FI122086B - Suotokuristinjärjestely - Google Patents

Description

SUOTOKURISTINJÄRJESTELY

Tekniikan ala 5 Tämän keksinnön kohteena on tasajännitevälipiirillä varustetuissa tehomuuttajissa, erityisesti taajuusmuuttajissa, käytettävä tasajännitevälipiirin suotokuristinjärjestely, jota käytetään rajoittamaan laitteen ottaman verkkovirran yliaaltoja.

10 Tunnettu tekniikka

Tehoelektroniikkalaitteiden, kuten taajuusmuuttajien syöttöverkkoon aiheuttamien virtayliaaltojen määrää on rajoitettava verkon säröytymisen takia. Asiaan liittyy useita kansainvälisiä viranomaismääräyksiä ja standardeja, kuten 15 esimerkiksi IEC61300-3-12.

PWM-taajuusmuuttajatyyppisissä ratkaisuissa, joissa syöttöjännite tasasuunnataan ja suodatetaan välipiirin tasajännitteeksi, on yleistä käyttää ta-sasuuntaussillan ja DC-suotokondensaattorin väliin sijoitettua DC-kuristinta verkkovirran yliaaltojen rajoittamiseksi. Kuristin voi olla sijoitettuna kuvion 1 20 esimerkin mukaisesti joko DC-piirin + tai - kiskoon tai molempiin.

Virran yliaaltojen rajoitusvaatimukset johtavat yleensä siihen, että kuristimen induktanssiarvon on oltava huomattavan suuri. Kun sen on samanaikaisesti kestettävä täyden verkkovirran rasitukset, johtaa mitoitus yleensä varsin suureen ja painavaan komponenttiin. Koon rajoittamiseksi kuristimessa on 25 edullista käyttää sydänmateriaalia, jonka sietämä vuontiheys on suuri, kuten esimerkiksi muuntajalevyistä koottua pakettia.

DC-kuristinsovelluksessa, jossa virta kulkee vain yhteen suuntaan, ^ kuristimen sydän magnetoituu vain yhteen suuntaan. Magnetoitumisalueen ^ toisenkin puoliskon hyväksikäyttämiseksi ja sitä kautta sydämen täyden kapasi-

(D

o 30 teetin käyttöönottamiseksi on tunnettua käyttää kestomagneettia osana sydän- o rakennetta esimerkiksi patenttijulkaisun US 6,753,751 mukaisesti.

Kuristinsydämen koon minimoimiseksi kestomagneetin luoma Q_ magneettivuo on vastakkainen ulkoisen virran muodostamaan magneettivuohon ίο nähden; mitoituksen tavoitteena voi olla esim. se, että O-virralla magneettivuon

LO

35 tiheys on negatiivinen 70% kyllästymisrajasta ja täydellä virralla saman verran cv positiivinen.

Ulkoisen virran aiheuttaman vastakkaisen vuon takia kesto-magneettia hyödyntäviin DC-kuristinratkaisuihin liittyy demagnetoitumisen vaa- 2 ra. Vuontiheys, jolla kestomagneetti demagnetoituu, riippuu käytetystä materiaalista ja lämpötilasta ollen tyypillisesti 1,0...1,4 T (tesla). Kuristimissa yleisesti käytetyn muuntajalevyn kyllästymisvuontiheys on luokkaa 1,4...1,6 T. Näinollen, jos kuristimen virta ylittää huomattavasti mitoitustason, ulkoinen vuo voi 5 ylittää kestomagneetin demagnetoitumisrajan jolloin se menettää alkuperäisen magneettisen ominaisuutensa ja voi jopa magnetoitua väärään suuntaan. Tällainen tilanne on mahdollinen ennakoimattoman suurilla ylivirroilla, jollainen taajuusmuuttajissa voi esiintyä esimerkiksi verkkokatkon yhteydessä mikäli välipii-rin DC-kondensaattorin jännite on laskenut hyvin alhaiseksi verkkojännitteen 10 palatessa. Tällaisen tilanteen jälkeen DC-kuristin on menettänyt pysyvästi osan verkkovirran suodatusominaisuudestaan.

Keksinnön yhteenveto 15 Tämän keksinnön kohteena on tehomuuttajien tasajännitepiirissä käytettävä, kestomagneetilla varustettu DC- suotokuristinratkaisu, jossa ei ole vaaraa kestomagneetin demagnetoitumisesta. Keksinnön mukaiselle ratkaisulle on tunnusomaista se, mitä on sanottu patenttivaatimuksissa.

Keksinnön mukaisessa ratkaisussa kuristimen magneettisydämen 20 pylväs- ja iesosien poikkipinta-alat ovat edullisesti erisuuruiset ja kestomagneetti on sijoitettu joko yhteen tai useampaan sydänrakenteen nurkkaan vinosti poikittain. Sijoittelu mahdollistaa keksinnön mukaisesti sen, että kestomagneetin poikki-pinta-ala on selvästi suurempi kuin sydänrakenteen ohuimman kohdan, pylvään poikkipinta-ala.

25 Koska sama vuo lävistää sekä sydänrakenteen että kestomagnee tin, jää vuontiheys kestomagneetissa alhaisemmaksi kuin kuristimen sydämessä. Keksinnön mukaisesti kuristin mitoitetaan siten, että sydänrakenteen ^ ohuimman kohdan kyllästyessä jää vuontiheys kestomagneetin kohdalla sen ™ demagnetoitumisrajan alapuolelle. Koska sydämen vuontiheys ei muutu merkit-

CD

9 30 tävästi kyllästymisrajan jälkeen vaikka kuristimen virta kasvaisikin, ei kestomag- 0 neetin demagnetoitumisraja näinollen ylity missään käytännön olosuhteissa.

CC

CL

Piirustusten lyhyt kuvaus

(M

LO

LO

£ 35 Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisemmin esimerk- (n kien avulla viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa

Kuvio 1 esittää taajuusmuuttajan pääpiiriä,

Kuvio 2 esittää perinteistä kaksipylväistä DC-kuristinratkaisua, 3

Kuvio 3 esittää kuristimen sydänmateriaalin magnetoitumiskäyrää,

Kuvio 4 esittää tunnettua ratkaisua kestomagneetin sijoittamiseksi kuristimen sydämeen,

Kuvio 5 esittää keksinnön mukaista ratkaisua kestomagneetin sijoit-5 tamiseksi kuristimen sydämeen, ja

Kuvio 6 esittää kuristimen osien magnetoitumista keksinnön mukaisella ratkaisulla.

Tunnetun tekniikan ja keksinnön yksityiskohtainen kuvaus 10

Kuvio 1 esittää tavanomaista PWM-taajuusmuuttajan pääpiiriä, jossa on diodeista koostuva verkkosilta 10 syöttöverkon kolmivaiheisen vaihtojännitteen tasasuuntaamiseksi tasajännitevälipiirin tasajännitteeksi, suotokonden-saattori Cdc, kolmesta tehopuolijohteilla toteutetusta vaihekytkimestä koostuva 15 kuormasilta 11, joka muodostaa välipiirin tasajännitteestä kolmivaiheisen lähtö-jännitteen U, V, W sekä ohjausyksikkö 12. Kuviossa on esitetty myös verkkovirran yliaaltojen suodattamiseksi yleisesti käytetty kaksiosainen DC-kuristinratkaisu Ldc+, Ldc-. Kuristimen käämien käämityssuunta on merkitty pienellä täplällä kuristimen viereen. Yleinen DC-kuristinratkaisu on myös sellai-20 nen jossa käytetään vain yhtä haara kohtaista kuristinta (joko Ldc+ tai Ldc-).

Kuviossa 2 on esimerkki tyypillisen perinteisen DC-kuristimen rakenteesta. Kuristimen magneettisydän koostuu kahdesta pylväästä 1a, 1b ja pylväät yhdistävistä ikeistä 2a, 2b. Magneettipiiriin kuuluu normaalisti myös ilmaväli 3a, 3b, jolla asetellaan haluttu induktanssiarvo ja virtaraja, jolla mag-25 neettisydän alkaa kyllästyä. Pylväiden ympärille on käämitty samansuuntaisesti käämitykset Ldc+ ja Ldc- tai vain yksi käämitys, esimerkiksi Ldc+. Sekä yksi-haaraisella (Ldc+ tai Ldc-) että kaksihaaraisella (Ldc+ ja Ldc-) ratkaisulla saavu-^ tetaan tunnetusti sama verkkovirran yliaaltojen suodatusvaikutus. Kaksihaa- ^ raista ratkaisua käytetäänkin lähinnä virran rajoittamiseksi moottoripiirin maa-

CD

9 30 sulkutilanteessa, koska tällaisessa tilanteessa virta tyypillisesti kulkee vain toi- o sen haaran kautta.

£ Kuviossa 3 on esitetty tunnettu magneettisen sydänaineen luon-

CL

teenomainen magnetoitumiskäyrä. Dimensio H esittää magneettikentän voi-Sj makkuutta, joka on suoraan verrannollinen sydämen ympärille käämityn käämin

LO

£ 35 virtaan, ja dimensio B esittää magneettivuon tiheyttä sydanaineessa. Raja- ° arvot Bsat+ ja Bsat- kuvaavat vuontiheyden kyllästysrajoja, joita merkittävästi suuremmaksi magneettivuon tiheys ei nouse magneettikentän voimakkuudesta riippumatta.

4 DC-kuristinsovelluksessa magneettipiiri mitoitetaan yleensä siten, ettei kyllästyminen vielä merkittävästi alenna kuristimen induktanssiarvoa nimel-lisvirralla. Kyllästymisraja ei esimerkiksi kuristimen sydänmateriaalina yleisesti käytetyllä muuntajalevyllä ole kovin jyrkkä, joten nimellisvirran mitoituskriteerinä 5 on normaalia käyttää noin 70% vuontiheyttä ky 11 ä sty s raj a sta, joka on noin 1,4...1,6 T.

Kuviossa 4 on esitetty eräs tunnettu tapa sijoittaa kestomagneetti kuristimen sydämeen. Siinä käämin sisään sijoitettu pylväs on jaettu kahteen osaan, joiden väliin kestomagneetti 41 on sijoitettu. Magneetin toisella puolella 10 tai edullisesti molemmin puolin on ilmavälit 4a, 4b, joilla on merkitystä paitsi magneettipiirin osana myös kestomagneetin, jonka materiaali on usein hyvin kova ja hauras, mekaanisena suojana.

Tällaisessa tunnetussa sijoittelussa kestomagneetin läpäisevä vuontiheys on likipitäen sama kuin vuontiheys pylväässä sen molemmin puolin. 15 Näinollen silloin, kun vuontiheyden kyllästymisraja pylväsmateriaalissa on korkeampi kuin kestomagneetin demagnetoitumisraja, on mahdollista että erikoistilanteissa kestomagneetti demagnetoituu. Yhdenkin tällaisen tilanteen jälkeen kuristimen magneettinen ominaisuus on pysyvästi muuttunut, mikä on hyvin haitallista kuristimen alkuperäisen käyttötarkoituksen kannalta.

20 Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukainen uusi tapa sijoittaa kes tomagneetti kuristimen sydämeen. Keksinnön mukaisesti magneetti 51 on sijoitettu vinosti (kuviossa 45° kulmaan ikeen ja vastaavasti pylvään pituussuuntaiseen akseliin nähden) poikittain kuristinsydämen nurkkaan siten, että se täyttää koko sydänmateriaalissa sijaitsevan aukon. Magneetteja voi olla useitakin (51, 25 52), jokainen omassa nurkassaan. Kestomagneetin molemmin puolin voi olla järjestetty ilmavälit 5a, 5b. Lisäksi on edullista, että sydämen pylväs-ja iesosi-en 1a’, 1b’, 2a’ ja 2b’ poikkipinta-alat ovat erisuuret edullisesti siten, että pyl-^ vään poikkipinta-ala (X) on pienempi kuin ikeen (Y). Vinon sijoituksen ansiosta kestomagneetin pinta-ala AM on suurempi kuin ohuimman sydänmateriaalin

CD

9 30 osan poikkipinta-ala Ax. Kuvion mukaisilla merkinnöillä pinta-alojen suhde on: 00 ί [1] C\l

LO

}£ Kuviossa 6 on esitetty keksinnön mukaiseen kuristimeen liittyviä ^ 35 luonteenomaisia käyrämuotoja virran iDc funktiona. Kuviossa H on magneetti kentän voimakkuus, Bx magneettivuon tiheys pylväässä, BM on magneettivuon tiheys kestomagneetin kohdalla ja BUm on kestomagneetin demagnetoitumisra- 5 ja. Kestomagneetin ansiosta käyrät alkavat negatiivisista arvoista kasvaen ulkoisen virran myötä positiivisiksi. Idcn kuvaa nimellisvirran mitoituspistettä. Koska sama magneettivuo kulkee sekä pylvään että magneetin läpi, on magneettivuon tiheys näissä osissa kääntäen verrannollinen niiden poikkipinta-5 aloihin. Keksinnön mukaisesti magneettipiiri mitoitetaan siten, että sellaisella magneettikentän voimakkuudella, jolla sydänmateriaalin vuontiheys pylväässä nousee kyllästysrajalle, on vuontiheys kestomagneetin kohdalla alempi kuin käytetyn materiaalin demagnetoitumisraja. Näin menetellen kestomagneetin vuontiheys ei koskaan voi kasvaa liian suureksi, mikä estää DC-kuristimen omi-10 naisuuksien pysyvän muuttumisen erikoistilanteissa.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edellä esitettyyn esimerkkiin, vaan ne voivat vaihdella jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten puitteissa. Kestomagneetti voidaan 15 sijoittaa vastaavalla tavalla vinoon asentoon myös muualla kuin kulmissa, esimerkiksi vinoon asentoon keskelle pylvästä sen pituussuuntaan nähden.

δ

(M

CD

O

oo o

X

en

CL

(M

m m h-· o o

(M

Claims (7)

1. Tasajännitepiirillä varustetun, vaihtosähköverkkoon liitettävän te-homuuttajan, erityisesti taajuusmuuttajan, DC-kuristinjärjestely rajoittamaan lait-5 teen vaihtosähköverkosta ottaman verkkovirran yliaaltoja, jossa DC-kuristinjärjestelyssä on ainakin yksi kuristin (Ldc+. Ldc-), joka on järjestetty magneettisydämeen, jossa on pylväs-ja iesosat (1a’, 1b’, 2a’, 2b’), jossa kuristimen magneettisydämeen on järjestetty yksi tai useampi 10 kestomagneetti (51), ja jossa kestomagneetti on sijoitettu vinosti magneettisydämen osan tai osien pituussuuntaan nähden siten, että kestomagneetin poikkipinta-ala on suurempi kuin kyseisen magneettisydämen osan tai kyseisten magneettisydämen osien poikkipinta-ala, 15 tunnettu siitä, että magneettipiirissä kestomagneetin ja mag neettisydämen poikkipinta-alaton sovitettu siten, että magneettivuon tiheys kestomagneetin kohdalla silloin, kun magneettisydämen ohuin osa kyllästyy, on alempi kuin vuontiheys, jolla kestomagneetti demagnetoituu.

2. Vaatimuksen 1 mukainen kuristinjärjestely, tunnettu siitä, että kestomagneetin toiselle puolelle tai molemmin puolin on järjestetty ilmaväli.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kuristinjärjestely, 25 tunnettu siitä, että magneettisydämen pylväs- ja iesosien poikkipinta-alat ovat erisuuret.

^ 4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen kuristinjärjestely, ™ tunnettu siitä, että kestomagneetteja on 2 kappaletta, sijoitet- co o 30 tuna magneettisydämen vastakkaisiin nurkkiin. 00 o

£ 5. Patenttivaatimuksen 1,2 tai 3 mukainen kuristinjärjestely, CL tunnettu siitä, että kestomagneetteja on 4 kappaletta, sijoitetut tuna magneettisydämen kaikkiin nurkkiin. LO £ 35

™ 6. Jonkin edellisen vaatimuksen 1-5 mukainen kuristinjärjestely, tunnettu siitä, että kestomagneetti on järjestetty 30-60°, edullisesti 45°, kulmaan ikeen ja/tai pylvään pituussuuntaiseen akseliin nähden.

7. Jonkin edellisen vaatimuksen 1-6 mukainen kuristinjärjestely, tunnettu siitä, että kestomagneetti on sijoitettu vinosti mag-neettisydämen nurkkaan siten, että kestomagneetin poikkipinta-ala on suurempi 5 kuin magneettisydämen muiden osien poikkipinta-ala. δ (M CD O oo o X en CL (M m m h-· o o (M