FI81702C - Stroemriktare. - Google Patents

Description

1 81702

Virransuuntaaja

Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista virran-suuntaajaa, jossa on ainakin yksi siltakytkentä, sekä tällaisen virransuuntaajan käyttöä.

Patenttivaatimuksen johdanto-osan mukainen virransuuntaaja on tunnettu esim. hakemuksesta EP-0081133. Siinä syötetään 3-vai-heista vaihtovirtamoottoria tasavirtalähteestä vaihtosuuntaajan kautta, jonka haaroissa on katkaistavat tyristorit. Suuntaajan vaihtojännitelähdöt on liitetty toisiinsa lähteen kytkettyjen kondensaattoreiden kautta. Tyristoreihin käytetään pulssinle-veysohj austa.

Vaihtosuuntaajan käytössä esiintyy ei-toivottuja ylivirtoja, jotka johtavat lämpöhäviöihin ja ei-toivottuihin vaikutuksiin syöttävässä verkossa.

Keksintö, kuten se on esitetty patenttivaatimuksessa 1, ratkaisee tehtävän parantaa virransuuntajaominaisuuksia, etenkin se vähentää virransuuntaajan ei-toivottuja vaikutuksia syöttävään verkkoon ja liitettävään kuormaan.

Keksinnön eräs lisäetu on siinä, että tarvitaan vain muutamia ylimääräisiä kytkentäelimiä.

Virransuuntaajan ei-toivottuja vaikutuksia syöttävään virta-verkkoon ja liitettävään kuormaan voidaan vielä edelleen vähentää, kun kytketään rinnan useita siltakytkentöjä tai kokonaisia välipiirimuuttajia ja käytetään ennalta määrättävällä pulssien vaihesiirrolla.

Tahtimoottorien toiminnassa mahdollistetaan pehmeä käynnistys. Virran lämpöhäviöitä koneessa vähennetään virran paremman tasoituksen ja virtahuippujen välttämisen ansiosta.

2 81702

Tekniikan tasoa kuvataan myös taskukirjassa Elektrotechnik, osa 5, VEB verlag Technik, Berliini, 1980, s. 463-469. Siinä selitetään virransuuntaajamoottoria. Käynnistysalueella moottorin puoleisen vaihtosuuntaajan konunutoinnin takaamiseksi säädetään tahdinantimella ohjattuna virta tasavirtavälipiirissä nollaan. Tämän tukemiseksi voidaan oikosulkea työntökuristin vapaakäyntityristorin kautta. Reversiotoiminta on mahdollista vaihtamalla jännitteen suunta. Virransuuntaajan asetuselimellä voi olla kytkennästä riippuen jännitettä tai virtaa ohjaava käyttäytyminen ja se voi olla muodostettu siltakytkentänä, jossa on katkaistavat tyristorit sillan haaroissa. Ei-sallittujen ylijännitteiden välttämiseksi virransuuntaajan asetuselimen puolijohde-elementeissä katkaistaessa induktiivisia kuormia tarvitaan nopeasti vaikuttavia ylijännitteen suojatoimenpiteitä. Eräs toinen ongelma on syöttävän verkon kuormitus virran ylivä-rähtelyillä, jotka esiintyvät virransuuntaajan käytössä.

Asiaankuuluvan tekniikan tason suhteen viitataan edelleen sveitsiläiseen yhtiöjulkaisuun Brown Boveri Mitteilungen 1982, s. 157-162, etenkin s. 159, josta tunnetaan 12-pulssisia virran-suuntaajakytkentöjä, joissa on kulloinkin erillinen taajuuden-muuttaja virransuuntaaja-synkronimoottorin koneosakäämiä kohden, että myös sellaisia, joissa on yksikäämikone ja moottorin puoleinen kolmikäämimuuntaja, ja jotka on tarkoitettu käytettäviksi käynnistysmuuttajina. Tällöin käytetään kulloinkin kahta taajuu-denmuuttajaa, joissa on tasavirtavälipiiri ja yksinkertaiset tyristorit siltahaaroissa. Ne tarvitsevat verkon puolella vir-ransuuntaajamuuntajia, joissa on kaksi 30° sähköisesti siirrettyä sekundäärikäämiä. Koneen puolella on staattorikäämi muodostettava joko kahdella erillisellä ryhmällä (kaksikäämikoneet) tai moottorin yksikäämimuodossa on käytettävä myös koneen puolella kolmikäämimuuntajaa.

Lopuksi viitataan vielä hakemusjulkaisuun DE-3 208 652, jossa esitetään tapa ja kytkentä pulssinleveysmoduloidun suuntaajan ohjaamiseksi, jolloin sahahammasjännitettä verrataan annettuun sinimuotoiseen jännitteeseen tyristorin sytytyspulssin synnyttämiseksi.

81702

Keksintöä selitetään seuraavassa lähemmin suoritusesimerkkien avulla. Piirustuksessa kuvio 1 esittää virransuuntaajaa kaksivaiheisessa siltakytken-nässä, kuviot 2(a)-(d) esittävät jännitettä ja virtoja kuvion 1 mukaisen virransuuntaajän sisäänmenossa ja ulostulossa, kuvio 3 on lohkokaaviokuva kuvion 1 mukaisen virransuuntaajän ohjauksesta, kuvio 4 esittää välipiirimuuttajaa, joka on toisaalta liitetty vaihtovirtaverkostoon ja toisaalta epätahtimoottorin roottori-käämeihin liukurengasroottoreilla, jolloin välipiirimuuttajassa on ylijännitteensuojalaite ja katkaistavat tyristorit koneen-puoleisessa virransuuntaajasiliassa, kuvio 5 esittää välipiirimuuttajaa, joka on liitetty tahti-moottorin kenttäkäämeihin ja jossa on katkaistavat tyristorit verkon-ja koneenpuoleisessa virransuuntaajasillassa ja yli-jännitteensuojalaite, jossa on kuvioon 4 verrattuna toinen kondensaattoreiden kytkentä, kuvio 6 esittää kahta rinnankytkettyä ja vaihe-erolla käytettyä kuvion 5 mukaista välipiirimuuttajaa, jossa on vain yksi kuvion 4 mukainen ylijännitteensuojalaite, ja kuvio 7 esittää kahta rinnankytkettyä virransuuntaajasiltaa, joissa on kuristimet molempien tasajänniteliitäntöjen virtapiirissä .

Kuvio 1 esittää virransuuntaajaa, joka on yhdistetty vaihtojän-nitesisäänmenon 14 kautta ei-esitettyyn vaihtojänniteverkkoon, joka tuottaa sisäänmenojännitteen u^, joka on yleensä sinus-muotoinen ja värähtelee tavanomaisella verkkotaajuudella. Vir-ransuuntaaja luovuttaa tasajänniteulostulossa 15 tasasuunnatun ulostulovirran i^ ja sykkivän ulostulojännitteen u^, jonka keskiarvo poikkeaa normaalitapauksessa nollasta ja voidaan säätää virransuuntaajän ohjauksen kautta. Sisäänmeno ja ulostulo on yhdistetty sillan kautta, joka muodostuu ohjattavista venttiileistä 6-9, jotka on järjestetty siten, että ulostulo-virralle i2 muodostuu parhaimpana pidetty suunta. Venttiilit 4 81702 6-9 kootaan tunnetulla tavalla pareittain yhteen, sytytetään ja sammutetaan vuorotellen, jolloin vaihtojänniteverkosta otetaan lähes suorakulmainen sisäänmenovirta i^, jolla on vaihte-leva polariteetti. Siltakytkennän ulostulopiirissä oleva induktanssi 17 pitää ulostulovirran pitkälti vakiona.

Ohjattavina venttiileinä käytetään katkaistavia tyristoreita, joita on merkitty symbolisesti kahdella ohjaussisäänmenolla.

Rinnakkain sisäänmenon 14 suhteen on kytketty kondensaattori 5. Katkaistavat venttiilit tai vast, katkaisutyristorit 6-9, jotka tunnetaan tehoelektroniikasta GTO (gate turn off)-tyristoreina, voidaan kytkeä ja katkaista mielivaltaisena ajankohtana, jolloin kytkentätaajuus rajoitetaan ylöspäin vain itse venttii-lielementtien luonteenomaisilla arvoilla.

Etu, joka muodostuu katkaistavien venttiilien 6-9 ja rinnakkaisen kondensaattorin 5 käytöstä, selviää kuvioissa 2(a)-2(d) esitetyistä virtojen ja jännitteiden aikafunktioista. Samalla kun sisäänmenojännite u^ kulkee sinusmuotoisesti, sisäänmenovirta i^ hajotetaan kuvion 2(b) mukaisesti katkotoiminnassa toimivilla, katkaistavilla venttiileillä 6-9 virtapulsseiksi, joiden korkeus on vakio, mutta joiden leveys on moduloitu sisäänmenojännitteen u^ ajallisen kulun mukaan, siis pääasiassa sinusmuotoisesti. Näistä leveysmoduloiduista virtapulsseista muodostuu ajallisessa keskiarvossa lähes sinusmuotoinen virran-keskiarvo i', jonka ylävärähtelypitoisuus on suhteellisen pieni ja tämän lisäksi se pienenee kasvavan katko- tai katkaisutaa-juuden mukana.

Koska sisäänmenopuolella vaihtojänniteverkossa esiintyy aina sisäisiä induktansseja 17, tuotetaan katkaistaessa venttiilit 6-9 katkotoiminnan aikana jännitehuippuja, jotka voivat johtaa itse venttiilien tai muiden kytkentäkomponenttien vahingoittumiseen. Tästä syystä on järjestetty kondensaattori 5, joka on kytketty rinnakkain virransuuntaajän sisäänmenon 14 suhteen ja

II

5 8 Ί 7 Q 2 tukee verkkojännitettä, niin että vaaralliset ylijännitteet vältetään varmasti. Myös tässä tuottaa mahdollisimman korkea katkotaajuus erään edun, koska kondensaattorin 5 panos pienenee taajuuden kasvaessa. Tästä syystä valitaan katkotaajuus edullisesti suuremmaksi kuin sisäänmenojännitteen u1 taajuus.

Kuten jo mainittiin, esiintyy ulostulopuolella tavanomaisella tavalla induktansseja 17, jotka takaavat tasaisen ulostulo-virran i^. Virran juoksun ylläpitämiseksi katkotoiminnassa esiintyvien kytkentätaukojen aikana leveysmoduloitujen vir-tapulssien välillä ohjataan ulostulovirta 12 tänä aikana venttiilien sopivan ohjauksen avulla edullisesti vapaakäynti-haaran kautta. Jos siis esimerkiksi positiivisessa suunnassa venttiiliparin 6 ja 9 läpi virtaava sisäänmenovirta i^ katkaistaan katkaisevalla venttiilillä 6, niin voidaan sytyttävän venttiilin 7 avulla silloin johtavien venttiilien 9 ja 7 kautta sulkea vapaakäyntihaara, jonka kautta ulostulopuoleisen induktanssin 17 ylläpitämä ulostulovirta ±2 voi virrata esteettä edelleen.

Ulostulojännite u^ muodostuu venttiilien 6-9 katkotoiminnan johdosta kuvion 2(c) mukaisesti leveysmoduloiduista jännite-pulsseista, joiden kulloinkin kyseessä olevat amplitudit eivät tosin ole vakioita. Voidaan toteuttaa, kuten kuviossa 2(b) esitetty kaksoisnuoli esittää, positiivisia ja negatiivisia ohjauskulmia, joita vastaa sisäänmenovirran i^ seuraama tai vast, edeltämä sisäänmenojännitteen u^ suhteen ja siten induktiivinen tai vast, kapasitiivinen komponentti.

Kuvion 1 mukaisen virransuuntaajän ohjaus voi tapahtua esimerkiksi ohjauskytkennän kautta, joka on esitetty kuvion 3 lohko-kaaviokuvassa. Virransuuntaaja 10 toimii vaihtojännitesisään-menon 14 ja tasajänniteulostulon 15 välillä. Se on yhdistetty ohjausjohdon 16 kautta ohjauspulssien välittämiseksi pulssin-leveysmodulaattoriin 12, jossa tuotetaan leveysmoduloituja virtapulsseja. Pulssinleveysmodulaattori sisältää tunnetulla 6 81702 tavalla komparaattorikytkennän, jossa verrataan sahanhammas-generaattorista 13 tuotettua kolmikulmaista jännitettä sinus-muotoiseen jännitteeseen, joka johdetaan vaiheensiirtimen 11 kautta sisäänmenojännitteestä u^. Katko- tai katkaisutaajuus, jolla katkaistavia venttiileitä 6-9 käytetään, määrätään sahan-hammasgeneraattorin 13 taajuudella. Ohjauskulma, joka ratkaisee induktiivisten tai kapasitiivisten komponenttien esiintymisen virrassa, määrätään vaiheensiirtimen 11 avulla, joka saa aikaan leveysmoduloitujen pulssijaksojen ja siten virrankeskiarvon i' siirron sisäänmenojännitteen u^ suhteen. Lopuksi pulssinleveys-modulaattori 12 sisältää vielä ohjauslogiikan, jonka avulla kytketään katkotoiminnan kytkentärakenteissa kulloinkin sopiva vapaakäyntihaara.

Keksinnön mukainen kytkentälaite, joka on esitetty kuvion 1 avulla kaksivaiheisen siltakytkennän suoritusesimerkissä, voidaan soveltaa mielekkäästi suureen määrään muita tapauksia. Näin voidaan laajentaa yksinkertaisella tavalla esimerkin kaksivaiheinen siltakytkentä kolmivaiheiseksi siltakytkennäksi, jota käytetään sisäänmenopuolella kiertovirtaverkossa. Vaikka näissä tapauksissa esiintyy vakion taajuuden omaava verkkojän-nite, voidaan keksinnön ajatusta kuitenkin käyttää myös, kun verkon sijasta esiintyy esimerkiksi kiertovirtamoottori, kun siis virransuuntaajaa käytetään vaihtosuuntaajana, joka tuottaa ulostulon tasajännitteestä vaihtojännitteen sisäänmenossa.

Etenkin on käytön kannalta mielenkiintoista liittää kolmivaiheinen epätahtioikosulkumoottori sen käyttämiseksi taajuudelta vaihtelevasti. Moottoritoiminnassa virtaa sitten energia tasavirtapuolelta virransuuntaajan kautta vaihtovirtapuolelle ja siten moottoriin. Tasavirtapuolella, so. tasajänniteulos-tulossa täydennetään sitten kytkentä yleisesti tunnetulla tavalla ohjatulla tasasuuntaajalla, jonka avulla otetaan liitetystä kiertovirtaverkosta ohjattava tasajännite virransuuntaajaa varten. Tietenkin tämä ohjattu tasasuuntaaja voi olla puolestaan kuvion 1 mukainen virransuuntaaja laajennettuna kolmivaiheiseksi siltakytkennäksi.

81702

Edelleen voidaan keksinnön mukainen virransuuntaajakytkentä-laite liittää kolmivaiheisessa siltakytkennässä myös vaihtojän-nitepuolestaan roottorin puolella epätahtiliukurengasmootto-riin. Myös tässä täydennetään kytkentä sitten tasajännitepuo-lella mainitun tyyppisellä ohjatulla tasasuuntaajalla. Koko laite muodostaa sitten ala-yläsynkronisen kaskadin, jolla voidaan säätää epätahtiliukurengaskoneen kierroslukua ja staatto-rin puolella säätää jokainen mielivaltainen vaihekulma (tai vast, cos cp) .

Kaikenkaikkiaan keksinnöstä muodostuu joustava ja vaihteleva virransuuntaajakytkentälaite, jolla on yksinkertainen rakenne ja se erityinen etu, että verkon vastavaikutusta ylävärähtelyi-den muodossa pienennetään huomattavasti ja sen sisäänmenopuo-len virta voi sisältää valinnaisesti induktiivisen tai kapasi-tiivisen komponentin.

Kuvion 4 mukaisessa suoritusmuodossa on kolmivaiheisessa väli-piirimuuttajassa 21 verkon puolella oleva virransuuntaajasilta 18, jonka vaihtojänniteliitännät on liitetty 50-Hz-kiertovir-taverkon verkkovaihejohtimiin R, S, T. Virransuuntaajasillan 18 tasajänniteliitännät on yhdistetty toisaalta (positiivinen jänniteulostulo) välipiirikuristimen 19 kautta ja toisaalta (negatiivinen jänniteulostulo) suoraan koneen puolella olevan virransuuntaajasillan 20 tasajänniteliitäntöihin. Verkon puolella olevassa virransuuntaajasillassa on yksinkertaiset tyristorit siltahaaroissa, kun taas koneenpuoleisessa virransuuntaa jasillassa 20 käytetään katkaistavia tyristoreita. Ko-neenpuoleisen virransuuntaajasillan 20 vaihtojänniteliitännät on yhdistetty koneen vaiheenjohtimien U, V, W kautta toisaalta epätahtikoneen 23 liukurenkaisiin ja toisaalta ylijännitesuoja-laitteen 22 kolmeen kondensaattoriin 5. Kondensaattoreissa 5 on kulloinkin toinen puoli yhdistetty vaiheenjohtimeen U tai V tai W, kun taas toinen puoli on kulloinkin yhteydessä toisten kondensaattoreiden toiseen puoleen. Epätahtikoneen 23 kenttäkäämit on liitetty verkkovaihejohtimeen R, S, T.

β 81702

Kuvion 5 mukaisessa suoritusmuodossa on kolmivaiheisen väli-piirimuuttujan 21 koneen puolella olevan virransuuntaajasillan 20 vaihtojänniteliitännät yhdistetty vaihejohdinten U, V, W kautta toisaalta synkronikoneen 26 kenttäkäämeihin ja toisaalta ylijännitteensuojalaitteen 25 kolmeen kondensaattoriin 5. Jokainen kondensaattori 5 on liitetty suoraan kahteen koneen vaihejohtimeen U ja V tai vast. V ja W tai vast. W ja U. Numeroilla 27 ja 28 on merkitty synkronikoneen 26 roottorikäämi-liitäntöjä. Välipiirimuuttajassa 21 on erona kuvion 4 mukaiseen verrattuna verkon puolella oleva virransuuntaajasilta 24, jossa on katkaistavat tyristorit.

Ylijännitteensuojalaitteen 22 (kuva 4) ja 25 (kuva 5) kondensaattorit ottavat vastaan katkaistaessa koneen puolella olevien virransuuntaajasiltojen 21 tyristorit sähköenergiaa, joka varastoidaan vaihtovirtakoneiden roottori- tai vast, kenttäkäämeihin. Ne estävät siten ylijännitteiden syntymisen, jotka olisivat vahingollisia etenkin tyristoreille.

Katkaistavilla tyristoreilla varustetun verkon puolella olevan virransuuntajasillan 24 käyttö mahdollistaa virransuuntaajasil-taan 18 verrattuna korkeamman kytkentätaajuuden, niin että voidaan välttää alhaisen järjestysluvun omaavat ei-toivotut virranylivärähtelyt ja vähennetään häiritseviä verkkovasta-vaikutuksia. Tämän lisäksi voidaan vaihekulma säätää pitkälti vapaasti neljässä kvadrantissa, niin että kiertovirtaverkosta voidaan ottaa aktiivista tehoa valinnaisesti lisäksi induktiivisen tai kapasitiivisen loistehon kanssa.

Kuvion 6 mukaisessa suoritusmuodossa on kytketty rinnakkain kaksi kuvioiden 5 mukaista välipiirimuuttajaa 21 ja 21', joita käytetään ennalta määrätyllä vaihe-erolla tuotettujen pulssien suhteen. Näiden välipiirimuuttajien 21 tai vast. 21' koneen puolella olevien virransuuntaajasiltojen 20 vaihtojänniteulos-tulot on yhdistetty koneen vaihejohtimien U, V, W tai vast.

U', V, W' kautta toisaalta synkronikoneen 26 kenttäkäämeihin ja toisaalta kuvion 4 mukaiseen ylijännitesuojalaitteeseen 22.

Il 9 81702

Katkoviivoin on esitetty kaksikäämikoneen liitäntä, jossa on kaksi sekundäärikäämiä. Tällöin koneen vaihe johtimia U, V, W ja U', V, W ei ole yhdistetty keskenään, vaan kuvion 4 mukaisesti ylijännitesuojalaitteeseen 22 tai kuvion 5 mukaisesti ylijännitesuojalaitteeseen 25.

Tämä suoritusmuoto mahdollistaa ei-toivottujen ylivärähtelyiden järjestysluvun korotuksen ja siten häiritsevien virtaverkkoon ja kuormaan kohdistuvien vastavaikutusten vähentymisen.

Kuvion 7 mukaisessa suoritusmuodossa kaksi verkon puolella olevaa virransuuntaajasiltaa 24, joiden positiivisiin ja negatiivisiin tasajänniteulostuloihin on liitetty kulloinkin väli-piirikuristin 19 ja 30, on kytketty rinnan näiden välikuris-timien kautta. Tällöin tahdistetaan kahden virransuuntaajasillan 24 pulssit siirretysti.

Siten voidaan pienentää virransuuntajan syöttöverkkoon kohdistuvia vastavaikutuksia. Yleensä tällöin ei synny lisäpanosta tyristoreiden suhteen, koska siltahaaraa kohden tarvitaan muutenkin useita tyristoreita, jotka on kytketty sarjaan tai rinnakkain.

Mieluummin on kuvion 5-7 mukaisissa keksinnön suoritusmuodoissa virransuuntajasiltojen verkon puolella olevat vaihtojännitelii-tännät yhdistetty kuvioiden 4 tai vast. 5 mukaisten ylijännite-suojalaitteiden 22 tai 25 ei-esitettyihin kondensaattoreihin.

Claims (6)

1. Virransuuntaaja, jossa on ainakin yksi siltakytkentä vaihtojänniteliitäntöineen ja tasajänniteliitäntöineen, jossa siltakytkennässä on sillan haaroissa katkaistavat tyristorit, joita ohjataan vaihtovirtapuoliaallon pulssimodulaatiolla, jolloin siltakytkennän jokainen vaihtojännite-liitäntä (14, U, U') on vaikutusyhteydessä tämän siltakytkennän jokaisen toisen vaihtojänniteliitännän (14; V, W; V, W) kanssa ainakin yhden kondensaattorin (5) kautta ja jolloin tasajänniteliitännät on johdettu tasavirran jatkuvasti vakiona pitävän induktanssin (19) kautta, tunnettu siitä, että on useita siltakytkentöjä (20), joita ohjataan tuotettujen pulssien avulla toistensa suhteen vaihesiirre-tysti, ja että nämä siltakytkennät (20) on vaihtovirtapuo-lella kytketty vaiheittain rinnan sekä tasavirtapuolella syötetty ainakin kulloinkin yhden välipiirikuristimen (19) kautta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen virransuuntaaja, tunnettu siitä, että siltakytkennät (24, kuva 7) on rinnankytketty tasavirtapuolella ainakin kulloinkin yhden välipiirikuristimen (19, 30) kautta.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen virransuuntaaja, tunnettu siitä, että jokainen mainittu siltakytkentä (20) on yhdistetty tasajänniteliitännöistään ainakin kulloinkin yhden välipiirikuristimen (19) kautta ainakin yhden toisen siltakytkennän (18, 24) tasajänniteliittimiin muodostaen kaksi vaihtovirtaverkkoa yhdistävän välipiiritaajuusmuutta-jan (21, 21’), että ainakin kahden tällaisen välipiiritaa-juusmuuttajan (21, 21') ensimmäisen ja/tai toisen siltakytkennän vaihtojänniteliitännät (U, V, W; U', V, W ) on yhdistetty toisiinsa vaiheittain, ja että ainakin kahta näistä välipiiritaajuusmuuttajista on kutakin ohjattu toisiinsa nähden vaihesiirretysti.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen virransuuntaaja, tunnettu siitä, että kukin katkaistava tyristori on 11 81702 yhdistetty ohjausjohdolla pulssinleveysmodulaattoriin (12), joka tulopuolelta on yhdistetty toisaalta sahahammasgene-raattoriin (13) ja toisaalta vaiheensiirtimen (11) kautta virransuuntaajan (10) vaihtojännitetuloon (14).

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukaisen virransuuntaajan käyttö vaihtovirtakoneen (23) roottorin syöttämiseen.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukaisen virransuuntaajan käyttö vaihtovirtakoneen (26) staattorin syöttämiseen.