FI110461B - Tehonsiirtolaitteisto - Google Patents

Description

110461

TEHONSIIRTOLAITTEISTO

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen laitteisto monivaiheisen vaihtovirtageneraattorin tuottaman sähkötehon siirtämi-5 seksi monivaiheiseen vaihtosähköverkkoon, jossa laitteistossa on ohjausyksikkö, ohjaamaton tasasuuntaussilta, tasajännitevälipiiri sekä ohjattava vaih-tosuuntaussilta tasajännitetehon syöttämiseksi vaihtosähköverkkoon.

Sähkövoiman tuotannossa, kuten esim. vesi-ja tuulivoimaloissa, käytetään ylei-10 sesti tahtigeneraattoreita mekaanisen energian muuttamiseksi sähköenergiaksi. Kun tahtigeneraattori on kytketty suoraan sähköverkkoon, on sen pyörimisnopeuden on oltava tarkasti sähköverkon taajuutta vastaava. Tällaisen järjestelyn haittapuolena onkin nimenomaan pyörimisnopeuden tarkka asettelu, mikä vaatii esim. tuulivoimaloissa hankalaa lapakulman säätöä.

15

Tunnetaan ohjauslaitteistoja, joilla saavutetaan sikäli parempi tilanne, että generaattorin pyörimisnopeuden ei tarvitse olla kovin tarkasti vakio. Niissä generaattorin tuottama vaihtosähkö tasasuunnataan, tasoitetaan energian välivarastona toimivassa tasavirtakondensaattorissa ja sen jälkeen vaihtosuunnataan 20 sähköverkkoon. Tasasuuntaaja voi olla täysin ohjattu invertterikytkentä, joka muodostaa vakiona pysyvän tasajännitteen generaattorin muodostamasta jännitteestä, joka voi vaihdella laajalla alueella. Tasasuuntaaja voi olla myös ohjaamaton diodisiltakytkentä.

* · ♦ ] 25 Välipiirin vakio tasajännite vaihtosuunnataan sähköverkkoon vaihtosuuntaajan [ ’ ja kuristimen muodostamalla kytkennällä. Vaihtosuuntaaja on tyypillisesti hi-laita täysin ohjattavista tehopuolijohdekytkimistä ja niiden rinnalle kytketyistä diodeista muodostettu siltakytkentä, jossa puolijohdekytkimiä ohjataan tyypilli-sesti muutaman kHz:n taajuudella. Suurtaajuisen toiminnan aiheuttamia verk-30 kovirran yliaaltoja vaimennetaan suuri-induktanssisella verkkokuristimella.

I ·

Kytkennässä sähköverkkoon syötettyä tehoa voidaan säätää vaihtosuuntaajan muodostaman jännitteen amplitudilla ja vaihesiirtokulmalla sähköverkon jännit- • » t • teeseen nähden. Edullista on säätää amplitudi ja vaihesiirtokulma siten, että :: 35 syöttöverkon virta ja jännite ovat samanvaiheiset, eli coscp = 1.

» » » » » » *» I i | 2 110461 Tällaisen tekniikan mukaisessa ratkaisussa tasajännitevälipiirin jännite pyritään pitämään vakiona suurikapasitanssisen tasavirtakondensaattorin avulla. Kondensaattori toimii energian välivarastona, mikä mahdollistaa tasa- ja vaih-tosuuntauspiirien toisistaan riippumattoman toiminnan, mistä on mm. säätötek-5 nistä etua.

Kondensaattoriyksikön mitoituksen määrää yleensä kondensaattoreiden kyky kestää niihin kohdistuva virta- ja jänniterasitus sekä vaadittava elinikä ääriolo-suhteissa. Virtarasitusta laskettaessa tasa- ja vaihtosuuntauspiirien aiheuttamat 10 virtakomponentit lasketaan yleensä ensin erikseen ja sitten ne summataan neli-öllisesti. Näin tehdään silloin, kun kondensaattoriyksikön kapasitanssi on huomattavan suuri, jolloin virtapiirien voi katsoa olevan erillisiä eivätkä niiden het-kellisarvot vaikuta toisiinsa. Näistä lähtökohdista seuraa, että kondensaattoriyksikön kapasitanssi tulee varsin suureksi koska edullisen kondensaattorityy-15 pin, elektrolyyttikondensaattorin, virtasietoisuus on suhteellisen pieni.

Haittapuolena edellä kuvatussa kytkennässä ovatkin suurikokoiset tasajännite-kondensaattori ja verkkokuristin sekä monimutkainen vaihtosuuntaussillan vaatima säätölogiikka. Vaihtosuuntaajan muodostama jännite koostuu tasajännit-20 teen kokoisista palkeista, joiden muodostaminen vaatii tehopuolijohteiden suurtaajuista toimintaa, mistä puolestaan aiheutuu huomattavia kytkentähäviöitä ja tehostetun jäähdytyksen tarvetta.

Eräs tunnettu mahdollisuus vaihtosuuntaajan toteuttamiseksi on US-25 patenttijulkaisussa 4,447,868 on esitetty kolmivaiheinen tasasuuntaajasiltakyt-... kentä, joka sallii tehon kulkevan joko vaihtojännitepiiristä tasajännitepiiriin tai päinvastoin. Ko. patentin mukaisesti tasasuuntaajan transistoreja ohjataan tehon kulkiessa tasajännitepiiristä syöttöverkkoon siten, että ohjausyksikkö ohjaa '···’ niitä johtamaan siten, että sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen hetkellisarvo on 30 suurin, ylähaaran transistori ja sen vaiheen, jonka syöttöjännitteen hetkellisarvo on pienin, alahaaran transistori johtavat. Myös ko. julkaisun mukaisessa kyt-kennässä on käytettävä monimutkaista vaihtosuuntaajan ohjauslogiikkaa sekä : suurta induktanssia ja kapasitanssia tasajännitepiirissä.

;* 35 Kaikissa edellä kuvatuissa tunnetun tekniikan mukaisissa laitteissa tarvitaan energiavarastona toimivia kondensaattoreita, joilla on suuri kapasitanssi, ja vir-ranrajoituskuristimia, joiden yli oleva jännite voi tyypillisesti olla noin 3 - 5% 3 110461 syöttöjäni riitteestä, ja joilla siten on suuri induktanssi. Tällaiset komponentit ovat suuria ja kalliita. Siten niiden vaikutus laitteiston kokoon ja kustannuksiin on hyvin suuri.

5 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epäkohdat ja saada aikaan sellainen järjestely, jolla voidaan minimoida laitteiston koko. Keksinnön mukaiselle laitteistolle on ominaista se, että generaattorin ja tasasuun-taussillan muodostama tasavirta johdetaan suoraan sähköverkkoon ilman energian välivarastointia tasajännitekondensaattoriin. Myös tunnetun tekniikan vaa-10 tima virranrajoituskuristin on tarpeeton, samoin kuin vaihtosuuntaajan ohjauslo-giikan vaatima tasa- tai vaihtovirran mittaus.

Keksinnön mukaisessa laitteistossa tasa- ja vaihtosuuntaussilta on kytketty suoraan toisiinsa ilman energian välivarastona toimivaa tasajännite-15 kondensaattoria. Tasavirta johdetaan suoraan niihin kahteen vaihtojännite-verkon vaiheeseen, joiden jännitteiden hetkellisarvojen itseisarvot ovat suurimmat. Tällainen toiminta saavutetaan siten, että ohjauslaitteistossa ohjausyksikkö ohjaa vaihtosuuntaussillan hilalta täysin ohjattavia puolijohdekytkimiä (kuten esim. FET, transistori tai IGBT) siten, että: 20 - ylähaarassa sen vaiheen kytkin johtaa niin kauan kuin kyseisen vaihejännit- teen hetkellisarvo on positiivisin, ja - vastaavasti alahaarassa sen vaiheen kytkin johtaa niin kauan kuin kyseisen ,Y: vaihejännitteen hetkellisarvo on negatiivisin.

• · · • · • · 25 Näin siis saavutetaan tilanne, jossa sekä suurikapasitanssinen, energiavarasto-.... na toimiva tasajännitekondensaattori että suuri-induktanssinen virranrajoitusku ristin ovat tarpeettomia. Käytännössä voidaan mahdollisesti tarvita pienikä- > · · · · pasitanssinen tasajännitekondensaattori tai jänniteleikkuripiiri tasajännitevälipii- ···* rissä kytkentätilanteissa esiintyvien ylijännitteiden vaimentamiseksi sekä pieni- 30 induktanssinen vaihtovirtakuristin vaihtosuuntaajan ja syöttöverkon välissä ’: * ’: verkkohäiriöiltä suojautumisen takia.

»· · : Yksityiskohtaisesti keksinnön mukaiselle laitteistolle tunnusomaiset piirteet on ,’··*, esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa 35 :‘ : Muita keksinnön etuja ovat: 4 110461 - tavanomaisessa kytkennässä vaihtosuuntaussillan vaatima ohjausjärjestelmä apujännitelähteineen voidaan korvata huomattavasti yksinkertaisemmalla ja halvemmalla ohjauskortilla - pienet tehohäviöt (ei häviöitä energianvarastokondensaattoreissa eikä vir-5 ranrajoituskuristimissa, sekä mitättömät kytkentähäviöt ohjattavissa tehopuoli- johteissa koska ne toimivat sähkönjakeluverkon taajuudella).

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerkkien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa 10 kuvio 1 esittää vaihtosähkögeneraattoria ja sen ohjauslaitteistoa, kuvio 2 esittää puolijohdekytkimien ajoituslogiikkaa, ja 15 kuvio 3 esittää ohjauselektroniikkaa.

Kuvio 1 esittää kolmivaiheista vaihtosähkögeneraattoria 1 sekä siihen kytkettyä ohjauslaitteistoa, jonka kautta generaattorin syöttämä kolmivaiheinen vaihtovirta (vaihejännitteet Ur, Us, Uj ) johdetaan kolmivaiheiseen sähköverkkoon (vaihe-20 jännitteet Uy, Uv, Uw), jonka taajuus on vakio, esimerkiksi 50 Hz.

Ohjauslaitteistossa on ohjaamaton kokoaaltotasasuuntaajasilta 2 generaattorin 1 syöttämän kolmivaiheisen vaihtovirran tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipii-riin sekä siihen suoraan ilman välipiirin tasajännitteen tasoittamiseksi tarvittavaa 25 suurikapasitanssista kondensaattoriyksikköä kytketty ohjattava vaihtosuuntaus-.···. silta 3 tasajännitevälipiirin virran johtamiseksi kolmivaiheiseen vaihtojännite- [ * *. verkkoon. Vaihtosuuntaajasillan puolijohdekytkimiä ohjataan ohjausyksiköllä 4.

• * * ’···’ Tasasuuntaussilta 2 koostuu diodeista V1-V6 ja vaihtosuuntaussilta 3 hilalta 30 täysin ohjattavista ylä- ja alahaaran tehopuolijohteista, esim. IGBT:istä V11-V16 (U-vaihe V11, V14, V-vaihe V12, V15 ja W-vaihe V13, V16) ja niiden rinnalle kytketyistä diodeista V21-V26. Mahdollisten syöttöverkosta tulevien ja sinne .·. : aiheutettujen häiriöiden vaimentamiseksi kytkentään kuuluu myös kuristin Lac .···. Kytkentätilanteissa esiintyvien tai syöttöverkon aiheuttamien mahdollisten yli- *·* 35 jännitepiikkien vaimentamiseksi voi olla tarpeen kytkeä esim. pienikapasitanssi- nen kondensaattori tai jänniteleikkurina toimiva varistori tasa- ja vaihtosuun- I · 5 110461 taussiltojen välisen tasajännitevälipiirin napojen välille. Sillä ei kuitenkaan ole oleellista merkitystä tämän keksinnön kannalta.

Kuviossa 2 on esitetty ajoituslogiikka, jonka mukaisesti ohjattavia kytkimiä V11 5 - V16 ohjataan. Esimerkiksi kytkintä V11 pidetään johtavana niin kauan kuin sähköverkon vaihejännitteen U hetkellisarvo on positiivisempi kuin muiden vai-hejännitteiden hetkellisarvot ja kytkintä V14 pidetään johtavana niin kauan kuin sähköverkon vaihejännitteen U hetkellisarvo on negatiivisempi kuin muiden vai-hejännitteiden hetkellisarvot. Saman perussäännön mukaisesti ohjataan vai-10 hejännitteisiin V ja W liittyviä kytkimiä.

Kuviossa 3 on esitetty, kuinka edellä kuvattu ajoituslogiikka voidaan toteuttaa optoerottimien avulla. Tässä yhteydessä on kuvattu vain optoerottimien valolä-hetindiodien puoleinen kytkentä. Valovastaanottimien puolelle liittyvä pulssi-15 vahvistinkytkentä, joka muodostaa varsinaisen tehopuolijohteiden ohjaamiseksi tarvittavan jännite- ja virtapulssin optoerottimen antaman signaalin mukaisesti, voidaan toteuttaa monella tunnetulla tavalla eikä sitä ole tässä kuvattu.

Kuvion 3 mukainen kytkentä liitetään samoihin kuvassa 1 esitettyihin syöttöjän-20 nitteiden napoihin u1, v1, w1 joihin myös vaihtosuuntaussilta 3 liittyy. Kytkentään kuuluu diodisilta V31-V36, diodien kanssa sarjaan kytketyt optoerottimien lähetindiodit V11c-V16c sekä diodisillan tasajännitenapoihin liitetty vastus R1. Kytkennässä vastuksen R1 määräämä virta kulkee juuri niiden lähetindiodien kautta, joiden kuuluu kuvassa 2 esitetyn ohjauslogiikan mukaisesti antaa ohja-' . 25 uskäsky niitä vastaaville puolijohdekytkimille (tehopuolijohteille) V11-V16. Esi- *..* merkiksi lähetindiodin V11c läpi kulkee virta vain silloin, kun vaihejännite u1 on positiivisempi kuin muut vaihejännitteet. Näin tätä diodia vastaava puolijohde : : V11 johtaa juuri oikealla hetkellä.

30 Huomattakoon ettei ohjauslogiikan toteutus vaadi verkko- tai tasavirran mitta-: ·' i usta kuten tunnettujen tekniikoiden mukaiset toteutukset .· . Edellä kuvattujen periaatteiden mukaisesti keksintöä voi soveltaa myös laitteis- ;* töihin, joissa useampi generaattori ja tasasuuntaaja syöttävät yhteistä tasajän- ’···' 35 nitevälipiiriä tai laitteistoihin, joissa samaan tasajännitevälipiiriin on kytketty : ’ ·. i useampi kuin yksi kolmivaihesähköverkko.

6 110461

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Täysin ohjattavina puoli-johdekytkiminä voidaan IGBT:n ohella käyttää myös muita hilalta täysin ohjatta-5 via, so. sytytettäviä ja sammutettavia, puolijohdekytkimiä, kuten transistoreja.

Claims (5)

7 110461

1. Laitteisto ainakin yhden monivaiheisen vaihtovirtageneraattorin (1) tai -generaattoriyksikön tuottaman sähkötehon siirtämiseksi ainakin yhteen moni- 5 vaiheiseen vaihtosähköverkkoon (Uu, Uv, Uw), jossa laitteistossa on ainakin yksi ohjausyksikkö (4), ainakin yksi ohjaamaton tasasuuntaussilta (2), tasajän-nitevälipiiri sekä ainakin yksi ohjattava vaihtosuuntaussilta (3) tasajännitetehon syöttämiseksi vaihtosähköverkkoon, 10 jossa vaihtosuuntaussillassa (3) on ylä-ja alahaarassa hilalta täysin ohjattavat puolijohdekytkimet (V11-V16), ja joka ohjausyksikkö ohjaa vaihtosuuntaussillan (3) puolijohdekytkimiä (V11-V16) johtamaan siten, että: 15. ylähaarassa sen vaiheen kytkin johtaa olennaisesti niin kauan kuin verkon kyseisen vaihejännitteen (Uu, Uv, Uw) hetkellisarvo on positiivisin, ja - alahaarassa sen vaiheen kytkin johtaa olennaisesti niin kauan kuin verkon kyseisen vaihejännitteen (Uu, Uv, Uw) hetkellisarvo on negatiivisin 20 tunnettu siitä, että tasasuuntaussilta (2) on kytketty vaihtosuuntaussiltaan (3) suoraan ilman energian välivarastona toimivaa tasajännitekondensaattoriyksikköä, ja ‘ . 25 että tasasuuntaussillasta (2) tuleva tasavirta ohjataan suoraan niihin kahteen vaihtojänniteverkon vaiheeseen, joiden jännitteiden hetkellisarvojen itseisarvot ‘ · ·" ovat suurimmat, ilman virran rajoitusta kuristinyksiköllä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ohjausyk-30 sikkö ohjaa vaihtosuuntaussillan (3) puolijohdekytkimiä (V11-V16) sähköverkon :1·: taajuudella siten, että puolijohdekytkimiä ohjataan yhdellä yhtenäisellä ohjaus- • ’": pulssilla, joka kestää koko puolijohdekytkimen johtavuusajanjakson ajan.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, jossa vaihtosähköverkko on va-35 kiotaajuinen, tunnettu siitä, että ohjausyksikkö ohjaa vaihtosuuntaussillan (3) puolijohdekytkimiä (V11-V16) vakiotaajudella. s 110461

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ohjausyksikössä (4) on ohjauselimet vaihtosuuntaussillan (3) puolijohdekytkimien (VIIVI 6) ohjaamiseksi, jotka ohjauselimet on kytketty samoihin verkon vaihejännit- 5 teiden napoihin (u1 ,v1 ,w1) kuin vaihtosuuntaussilta (3).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ohjaus-elimet ovat optoerottimia, ja että ohjausyksikössä on diodisilta (V31-V36), diodi-sillan diodien kanssa sarjaan kytketyt optoerottimien lähetindiodit (V11c-V16c) 10 sekä diodisillan tasajännitenapoihin liitetty vastus (R1), jonka vastuksen (R1) määräämä virta kulkee niiden lähetindiodien kautta, joiden kuuluu ohjauslogii-kan mukaisesti antaa ohjauskäsky niitä vastaaville vaihtosuuntaussillan (3) puo-lijohdekytkimille (V11-V16). » I · * · « ft · « · ·