připojeno jeden nebo více do série spojených obvodů přepěťové ochrany.

Připojovací vodiče ochrany jsou s výhodou vytvořeny na deskách oboustranných plošných spojů.

Ve výhodném provedení je obvod umístěn ve společné stahovací konstrukci bloku vysokonapěťového měniče paralelně s tyristory zapojenými do série a nulovými diodami. Obvod je tvořen deskou s diodami a deskou elektroniky obsahující kondenzátory, tranzistory, řídicí obvody a další nulové diody.

Desky s diodami jsou ve stahovací konstrukci s výhodou upevněny pomocí válcových vložek z elektricky vodivého materiálu.

Z původního dříve užívaného standardního zapojení zůstaly v obvodu shodně zapojeny dioda Ds a kondenzátor C. Nový obvod se vyznačuje schopností řízeného vybíjení kondenzátoru C, které je realizováno tranzistorem Tr, řídicím obvodem K a odporem Rv zapojeným odlišně než ve standardním zapojení. Řídicí obvod K tranzistoru pracuje na principu komparátoru s hysterezí.

Obvod K snímá napětí na kondenzátoru C a porovnává ho s předem nastavenou konstantní referenční hodnotou. Když napětí na kondenzátoru překročí nastavenou mez, je sepnut tranzistor Tr a kondenzátor C je přes odpor Rv a tranzistor Tr vybíjen. Vybíjení pokračuje do doby, než napětí na kondenzátoru dosáhne velikosti odpovídající nastavené hysterezi v řídicím obvodu K. Vliv parazitní indukčnosti odporu Rv je eliminován jeho nulovou diodou Dv.

Z důvodu nižšího pracovního napětí použitých tranzistorů Tr, ve srovnání s pracovním napětím výkonového tyristoru TY je možné k jednomu tyristoru zapojit více samostatných přepěťových obvodů do série. Rovnoměrné rozložení napětí na tyto sériově zapojené obvody zajistí výše popsaná funkce tohoto obvodu. Funkce obvodu rovněž nahrazuje funkci statického děliče napětí tvořeného ve standardním zápojem odpory Rs.

Pro eliminaci vzniku přepětí na výkonových polovodičových prvcích, ke kterým je obvod připojen, je nutné, aby spojovací vodiče mezi tyristorem TY, diodou Ds a kondenzátory C měly minimální parazitní indukčnost. Toho je dosaženo tím, že celý obvod je realizován na několika deskách oboustranných plošných spojů s minimalizací plochy proudové smyčky na každém plošném spoji. Většina součástek popisovaného obvodu je na deskách plošných spojů v provedení

SMD.

Velikost vybíjecího proudu kondenzátoru je tedy řízena v závislosti na napětí tohoto kondenzátoru.

.

CZ 22137 Ul

První výhodou navrženého řešení je minimalizace tepelných ztrát v obvodech přepěťových ochran měniče a z toho vyplývající zvýšení účinnosti. Toho je dosaženo úplným vypuštěním odporů statického děliče a snížením ztrátového výkonu vybíjecích odporů Rv. Řídicí obvody K řídí spínání tranzistorů Tr tak, že velikost proudu procházejícím vybíjecím odporem Rv je v každém okamžiku právě taková, aby přepětí na tyristoru TY nepřekročilo nastavenou mez.

Druhá výhoda pramení z konstrukčního řešení na bázi plošných spojů. Toto řešení zlepšuje elektrické parametry obvodu eliminací parazitních indukčností. Další výhodou je zjednodušení a zrychlení montáže a eliminace chyb v zapojení, ke kterým dochází při použití klasických vodičů. Přehled obrázků na výkresech

Obvod přepěťové ochrany pro vypínatelné tyristory ve vysokonapěťových měničích podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na příkladu konkrétního provedení s pomocí přiložených výkresů, kde je na obr. 1 znázorněno standardní zapojení obvodu přepěťové ochrany. Na obr. 2 je znázorněno příkladné zapojení obvodu přepěťové ochrany podle tohoto technického řešení. Na obr. 3 je znázorněna část bloku vysokonapěťového měniče s obvodem přepěťové ochrany.

Příklady provedení technického řešení

Obvod přepěťové ochrany pro vypínatelné tyristory TY ve vysokonapěťových měničích sestává ze sériově zapojené cívky Ls a paralelně zapojené nulové diody Do a obvodu s diodou Ds, kondenzátorem C a vybíjecím odporem Rv. K diodě Ds a kondenzátoru C je připojen obvod sestávající z tranzistoru Tr, řídicího obvodu K obsahujícího komparátor s hysterezí a odporu Rv. K odporu Ryje paralelně připojena další nulová dioda Dv.

K jednomu tyristoru TY nebo tranzistoru může být připojeno jeden nebo více do série spojených obvodů přepěťové ochrany.

Obvodové spoje jsou vytvořeny na deskách oboustranných plošných spojů.

Na obr. 2 je znázorněno příkladné zapojení. Z původního zapojení zůstaly v obvodu shodně zapojeny dioda Ds a kondenzátor C. Obvod K snímá napětí na kondenzátoru C a porovnává ho s předem nastavenou konstantní referenční hodnotou. Když napětí na kondenzátoru C překročí nastavenou mez, je sepnut tranzistor Tr a kondenzátor C je přes odpor Rv a tranzistor Tr vybíjen. Vybíjení pokračuje do doby, než napětí na kondenzátoru C dosáhne velikosti odpovídající nastavené hysterezí v řídicím obvodu K. Vliv parazitní indukčností odporu Rv je eliminován jeho nulovou diodou Dv. Velikost vybíjecího proudu kondenzátoru C je řízena v závislosti na napětí tohoto kondenzátoru C.

Obvod je umístěn ve společné stahovací konstrukci St bloku vysokonapěťového měniče paralelně s tyristory TY zapojenými do série a nulovými diodami Do. Obvod je tvořen deskou s diodami Ds a deskou E elektroniky obsahující kondenzátory C, tranzistory Tr, řídicí obvody K a další nulové diody Dv. Desky s diodami Ds jsou ve stahovací konstrukci St upevněny pomocí válcových vložek VL z elektricky vodivého materiálu.

Na Obr. 3 je vyobrazena část bloku vysokonapěťového měniče s IGCT tyristory zapojenými do série. Prvky jsou umístěny ve společné stahovací konstrukci St ve třech sloupcích v pastilkovém provedení. V prvním sloupci odleva jsou staženy IGCT tyristory TY, uprostřed jsou nulové diody Do a v pravém sloupci jsou staženy desky přepěťové ochrany tvořené deskou s diodami Ds a deskou E elektroniky obsahující kondenzátory C, tranzistory Tr, nulové diody Dv a obvody K řízení. Desky přepěťové ochrany jsou ve stahovací konstrukci St upevněny pomocí válcových vložek VL z vodivého materiálu například mědi. Uvedené řešení, určené pro tyristory IGCT, v principu umožňuje také přímé sériové řazení výkonových tranzistorů IGBT v měničích.

-3CZ 22137 Ul

Průmyslová využitelnost

Obvod přepěťové ochrany pro vypínatelné tyristory ve vysokonapěťových měničích podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění zejména u vysokonapěťových měničů s vypínatelnými polovodičovými prvky, jako jsou např. IGCT, GTO, ale i u měničů s výkonovými tranzistory IGBT, zejména však v měničích, ve kterých jsou polovodičové součástky řazeny do série za účelem zvýšení napěťové odolnosti. Navržený obvod nalezne uplatnění v měničích pro rozběhy a řízení velkých motorů, v plně řízených usměrňovačích, aktivních kompenzátorech napájecích sítí, stejnosměrných měničích, měničích frekvence i jiných typech střídavých měničů.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Obvod přepěťové ochrany pro vypínatelné tyristory (TY) a/nebo tranzistory (IGBT) ve vysokonapěťových měničích, sestávající z paralelně zapojené nulové diody (Do) a obvodu s diodou (Ds), kondenzátorem (C), ke kterému je paralelně připojeno sériové spojení odporu (Rv) a tranzistoru (Tr) řízeného obvodem (K), vyznačující se tím, že obvod (K) řízení je řídicím obvodem pro spínání tranzistoru (Tr) v závislosti na velikosti napětí na kondenzátoru (C).
2. 2. Obvod podle nároku 1, vyznačující se tím, že k obvodu s diodou (Ds) je sériově zapojena tlumivka (Ls).
3. 3. Obvod podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že k odporu (Rv) je připojena paralelně nulová dioda (Dv) zapojená svojí katodou ve směru kladného potenciálu úbytku napětí na odporu (Rv).
4. 4. Obvod podle nároku 1, 2 nebo 3, vyznačující se tím, že do série s kondenzátorem (C) je zapojena dioda (Ds).
5. 5. Obvod podle kteréhokoli z uvedených nároků, vyznačující se tím, že k jednomu tyristoru (TY) a/nebo tranzistoru (IGBT) je připojeno jeden nebo více do série spojených obvodů přepěťové ochrany.
6. 6. Obvod podle kteréhokoli z uvedených nároků, vyznačující se tím, že připojovací vodiče jsou tvořeny deskami oboustranných plošných spojů.
7. 7. Obvod podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že je umístěn ve společné stahovací konstrukci (St) bloku vysokonapěťového měniče paralelně s tyristory (TY) zapojenými do série a nulovými diodami (Do), přičemž je tvořen deskou s diodami (Ds) a deskou (E) elektroniky obsahující kondenzátory (C), tranzistory (Tr), řídicí obvody (K) a další nulové diody (Dv).
8. 8. Obvod podle nároku 7, vyznačující se tím, že desky s diodami (Ds) jsou ve stahovací konstrukci (St) upevněny pomocí válcových vložek (VL) z elektricky vodivého materiálu.