6. TEHOELEKTRONKKA 6.. Suuntaajien standardointi Luku 6: Tehoelektroniikka Suomessa ei toistaiseksi ole julkaistu suuntaajia koskevia standardeja eikä myöskään niitä ja niiden ominaisuuksia koskevaa suomenkielistä sanastoa. EC:n ja DlN:n käyttämät nimitykset ja käsitteet eivät ole myöskään täysin johdonmukaisia ja yleiskäyttöisiä. Suuntaajien tyyppi- ja nimellisarvoja määriteltäessä on jatkuvan tasaisen kuormituksen ohelle haluttu standardoida tiettyjä usein esiintyviä kuormitusfunktioita. Näitä vaihtoehtoisia kuormitusvirran ja ajan funktioita kutsutaan käyttöluokiksi ( duty class, Betriebsarten ). Kolme tärkeintä käyttöluokkaa ovat: jatkuva tasainen käyttö, pohjakuorma ja yhytaikainen harvoin esiintyvä ylikuorma ja jaksottainen käyttö. Käyttöolosuhteilla tarkoitetaan erilaisten ympäristötekijöiden yhdistelmää ja syöttävän verkon ominaisuuksia. Standardit tekevät eron tavallisten ja epätavallisten olosuhteiden välillä. Käytännössä olosuhteet voivat olla mitä moninaisimmat, joten ko. määrittelyt antavat vain lähtökohdan vaatimusten muodostamiseksi tapauskohtaisesti. DlN-standardien mukaisesti suuntaajan on mm. kestettävä toiminnan häiriintymättä liitäntäjännitteen ±% ja taajuuden ± % vaihtelu nimellisarvoon verrattuna. Suuntaajaa ei tällöin saa kuormittaa nimellistä tasavirtaa suuremmalla virralla. Epätavallisia käyttöolosuhteita ovat mm: voimakas mekaaninen rasitus ( tärinä, iskut ), jäähdytys tai ympäristöilman sisältämät kiinteät aineet ( pöly, lika ), suolapitoinen ilma, suuri kosteus, tippuva vesi, ilmassa olevat kaasut tai höyryt ja epätavallisen suuret ylijännitteet syötössä tai muut tavallisissa käyttöolosuhteissa mainittujen alueiden ylitykset tai alitukset. DN-standardi määrittelee myös ei jaksollisten ylijännitteiden sietorajat suuntaajille ( DN 576 ). Testauksen tarkoituksena on osoittaa, että suuntaajat täyttävät esitetyt vaatimukset sähköisten ja mekaanisten ominaisuuksien suhteen, erityisesti kuormitusta ja eristystä silmälläpitäen. Standardien mukaan varsinaista kuormituskoetta nimellisarvoilla ei aina tarvitse tehdä, vaan kuormituskyvyn toteamiseksi riittävät laskelmat, jotka perustuvat puolijohteiden ja suuntaajan muiden osien ilmoitettuihin ominaisuuksiin. Kokeet voidaan tehdä myös osittain nimellisvirralla ja osittain nimellisjännitteellä. Standardoituja kokeita ovat mm.: toiminnalliset kokeet, lämpenemiskokeet, ominaiskäyrä ( tasajännitteen riippuvuus kuormitusvirrasta ), hyötysuhde, perusaallon tehokertoimen mittaus, eristyskokeet, jännitteen ja virran yliaallot, radiohäiriötaso, kosketussuojaus ja epätavallisten käyttöolosuhteiden vaatimat kokeet. Taulukossa 6.a ja 6.b on esitetty EC:n ja DlN:n käyttämät kytkentöjen tunnukset, sekä eräät ominaisarvot Taulukoissa on käytetty seuraavia suureiden merkintöjä: p = pulssiluku, q = kommutointiluku, s = suuntaajaan kytkettyjen kommutointiryhmien luku, g = rinnan kytkettyjen kommutointiryhmien luku, ABB:n TTT-käsikirja -7
δ = samanaikaisesti kommutoivien ryhmien luku, di = ideaalinen tasajännite, v = vaihtojännitteen tehollisarvo. im = haarajännitteen huippuarvo, d = tasavirran aritmeettinen keskiarvo, p = haaravirran tehollisarvo, î p = haaravirran huippuarvo, pd = haaravirran keskiarvo, v = vaihtovirran tehollisarvo, L = muuntajan ensiöön redusoidun vaihtovirran tehollisarvo, P Li = muuntajan ensiöpuolen näennäisteho ja W i = tasajännitteen aaltoisuus. A = π α π D = α π B = π α π E 3 α π π C = π α π α = ˆ viivekulma Taulukon 6.a arvot pätevät induktiiviselle kuormalle. Ne pätevät myös täysin ohjatulle vastuskuormalle, ellei kaarisuluilla ole ilmoitettu toista arvoa. ABB:n TTT-käsikirja -7
Taulukko 6.a. Täysinohjatut suuntaajakytkennät. Kytkennän tunnus Muuntajan kytkentä Suuntaajan kytkentä p q δ qs g di V im di p d î p d pd d V d ' L d P di Li d W i % DN EC Ensiö Toisio 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 7 M,45 3,4.77,,5.77,5, 48,3 (,785) (,57) (,785) (,555) (,3) M3 B 9 B6 tai tai di 3 di 3 3 3 3 3 3,675,94,577 (,588) 8,9,57.77 di (,785) di 6 3 6,35,47,577 (,588), (,), (,57), (,45),333,577 (,588),5, (,),333,86 (,8),47 (,478), (,),86 (,8), (,3), (,3),5 (,6) 8,3 48,3 4, B6 S5 3a tai 3 tai 4 5 3 3 5 di 3,7,47,89,5,67,48,789,,3 6 4 6 ABB:n TTT-käsikirja -7 3
Taulukko 6.b. Puoliohjatut suuntaajakytkennät. Kytkennän tunnus Suuntaajan kytkentä BHZ Kuorma Viivekulma = Ohjattu päähaara Ohjaamaton päähaara Nollahaara DN EC p î p pd p î p pd p î p pd d d d d d d d d d d d 3 4 5 6 7 8 9 3 4 5 6 BHK L =max,77,,5,77,,5 A A R,785,57,5,785,57,5,, R 9, 3,4,5, 3,4,5,57,57 BHKF B6HK 3 B6HKF 3 L R R L R R L L R R L L R R 8 9 8 9 6 6 = max 9 6 6 8 9 B,785, C,785,,577,577,577,577,577 C,577,577,,57 3,4,,57 3,4,,,698,885,,,698,885 B,5,5 C,5,5,333,333,333,333,333 C,333,333 C,785, C,785,,577,577,577,577,577 C,577,577,,57 3,4,,57 3,4,,,698,885,,,698,885 C,5,5 C,5,5,333,333,333,333,333 C,333,333 D E,, D E v A,,57 A,,57,86 A,86,86,86 A,86,86 ' L A,,57 A,,57,86 A,86,86,86 A,86,86 ABB:n TTT-käsikirja -7 4
. Luku 6: Tehoelektroniikka 6.. Suuntaajien termiset ominaisuudet Suuntaajien jäähdytystavat Tehopuolijohteet ovat termisesti muita sähkövoimatekniikan komponentteja kriittisempiä, joten niiden riittävästä jäähdytyksestä on huolehdittava. Puolijohteista ja jäähdytyselementeistä siirretään lämpö pois joko ilman tai nesteen avulla. lmajäähdytys on tavallisin. Sitä on kahta tyyppiä luonnollinen jäähdytys ja tehostettu jäähdytys. ABB:n tehostetusti jäähdytetyissä suuntaajissa on tuuletusilmamäärä,,5 m 3 / s suuntaajatehosta riippuen. Tehopuolijohteen ja jäähdytyselementin lämpövastus Terminen kokonaisvastus voidaan jakaa karkeasti kahteen osaan puolijohteen lämpövastukseen ja jäähdytyselementin lämpövastukseen. Kumpikin koostuu staattisesta lämpövastuksesta ja transienttisesta lämpövastuksesta. Suuntaajan termisten ominaisuuksien perusteella terminen vastus voidaan jakaa neljään osaan kuormitusajan pituudesta riippuen. Transienttinen lämpövastus C/W Luonnollinen jäähdytys Tehostettu jäähdytys Puolijohde, aika/s KVA 6.a. Erään puolijohteen ja jäähdytyselementin transienttinen lämpövastus. Alue a: t < n.,5s Puolijohteen oma transienttinen lämpövastus määrää termiset ominaisuudet. Tällöin lämpöä ei ehdi siirtyä puolijohteesta jäähdytyselementtiin. tse puolijohde lämpenee. Alue b: n.,5s < t < n. s Tällä alueella vaikuttaa puolijohteen ja jäähdytyselementin transienttinen lämpövastus. Puolijohde lämpenee edelleen ja saavuttaa loppulämpötilan n. sekunnissa. Saman-aikaisesti alkaa vähitellen jäähdytyselementin transienttinen lämpövastus vaikuttaa. Alue c: n. s < t < n. 5 min ( koskee tehostetusti jäähdytettyä suuntaajaa ). Termisiin ominaisuuksiin vaikuttavat puolijohteen staattinen lämpövastus ja jäähdytyselementin transienttinen lämpövastus, jolloin lämpöä etupäässä varastoituu jäähdytyselementtiin ( sen lämpötila nousee ). ABB:n TTT-käsikirja -7 5
Alue d: n. 5 min < t Puolijohteen ja jäähdytyselementin staattiset lämpövastukset ovat määrääviä ja jatkuvuustila on saavutettu. Lämpöä siirtyy jäähdytyselementistä jäähdytysaineeseen ( ilmaan ). Luonnollisella jäähdytyksellä saavuttaa jäähdytyselementin terminen vastus staattisen arvonsa 5 minuutissa jäähdytyselementtityypistä riippuen. Suuntaajien ylikuormitettavuus Lyhytaikaisella ylikuormitettavuudella tarkoitetaan virtaa d, millä suuntaajaa voidaan kuormittaa tietyn esikuormitustilanteen d jälkeen. Ylikuormitustilanteissa sen paremmin kuin jatkuvuustilassakaan puolijohteen liitoslämpötila ei saa nousta suurinta sallittua lämpötilaa, esim. 5 C, suuremmaksi. Ylikuormitettavuusominaisuudet ovat voimassa vain määritellyissä olosuhteissa, joihin vaikuttavat mm. suuntaajatyyppi ( jäähdytyselementti ), jäähdytystapa ( ilmamäärä ), jäähdytysaineen lämpötila, virran käyrämuoto, puolijohdetyyppi ja syöttöjännitteen taajuus. d Esikuormituskerroin k, d n jossa d = suuntaajan lähtövirta ennen ylikuormitustilannetta, dn = suuntaajan nimellisvirta. d dn,4,,,8,6,4, k= k=,5 k=,5 k=,75 min min 5 min min aika/s KVA 6.b. Luonnollisesti jäähdytetyn suuntaajan ylikuormitettavuuskäyrät Kuvissa 6.b ja 6.c on esitetty luonnollisesti ja tehostetusti jäähdytetyn suuntaajan suhteellinen ylikuormitettavuus d / dn ajan t ollessa parametreinä. Esikuormituskerroin on k. Ominaista suuntaajien suhteelliselle ylikuormitettavuudelle on se, että mitä tehokkaampi jäähdytys on sitä pienempi on ylikuormitettavuus. Käytännön näkökohtia Suuntaajien jäähdytysilman tulee olla kuivaa ja puhdasta. Tarvittaessa tuleva jäähdytysilma on suodatettava Tulevan jäähdytysilman lämpötilaksi suositetaan 5 5 C ( suuntaajat on spesifioitu 36 C lämpötilassa ja ympäristölämpötilan ollessa korkeampi, on tehoa alennettava ). lmastointijärjestelyissä on otettava huomioon. että suuntaajissa on häviöitä noin % suuntaajien nimellistehosta. ABB:n TTT-käsikirja -7 6
Tärkeimpänä huoltotoimenpiteenä suosittelemme, että suuntaajakentät puhdistetaan pölystä ja mahdollisesta liasta nor maal in vuosihuollon yhteydessä. d dn,3, k=,75 k=,5 k= k=,5, min min 5 min min aika/s KVA 6.c. Erään tehostetusti jäähdytetyn suuntaajan ylikuormitettavuuskäyrät ( SMEK 38 A ( Kl 5 ) ). Kuvien 6.b ja 6.c ylikuormitettavuuskäyrät edellyttävät, että ennen kutakin ylikuormaa lämpötilat suuntaajassa ovat tasaantuneet. 6.3. Verkkokommutoidut suuntaajat Verkkokommutoiduilla suuntaajilla tarkoitetaan suuntaajakytkentöjä, joissa kommutointijännite ja -teho saadaan suuntaajaa syöttävästä vaihtovirtaverkosta. Tällaisia suuntaajia sanotaan monesti luonnollisesti kommutoiviksi suuntaajiksi. Käytännössä yleisimmät suuntaajakytkennät ovat 3- ja -vaiheiset siltakytkennät. Jäljempänä käsitellään lähemmin 3- vaiheista täysin ohjattua siltakytkentää sekä -vaiheisia täysin- ja puoliohjattuja siltakytkentöjä. Ohjaamattomat suuntaajat (diodisuuntaajat) ovat tavallaan ohjattujen suuntaajien erikoistapauksia ( Esitetyt yhtälöt soveltuvat näihin, kun ohjauskulma = = ). Kolmivaiheinen siltakytkentä 3-vaiheisen tyristorisillan kytkentä on esitetty kuvassa 6.3a. Silta on täysin ohjattu, joten vaihtosuuntauskäyttö on mahdollinen. Sillan tasajännite saadaan yhtälöstä: d = di cos =, () jossa 3 d i π L,35 L, () L = syöttöverkon pääjännite, = = ohjauskulma. Kuvassa 6.3a on esitetty sillan toiminta ja tasajännitteen muodostuminen, kun = = 4, 9 ja 4. Kuvasta on nähtävissä myös sillan sytytyspulssit sekä tyristorien ja verkon virrat v ja L, jotka saadaan tasavirrasta. ABB:n TTT-käsikirja -7 7
v v 3 d,577 d, (3) 3 d,8 d, (4) Kuva 6.3a sekä yhtälöt ( ) ( 4 ) edellyttävät, että tasasähköpiirin induktanssi on hyvin suuri. Sulakkeita ja johtimia mitoitettaessa yhtälöt ( ) ja ( 4 ) on otettava huomioon. L L L 3 a) b) u X vl u u 3 u u u 3 u 3 u 3 u 3 u u u 3 u 3 u 3 u 3 u c) V V3 V5 V V3 V5 X L u 3 u = L u d d V4 V4 V6 V6 V V d _ K L L3 X vt F F Mt Mt V V V3 V4 V5 V6 V V4 V V4 V L V3 V6 V3 V6 V6 L V5 V V5 V V5 L3 u = u L - L jne. KVA F = = F 6.3a. Kolmivaiheisen täysinohjatun tyristorisillan toiminta. Sillan tasajännite ei ole puhdasta tasajännitettä, vaan sisältää tasajännitekomponentin ( ) lisäksi yliaaltoja. Kuvassa 6.3b a ) on esitetty kuvan 6.3a sillan jänniteyliaaltoja ohjauskulman = funktiona. ABB:n TTT-käsikirja -7 8
a) b) n di % n di % 3 5 6. yliaalto (3Hz) 8. yliaalto (Hz) 5 5. yliaalto 8. yliaalto 4. yliaalto 4 6 8 9 Ohjauskulma = 6 4 4. yliaalto 6. yliaalto 8. yliaalto 4 6 8 9 Ohjauskulma = KVA 6.3b. 3- ja -vaiheisten täysin ohjattujen tyristorisiltojen tasajännitteen yliaallot a ) 6-sykesuuntaaja. b ) -sykesuuntaaja. Kuvassa 6.3c on esitetty sillan kommutointi. Verkon kannalta kommutointi vastaa - vaiheista oikosulkua, joten vaiheiden välinen jännite on nolla kommutoinnin ajan. Kommutointi päättyy, kun oikosulkuvirta k on tasavirran d suuruinen.,u k u u u 3 u 3 u u 3 u 3 u u 3 u 3 Mt Vaihtosuuntauksen kippauspiste. KVA 6.3c. 3-vaihesillan jännite, kun kommutointikulma on.. Piirin reaktanssien vuoksi kommutointi ei tapahdu äärettömän nopeasti ajassa nolla, vaan vaatii aikaa. Kommutointiin kuluva aika ilmaistaan kommutointikulman avulla. Se voidaan laskea yhtälöstä: d µ arc cos (cos α ) α, (5) iˆ jossa k L i ˆ k X, (6) L L = syöttöverkon pääjännite, X L = verkon vaiheen kokonaisreaktanssi (mahdollinen kommutointikuristin mukaan laskettuna). Jos = =, saadaan alkukommutointikulma yhtälöstä d µ arc cos ( ) iˆ k (7) tai vaihtoehtoisesti d µ arc cos ( uk dn ) (8) jossa u k = sillan eteen kytketyn kuristimen tai muuntajan suhteellinen oikosulkujännite. ABB:n TTT-käsikirja -7 9
Kommutointi aiheuttaa induktiivisen jännitteenaleneman ja pienentää tasajännitettä. Jos kommutointi kestää vaihtosuuntauksessa niin kauan, ettei virta ehdi kokonaan siirtyä tyristorilta toiselle kommutoivan jännitteen ollessa positiivinen, tapahtuu ns. vaihtosuuntauskippaus. Virta kasvaa tällöin oikosulkuluonteisesti ja tyristorisulakkeet palavat (ks, kuva 6.3c). Tämä ilmiö esiintyy suurella ohjauskulmalla lähellä arvoa = = 8. Kippausilmiön estämiseksi rajoitetaan suurin ohjauskulma arvoon noin = = 5. Kun = >, tyristorisillan ottama verkkovirta ei ole vaihejännitteiden kanssa samanvaiheista Tästä johtuva loisteho on ohjausloistehoa. Loistehoa kuluu myös kommutoinnissa. Sitä sanotaan kommutointiloistehoksi. L L L L L = =º M t = L = =6º M t KVA6.3d. Tyristorisillan ohjausloistehon synty. L = virran perusaalto, L, = vaihejännite, = perusaallon vaihesiirto. Kuvassa 6.3d. on esitetty ohjausloistehon syntyminen. Tyristorisillan cos saadaan likimäärin yhtälöstä. d cos (9) d Kommutointi aiheuttaa verkkojännitteeseen loven (kuvassa 6.3a vinoviivoitettu alue). Vinoviivoitettua pinta-alaa voidaan tarvittaessa pienentää kommutointikuristimilla, (X Vt kuvassa 6.3a). Mitoituksessa voidaan käyttää likimääräistä yhtälöä u k X V L u L, () X X V L V t jossa, u k = loven syvyys pääjännitteessä, X VL = syöttöverkon vaiheen reaktanssi ja X Vt = kommutointikuristimen reaktanssi. Tyristorien sammuessa syntyvä takavirtapiikki aiheuttaa radiohäiriöitä, jotka on tarvittaessa vaimennettava suodattimilla. Tyristorisillan verkosta ottama virta ei ole sinimuotoista ( kuva 6.3a ), vaan sisältää yliaaltoja. Jos sillan tasavirta on täysin tasaista, ja vaihtovirtapuolen reaktanssit ovat nollia, muodostuu verkkovirta suorakaidepulsseista. Tällöin yliaallot voidaan laskea yhtälöstä n, c p () jossa n = suorakulma aallon n:nnen yliaallon tehollisarvo, = suuntaajan verkkovirran perusaalto. 6 pulssisillalla,78 d pulssisillalla,9 d ABB:n TTT-käsikirja -7
c = positiivinen kokonaisluku,,3... p = suuntaajan pulssiluku Yksivaiheiset siltakytkennät Kuvassa 6.3e a ) on esitetty -vaiheinen täysin ohjattu siltakytkentä ja kuvassa 6.3e b ) vastaava puoliohjattu kytkentä. Näitä käytetään pienitehoisissa moottori- ja magnetoin-tikäytöissä sekä ratakäytöissä. Kuvan 6.3e a ), siltakytkentä on vaihtosuuntauskelpoinen. Puoliohjattua siltaa käytetään mm. sen pienen loistehon tarpeen vuoksi. a) b) X t V V4 X t V V4 L d= L d= i v V V3 i d X d i v V V3 i d X d KVA 6.3e. a ) Täysin ohjattu -vaihesiltakytkentä. b) Puoliohjattu -vaihesiltakytkentä. Kuvassa 6.3f on esitetty tasajännitteen muodostuminen ohjauskulman ollessa = = 3. Täysin ohjatun -vaihesillan tasa jännite saadaan yhtälöstä d d i cos α () ja puolioh jatun yhtälöstä cos α, (3) d d i jossa d i L,9 L. (4) π Tasajännitteessä olevat yliaallot on esitetty kuvassa 6.3b b ) ohjauskulman funktiona ( -pulssisilta ). ABB:n TTT-käsikirja -7
KVA 6.3f. Tasajännitteen muodostuminen -vaiheisessa täysin ohjatussa tyristorisillassa. Kuvassa 6.3g on esitetty -vaihesillan kommutointi kun ohjauskulma = = 3 ja kommutointikulma = 3. KVA 6.3g. Täysin ohjatun -vaiheisen tyristorisillan kommutointi. Kommutointikulma voidaan laskea yhtälöstä X V L d µ arc cos ( cos α ) α, (5) Jos = =, on alkukommutointikulma, L ABB:n TTT-käsikirja -7
µ Luku 6: Tehoelektroniikka X V L d arc cos ( ). (6) Tasajännite voidaan laskea yhtälöstä L d d i [ cos α cos ( α µ ) ]. (7) vaihesilta ottaa verkosta induktiivista ohjausloistehoa ja kommutointiloistehoa kuten 3 vaihesilta ( ks. kuva 6.3d ). Kuvan 6.3h diagrammi esittää ohjausloistehoa tasajännitteen funktiona. Jos kommutointiloisteho otetaan huomioon, muuttuu diagrammin muoto. Q = di d Täysin ohjattu v-silta,5 Puoliksi ohjattu v-silta KVA,5.5 d= di 6.3h. Täysin ohjatun ja puoliohjatun -vaihesiltakytkennän ohjausloisteho. Ratakäytössä käytetään ohjausloistehon pienentämiseksi seurantaohjausta. Kytkemällä kaksi - vaihesiltaa sarjaan kuvan 6.3j mukaisesti, saadaan kuvassa 6.3j b ) oleva ohjausloistehon diagrammi. a) b) Q = di d M =,5 lman seurantaohjausta Seurantaohjauksen kanssa.5 d= di KVA 6.3j. a ) Kahden puoliohjatun -vaihesillan kytkentä seurantaohjauksessa ratakäytössä. b ) Kytkennän ohjausloistehodiagrammi. 6.4. Pakkokommutoidut suuntaajat Pakkokommutoidussa suuntaajassa on erillinen kommutointipiiri, johon varastoidaan ja josta puretaan kommutointiin tarvittava energia. Kommutoinnin aikana energia puretaan sammutettavan tyristorin kautta kuormitusvirtaa vastaan. Onnistuneen kommutoinnin edellytyksenä on, että virta katkeaa tyristorin toipumisajaksi, minkä jälkeen tyristori kestää syttymättä päästösuuntaisen jännitteen. Tasavirtakatkoja Tasavirtakatkojalla voidaan ohjata kuorman tasajännitteen keskiarvo syöttävää tasajännitettä pienemmäksi tai sen suuruiseksi. ABB:n TTT-käsikirja -7 3
a) b) i Tk i d B D i D X R d B d i d d T Te t T t i i D i i D t KVA 6.4a. Tasavirtakatkojan toimintaperiaate. Kuva 6.4a esittää tasavirtakatkojan periaatteellisen toiminnan induktiivisella kuormalla. Kytkin K suljetaan jaksoittain aikavälin T kuluttua ajaksi T e = a T, a. Katkojan lähtöjännitteen keskiarvo on d = a B. Jos kuormitusvirta i d on täysin tasoittunut, on verkosta otettu tasavirta i = a i d. deaalinen tasavirtakatkoja muuttaa tasasähköjännitteen suuruutta häviöttömästi. Katkojan lähtöjännite voidaan säätää halutuksi pitämällä katkojataajuus vakiona ja muuttamalla kerrointa a, pitämällä kytkin K kiinni vakioajan ja muuttamalla katkontataajuutta tai muuttamalla katkontataajuutta ja kytkimen kiinnioloaikaa. Vaihtosuuntaaja Vaihtosuuntaajan eli invertterin avulla muutetaan tasajännite vaihtojännitteeksi, jonka taajuutta, amplitudia tai molempia voidaan ohjata. Jos vaihtosuuntausyksikössä ohjataan vain taajuutta, pidetään syöttävä tasajännite vakiona. Koska vaihtosähköpiirin reaktanssit ovat riippuvaisia vaihtosähkön taajuudesta, on vaihtosuuntaajan jännitettä yleensä muutettava taajuuden muutosta vastaavasti. Tällöin ohjataan sekä taajuutta että jännitettä. Jännitteen ohjaus voidaan suorittaa ennen invertteriä, invertterin jälkeen tai usean invertterin yhteiskytkennällä. Pulssileveysmoduloidun (PWM) invertterin lähtöjännitteen kukin puoliaalto muodostuu monesta pulssista, joitten leveyttä voidaan ohjata. Täten samalla tehoasteella voidaan ohjata sekä jännitettä että taajuutta. Erään PWM - invertterin toiminta Tarkasteltava kytkentä on kehitetty ns. Mc-Murray -kytkennästä. a) L k b) dc C p dc dc C k C k i k L k V V 5 V 3 i i A dc A V 4 V V 6 KVA 6.4b. a ) nvertterin yhden vaiheen kytkentä. b ) nvertterin vaiheen vaihtokytkinmalli. Kuva 6.4b a ) esittää kolmivaiheinvertterin yhden vaiheen kytkentää, jota havainnollistaa kuvan 6.4b b ) vaihtokytkinmalli. Ohjauksesta riippuen vaihtokytkin voidaan kytkeä joko tai ABB:n TTT-käsikirja -7 4
napaan. nvertterin kommutointitaajuudella tarkoitetaan vaihtoehtokytkinmallin toimintataajuutta, jolloin yhden jakson aikana kytkin kääntyy asennosta toiseen ja takaisin. Piirin toiminta induktiivisella kuor malla olettaen, että kuormitusvirta i pysyy tarkasteluajan vakiona on seuraava: DC Alkutila: V johtaa, lähtöjännite - pisteeseen nähden u A. t Kuormitusvirran kommutointi V :tä V 3:lle aloitetaan sytyttämällä aputyristori V 3 ja poistamalla ohjaus päätyristorilta V. t t Kuormitusvirta kommutoituu V :lta V 3:lle. t t 3 Kuormitusvirran ylittävä osa kommutointivirrasta i k kulkee V 5:n kautta, V toipuu t 3 t 4 (läpijohtoaika): Sytytetään V, V 5:n virta siirtyy V :lle, V on toipunut. t 4 t 5 Jälleenvaraus alkaa, kommutointikondensaattorit syöttävät kuormaa, kuormitusvirran ylittävä osa i k :sta kulkee V :n kautta. t 5 t 6 Kuormitusvirta kommutoituu V 3:lta V 6:lle. t 6 t 7 D C Jälleenvaraus on päättynyt, lähtöjännite - pisteeseen nähden on u A. t 7 t 8 Aloitetaan uusi kommutointi sytyttämällä V 4 ja poistamalla ohjaus V :lta. V 6:n kautta kulkee kuormitusvirran ja i k :n summavirta. t 8 t 9 ( läpijohtoaika ): Sytytetään V, V 6:n virta laskee ja V :n nousee. Kuormitusvirta siirtyy V :lle. t 9 t Jälleenvarausvirta ja kuormitusvirta kulkevat V :n kautta. t vastaa alkuhetkeä. Aikaa t t 3 (t 7 t 8 ) kutsutaan kommutointiviiveeksi, jona aikana sammutettavan tyristorin tulee toipua. Minimipulssiaika on se aika, jonka vaihtokytkimen tulee vähintään olla jommassa kummassa asennossa. Tämä aika määräytyy kommutointipulssin pituudesta ( t t 6 ). Kolmivaiheinvertterissä kukin vaihe muodostuu edellä esitetyn kaltaisesta ohjattavasta puolijohdekytkimestä. nvertterin lähtöjännitteen ja taajuuden ohjausperiaate on esitetty oikosulkumoottorikäyttöjä käsittelevässä kohdassa. Pakkokommutoitujen suuntaajien komponenttien ominaisuuksia Pakkokommutoitujen suuntaajien kommutointitaajuus, joka voi tapauksesta riippuen vaihdella muutamasta sadasta hertsistä kilohertseihin, sekä kommutoinnin aikana esiintyvät suuret virran ja jännitteen muutosnopeudet asettavat suuntaajien komponenteille erityisvaatimuksia verrattuna verkkokommutoitujen laitteiden komponentteihin. Puolijohteiden tulee olla tyypiltään ns. nopeita. Diodin kohdalla nopeuden mittana käytetään toipumisvarausta, jonka tulee olla pieni. Nopean tyristorin ominaisuuksia ovat pienet kytkentähäviöt sytytettäessä ja tyristorin lyhyt toipumisaika sammutettaessa sekä suuri sallittu toistuva virran nousunopeus ( di/dt - arvo ) tyristoria sytytettäessä. Vastaavasti kommutointikondensaanorien ja kuristimien tulee olla pienihäviöisiä suurten kommutointitaajuuksien saavuttamiseksi. RC -suojan kondensaattoreilla tulee lisäksi olla pieni induktanssi ja niiden tulee sallia suuret huippuvirta arvot ( suuri du / dt - kestoisuus ). Pakkokommutoiduissa suuntaajissa käytetään lähes poikkeuksetta hilalta kommutoivia tehokomponentteja. Komponenttien kehittyminen on suhteellisen nopeata, joten taulukoidut suoritusarvot voivat olla vain ohjeellisia. Taulukossa 6.4a on esitetty eräiden tehopuolijohteiden suurimpia arvoja annettuna ajankohtana. ABB:n TTT-käsikirja -7 5
Taulukko 6.4a. Ohjattujen tehopuolijohteiden suoritusarvot ja käyttöönottoajat. Symboli Puolijohdetyyppi Jännite V Virta A Taajuus Hz Teho W Pinta-ala cm Vuosi SCR GTO Bipolari transistori 6 5 4 4 8 96 45 4 4 4 8 977 6 3 > 985 GBT FET MCT FETh 6 4 3 > 99 5 98/9 35 5 5 993 45 5 5 995 Taulukossa 6.4a on käytetty seuraavia lyhennyksiä: SCR Tyristori, GTO Hilalta ohjattu tyristori ( Gate Turn Off Thyristor ), GBT nsulated Gate Bipolar Transistor, FET Field Effect Transistor, MCT MOS Control Thyristor ja FETh Field Effect Thyristor. 6.5. Hilakommutoidut suuntaajakytkennät Hilakommutointi Verkkokommutoiduissa laitteissa verkon jännitteet muodostavat kommutointijännitteen, joka sammuttaa puolijohdeventtiilin. Esimerkiksi tavallinen tyristori sammuu, jos sen yli vaikuttaa negatiivinen jännite riittävän kauan. Kun pakkokommutoiduissa laitteissa halutaan sammuttaa tyristori, muodostetaan monimutkaisilla kommutointipiireillä johtavan tyristorin yli negatiivinen jännite. Tällöin kommutointipiireissä täytyy olla aputyristoreita, kondensaattoreita ja kuristimia. Hilakommutoiduissa laitteissa johtavan venttiilin virran katkaisu tapahtuu kytkemällä hila negatiiviseen jännitteeseen ja varaustenpoistoajan kuluttua virta katkeaa. Hilakommutoituja suuntaajakytkentöjä käytetään inverttereissä, koska rakenne tulee yksinkertaiseksi ja invertterin ominaisuudet paranevat verrattuna pakkokommutoituihin kytkentöihin. nvertterin vaihtokytkinmalli d 3 KVA 6.5a. -tasoisen vaiheen kytkinmalli ( ), lähdön potentiaali pulssisuhteella : ( ) ja sinimoduloitu lähdön potentiaali ( 3 ). Kuten kuvasta 6.5a nähdään, on invertterin kukin vaihe itse asiassa vaihtokytkin, jolla vaiheen lähtö voidaan kytkeä joko tasajännitelähteen plus - tai miinusnapaan. Tasajännitelähde on pieni-impedanssinen, joten kytkimen asento määrää yksikäsitteisesti vaiheen lähdön potentiaalin. nverterin toiminta perustuu siihen, että kytkinmallissa vaihtokytkintä käännetään suurehkolla taajuudella ( tyypillisesti ~ khz ) edestakaisin. Tätä taajuutta nimitetään kytkentätaajuudeksi. Jos vaihtokytkin on yhtä kauan ylä- ja ala-asennossa, on vaiheen lähtö keskimäärin tasajännitelähteen keskipisteen potentiaalissa ( kuva 6.5a ). Tällöin pulssisuhde on :. ABB:n TTT-käsikirja -7 6
Antamalla pulssisuhteelle eri arvoja voidaan lähtöjännitteen potentiaalia asetella. Normaalisti invertterissä pulssisuhdetta moduloidaan halutulla lähtötaajuudella ( kuva 6.5a ). Tästä johtuu nimitys pulssinleveysmodulaatio, Pulse Width Modulation, PWM. Kuvan 6.5a invertteri on -tasoinen ( -level ), ts. sen kunkin vaiheen lähtö voidaan kytkeä kahteen potentiaaliin. Lähes kaikki näihin päiviin asti konstruoidut invertterit ovat olleet - tasoisia. KVA 6.5b. 3-tasoisen invertterin yhden vaiheen kytkinmalli ( ) ja lähdön potentiaali pulssisuhteella :: ( ). Hilalta sammutettavilla tehopuolijohteilla voidaan toteuttaa myös 3- tasoisia inverttereitä, joiden kytkinmalli nähdään kuvasta 6.5b. Siinä vaiheen lähtö voidaan kytkeä tasajännitelähteen plusnapaan, keskipisteeseen tai miinusnapaan. Kuvasta 6.5b nähdään lähdön potentiaalin vaihtelu kytkimen tasaisessa askelluksessa. Vaihtokytkimien toteutus hilalta sammutettavilla tehokomponenteilla -tasoinen invertteri Kuvasta 6.5c nähdään, miten - tasoinen invertteri toteutetaan GTR:illä ja GTO:illa. Selvyyden vuoksi kuviin ei ole piirretty kytkimen käännössä tarvittavia suojauspiirejä. Vaihe koostuu ylä- ja alahaarasta, joissa kummassakin on GTR ( tai GTO ) ja ns. - diodi vastarinnankytkettyinä. Tämä on yhteinen kaikille hilakommutoiduille inverttereille. Niiden kaikki haarat muodostuvat GTR ( tai GTO ) diodi-kombinaatiosta. Se merkitsee, että kussakin haarassa virta pääsee kulkemaan kumpaan suuntaan tahansa. a) b) V V N N KVA 6.5c. a ) - tasoisen invertterin vaiheen toteutus tehotransistorilla ( GTR ) b ) hilaohjatulla tyristorilla ( GTO ). Hilakommutoiduissa kytkennöissä voi lähtöjännitteen ja -virran vaihesiirto asettua vapaasti kuormituksen määräämään arvoon. Näin ollen hilakommutoitu kytkentä voi luonnostaan syöttää pätötehoa joko kuormaan tai tasavirtalähteeseen päin ja syöttää kuormaan loistehoa ( tai ottaa sieltä loistehoa eli toimia aitona loistehogeneraattorina ). Kuvasta 6.5c nähdään suoraan, miten vaihetta ohjataan. Kun V on ohjattu johtavaksi, kytkeytyy vaiheen lähtö tasasähkölähteen plusnapaan riippumatta lähtövirran suunnasta: vastaavasti lähtö kytkeytyy miinusnapaan V :en ollessa ohjattu johtavaksi. Kuvasta 6.5d nähdään 3- tasoisen invertterin yhden vaiheen toteutus GTO:illa. Siihen kuuluu 4 vastaavanlaista haaraa kuin - tasoinvertterissä ja lisäksi kaksi clamping-diodia N 5 ja N6. N N ABB:n TTT-käsikirja -7 7
N 5 N 6 V V V3 N N N3 V4 N4 KVA 6.5d. 3- tasoisen invertterin yhden vaiheen toteutus GTO:lla. Vaihetta ohjataan seuraavasti: Kun halutaan vaiheen lähdön kytkeytyvän plusnapaan ohjataan GTO:t V ja V johtaviksi. Vastaavasti GTO:den V 3 ja V 4 ollessa johtavia kytkeytyy lähtö miinusnapaan. Tasa jännitelähteen keskipisteeseen saadaan lähtö kytkettyä ohjaamalla GTO:t V ja V 3 johtaviksi, jolloin diodit N5 ja N6 pakottavat lähdön keskipisteen potentiaaliin. Tästä nimitys NPC (Neutral Point Clamped-invertteri). NPC- invertterissä pääkomponenttien jänniterasitus suhteessa tasasähköjännitteeseen on puolet - tasoisen invertterin jänniterasituksesta ja näin ollen NPC- invertteri voidaan rakentaa - kertaiselle jännitteelle - tasoiseen verrattuna ilman GTO:itten varsinaista sar jaankytkentää ja siihen liittyviä ongelmia. Kytkentätaajuus NPC-invertterissä voidaan valita puoleksi - tasoisen kytkentätaajuudesta ja kuitenkin päästään pienempiin lähdön yliaaltoihin. Tämä sopii hyvin yhteen sen kanssa, että suurijännitteisissä GTO:issa kytkentähäviöt ovat suhteellisesti suuremmat kuin pienijännitteisissä. NPC-invertteri onkin ideaalinen invertterikytkentä välijännitteille. - vaihesilta Edellä on käsitelty invertterin yhtä vaihetta. Käytännössä useimmat hilakommutoidut kytkennät ovat siltoja. Tarkastellaan aluksi - vaihesillan kytkinmallia. - tasoinen -vaihesilta - vaihesilta muodostuu kahdesta vaiheesta, jotka kytketään samaan tasasähkölähteeseen ja joiden lähtönapojen väliin kuor ma kytketään ( kuva 6.5e ). C C d C t C C 3 KVA 6.5e. -tasoisen - vaihesillan kytkinmalli ( ) lähtöjännitetasot ja niitä vastaavat kytkinten asennot ( ) ja esimerkki sinikäyrän osaa vastaavasta lähtöjännitteen käyrämuodosta. Silta sisältää siis kaksi vaihtokytkintä. Kun kumpikin voi olla kahdessa asennossa, on - vaihesillalla = 4 kytkinasentokombinaatiota ( ), ( ), ( ) ja ( ). Tässä merkintä ( ) tarkoittaa, että vaihe on kytketty plusnapaan ja vaihe vastaavasti miinusna- ABB:n TTT-käsikirja -7 8
paan. Kuvaan 6.5e on piirretty em. asentokombinaatiota vastaavat lähtöjännitetasot. Niitä on kolme u c, ja - u c, koska ( ) ja ( ) tuottavat molemmat jännitteen. Siltakytketyn - tasoisen invertterin lähtöjännitteellä on siis kolme mahdollista tasoa, ts. kolme vaihtoehtoista hetkellisarvoa. Modulaation tehtävänä on määrittää, miten ja missä suhteessa näitä kolmea tasoa käytetään, jotta invertterin lähtöjännite vastaa mahdollisimman hyvin haluttua. Kuvasta 6.5e näkyy, miten sinikäyrän osa moduloidaan. 3-tasoinen -vaihesilta 3- tasoisella sillalla on vastaavasti ( kuva 6.5f ) 3 = 9 kytkinasentokombinaatiota ja 5 mahdollista lähtöjännitetasoa (kytkinasento kuvassa tarkoittaa kytkentää tasasähkölähteen keskipisteeseen). Kuvasta 6.5f nähdään, miten muutamia sinikäyrän osia toteutetaan em. tasoja käyttäen. C C KVA 6.5f. C C C C C t C C C 3- tasoisen - vaihesillan kytkinmalli ( ), lähtöjännitetasot ja kytkinasennot ( ) ja esimerkki moduloinnista ( 3 ). - tasoinen 3- vaihesilta Kun - vaihesiltaa laajennetaan yhdellä vaiheella, tullaan 3- vaihesiltaan ( kuva 6.5g ) - tasoisella 3- vaihesillalla on 3 = 8 kytkinasentokombinaatiota ( kuva 6.5g ). a) b) d V W C Vaihe asentovaihtoehto V W KVA 6.5g. - tasoisen 3- vaihesillan kytkinmalli ( ) ja kytkimien asentokombinaatiot ( ). Perinteisin keinoin on vaivalloista määrittää, miten näitä kolmea vaihetta tulee ohjata, jotta tuloksena on symmetrinen 3- vaihejännite, jonka lähtötaajuus ja - jännite voi muuttua nollasta nimellisarvoonsa ja jonka yliaaltosisältö on minimissään. Moderni työväline moduloinnin määräämiseen on 3- vaihejärjestelmän paikkaosoitinesitys ja sitä hyväksikäyttävä tähtimodulaatio. Tähtimodulaation erityinen etu on siinä, että se sopii hyvin toteutettavaksi mikroprosessoritekniikalla. Kolmivaihejärjestelmä voidaan kuvata yhdellä pyörivällä osoittimella. Tämä ns. paikkaosoitin pyörii samalla nopeudella kuin sen kuvaama 3- vaihejärjestelmä. Kuvassa 6.5h on 3- vaihesillan kytkimien asentokombinaatiot esitetty paikkaosoittimien avulla. Kuusi asentokombinaatiota tuottavat paikkaosoittimet 6, jotka ovat muuten identtisiä, mutta 6 º:n vaihesiirrossa keskenään. Asentokombinaatiot ( ) ja ( ) tuottavat - osoittimen. ABB:n TTT-käsikirja -7 9
Osoittimet 6 kuvaavat invertteriä sen käydessä täydellä jänniteohjeella ilman PWMtoimintaa (ns. 6- step inverter). Tällöin paikkaosoitin hyppii vakioamplitudisena 6 º:n askelin, eikä - osoitinta esiinny. 3 4 @ 5 6 KVA 6.5h. - tasoisen 3- vaiheinvertterin paikkaosoitinesitys ja tahtimoduloinnin periaate. Varsinainen PWM- modulointi toteutetaan jakamalla :n kiertymiskulma vakiosuuruisiin kulmaviipaleisiin, joiden kesto on noin ms ja käyttämällä viipaleen aikana useita kytkinasentokombinaatioita, kuvan tapauksessa (,, ), (,, ) ja (,, ) tai (,, ). Optimikombinaatiot päättelee ja niiden kestoajat laskee mikroprosessori ennen kutakin viipaletta. Kuvattua modulointimenetelmää nimitetään tähtimoduloinniksi. Sillä saadaan 3- vaihejärjestelmä pyörimään @:n suuruisin askelin tai se voidaan myös kokonaan pysäyttää ja vaihtaa pehmeästi sen pyörimissuuntaa. Myös toimittaessa nimellisjännitteen lähellä tähtimodulointi tuo merkittäviä etuja. ABB:n TTT-käsikirja -7