FI75700C - Foerfarande och anordning foer styrning av effekt vid en likspaenningskaella. - Google Patents

Description

75700

MENETELMÄ JA LAITE TASAJÄNNITELÄHTEEN TEHON OHJAAMISEKSI -FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR STYRNING AV EFFEKT VID EN LIKSPÄNNINGSKÄLLA

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laite tasajännite-lähteen tehon ohjaamiseksi kolmivaiheverkon ja tasajännite-piirin välillä, jossa menetelmässä ensimmäisistä diodeista muodostuvalla diodisillalla tasasuunnataan kolmivaihejännite tasajännitteeksi tehon virratessa kolmivaiheverkosta tasajännitepiiriin, ja jossa menetelmässä tasajännitteen vaihtosuuntaamiseksi kolmivaihejännitteeksi tehon virratessa tasajännitepiiristä kolmivaiheverkkoon diodisillan diodien rinnalle kytketään transistorit, joita transisto-reita ohjataan ohjaimilla, joiden ohjaimien ohjausjännitteet muodostetaan toisilla diodeilla kolmivaiheverkosta siten, että kukin transistori johtaa transistorin rinnalla olevan diodin johtamisaikana.

Monissa sovellutuksissa tarvitaan tasajännitelähdettä siten, että tasajännitelähde kykenee sekä ottamaan että antamaan tehoa. Tällainen tarve on esimerkiksi vakiojännit-teisestä syötöstä tehdyssä vaihtovirtamoottoria ohjaavasssa invertterissä, jos moottorin kuorma kykenee syöttämään tehoa. Hissi edustaa tyypillistä kuormaa, jolla on kyky syöttää tehoa. Kaksisuuntaisen tehonvirtauksen sovellutusalueena kyseeseen tulevat esimerkiksi transistori- ja tyris-tori-invertterit vaihtovirtamoottorikäytöissä.

Eräs kaksisuuntainen tasajännitelähde on akku. Akun käytöllä on kuitenkin monia haittoja. Akkujen elinikä on lyhyt. Lisäksi tarvitaan laite akun lataamiseksi, ja jos palaavaa tehoa on yli akkujen kapasiteetin, ei akku enää kykene vastaanottamaan loppuenergiaa. Akkujen suuri paino, niiden sisältämät vaaralliset hapot sekä kalleus ovat myös haittoja.

Nykyään käytetään kaksisuuntaisena tasajännitelähteenä usein vaihtojänniteverkon ja tasajännitepiirin välillä 2 75700 kiertovirrallisia ja -virrattomia tyristorisiltoja, joissa kuorman syöttämä teho syötetään vaihtojänniteverkkoon. Kiertovirraton tyristorisillalla toteutettu kytkentä perustuu siihen, että kahdesta sillasta toinen on johtava tehon virtaussuunnasta riippuen. Vaihtoaika siltojen välillä on suhteellisen pitkä. Kiertovirraton kytkentä voidaan myös toteuttaa diodisillan ja tyristorisillan avulla siten, että säästömuuntajaa käytetään kiertävän tehon välttämiseksi. Tällöin voidaan vaihtosuuntaava tyristorisilta pitää koko ajan johtavana.

Taajuusmuuttajan tasajännitepiirissä syntyy kiertävää häviötehoa kolmivaiheverkosta kokoaaltotasasuuntauksella muodostetun tasajännitteen aaltoisuudesta johtuen. His-si-inverttereissä kiertävä teho voi olla merkittävän suuri, jopa kymmenien kilowattien suuruuusluokkaa. Kiertävä teho aiheuttaa mm. verkkovirtaan runsaasti harmonisia yliaaltoja. Kiertävää tehoa rajoitetaan usein tasajännitepiiriin sijoitetulla induktanssilla. Verkkovirtaan muodostuvien harmonisten yliaaltojen rajoittamisen kannalta on tarpeellista käyttää mahdollisimman suurta induktanssia. Suuri induktanssi on kuitenkin haitallinen esimerkiksi kytkettäessä invertteri tasasuuntajän avulla kolmivaiheverkkoon. Tällöin tasajännitepiirissä olevan kapasitanssin ja induktanssin yhteisvaikutuksesta syntyy jänniteheilahdus, jota normaalilla verkkoinduktanssilla ei tapahdu. Toisena induktanssin haittana voidaan pitää induktanssin aiheuttamaa jännitehäviötä nopean kuormitustehon vaihtelun aikana.

Kiertovirrallisessa tyristorisiltakytkennässä voidaan molemmat sillat pitää myös koko ajan johtavina. Tällöin ei energian virtaussuunnan valvontaa tarvitse tehdä erikseen. Tyristorikytkentöjen haittana on tyristorien ohjauskytken-töjen monimutkaisuus. Lisäksi tyristorien syttymiseen ja sammumiseen tarvittava aika on suhteellisen pitkä.

Il 75700 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellämainitut epäkohdat. Keksinnön mukaiselle menetelmälle tasajännite-lähteen tehon ohjaamiseksi kolmivaiheverkon ja tasajännite-piirin välillä on tunnusomaista se, että transistorien johtamisaikoja lyhennetään tasajännitepiirissä kiertävän tehon pienentämiseksi kytkemällä kunkin transistorin ohjaimen kanssa sarjaan Zener-diodi.

Keksinnön merkittävänä etuna tyristoritekniikkaan verrattuna on ohjauskytkentöjen yksinkertaistuminen ja nopeus, koska tehotransistorien syttymis- ja sammumisajat ovat lyhyempiä kuin tyristorien. Kun transistorit ohjataan johtaviksi vain osalla diodien johtamisaikoja, voidaan pienentää kiertävää tehoa tasajännitepiirissä ilman suuria ja kalliita kuristimia. Lisäksi nopean kuormitustehon vaihtelun aikana ei tapahdu kuristimen aiheuttamaa jännite-häviötä.

Keksinnön mukaista menetelmää soveltavalle laitteelle, johon laitteeseen kuuluu diodisillan muodostavat ensimmäiset diodit kolmivaihejännitteen tasasuuntaamiseksi tasajännitteeksi tehon virratessa kolmivaiheverkosta tasajännite-piiriin, diodisillan kunkin diodin rinnalle kytketyt transistorit tasajännitteen vaihtosuuntaamiseksi kolmivaihejännitteeksi tehon virratessa tasajännitepiiristä kolmivaihe-verkkoon, ohjaimet transistorien ohjaamiseksi sekä toiset diodit ohjausjännitteiden muodostamiseksi kolmivaiheverkosta ohjaimille siten, että kukin transistori johtaa transistorin rinnalla olevan diodin johtamisaikana, on tunnusomaista se, että laitteessa on Zener-diodit, joista Zener-diodeista kukin on kytkettävissä sarjaan kunkin ohjaimen kanssa transistorien johtamisaikojen lyhentämiseksi ja tasajännitepiirissä kiertävän tehon pienentämiseksi.

4 75^00

Keksinnön mukaisen transistoreiden ohjauspiirin etuna on se, että ohjausyksikkö ei tarvitse erillistä jännitelähdettä, vaan sen tarvitsema jännite saadaan suoraan kolmivaihe-verkosta. Kytkennässä ei tarvita erillisiä komparaattorei-ta, koska jännitteiden vertaaminen tapahtuu diodeilla. Lisäksi kytkentä on yksinkertainen.

t

Seuraavassa keksintöä selostetaan viittaamalla oheiseen piirustukseen, jossa

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaista tasajännitelähdettä sekä transistorien ohjausyksikköä.

Kuvio 2 esittää tasajännitelähdettä syöttävän kolmivaihe-verkon vaihejännitteitä ja diodien sekä transistorien johtamisaikoja vaihejännitteen jakson aikana.

Tarkastellaan keksinnön mukaista laitetta aluksi kuvion 1 perusteella. Kuviossa 1 on diodisilta, jossa keksinnön mukaisesti on kytketty kunkin diodisillan diodin Dl - D6 rinnalle transistori Ql - Q6, sekä transistorien ohjausyksikkö. Diodisilta toimii tasajännitelähteenä, josta saatavalla tasajännitteellä voidaan syöttää esimerkiksi vaihto-virtamoottoria ohjaavaa invertteriä. Jos moottorin kuorma, esimerkiksi hissi, kykenee myös syöttämään tehoa, ohjataan palaava teho kolmivaiheverkkoon. Tehon ohjaamiseksi tasa-jännitelähdettä syöttävään kolmivaiheverkkoon tehon virratessa tasajännitepiiristä kolmivaiheverkkoon kytketään keksinnön mukaisesti kunkin diodin Dl - D6 rinnalle transistori Ql - Q6.

Kuviossa 2 on esitetty tasa jännitelähdettä syöttävän kolmi-vaiheverkon vaihejännitteet UR, US ja UT, diodien johtamis-ajat tl - t6 sekä transistorien johtamisajat t7 - tl2 vaihejännitteen UR jakson aikana. Vaihejänitteet UR, US ja li 75700 UT määräävät diodien Dl - D6 johtamisajät tl - t6 siten, että kuhunkin vaiheeseen kytketty positiivisen puolijakson aikana johtava diodi johtaa ko. vaiheen jännitteen ollessa suurempi kuin muut vaihejännitteet, ja negatiivisen puoli-jakson aikana johtava diodi johtaa ko. vaiheen jännitteen ollessa pienempi kuin muut vaihejännitteet. Esimerkiksi diodi Dl johtaa, kun jännite UR on positiivinen ja suurempi kuin muut vaihejännitteet US ja UT. Diodi D2 taas johtaa, kun jännite UR on negatiivinen ja pienempi kuin muut vaihe-jännitteet US ja UT.

Transistoreita Ql - Q6 ohjataan ohjausyksiköllä siten, että kukin transistori Ql - Q6 johtaa transistorin rinnalla olevan diodin Dl - D6 johtamisaikana tl - t6. Ohjausyksikössä on kuvion 1 mukaisesti ohjaimet Hl - H6 transistorien Ql - Q6 ohjaamiseksi. Ohjaimet Hl - H6 voidaan toteuttaa esimerkiksi transistoreiden avulla kaksoisemitteriseuraaja-kytkennällä, ja ohjaimissa voi olla optoerottimet galvaanisen erotuksen aikaansaamiseksi. Kondensaattori Cl tarvitaan tasajännitteen suodatukseen.

Kuvion 1 mukaisessa ohjausyksikössä on diodit D7 - D24 kunkin transistorin Ql - Q6 ohjaamiseksi kolmivaiheverkosta ohjaimella Hl - H6 siten, että transistori Ql - Q6 johtaa transistorin rinnalla olevan diodin Dl - D6 johtamisaikana tl - t6. Diodeilla D13 - D24 verrataan kahden vaiheen jännitteitä toisiinsa, ja valitaan positiivisen puolijakson aikana johtavien transistorien Ql, Q3 ja Q5 tapauksessa jännitteistä suurempi ja negatiivisen puolijakson aikana johtavien transistorien Q2, Q4 ja Q6 tapauksessa jännitteistä pienempi. Esimerkiksi diodit D13 ja D14 vertaavat jännitteitä US ja UT ja valitsevat niistä suuremman kullakin hetkellä, ja diodit D19 ja D20 vertaavat jännitteitä US ja UT ja valitsevat niistä kullakin hetkellä pienemmän.

6 75700

Diodien D7 - D12 tehtävänä on syöttää ohjaimia Hl - H6 vaihejännitteistä UR, US ja UT muodostetuilla ohjausjännitteillä silloin, kun transistorin Q1 - Q6 rinnalle kytketty diodi Dl - D6 johtaa kuviossa 2 esitettyjen diodien johta-misjaksojen tl - t6 mukaisesti. Tasajännitepiirissä kulkevan kiertovirran pienentämiseksi ei transistorien Q1 - Q6 kuitenkaan anneta johtaa koko rinnalle kytketyn diodin Dl - D6 johtamisaikaa tl - t6, vaan kunkin ohjaimen Hl - H6 kanssa kytketään sarjaan Zener-diodi Z1 - Z6 transistorien Q1-Q6 johtamisaikojen t7 - tl2 pienentämiseksi. Kokoaaltotasasuuntauksen avulla muodostetun tasajännitteen aaltoisuudesta aiheutuva kiertävä teho pienenee, kun transistorien Q1 - Q6 ei anneta johtaa tasajännitepiirin syk-keisen tasajännitteen ollessa pienimmillään, koska virtaava teho on jännitteen ja virran tulo, ja virta tällöin on suuri. Zener-diodit Zl - Z6 voivat muodostua useammasta yksittäisestä Zener-diodiyksiköstä.

Zener-diodien Zl - Z6 jännite aiheuttaa ylimääräisen jännitehäviön kunkin vaihejännitteen UR, US ja UT ja ohjaimen Hl - H6 välille. Tämä ylimääräinen jännitehäviö aiheuttaa sen, että transistorien Q1 - Q6 johtamisajät t7 - tl2 lyhenevät, koska kukin diodi D7 - D12 alkaa johtaa myöhemmin ja lakkaa johtamasta aikaisemmin kuin ilman Zener-dio-deja Zl - Z6. Tietyillä Zener-diodien Zl - Z6 jännitteillä transistorien Q1 - Q6 johtamisajat t7 - tl2 ovat 50 % diodien Dl - D6 johtamisajoista tl - t6 kuvion 2 mukaisesti. Kytkimellä SI voidaan ohjausyksikkö kytkeä tarvittaessa päälle ja pois.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellu-tusmuodot eivät rajoitu ainoastaan edelläkuvattuun esimerkkiin, vaan voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa.

li

Claims (2)

1. 7 5 7 0 0