SE423771B - Stromriktarutrustning for overforing av energi mellan ett vexelspenningsnet och ett likspenningsnet - Google Patents

Description

20 šO 55 7807466-3 Det induktanselement, som är anslutet mellan strömriktaren och växelspännings- nätet och som tar upp momentana spänningsskillnader mellan strömriktarens lik- . och växelspänningar, kan utgöras av en separat induktor eller av induktansen hos en transformator som används för anslutning av strömriktaren till växelspän- ningsnät et .

En utrustning av angivet slag kan exempelvis användas för matning av en växel- strömsmotor med variabel frekvens från ett växelspänningsnät med konstant frek- vens. Likspänningsnätet utgörs då av en till strömriktarens likspänningssida ansluten växelriktare.

Den på strömriktarens likströmssida anordnade glättningskondensatorn begränsar variationerna i likspänningen. Strömriktarens likström komer att innehålla en växelströmskomponent med en grundton som har en frekvens som är lika med växel- spärufüngsnätets frekvens multiplicerad med strömriktarens puls-tal. Efpecíellt om strönriktaren är en enfasströmriktare (lågt pulstal) och växelströmsnätets frek- vens är låg får den nämnda växelströmskomponentens grundton en amplitud som är av samma storleksordning som likströmmens medelvärde och låg frekvens, och för att hålla variationerna i likspäznzingen inom rimliga gränser lcrävs ofta en så. hög kapacítans hos glättningskondensatorn, att denna blir av helt orealistisk storlek eller åtminstone allvarligt 'begränsar den i ett visst fall av utrymmes- eller viktskäl maximalt installerbara strömriktareffekten.

Genom den ovan nämnda svenska utläggningsslmiften 390 587 är det känt att paral- lellt med glättningskondensatom anordna ett till dubbla nätfrekvensen avstämt LC-filter. Härigenom erhålles en reduktion av den erforderliga kapacitansen hos glättningskondensatorn. Filtret kan nämligen anordnas att helt eliminera de spän- ningsvariationer som beror av grundtonskomponenten hos växelströmskomponenten i strömrilctarens likström. Glättningskondensatorn behöver då endast dämpa ström- övertonerna av högre ordning. _ Även i detta fall blir emellertid de nödvändiga glättningskomponenterna (glätt- ningskondensatom och filtret) stora och tunga., vilket utgör en allvarlig nackdel speciellt i det fall utrustningen skall byggas in i ett fordon. Sålunda blir en- bart typeffekten (vid den ovannämnda grundtonens frekvens) hos filterkomponen- terna av samma storleksordning som den maximala aktiva. effekt strömriktaren är dimens ionerad för.

Vidare finns vid det ovan nämnda kända filtret en risk att t ex variationer i drifttemperatw kan ändra filtrets avstämning så att filtreringen blir mindre effektiv. 10 15 7807466-3 Avsikten med föreliggande uppfinning är att vid en utrustning av ovan angivet slag reducera storleken hoe filterkomponenterna och därmed deras utrymmesbehov, vikt och pris. Ett ytterligare ändamål hos uppfinningen är att åstadkomma en utrustning av detta slag, vars funktion är oberoende av av temperatur-variationer, åldring etc orsakade variationer i filterkomponenternas impedansvärden.

Vad som kännetecknar en strömriktarutrustning enligt uppfinningen framgår av bifogade patentlccav.

Uppfinningen skall i det följande beslmivas i anslutning till bifogade figurer a och 2. Fig 1 visar ett exempel på en strömriktarutrustning enligt uppfinningen, och fig 2 visar kurvfor-merna hos några av de i utrustningen förekommande stor- heterna.

Figur 1 visar en enfasig strömriktare SR. Den innefattar de fyra släckbara. tyris- torerna T11-T14. Varje tyristor är antiparallellkopplad med en diod, D11-D-14.

Strömriktaren är med sina växelströmsuttag ansluten till ett växelspänningsnät.

Detta utgörs av en transformator TR, som via en strömavtagare SA är ansluten till en kontaktledning KL. Denna är växelspänningsförande, och spänningens frek- vens antas här vara 16 2/ 5 Hz. Strömriktaren är ansluten till nätet via ett induk- tansel-ement Li, som kan utgöras av en separat induktor eller av läckinduktansen hos transformatorn TR, vilken kan vara en s k läckfältstransíormator. Strömrik- tarens likströmsuttag är anslutna till ett likspänningsnät. Detta utgörs i detta fall av likspäzmingsmellanledet mellan strömriktaren SR och en växelriktare TJXP., men kan alternativt vara ett godtyckligt nät eller ett godtyckligt belastnings- objekt. *fáxelriktaren VXR är en självkonnmiterad trefasig växelriktare med styrbar frek- vens för hastighetsstyzning av asynlmonmotorn M. Váxelriktaren innehåller de släckbara tyristorerna T21-T26 och de med tyristorerna antiparallellkopplade dioderna D21-ID26. Váxelriktaren är i och för sig känd och kan på. lcänt sätt styras så att frekvensen och/ eller amplituden hos den motorn M tillförda växelspärmingen får önskat värde .

Strömriktaren kan styras genom pulsbreddmodulering på. t ex det i den ovannämnda svenska utläggningsskriften 590 587 beskrivna sättet så att den genererar en växelspäxming med en grundton med samma frekvens som nätfrekvensen och med mått- ligt íivexrtonsinnehåll. Genom att .xtyra denna viixeinpåírmimgs amplitud och faslšisre relativt nätspänningen kan både den aktiva och den reaktiva komponenten nos den växelström, som flyter mellan nätet och strömriktaren, var för sig styras till 10 15 20 25 30 35 7807466-3 önskad storlek och riktning. Den aktiva. strömkomponenten styrs genom påverkan av strömriktarspänningens fasläge, lämpligen så. att mellanledslikspäzmingens u¿ medelvärde hålls konstant vid ett förutbestämt värde, som är högre än topp- värdet hos växelspänningen från transformatorn. Den reaktiva. strömkomponenten styrs genom påverkan av strönmiktarspänxzingens amplitud, och lämpligen så att den reaktiva. strömkomponenten i den från kontakrtledzxingen uttagna strömmen blir noll.

Eftersom den mellan nätet och strömriktaren flytande strömmen är approximativt sinusformad innehåller strömriktarens. likström i a en lcraftig växelströmskomponent.

Denna. har en grundton med en frekvens som är nätfrekvensen multiplicerad med strömriktarens pulstal. En enfasströmrilctare av beskriven typ har pulstalet 2, och vid nätfrekvensen 16 2/ 3 Hz blir därför den» nämnda grundtonens frekvens 55 1/5 Hz.

För att trots denna kraftiga växelströmskomponent i strömriktarens likström hålla variationerna i mellanledsspänningen. ufl inom måttliga gränser är på. strömriktarens likspänningssida anordnade dels en glättningskondensator CP, dels ett filter. Det senare består av en induktor L s som är seriekopplad med en kondensator Cs och med två antiparallellkopplade tyl-ístorer T1 och T2.

För styrning av tyristorerna (P1 och T2 är ett styrpulsdon SPID anordnat. Ett strömmätdon IM lämnar en mätsignal i' ä, som är proportionell mot momentanvärdet hos strömriktarens SR likström i¿. I-Iätsigxalen deriveras i en deriveringskrets DV. Utsignalen dld från deriveringslcretsen tillförs summeringsdonen S1 (med om- bytt tecken) ocåtâz Till smimmeriiišsdonen matas enkonstant jämIÖreIšestornet io, som erhålles från en potentiometer P. Utsigxzalerna. från summeringsdonen tillföres nivåvippor 1W1 och 1W2. Var och en av dessa avger en logisk etta när insigxalen till vippan är positiv. Nivâvippornas utsignaler tillförs "set"- ingångarna S (dynamiska hos två. bistabila kretsar BV1 och BV2. Vid övergång från "noll" till "ett" hos en nivåvippas utsignal "ett"-ställs mot- svarande bistabila krets, dvs dess utsignal Q blir "ett". Utsignmalen från var och en av kretsarna BV1 och BV2 tillförs den dynamiska "reseW-ingângen R hos den andra kretsen. När en av lccetsarnas utsignaler slår om från "noll" till "ett" "noll"-stä,lls därför den andra kretsen, dvs dess utsignal Q, blir "noll".

Kretsarnas utsignaler förstärks i drivsteg F1 och F2 och tillförs i form av styrsigtalema SPM och sPTZ tyristorerna m1 och m2. i Funktionen hos den i fig 1 visade utrustningen skall nu beskrivas i anslutning till fig 2. Demza figur visar överst strömriktarens SR likström i d. och växelström 10 15 20 25 50 55 7807466-3 iN. Den från nätet uttagna strömmen iN antas vara sinusformad, vilket (bortsett från högfrekventa övertoner) med god approximation gäller i pralctiken. Likström- men i (i innehåller då en växelströmskomponent, vars grundton har dubbla nätfrek- vensen, eftersom i detta fall strömriktaren SR har pulstalet 2. Om strömriktaren styrs så att är i fasumed spänningen på strömriktarens nätsida får i à det med heldragen linje visade utseendet, och amplituden hos växelströmskomponentens grundton blir lika med medelvärdet ID hos i (i (streckad vågrät linje). Vid en fasskillnad mellan strömriktarens växelspäxming och -ström blir medelvärdet ID lägre vid oförändrad amplitud hos växelströmskomponenten, dvs kurvan i d flyttas nedåt vid ökande fasskillnad (t ex till den streckade sinuskurvan).

I fig 2 visas likspäzuxingen ua på. strömriktarens likspänningssida. Den visade kurvan för spänningen ua gäller för det hypotetiska fall att filtret Ls-CS är overksamt, varvid spänningens växelströmskomponent endast begränsas av en kon- densator CP med måttlig kapacitans. Som synes har uti en likspänningskomponent U I) och med relativt hög amplitud. och en på denna överlagrad växelspänningskomponent med dubbla nätfrekvensen I den tredje kurvan nedifrån i fig 2 visas den från deriveringslæetsen DV er- hållna signalen ÉL , vilken är en sinuskurva. som ligger 90° fasförskjuten före växelströmskompoåënten hos i ¿. Denna signal jämförs i summeringslcz-etsaina S1 och S2 med de i samma diagram visade signalerna +io och -io.

Vid 1:2 blir utsignalen från NV1 "ett" och vippan BV1 ett-ställs, varvid tyris- torn» Ti tillförs en styrsigrial SPN och tänds (samtidigt nollställes vippen BVZ, varvid styrsignalen SPM till tyristorn T2 upphör). Filterkx-etsen Ls-CS svänger om en halv Period, varefter tyristorn 'P1 sloclcnar. Filterströmmen i S samt kon- densator- och induktorspäxmingarna ucs och ULS är visade i fig 2 för denna om- svängning, som äger :rmm under tidsintervallet t2-t4. Filtret (Is-Ls kan i det visade fallet, där nätfrekvensen är 16 2/ 5 Hz och frekvensen hosflikströmmens i d växelströmskomponent (grundtonen) 55 1/5 Hzf vara avstämt till t ex 50 Hz. Storleken hos signalen io är så vald, att tyristorn T1 tänds 1/4 period (av filtrets egen- frekvens) före den tidpunkt t; där strömmen id har sitt maacimivärde. Filterström- mens is positiva halvperiod blir därför synnnetrisk kring tiden ta.

Vid tidpunkten t6 blir utsignalen från S2 positiv, BV2 blir ett, vippan BV2 ett- ställs och vippan BV1 noll-ställs. En styrsignal SPTZ avges då till tyristorn T2, som tänds. Filtret svänger då. under en halvperiod av sin egenfrekvens till- baka till ursprungsläget. Den negativa halvperioden av filterströmmen is (mellan eê een te) ligger symmetrisk ning den tiapmmt t? ae ia her em mmimivärae. 10 15 25 50 55 7807466-3 Vid tidpunkten tw tänds 'P1 igen och orsakar en ny positiv halvperiod hos fil- terströmmen i S osv.

Filterströmmens is grundton kommer härigenom att ligga i fas med strömmen ia.

Om man endast betraktar grundtonen (med frekvensen 33 1/ 5 Hz) hos växelströms- komponenterna. hosià, iš och ua blir amplituden hos ua proportionell mot skill- naden mellan i ä och is. När filterløretsen Ls-Cs börjar arbeta växer i S upp från noll och amplituden hos u¿ minskar från det i fig 2 visade värdet allteftersom i s växer. Ä andra sidan är det växelströmskomponenten hos u¿ som håller sväng- ningen i filterlcretsen igång. Detta innebär att is automatiskt kommer att öka till ett värde som blir nära lika med ia, och samtidigt sjunker uti till ett värde nära noll. Den resulterande amplituden hos grundtonen (53 1/5 Hz) i växel- strömskomponenten får i stationär-t tillstånd ett sådant värde att den just förmår upprätthålla svängningen i filterkretsen. Om dennas förluster är låga, vilket enkelt kan åstadkommas i praktiken, blir därför den nämnda amplituden mycket låg, och komponenten med frekvensen 53 1/5 Hz i u¿ blir praktiskt taget helt elimi- nerad.

I praktiken kan det vara lämpligt att senarelägga tändningen av tyristorerna T1 och T2 något i förhållande till de i fig 2 vi%e tidpunkterna t2, t6, tw etc för att uppnå en säker energiinmatning till svängzzingslcretsen, t ex vid start av utrustningen.

Filtret vid en utrustning enligt uppfinningen har en egenfrekvens som är större än pulstalet gånger nätfrebrensen. I det ovan beslmivna exemplet var filtrets egenfrekvens 50 Hz och puistalet (2) gånger nätfremensen (16 2/5 Hz) var 33 1/5 Hz. Vid den genom den ovan nämnda utläggningsslcriften 590 587 tidigare kända ut- rustningen användes ett till dubbla nätfrekvensen, dvs i vårt fall till 55 1/5 Hz, avstämt filter. Den högre egenfrekvensen vid en utrustning enligt uppfinningen gör att, vid oförändrad storlek på kondensatorn Cs, induktansen hos induktorn LS endast 'behöver vara = å- av induktansen hos induktorn i den tidigare kända utrustningen. Med hjälp av uppfinningen åstadkommes alltså gott och väl en halve- ring av storleken hos induktorn Ls, vilket innebär en kraftig reduktion av filter- komponenternas totala vikt och utrymmesbehov jämfört med den tidigare kända ut- rustningen och därmed, eftersom filterkomponenterna. utgör en växentlig del av utrustningens vikt och utrymmesbehov, även en väsentlig reduktion av utrustningens totala vikt och utrymmesbehov. Speciellt vid fordonsbuina utrustningar innebär detta en stor fördel. 10 15 20 25 7807466-3 Emigt en föredragen utföringsform av uppfinningen tänds tyristorerna '1'1 och T2 med intervall (t ex t2-t6, 'hö-tw), vilkas längd är hälften av periodtiden Qšl-Uš sek) av grundtonen hos växelströmskomponenten i strömriktarens likström.

Härigenom elimineras helt den andra tonen i filterströmmen. Filterströnmxen is har då endast toner av tredje och högre ordningen, vilka enkelt filtreras bort.

Kondensatorn (in i fig 1 dimensioner-as så. att den reducerar de av de resulterande övertonsströmmarna från strömriktaren SR, belastningen VXR och filtret Ls-Cs härrörande variationer-na i likspänningen ua till önskad nivå.

I fig 1 har visats hur strömriktarens SR belastningsström för styrning av tyris- torerna '131 och EZ avkäxxns på strömriktarens likströmssida. Alternativt kan denna avkänning göras på. strömriktarens växelströmssida.

Ovan har beskrivits hur strümriktaren SR är en till ett enfasnät ansluten en- fasig strömrilctare med pulstalet två. Uppfinningen kan alternativt användas vid utrustningar där strömriktaren utgörs av en till ett trefasnät ansluten trefasig strömrilctare, t ex med pulstalet 6.

Uppfinningen har ovan beskrivits i anslutning till en för fordonsdrift avsedd utrustning, där likströmsnätet utgörs av en växelriktare. En utrustning enlig uppfinningen kan användas även i andra sammanhang och likströmsnätet kan utgöras av ett godtyckligt nät eller likströmsmatat (eller likströmsgenererande) objekt.

Vid den ovan beskrivna utrustningen flyter effekten i huvudsak från växel- till likströmsnäteínâíven om (t ex vid regenerativ bromsning) effekten tillfälligt kan flyta åt motsatt håll. Uppfinningen kan dock lika väl tillämpas vid utrustningar där effekten enbart eller i huvudsak flyter från strömriktarens likströrssida till dess växelströmssida.

Vid den ovan beslcrixma utrustningen har som exempel valts ett enfasigt växel- strömsnät med frekvensen 16 2/ 3 Hz. Uppfinningar: lcan dock självfallet tillämpas även vid utrustningar som är anslutna till andra, såväl lägre som högre frek- VGIISQI 1

Claims (2)

1. v 7807466-3 PATENJFKRAV 1. Strömriktarutrustnzíng för överföring av energi mellan ett växelspänningsnät (KL, TR) och ett likspänningsnät (Vifli), innefattande en strömriktare (SR) med forcerad lcommutering, vilken med sina växelströmsanslutningar via ett induktans- element (Li _) är ansluten till växelspänningsnätet, varvid till strömriktarens likströmsuttag är ansluten en glättningskondensator (CP) samt ett parallellt med kondensatorn anordnat filter med en i serie med en filterkondensator (CS) anslu- ten filterindulctor (Ls), k ä. n n e t e c k n a d därav, att filtret har en egenfrekvens som är högre än produkten av växelspänzxíngsnätets frekvens och strömriktarens pulstal, att i serie med filtret är anordnade två. antiparallell- kopplade styrbara halvledarventiler (T1, 5132), samt stnorgan (SPD) anordnade att 'fäxelxfis göra halvledarventilerna strömförande i takt med grunâtonen hos den i sträxnriktarens likström á) förefintliga växelströmskomponenten.

2. Strömriktarutrustning enligt patentln-av 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att styr-organen (SPD) är anordnade att styra halvledarventilerna så. att filter- strömmens grundton i huvudsak ligger i fas med grundtonen hos växelströnskompo~ nenten i strömriktarens likström (i ä). 5. Strömriktarxztrustning enligt patentlmav 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att stfrorganen (SPD) är anordnade att avkänna strömriktarens belastningsström (i (l) och i beroende av denna tända halvleâarventilerna (V31, 92) vid tids-mister (t ex ta och ts) som ligger en fjärdedels period av filtrets egenfrekvens före tidpunkter-na (t ex ta och t7) för extremvärdena hos grundtonen hos växelströms- komponenten i strömriktarens belastningsström (i ¿). 4.. Strömrilctarutrustning enligt patentlcrav 1, k ä. n n e t e c k n a d därav, att stjfrorgarxen är anordnade att växelvis tända ventiler-na med intervall som är en halv yeriod av grundtonen hos växelströmskomponenten i strömriktarens likström.