PL210073B1 - Układ pośredniego przemiennika częstotliwości z quasi-rezonansowym układem pośredniczącym - Google Patents

Description

Znane są układy pośredniego przemiennika częstotliwości zawierające prostownik oraz falownik w układzie mostkowym złożonym z sześciu łączników bilateralnych. Przydatność tej klasy przekształtników, szczególnie w napędach elektrycznych jest potwierdzona przez liczne zalety jak na przykład: relatywnie prosta struktura, skuteczność wykrywania uszkodzeń czy wysoka zdolność przełączania. Jednakże w czasie przełączeń kluczy pojawiają się niepożądane, bardzo duże stromości napięcia na tranzystorach mocy, które mogą wywoływać szkodliwe zjawiska w otoczeniu, a szczególnie:

- emisję zaburzeń elektromagnetycznych zarówno przewodzonych jak i emitowanych,

- wzrost prądów łożyskowych,

- przepię cia na zaciskach silnika.

Z publikacji D.M. Divan. L. Malesani, P. Tenti, V. Toigo, A Synchronized DC Link Converter for soft-Switched PWM: IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 29, No. 5 September/October 1993, pp. 940-948, znane są pośrednie przemienniki częstotliwości, które nie posiadają powyżej wymienionych niedogodności. W publikacji tej przedstawiono rozwinięcie topologii z rezonansowym równoległym obwodem pośredniczącym napięcia stałego o ograniczonej wartości szczytowej, gdzie napięcie szyny obwodu pośredniczącego zmniejsza się rezonansowo do zera umożliwiając komutację tranzystorów falownika z przełączaniem przy zerowym napięciu. Dalsze prace nad przemiennikami częstotliwości z pośredniczącymi obwodami rezonansowymi doprowadziły do układów sterowalnych przez modulatory szerokości impulsów uzyskanych w topologiach quasirezonansowych. W strukturze tej cykle rezonansowe są inicjowane przez zewnętrzny układ jedynie w chwilach wynikają cych z potrzeby przełączenia tranzystorów mostka. Optymalizują c zazwyczaj przeciwstawne cele projektowe, takie jak: złożoność obwodu, wrażliwość na czasokresy przełączeń łączników, minimalizację energii zgromadzonej w elementach biernych oraz przetężeń elementów, opracowano szereg nowych topologii.

Układ pośredniego przemiennika częstotliwości z quasi-rezonansowym układem pośredniczącym charakteryzuje się według wynalazku tym, że quasi-rezonansowy obwód pośredniczący składa się, z szeregowo połączonych kondensatorów filtrujących, które są włączone na bieguny wyjściowe prostownika oraz składającego się z pierwszego tranzystora, który włączony jest do bieguna dodatniego prostownika i bieguna dodatniego falownika. Kolektor pierwszego tranzystora jest włączony do prostownika, a jego emiter do falownika. Przeciwrównolegle do pierwszego tranzystora jest włączona pierwsza dioda prostownicza. Pomiędzy bieguny wejściowe falownika jest włączony kondensator rezonansowy, do którego równolegle podłączona jest gałąź, w której znajduje się drugi tranzystor, druga dioda i trzecia dioda. Do drugiego tranzystora podłączona jest przeciwrównolegle druga dioda. Anoda trzeciej diody jest podłączona do ujemnego bieguna falownika, a katoda trzeciej diody jest podłączona do anody drugiej diody. Do punktu wspólnego drugiej diody i trzeciej diody włączony jest pierwszy biegun cewki rezonansowej, której drugi biegun włączony jest do punktu wspólnego kondensatorów filtrujących.

Dzięki konstrukcji według wynalazku układ pośredniego przemiennika częstotliwości przyczynia się do zmniejszenia emisji zaburzeń elektromagnetycznych obniża straty komutacyjne łączników falownika oraz zmniejsza prądy łożyskowe w zasilanych silnikach, a także redukuje przepięcia występujące na zaciskach odbiornika.

Quasi-rezonansowy obwód pośredniczący według wynalazku charakteryzuje się stosunkowo prostą budową oraz umiarkowanym przetężeniem prądowym elementów dla obydwu trybów pracy. Wszystkie klucze quasi-rezonansowego obwodu pośredniczącego podłączane są przy zerowym napięciu bądź prądzie, zapewniając kontrolowaną redukcję stromości napięć. Oznacza to możliwości ograniczenia emisji zaburzeń elekromagnetycznych falownika napięcia współpracującego z tym obwodem.

Wynalazek objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy pośredniego przemiennika częstotliwości, a fig. 2 schemat ideowy z przykładowym zastosowaniem do sieci trójfazowej.

Układ pośredniego przemiennika częstotliwości składa się z prostownika P, quasi-rezonansowego obwodu pośredniczącego V oraz falownika F. Prostownik P zbudowany jest na bazie sześciu diod prostowniczych D_P1 + D_P6 Diody te włączone są w konfiguracji mostka sześciopulsowego. Prostownik P zawiera tranzystor hamujący Th wraz z rezystorem Rh. Falownik F składa się z sześciu

PL 210 073 B1 tranzystorów typu IGBT T_F1 + T_F6, przy czym przeciwrównolegle do tranzystorów IGBT T_F1 + T_F6 są włączone diody prostownicze D_F1 + D_F6.

Quasi-rezonansowy obwód pośredniczący V składa się z szeregowo połączonych kondensatorów filtrujących C1, C2, które są włączone do biegunów wyjściowych A, B prostownika P oraz składającego się z pierwszego tranzystora T1, który włączony jest do bieguna dodatniego A prostownika P i bieguna dodatniego C falownika F. Kolektor pierwszego tranzystora T1 jest włączony do prostownika P, a jego emiter do falownika F. Przeciwrównolegle do pierwszego tranzystora T1 jest włączona pierwsza dioda prostownicza D1. Pomiędzy bieguny wejściowe C, D falownika E jest włączony kondensator rezonansowy Cf, do którego równolegle podłączona jest gałąź, w której znajduje się drugi tranzystor T2, druga dioda D2 i trzecia dioda D3. Do drugiego tranzystora T2 podłączona jest przeciwrównolegle druga dioda D2. Anoda trzeciej diody D3 jest podłączona do ujemnego bieguna falownika F. Katoda trzeciej diody D3 jest podłączona do anody drugiej diody D2. Do punktu wspólnego drugiej diody D2 i trzeciej diody D3 włączony jest pierwszy biegun cewki rezonansowej L, której drugi biegun włączony jest do punktu wspólnego kondensatorów filtrujących C1, C2.

W quasi-rezonansowym obwodzie pośredniczącym V występują dwa zasadnicze tryby pracy silnikowy i generatorowy.

W trybie silnikowym energia jest transportowana do falownika F. Cykl rezonansowy jest inicjowany przez wyłączenie tranzystora T1 w warunkach komutacji beznapięciowej. Z powodu stosunkowo małej pojemności Cf następuje szybki proces jego rozładowania, podczas którego następuje zmniejszenie napięcia wejściowego U_f do zera umożliwiając w ten sposób komutację tranzystorów TF₁ + TF₆ w falowniku F w warunkach beznapięciowych. W tym samym czasie napięcie UC2 kondensatorów filtrujących C1, C2, pobudza przepływ prądu iL, płynącego przez cewkę L, drugą diodę, D2 i obciążenie silnikowe iO. W momencie, gdy prąd iL przekroczy wartość prądu obciążenia Io, napięcie Uf zaczyna narastać pod wpływem ładowania Cf różnicą prądu Io i iL. Po naładowaniu Cf do wartości napięcia Udc pozostała część energii z cewki rezonansowej L jest przekazywana do kondensatorów C1 i C2 za pośrednictwem pierwszej diody D1. W tym momencie jest możliwe ponowne załączenie pierwszego tranzystora T1 w warunkach beznapięciowych. W tym czasie prąd iL maleje liniowo do zera, umożliwiając następne inicjowane wyłączenia pierwszego tranzystora T1, czyli powtórzenia cyklu rezonansowego.

W drugim trybie - generatorowym, występuje zasilanie energią elektryczną ze strony falownika F ujemnym prądem obciążenia Io płynącym przez pierwszą diodę D1. Do zainicjowania procesu rezonansowego niezbędne jest załączenie drugiego tranzystora T2. Załączenie drugiego tranzystora T2 odbywa się, w warunkach bezprądowych. Następnie prąd iL maleje liniowo w obwodzie D1-T2-L-C1. Kiedy prąd iL cewki rezonansowej L zmniejszy się do wartości niższej od generatorowego prądu Io, pierwszy tranzystor T1 zaczyna przewodzić prąd. Wyłączenie pierwszego tranzystora T1 w warunkach beznapięciowych inicjuje rezonansowe rozładowanie kondensatora rezonansowego Cf. Przy zerowym napięciu na falowniku F i przy prądzie iL, cewki rezonansowej L, mniejszym od generatorowego prądu lo, przejściowy prąd iL zamyka się, w obwodzie D3-L-C2. Po wyłączeniu drugiego tranzystora T2 w warunkach beznapięciowych i po naładowaniu kondensatora rezonansowego Cf do wartości Udc, szeregowa pierwsza dioda D1 ponownie zaczyna przewodzić prąd Io do źródła napięcia stałego, które stanowią kondensatory filtrujące C1, C2 umożliwiając komutację pierwszego tranzystora T1 w warunkach beznapięciowych. Zanikający do zera prąd cewki rezonansowej L kończy quasi-rezonansowy cykl pracy i stwarza warunki do inicjacji kolejnego cyklu pracy.

Claims (1)

1. Układ pośredniego przemiennika częstotliwości z quasi-rezonansowym układem pośredniczącym, znamienny tym, że quasi-rezonansowy obwód pośredniczący (V) składa się z szeregowo połączonych kondensatorów filtrujących (C1, C2), które są włączone do biegunów wyjściowych (A, B) prostownika (P) oraz składającego się z pierwszego tranzystora (T1), który włączony jest do bieguna dodatniego prostownika (P) i bieguna dodatniego falownika (F), przy czym kolektor pierwszego tranzystora (T1) jest włączony do prostownika (P), a jego emiter do falownika (F), zaś przeciwrównolegle do pierwszego tranzystora (T1) jest włączona pierwsza dioda prostownicza (D1), natomiast pomiędzy bieguny wejściowe (C, D) falownika (F) jest włączony kondensator rezonansowy (Cf), do którego równolegle podłączona jest gałąź, w której znajduje się drugi tranzystor (T2), druga dioda (D2) i trzecia dioda (D3), przy czym do drugiego tranzystora (T2) podłączona jest przeciwrównolegle druga dioda (D2),

   PL 210 073 B1 zaś anoda trzeciej diody (D3) jest podłączona do ujemnego bieguna (D) falownika (F), a katoda trzeciej diody (D3) jest podłączona do anody drugiej diody (D2), przy czym do punktu wspólnego drugiej diody (D2) i trzeciej diody (D3) włączony jest pierwszy biegun cewki rezonansowej (L), której drugi biegun włączony jest do punktu wspólnego kondensatorów filtrujących (C1, C2).