FI119578B - Menetelmä ja järjestely puoliohjatun verkkosillan yhteydessä - Google Patents

Description

119578

Menetelmä ja järjestely puoliohjatun verkkosillan yhteydessä Keksinnön tausta Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja järjestely puoliohjatun verkkosillan yhteydessä. Täsmällisemmin keksinnön kohteena on menetelmä 5 ja järjestely puoliohjatun verkkosillan tyristorien ohjaamiseksi.

Verkkosilta on sähköinen muuttaja, jolla voidaan muodostaa verkon vaihtojännitteestä tasajännitettä. Yksinkertaisin kolmivaiheinen verkkosilta muodostuu kuudesta diodista siten, että jokaista verkon vaihetta kohti on kaksi sarjaan kytkettyä diodia. Nämä Saijaan kytketyt diodit on edelleen kytketty 10 keskenään rinnan. Verkon vaiheet kytketään sarjaan kytkettyjen diodien väliin ja rinnankytkettyjen parien anodit ja katodit muodostavat tasajännitteen positiivisen ja negatiivisen kohtion. Tällaisella kytkennällä voidaan muodostaa 6-pulssista jännitettä, eikä jännitteen suuruutta voida muuttaa.

Puoliohjattuja verkkosiltoja käytetään yleisesti tasajännitevälipiirillis-15 ten taajuusmuuttajien yhteydessä tasajännitevälipiirin tasajännitteen tuottamiseen. Puoliohjatulla verkkosiilalla muodostettavan jännitteen suuruutta voidaan säätää käyttämällä sillassa olevia ohjattavia kytkimiä. Kuviossa 1 on esitetty esimerkki puoliohjatusta verkkosillasta, joka on muodostettu kolmesta diodista ja kolmesta tyristorista. Kytkennässä kukin diodi ja tyristori muodostavat sar-20 jaan kytketyn parin, joissa diodien katodit on kytketty tyristorien anodeille.

: ·. ·, Edelleen kaikki näin kytketyt parit on kytketty rinnan ja verkkojännitteen vaiheet • · on kytkettävissä Saijaan kytkettyjen komponenttien välille. Tasasuunnattu jän-/ nite Udc muodostuu kytkennässä tyristorien katodien ja diodien anodien välille.

: V Tunnetusti tyristori on komponentti, joka voidaan kytkeä johtavaksi :.: : 25 tuomalla hilalle hilavirtaa kun tyristori on myötäsuuntaisesti jännitteinen. Ta- ·· vanomaista tyristoria ei voida kuitenkaan sammuttaa hilalta, vaan tyristori säi- lt·· .···. lyy johtavassa tilassa niin kauan kun virta kulkee tämän läpi. Taajuusmuuttajan verkkosuuntaajan yhteydessä tyristorien toiminta on tärkeää tavoitellun välipii-rin tasajännitteen aikaansaamiseksi. Tyristoreille annetaankin yhden ainoan 30 syttymiseen riittävän hilavirtapulssin sijaan virtaa niin kauan kun syttyminen on • · · mahdollista syttymisen varmistamiseksi.

.•I·. Aikaisemmin on ollut tunnettua ohjata hilaa kytkemällä tälle jännite, M jonka aikaansaamaa hilavirtaa on rajoitettu käyttämällä resistiivistä kytkentää.

· *···* Tehonkulutuksen pienentämiseksi jännitettä kytketään hilalle, jolloin saadaan 35 aikaan pulssimaista hilavirtaa. Tyypillisessä esimerkissä tunnetusta toteutuk- ··· sesta pulssimaista hilavirtaa tuotetaan ennalta määritetyllä kytkentätaajuudella.

• · 119578 2 Tällainen vakio kytkentätaajuus on esimerkiksi 30 kHz, virran amplitudi on 0,5 Aja pulssisuhde noin 55/45. Tällöin kussakin jaksossa on noin 20 ps virrallista aikaa ja noin 16ps virratonta aikaa. Tuotettaessa hilavirtaa edellä kuvatulla tunnetulla tavalla tehon kulutus on kuitenkin melkoinen, koska virran suuruutta 5 rajoitetaan vastuksella.

Aikaisemmalla tavalla aikaansaadun virran suuruus määräytyy kytkettävän jännitteen ja hilavirtapiirissä olevien resistanssien ja jännitteen pudotusten määräämänä. Näin ollen virran suuruus voi vaihdella merkittävästi syöttävän jännitteen vaihtelun ja ohjattavan tyristorin hila-katodi -jännitteen vaihdel-10 lessa. Pahimmassa tapauksessa virta ei riitäkään tyristorin sytyttämiseen toivotulla tavalla.

Lisäksi hilavirtapiirin jatkuvat kytkennät saattavat aiheuttaa ongelmia liittyen sähkömagneettisiin häiriöihin johtuen hilavirran suurista katkaisunope-uksista.

15 Keksinnön lyhyt selostus Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada menetelmä ja järjestely, jotka välttävät edellä mainitut epäkohdat, ja mahdollistavat puoliohjatun tyristorisillan tyristorien ohjaamisen aikaisempaa luotettavammalla ja pienihä-viöisemmällä tavalla. Tämä tarkoitus saavutetaan keksinnön mukaisella mene-20 telmällä ja järjestelyllä, joille on tunnusomaista se, mitä sanotaan itsenäisissä •v, patenttivaatimuksissa. Keksinnön edulliset suoritusmuodot ovat epäitsenäisten • · ' patenttivaatimusten kohteena.

’ * Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että puoliohjatun verkkosillan : V tyristoreita ohjataan jatkuvalla hilavirralla, jonka suuruus pidetään yksinkertai- : : : 25 sen mittauksen avulla tietyissä rajoissa kytkemällä jännitettä hilavirtapiiriin mit- ··· tauksen perusteella.

·«·· .···. Keksinnön mukaisella menetelmällä ja järjestelyllä saadaan aikai- • · seksi hilavirta, jonka suuruus voidaan määrätä täysin ja tehdä siten ideaalisek- , si tyristorin sytyttämistä varten. Lisäksi hilavirta on riippumaton mahdollisista • · · ···: 30 kytkettävän jännitteen muutoksista. Hilavirtaa ohjataan induktiivisen kom- • · · ponentin läpi, joten virran nousunopeus on rajoitettu.

• · ::: Kuvioiden lyhyt selostus • · ·

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yh-.***; täydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joista: : v. 35 Kuvio 1 esittää puoliohjattua verkkosiltaa, • · • * 119578 3

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen jäljestetyn lohkokaavioesitystä, ja

Kuvio 3 esittää keksinnöllä aikaansaatavan virran käyrämuotoa. Keksinnön yksityiskohtainen selostus 5 Kuviossa 2 on esitetty kolmivaiheinen puoliohjattu verkkosilta jänni- teväiipiirillisen taajuusmuuttajan yhteydessä sekä tämän keksinnön mukainen ohjauskytkentä periaatteellisella tasolla. Syöttävän verkon jännite on tarkoitettu kytkettäväksi liittimiin U1, V1 ja W1, joista jännite tasasuunnataan käyttäen suuntaajasiltaa 20 tasajännitteeksi tasajännitevälipiiriin UDC+, UDC-. Välipiiriin 10 on kytketty tunnetulla tavalla välipiirin kondensaattorit 23 ja näiden rinnalle ta-sausvastukset. Kuviossa 2 on myös esitetty välipiirin latausdiodi 22 ja tämän saijavastus 24. Jännitteetöntä välipiiriä ladataan aluksi tämän diodin ja vastuksen muodostaman piirin kautta verkkojännitteen U vaiheella.

Keksinnön mukaisen järjestelyn ja menetelmän tarkoituksena on oh-15 jata puoliohjatun verkkosillan tyristoreita TW, TV, TU tuottamaan jännitettä vä-lipiirille. Tyristoreiden ohjaaminen suoritetaan ohjainpiiristöllä 25, joka saa si-sääntuloikseen vaihejännitteet U, V, W, tasasuunnatun jännitteen UDC+ ja käyttöjännitteen Uop, joka keksinnön piirustuksessa on esitetty olevan 12 V. Kuviossa 2 on myös esitetty, kuinka mainitusta käyttöjännitteestä on muodos-20 tettu 5 voltin apujännite regulaattorilla 29.

... Tyristoreiden ohjaaminen aloitetaan kun välipiirin jännite on noussut • * · ·* tarpeeksi lähelle tavoiteltua arvoaan. Välipiirin jännitteen nouseminen määrite- tään esitetyn kuvion 2 ulkopuolella, ja tavoitellun arvon saavuttaminen indikoi-j’*j: daan piiristölle kytkemällä sille mainittu käyttöjännite Uop. Tämän käyttöjännit- • ;*· 25 teen visuaalista indikointia varten piiristöön on lisätty valodiodi V102 ja tämän • i* · etuvastus.

Kun käyttöjännite on kytketty piiristölle, käynnistyslohko 26 lähettää *···’ ohjauksen mahdollistavan signaalin eri vaiheiden ohjauslogiikoiile 27. Ohjaus- logiikat 27 saavat sisääntulonaan lisäksi vaihejänniteinformaation vaimennus-..I:* 30 lohkoilta 28. Vaimennuslohkot ovat esimerkiksi resistanssit, joilla vaihejänni- tesignaalia muokataan siten, että ohjauslogiikoilla voidaan valita kulloinkin oh-jättävä tyristori. Jokaisen vaiheen ohjauslogiikka valitsee siten itsenäisesti voi-daanko kyseiseen vaiheeseen liittyvää tyristoria ohjata. Ohjattavan vaiheen va-litseminen voidaan toteuttaa esimerkiksi siten, että vaimennuslohkojen lähtöjä 35 verrataan tunnettuun jännitteeseen. Kun vaimennuslohkon lähdön jännite ylit- .*·**, tää tietyn rajan, aloitetaan kyseiseen vaimennuslohkoon liittyvän vaiheen tyri s- • « • · 119578 4 torin ohjaaminen ja vastaavasti ohjaaminen lopetetaan jännitteen laskiessa kyseisen rajan alapuolelle. Vertailujännite voidaan tuottaa esimerkiksi kaikille vaiheille yhteisenä käyttäen regulaattorilla 29 tuotettua apujännitettä. Vaihe-jännitteen ja vertailujännitteen vertaileminen voidaan toteuttaa käyttäen yksin-5 kertaista operaatiovahvistin vertailua.

Kuviossa 2 on esitetty kolmivaiheinen verkkosilta ja tämän ohjauspiiristä siten, että vaiheen U ohjauspiiri on esitetty muita yksityiskohtaisemmin. On kuitenkin selvää, että kaikkien vaiheiden hilavirtaa tuottavien piirien toteutus on sama. Yksinkertaisuuden vuoksi seuraavassa viitataan vaiheen U yksilö tyiskohtaisemmin esitettyyn ohjauspiiriin.

Keksinnön menetelmän mukaisesti tunnistetaan ohjattava tyristori vaihejännitteen suuruuden perusteella esimerkiksi edellä kuvaillulla tavalla. Edelleen, kun ohjattava tyristori on havaittu, tätä ohjataan kytkemällä jännite tämän hilavirtapiiriin hilavirran aikaansaamiseksi. Kuten aikaisemmin mainittiin, 15 ohjainpiiristölle tuodaan käyttöjännite Uop, jota kytketään kuviossa 2 esitetyssä suoritusmuodossa tyristoreiden hilapiireille hilavirran aikaansaamiseksi. Käyttöjännite kytketään hilavirtapiiriin ohjattavilla kytkimillä K1.

Keksinnön mukaisessa jäljestetyssä käyttöjännite on referoitu väli-piirin positiiviseen jännitteeseen UDC+. Tämä tarkoittaa sitä, että käyttöjännit-20 teen nollapotentiaali on jännite UDC+, eli käyttöjännite kelluu välipiirin positiivisen jännitteen päällä.

Keksinnön mukaisen järjestelyn hilavirtapiiri käsittää induktiivisen komponentin ja resistiivisen komponentin, kuten vastuksen. Menetelmässä hi- .* lavirta ohjataan tyristorin hilalle induktiivisen komponentin kautta, joka tunnetul- • * * | ·' 25 la tavalla hidastaa virran muutosnopeutta. Keksinnön menetelmässä edelleen : määritetään muodostuneen hilavirran suuruutta ja tämän suuruuden perusteel- #,; :* la kytketään vuorottaisesti jännite pois hilavirtapiiristä ja hilavirtapiiriin.

Hilavirran noustessa ennalta asetettua rajaa suuremmaksi kytketään jännite pois hilavirtapiiristä, jolloin virta alkaa pienentyä induktiivisen kom-a.( 30 ponentin määrittämällä nopeudella. Kun virta on pienentynyt ennalta määrätyl- *;;; le alemmalle rajalle, kytketään jännite uudelleen hilapiiriin. Tätä jännitteen kyt- **··* kernistä jatketaan aina niin kauan, kunnes kyseisen vaiheen ohjauslogiikka 27 •Y: havaitsee vaiheen verkkojännitteen laskeneen alle tietyn rajan, jolloin kyseisen .···. vaiheen tyristori on estosuuntaan jännitteinen. Ohjauslogiikan havaittua vaihe- • · 35 jännitteen pieneneminen lopetetaan kyseisen kytkimen ohjaaminen ja hilavir- • · · ran tuottaminen. Tämän jälkeen siirrytään ohjaamaan hilavirtaa edellä kuvail- ·· e • « · • · • · 119578 5 lulla tavalla sille tyristorille, jonka on havaittu olevan myötäsuuntaisesti jännitteinen. Tyristorille ei siis anneta hilavirtaa jos se on estosuuntaisesti jännitteinen, sillä tyristorin häviöt lisääntyvät tarpeettomasti tällaisessa tilassa ohjattaessa.

5 Keksinnön mukaisessa järjestelyssä ja menetelmässä hilavirta kul kee kytkimen K1 ollessa johtavassa tilassa jännitelähteenä toimivasta käyttö-jännitteestä U0p induktiivisen komponentin L1 ja resistiivisen komponentin R1 kautta ohjattavan tyristorin hilalle, ja edelleen tyristorin katodille liitetystä apu-katodista palautuen käyttöjännitteen nollapotentiaaliin, eli positiiviseen välipiiri-10 jännitteeseen UDC+. Kun kytkin K1 avataan virran noustessa ennalta määrättyä rajaa suuremmaksi, virta siirtyy kulkemaan kytkentään järjestelylle diodille V1, joka sulkee virtapiiriin virran kulkiessa edelleen induktiivisen komponentin, resistiivisen komponentin, tyristorin hilan ja tyristorin apukatodin kautta.

Kuviossa 2 esitetty ohjainpiiristö käsittää liityntäpisteet tyristorien hi-15 loja UG, VG, WG ja apukatodeja UK, VK, WK varten, joita käyttäen tyristorit on yhdistetty ohjainpiiristöön.

Keksinnön mukaisessa järjestelyssä hilavirran mittaaminen on suoritettu käyttämällä niin kutsuttua shunttimittausta, eli hilavirtaa määritetään määrittämällä hilavirran aiheuttamaa jännitehäviötä virtapiiriin kytketyn resistiivisen 20 komponentin yli. Kuviossa 2 on yksityiskohtaisemmin esitetty vaiheeseen U liittyvä kytkentä. Operaatiovahvistinkytkentä A1 on kytketty resistanssin R1 yli.

·· · • Operaatiovahvistinkytkentä muodostaa erotusvahvistimen, joka muodostaa ·:··· vastuksen jännitehäviöön, eli vastuksessa kulkevaan virtaan verrannollisen : v. jännitteen ja vahvistaa tämän vahvistuskertoimellaan. Tämä vahvistettu virtaan • 25 verrannollinen jännite johdetaan edelleen operaatiovahvistinkytkennälle A2, jo- ka saa toiseen sisääntuloonsa muodostetun apujännitteen, joka kuvion 2 suori-.. i i ’ tusmuodossa on 5 volttia.

Operaatiovahvistinkytkentä A2 muodostaa komparaattorikytkennän hystereesillä. Tämä kytkentä vertaa sisään tulevaa kytkennän A1 lähtöä refe-30 renssijännitteeseen siten, että hilavirtaan verrannollisen jännitteen kasvaessa "!! ennalta määrättyä rajaa suuremmaksi, kytkennän A2 lähtö muuttaa tilaansa.

***** Vastaavasti, kun hilavirtaan verrannollinen jännite laskee alle ennalta määrätyn :':*: alemman rajan, kytkennän A2 lähtö muuttaa tilaansa toiseen suuntaan. Kom- • · .1. paraattorikytkennän hystereesi määritetään tunnetulla tavalla operaatiovahvis- '2 35 timeen kytkettyjen komponenttien avulla.

· • · • e ··· « · 2 9 • · · • · 119578 6

Operaatiovahvistinkytkentä A2 ohjaa lähdöllään ohjattavaa kytkin-komponenttia K1 vasteeilisena hilavirtapiirin virnan suuruudelle edellä esitetyllä tavalla. Kuviossa 2 on esitetty, että kytkennän A2 lähtö on kytketty ohjauslo-giikkapiiriin 27, joka ohjaa kytkintä K1. Käytännön toteutuksessa operaatiovah-5 vistin voi ohjata joko suoraan tai vahvistettuna ohjattavaa kytkintä ilman ohja-uslogiikkaa.

Kuviossa 2 on esitetty esimerkin vuoksi komponenttien sähköisiä arvoja. Resistiivisen komponentin arvoksi on esitetty 0,2 Ohmia ja induktiivisen komponentin induktanssiksi 100 μΗ. Esimerkiksi tällöin hilavirtapiirissä kulkeva 10 0,5 Ampeerin virta tuottaa erovahvlstimen A1 tuloon volttisuuruisen jännitteen.

Hilavirtamittaus on asetettu kytkennän hilajohtimen potentiaaliin, koska kaikille kolmelle hilavirtapiirille on yhteinen syöttöjännite ja ohjattavien tyristorien katodit on kytketty jäykästi yhteen. Tämä yhteinen piste on ohjaus-elektroniikan referenssipiste, jota vasten kaikki mittaukset tapahtuvat. Virtamit-15 taus olisi helpompi sijoittaa hilavirtapiirin paluujohtimeen, jos kaikki hilavirtapiirit olisi erotettu omaan kelluvaan potentiaaliinsa. Tällöin kuitenkin tarvittaisiin useita galvaanisia erotuksia, joka nostaisi ratkaisun hintaa.

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja järjestelyllä saadaan aikaiseksi jatkuva hilavirta, jolla on tietty aaltoisuus. Kuviossa 3 on esitetty keksin-20 nöllä aikaansaatavan hilavirran käyrämuoto. Käyrämuodon taajuutta ja aaltoi-suutta voidaan asetella komparaattorina toimivan operaatiovahvistinkytkennän ·1·': hystereesivastuksella. Tyypillinen kytkentätaajuuden kertaluokka keksinnön mukaista menetelmää hyödynnettäessä on noin 10 - 40 kHz. Kuviossa on esi- • · ;V( tetty hilavirran kasvaminen nollasta silloin, kun kyseistä tyristoria aletaan ohja- | f 25 ta, ja edelleen hilavirran käyrämuotoa muutaman jakson ajan.

:·: i Alan ammattilaiselle on ilmeistä, että keksinnön perusajatus voidaan toteuttaa monin eri tavoin. Keksintö ja sen suoritusmuodot eivät siten rajoitu yl-lä kuvattuihin esimerkkeihin vaan ne voivat vaihdella patenttivaatimusten puitteissa.

30 • e·1#

Mt • · • · · • · · · f · · • · · • · • · · • · · ··· t · • · ··· · • · t • · * «

Claims (9)

119578

1. Menetelmä puoliohjatun verkkosillan vaihekohtaisten tyristorien ohjaamiseksi, jossa menetelmässä tunnistetaan ohjattava tyristori vaihejännitteen suuruuden perusteel- 5 la, ohjataan tyristoria kytkemällä jännite tämän hilavirtapiiriin hilavirran aikaansaamiseksi, jolloin tyristorin ohjaaminen käsittää vaiheet, joissa ohjataan hilavirta hilavirtapiirin induktiivisen komponentin kautta tyristorin hilalle, 10 määritetään hilavirran suuruutta, kytketään vuorottaisesti jännite pois hilavirtapiiristä hilavirran ollessa ennalta määrättyä rajaa suurempi ja jännite hilavirtapiiriin hilavirran ollessa ennalta määrättyä rajaa pienempi, tunnettu siitä, että kutakin tyristoria ohjataan syöttämällä kunkin tyristorin hilalle jännite kaikille hilavirtapiireille yhteises-15 tä jännitelähteestä (Uop) ja että kunkin tyristorin hilavirran suuruutta määritetään hilajohtimen potentiaalissa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ohjattavan tyristorin tunnistaminen käsittää vaiheen, jossa havaitaan vaihejännitteen nouseminen siten, että kyseisen vaiheen 20 tyristorin sytyttäminen on mahdollista. .. . 3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, • · · : \ että menetelmä käsittää lisäksi vaiheet, joissa | havaitaan vaihejännitteen laskeminen siten, että tyristori on es- : tosuuntaisesti jännitteinen, ja • · : 25 lopetetaan tyristorin ohjaaminen vasteellisena vaihejännitteen las- kemiselle.

4. Järjestely puoliohjatun verkkosillan vaihekohtaisten tyristorien ohjaamiseksi, joka järjestely käsittää verkkosillan vaihekohtaiset tyristorit ja näi-: den ohjaamiseen sovitetut hilavirtapiirit, .···. 30 jännitelähteen (Uop), joka on sovitettu kytkettäväksi tyristoreiden hi- *" lavirtapiireille, jolloin hilavirtapiirit käsittävät *· *: induktiivisen komponentin (L1), välineet hilavirran suuruuden määrittämiseksi (R1, A1), ja •y. välineet jännitelähteen jännitteen kytkemiseksi (A2, K1) hilavirtapii- .·. : 35 riin vasteellisena hilavirran suuruudelle, tunnettu siitä, että jännitelähde • · 119578 (Uop) on yhteinen kaikille hilavirtapiireille ja että välineet hilavirran suuruuden määrittämiseksi on sijoitettu hilajohtimen potentiaaliin.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että välineet hilavirran suuruudeksi käsittävät hilavirtapiiriin sovitetun resistiivisen 5 komponentin (R1) ja resistiivisen komponentin (R1) yli vaikuttavaa jännitettä määrittävän elimen (A1).

6. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että välineet jännitelähteen jännitteen kytkemiseksi hilavirtapiiriin käsittää resistiivisen komponentin yli vaikuttavaa jännitettä määrittävälle elimelle (A1) 10 vasteellisen vertailuelimen (A2) ja ohjattavan kytkinelimen (K1), joka on vasteelleen mainitulle vertailuelimelle jännitteen kytkemiseksi hilavirtapiiriin ja pois hilavirtapiiristä.

7. Patenttivaatimuksen 4, 5 tai 6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että resistiivisen komponentin yli vaikuttavaa jännitettä määrittävä elin 15 (A1) on operaatiovahvistinkytkentä, joka toimii erovahvistimena.

8. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 4-7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vertailuelin (A2) on operaatiovahvistinkytkentä, joka toimii komparaattorina, jolla on hystereesi.

9. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 4-8 mukainen järjestely, 20 tunnettu siitä, että hilavirtapiiriin on lisäksi sovitettu diodi, joka on sovitettu .. . liittymään hilavirtapiiriin kytkimen (K1) ollessa estävässä tilassa. • · · • · • t • · ·· m * · · • · * · • · • · 1 • · · • · · · • f · • 1 · · • · · • · * · »t1 · • · · t · · ··· · a · • · • · ·· • · • · a • ·· • Φ • a • 1 • · · • · · • · · • · · • aa • a 119578