FI121643B

FI121643B - Virran yliaaltojen rajoitus

Info

Publication number: FI121643B
Application number: FI20070212A
Authority: FI
Inventors: Jaakko Ollila; Nicklas Soedoe; Lasse Kortelahti
Original assignee: Vacon Oyj
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2011-02-15
Also published as: FI20070212A; EP1971016A3; US7593244B2; US20080259658A1; EP1971016A2; FI20070212A0

Description

VIRRAN YLIAALTOJEN RAJOITUS

Tekniikan ala 5 Yleiseen sähkönjakeluverkkoon liitettyjen laitteiden verkosta otta man virran yliaaltosisällölle on asetettu rajoituksia alan kansainvälisissä standardeissa (esim. IEC 61000-3-12; Limits for harmonic currents produced by equipment connected to public low-voltage systems with input current >16A and <75A per phase ja EN12015; Electromagnetic compatibility - Product family 1 o standard for lifts, escalators and moving walks - Emission.

i Tämän keksinnön kohteena on järjestely joka rajoittaa taajuusmuuttajan syöttöverkosta ottaman virran yliaaltoja.

i

Tunnettu tekniikka 15

Standardien asettamat rajoitukset koskevat sekä yksittäisten yliaaltojen suuruutta että niiden kokonaisvaikutusta (THD, Total (Harmonic Distortion).

Esim. yllämainitun standardin IEC 61000-3-12 mukainen raja symmetrisessä kolmivaiheverkossa oikosulkusuhteella 250 (verkon oikosulkuteho / laitteen ni-20 mellisteho) 5. yliaallolle on 40% perusaallosta ja THD:lle 48%. Standardin EN12015 mukaiset vastaavat raja-arvot ovat 30% ja 35%.

Yleisimmässä taajuusmuuttajaratkaisussa, jollaisen yksinkertaistettua pääpiiriä esittää kuvio 1, syöttöverkon kolmivaiheinen jännite tasasuun-nataan diodisillalla 10 vakiotasajännitteeksi, jota suodatetaan kondensaattorilla | 25 Cdc· Tasajännitteestä muodostetaan nopeilla tehopuolijohde-kytkimillä, esimer- j kiksi IGBT-tyristoreilla, kolmivaiheinen lähtöjännite U, V, W vaihtosuuntaajassa j 11. Lähtöjännitteen amplitudia ja taajuutta voidaan asetella portaattomasti te-o hokytkinten johtavaoloaikoja ohjaamalla (PWM, Pulse Width Modulation). Ta- ^ sasuuntauskytkentään kuuluu normaalisti joko tasasuuntaus-sillan 11 vaih- ^ 30 tosähköpuolella sijaitseva AC-kuristin Lac tai sen tasasähkö-puolella sijaitseva i oo DC-kuristin Ldc-

O

x Yleisesti ottaen voi todeta, että mitä suurempi on AC- tai DC- cc kuristimen induktanssi, sitä pienemmät ovat verkkovirran yliaallot. AC- ^ kuristimen tapauksessa induktanssin suurentaminen johtaa kuitenkin sen yli ^ 35 vallitsevan jännitehäviön kasvamiseen, mikä puolestaan alentaa välipiirin tasa- o jännitettä ja sitä kautta saavutettavaa lähtöjännitteen maksimitasoa. Tämän vuoksi AC-kuristimen induktanssiarvo on normaalisti rajoitettava sellaiseksi, että sen jännitehäviö on 3-4% syöttöjännitteestä. Tällä induktanssiarvolla alimmat, ! 2 erityisesti 5. yliaalto ovat liian suuret. Koska kuristin on taajuusmuuttajan suurimpia ja kalleimpia komponentteja, ei induktanssin kasvattaminen muutenkaan ole yleensä mahdollista riippumatta siitä, käytetäänkö AC- vai DC-kuristinta.

Sen vuoksi verkon yliaaltojen rajoittaminen pelkästään kuristimen avulla ei joh-5 da hyvään lopputulokseen.

Sellaisissa taajuusmuuttajissa, joissa käytetään esim. jarrutusener-gian verkkoonsyötön takia kuvion 2 mukaista aktiivista tasasuuntaussiltaa, saadaan verkkovirta lähes sinimuotoiseksi (THD < 5%). Ratkaisun kustannukset ovat kuitenkin huomattavasti diodisiltaversiota suuremmat aktiivisen sillan 10 ja 10 suodatusyksikön 9 vuoksi. Siksi tällainen ratkaisu tulee kyseeseen vain erikoistapauksissa.

Tunnettu on myös ratkaisu, jossa syöttöverkkoon on järjestetty erillisiä ns. imupiirejä virran yliaaltojen rajoittamiseksi. Myös tällainen ratkaisu on kustannusten vuoksi sellainen ettei sitä yleensä käytetä.

15

Keksinnön yhteenveto f Tämän keksinnön kohteena uudentyyppinen imupiiri, jolla taajuus- f.

muuttajan verkkovirran yliaallot saadaan kohtuukustannuksin rajoitetuksi alan 20 standardien vaatiman tason alapuolelle. Samalla keksinnön mukainen ratkaisu alentaa välipiirijännitteen aaltoisuutta, millä on edullinen vaikutus mm. suoto-kondensaattorien rasitukseen ja moottorisäädön suorituskykyyn.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa käytetään DC-kuristinta, johon on järjestetty ylimääräinen pylväs käämityksineen. Tämän ylimääräisen käämin 25 kanssa sarjaan on kytketty kondensaattori, jotka yhdessä muodostavat imupii-rin. Koska kuristimen kaikki käämit sijaitsevat yhteisessä sydän-rakenteessa, niillä on myös tietty keskinäisinduktanssi, jolla ei kuitenkaan ole erityistä merki-o tystä imupiirin toiminnan kannalta. Integroidun kuristinratkaisun ansiosta ratkai- ° sun kustannukset pysyvät kohtuullisina.

30 Keksinnön mukaisen imupiirin toiminnan kannalta on oleellista, että g kondensaattori on pienihäviöinen. Suuren sarjavastuksen (ESR) vuoksi taa- x juusmuuttajissa yleistä elektrolyyttikondensaattoria ei näinollen voi tässä piirissä

CC

käyttää. Polypropyleenikalvoteknologiaan pohjautuvat muovikondensaattorit, ^ jotka ovat yleistymässä uuden sukupolven taajuusmuuttajissa, sopivat keksin ee (5 35 non mukaiseen ratkaisuun hyvin.

o Valitsemalla imupiirin resonanssitaajuus sopivasti saadaan haluttu suodatusvaikutus aikaan laajalla verkkotaajuusalueella. Yleisimmät maailmalla i s !· | 3 käytössä olevien verkkojen taajuudet ovat joko 50Hz tai 60Hz, joille molemmille sopiva kompromissi resonanssipiirin taajuudeksi on 290Hz.

Eräs keksinnön mukaisella imupiiriratkaisulla saavutettava lisäetu on se, että syöttöverkon kokonaistehokerroin PF paranee noin lukemaan 0,95.

5 Tavanomaisella DC-kuristinratkaisulla päästään normaalisti noin lukemaan 0,9. Kokonaistehokerroin määritellään seuraavasti: PF = ^yT xcos^,

/ 1RMS

10 missä F = verkkovirran perusaallon rms-arvo

Irms = verkkovirran kaikki yliaallot sisältävä kokonaisarvo coscpi = jännitteen ja virran perusaallon välisen kulman kosini.

i

Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle ratkaisulle tunnusomaiset 15 piirteet on esitetty patenttivaatimuksessa 1, ja sen edullisille sovellutusmuodoille tunnusomaiset piirteet muissa patenttivaatimuksissa.

r

Piirustusten lyhyt kuvaus 20 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerk kien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää perinteisen taajuusmuuttajan pääpiiriä Kuvio 2 esittää taajuusmuuttajan aktiivista verkkosiltaa,

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista imupiiriratkaisua 25 Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen kuristimen toteutusta

Kuvio 5 esittää vertailua verkkovirran käyrämuodoista o Kuvio 6 esittää vertailua verkkovirran yliaalloista, THD-tasoista ja 0 välipiirijännitteen aaltoisuudesta.

i

T

T 30 Keksinnön yksityiskohtainen kuvaus o | Kuvio 1 esittää normaalin kolmivaiheisen PWM-taajuusmuuttajan cm pääpiiriä, jossa on diodeista koostuva verkkosilta 10 syöttöverkon kolmivaihei- o sen vaihtojännitteen R, S, T tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännit- g 35 teeksi, tasajännitteen suotokondensaattori CDc> kolmesta tehopuoli-johteilla to-w teutetusta vaihekytkimestä koostuva kuormasilta 11, joka muodostaa välipiirin tasajännitteestä kolmivaiheisen lähtöjännitteen U, V, W sekä ohjausyksikkö 12.

4

Kuviossa on esitetty myös molemmat vaihtoehtoiset verkkovirran yliaaltojen suodattamiseksi yleisesti käytetyt kuristinratkaisut Lac ja Ldc. Kuristimen vai-hekäämien käämityssuunta on merkitty pienellä täplällä kuristimen viereen.

Yleinen DC-kuristinratkaisu on myös sellainen jossa käytetään vain yhtä haara-5 kohtaista kuristinta (joko Ldc+ tai Ldc-).

Tällaisen perinteisen taajuusmuuttajakytkennän heikkous verkkovirran yliaaltojen suhteen on se, että standardien vaatimia rajoja on vaikea saavuttaa ilman suurikokoista ja siten myös kallista kuristinta.

10 Kuvio 2 esittää vaihtoehtoista tapaa toteuttaa verkkosilta 10. Tässä ratkaisussa käytetään ns. aktiivista verkkosiltaa (AFE, Active Front End), joka muodostaa välipiirin tasajännitteestä kolmivaiheisen vaihtojännitteen taajuus-muuttajan verkon puolelle. Tämän jännitteen ja verkon jännitteen välinen amplitudi- ja vaihe-ero sekä suotopiirin 9 impedanssi määräävät millainen virta ver-15 kosta otetaan. Ratkaisun haittapuoli on sen kalleus, minkä vuoksi sitä yleensä s käytetään vain erikoistapauksissa.

Kuvio 3 esittää tämän keksinnön mukaista integroitua imupiiriä, jolla verkkovirran yliaallot saadaan rajoitetuksi standardien vaatimalle tasolle koh-20 tuukustannuksin. Imupiiri on järjestetty taajuusmuuttajan välipiiriin, DC-suotokuristinratkaisun yhteyteen. Ratkaisussa käytetään kaksihaaraista yhteiselle sydämelle käämittyä DC-kuristinta, jossa on DC-välijännitepiirin sekä +-että -napaan liitetty kuristinosa (L1, L2), ja jossa kuristinsydämeen on järjestetty kolmas pylväs imupiirin induktanssia varten (L3). Yhteisen sydämen ansiosta 25 kuristimilla on myös tietty keskinäisinduktanssi, jolla ei ole merkittävää vaikutusta imupiirin toimintaan. Imupiirin kondensaattori C1 kytketään kuvion 3 mukaisesti imukuristimen kanssa sarjaan suotokondensaattorin Cdc rinnalle, o Suuritaajuisten L3-C1 -resonanssipiirin virtojen takia kondensaatto- ^ rin C1 on oltava tyypiltään pienihäviöinen, esimerkiksi polypropyleenikalvosta ^ 30 valmistettu (tasajännitepiireissä yleisesti käytetty elektrolyyttikondensaattori ei oo sovi tähän ratkaisuun liian suurten häviöiden takia). Silloin kun myös varsinai-

O

x nen välipiirin suotokondensaattori on valmistettu samalla teknologialla, on mah-

CC

dollista käyttää kustannuksiltaan edullista kolminapaista ratkaisua, jossa sekä C1 että Cdc on sijoitettu samaan koteloon. C1:n ja C2:n kapasitanssiarvot on CM f ^ 35 edullista mitoittaa samankokoisiksi.

o o

CM

Kuviossa 4 on esitetty esimerkki tämän keksinnön mukaisen kuristimen toteutuksesta, jossa on kuristinosat L1 ja L2 sekä niiden pylväät 41, 42 s i 5 sekä pylväiden väliset ikeet 44, 45. Alemman ikeen 45 ja pylväiden välissä on ilmaväli 46. L1 ja L2 -käämit ja -pylväät 41,42 on mitoitettava laitteen pääviran mukaisesti, minkä vuoksi ne ovat suuremmat kuin imupiirin L3-käämi ja -sydän (pylväs 43), joka sijaitsee pylväiden 41, 42 välissä, ja jonka voi mitoittaa 5 pienemmäksi pienemmän virran ansiosta. L3-sydän voi toki olla samankokoi-nenkin kuin muut jos siitä on esim. valmistusteknistä etua. L3:n induktanssiako on edullista mitoittaa noin kaksinkertaiseksi L1:n ja L2:n induktanssiarvoihin verrattuna.

10 Kuviossa 5 on esimerkki tyypillisistä verkkovirran käyrämuodoista silloin, kun käytetään perinteistä DC-kuristinta (Conventional LC) ja silloin, kun käytössä on tämän keksinnön mukainen imupiiriratkaisu (LC+Resonant Circuit).

Kuviossa 6 on esitetty eräitä tyypillisiä käyrämuotoja perinteisellä 15 DC-kuristimella varustetulla pääpiiriratkaisulla ja tämän keksinnön mukaisella ratkaisulla. Kuviossa on esitetty THD:n, 5. yliaallon ja välipiirin DC-jännitteen aaltoisuuden käyttäytyminen taajuusmuuttajan lähtötehon funktiona eräässä esimerkkitapauksessa taitoalueella 5...40 kW (pääte -conv viittaa kuviossa pe- rinteiseen ratkaisuun). Kuten kuviosta on nähtävissä, keksinnön mukaisella 20 ratkaisulla laskevat sekä kokonais-THD että 5. yliaalto merkittävästi verrattuna i perinteiseen LC-piiriratkaisuun, esimerkiksi nimellisellä 40 kW teholla THD 42% vs. 33% ja 5. yliaalto 38% vs. 29%. Myös välipiirijännitteen aaltoisuus (DC_voltPKPK) laskee huomattavasti, ollen kuvion mukaisessa esimerkissä 50Hz:n verkossa 40kW teholla vain noin neljäsosa perinteisen LC-piirin rippelis-25 tä, 51V vs. 13V. Välipiirijännitteen tasaisuudella on edullinen vaikutus mootto-risäädön toimintaedellytyksiin. Myös osakuormilla uuden ratkaisun edut ovat selvät kuten kuviosta voi nähdä.

o ^ Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot 30 eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaih- oo della jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

o f

X

cc

CL

c\i o £

S

o

<M

Claims

6

1. Kytkentäjärjestely vaihtosähköverkosta taajuusmuuttajaan syötetyn virran yliaaltojen rajoittamiseksi, 5 joka taajuusmuuttaja on liitettävissä kolmivaiheiseen vaihtosähkö- verkkoon, i jossa taajuusmuuttajassa on ohjaamaton verkkosilta (10) vaih-tosähköverkon vaihtojännitteen tasasuuntaamiseksi, DC-välijännitepiiri, jossa on suodatuskondensaattori (Cdc), sekä tehopuolijohdekytkimillä varustettu 10 kuormasilta (11) kolmivaiheisen vaihtojännitteen (U, V, W) muodostamiseksi, ja joka kuormasilta on ohjattavissa ohjausyksikön avulla pulssileveysmodulaatiol-la, ja | jossa DC-tasajännitevälipiirissä on kuristin, jossa on sekä positiiviseen että negatiiviseen napaan järjestetty kuristinosa (L1, L2), ja 15 jossa kytkentäjärjestelyssä on imupiiri vaihtosähköverkosta syötet tävän virran yliaaltojen rajoittamiseksi, tunnettu siitä, että imupiiri on järjestetty DC-välijännitepiiriin, imupiirissä on suodatuskondensaattorin (Cdc) rinnalle kytkettävä 20 kuristimen (L3) ja kondensaattorin (C1) sarjaankytkentä, DC-välijännitepiirin kuristin on yhteiselle sydämelle, jossa on pyi- i väät ja niiden väliset ikeet, käämitty kaksihaarainen DC-kuristin, ja jossa kuristimen magneettisydämeen on järjestetty lisäpylväs imu-piirin kuristinta varten. 25

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että imupiirin kuristimen induktanssiarvo on noin kaksinkertainen kuristinosi- o en (Ldc+, Ldc-) induktanssiarvoihin verrattuna.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kytkentäjärjestely, tunnet- g tu siitä, että impupiirin kondensaattorin ja suodatuskondensaattorin kapasitans- x siarvot ovat olennaisesti yhtä suuret. ir a.

4. Laitteisto vaihtosähköverkosta taajuusmuuttajaan syötetyn virran ° 35 yliaaltojen rajoittamiseksi, o o joka taajuusmuuttaja on liitettävissä kolmivaiheiseen vaihtosähkö- verkkoon, i 7 jossa taajuusmuuttajassa on ohjaamaton verkkosilta (10) vaih-tosähköverkon vaihtojännitteen tasasuuntaamiseksi, DC-välijännitepiiri, jossa on suodatuskondensaattori (Cdc). sekä tehopuolijohdekytkimillä varustettu kuormasilta (11) kolmivaiheisen vaihtojännitteen (U, V, W) muodostamiseksi, ja 5 joka kuormasilta on ohjattavissa ohjausyksikön avulla pulssileveysmodulaatiol-la, ja jossa DC-tasajännitevälipiirissä on kuristin, jossa on sekä positiiviseen että negatiiviseen napaan järjestetty kuristinosa (L1, L2), ja jossa kytkentäjärjestelyssä on imupiiri vaihtosähköverkosta syötet-10 tävän virran yliaaltojen rajoittamiseksi, tunnettu siitä, että imupiiri on järjestetty DC-välijännitepiiriin, DC-välijännitepiirin kuristin on yhteiselle sydämelle, jossa on pylväät ja niiden väliset ikeet, käämitty kaksihaarainen DC-kuristin, ja 15 jossa kuristimen magneettisydämeen on järjestetty lisäpylväs imu- piirin kuristinta varten.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että imupiiri on suodatuskondensaattorin rinnalle kytkettävä kuristimen (L3) ja kon- f 20 densaattorin (C1) sarjaankytkentä.

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että DC-välijännitepiirin positiiviseen ja negatiiviseen napaan järjestettyjen kuris-tinosien (L1 ja L2) käämit ja pylväät on mitoitettu suuremmiksi kuin imupiirin ! 25 käämi ja sydän.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 4 - 6 mukainen laitteisto, tunnettu o siitä, että imupiirin kondensaattori (C1) on pienihäviöinen muovikondensaattori, ^j esimerkiksi polypropyleenikalvosta valmistettu. ζΖ 30

8. Jonkin patenttivaatimuksen 4 - 7 mukainen kytkentäjärjestely, x tunnettu siitä, että välipiirin suodatuskondensaattori on samaa tyyppiä kuin DC imupiirin kondensaattori, ja kondensaattorit on järjestetty kolminapaisesti siten, ^ että molemmat kondensaattori (C1, Cpc) on sijoitettu samaan koteloon, o Ö o (M j f f 8