PL231117B3 - Sposób łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia oraz układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia według patentu PL 226065. W zgłoszeniu tym opisano sposób i układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia, posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z dwóch tranzystorów głównych z dołączonymi diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, przy czym każdy tranzystor główny falownika jest wyposażony w dodatkowy układ wspomagający jego przełączanie, składający się z tranzystora pomocniczego z diodą zwrotną, kondensatora oraz dławików. Tranzystory pomocnicze są załączane z opóźnieniem względem załączania tranzystorów głównych, zależnym od czasu narastania prądu tranzystorów głównych do wartości prądu odbiornika, a czas przewodzenia tranzystorów pomocniczych dobrany jest tak, że ich wyłączenie następuje nie później niż wyłączanie tranzystorów głównych. W układzie łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia przedstawionym w patencie PL226065 nie występuje zagrożenie zwarcia nierozładowanego kondensatora przez przewodzące tranzystory oraz nie występuje niebezpieczeństwo przerwania prądu dławików skutkującego powstaniem przepięć powodujących uszkodzenie tranzystorów.

Sterowanie czasem przewodzenia tranzystorów pomocniczych wymaga określenia opóźnienia chwili ich załączania względem załączania tranzystorów głównych, przy czym opóźnienie to zależy od czasu narastania prądu tranzystorów głównych do wartości prądu odbiornika oraz określenia chwili ich wyłączania jednak nie później niż wyłączanie tranzystorów głównych, co jest niedogodnością sposobu sterowania.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie niedogodności związanej z koniecznością określenia czasu przewodzenia tranzystorów pomocniczych, co jest niezbędne w rozwiązaniu opisanym patencie PL 226065.

Cel ten został osiągnięty poprzez zastosowanie tyrystorów typu SCR (Silicon Controlled Rectifier) jako sterownych elementów kluczujących w układach wspomagających przełączanie tranzystorów głównych falownika, co pozwala na uproszenie sposobu sterowania, gdyż tyrystory wymagają podania tylko impulsu załączającego, natomiast wyłączają się samoistnie po zmniejszeniu się ich prądu poniżej wartości prądu podtrzymania.

Sposób łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia według wynalazku polega na uzależnieniu chwil załączenia tyrystorów układów wspomagających przełączanie względem chwil załączania tranzystorów głównych.

Istota wynalazku polega na sposobie łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z dwóch tranzystorów z dołączonymi diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, przy czym każdy tranzystor falownika jest wyposażony w dodatkowy układ wspomagający jego przełączanie, składający się z tyrystora z diodą zwrotną, kondensatora oraz dławików. Sposób łagodnego przełączania wg wynalazku charakteryzuje się tym, że tyrystory są załączane z opóźnieniem względem załączania tranzystorów, zależnym od czasu narastania prądu tranzystorów do wartości prądu odbiornika, a wyłączanie tyrystorów następuje samoistnie po zmniejszeniu się ich prądu poniżej wartości prądu podtrzymania, a więc praktycznie po zakończeniu procesów rezonansowych. W każdym z trzech układów faz falownika pierwszy tyrystor jest załączany po upływie zadanego przedziału czasu względem chwili załączenia pierwszego tranzystora, a drugi tyrystor zostaje załączony po upływie zadanego przedziału czasu względem chwili załączenia drugiego tranzystora.

Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia według wynalazku składa się z trzech identycznych układów dla każdej z trzech faz falownika a układ połączeń każdej fazy składa się z pierwszego dławika indukcyjnego, którego początek dołączony jest do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego, a koniec tego dławika połączony jest z kolektorem pierwszego tranzystora, do którego dołączona jest dioda zwrotna pierwszego tranzystora, natomiast emiter tego tranzystora połączony jest z początkiem drugiego dławika, do końca którego dołączony jest zacisk fazy odbiornika trójfazowego oraz początek trzeciego dławika, którego koniec połączony jest z kolektorem drugiego tranzystora z dołączoną równolegle diodą zwrotną, a jego emiter połączony jest z początkiem czwartego dławika, którego koniec połączony jest z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego. Z kolektorem pierwszego tranzystora połączona jest katoda pierwszego tyrystora z dołączoną diodą zwrotną tyrystora, a jego anoda połączona jest z początkiem pierwszego kondensatora. Koniec tego

PL 231 117 B1 kondensatora połączony jest z anodą diody, której katoda połączona jest z emiterem pierwszego tranzystora. Koniec pierwszego kondensatora połączony jest również z katodą diody, której anoda połączona jest z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego. Do kolektora drugiego tranzystora dołączona jest także anoda diody, której katoda połączona jest z początkiem drugiego kondensatora. Z katodą tej diody połączona jest także anoda diody, której katoda dołączona jest do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego. Koniec drugiego kondensatora połączony jest z katodą drugiego tyrystora i anodą diody zwrotnej tyrystora, przy czym anoda tego tyrystora połączona jest z emiterem drugiego tranzystora.

W układzie łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia według wynalazku w korzystnej postaci wynalazku, początek pierwszego dławika połączony jest z dodatnim zaciskiem źródła napięcia stałego a koniec tego dławika połączony jest z katodą diody, której anoda połączona jest z początkiem drugiego kondensatora. Kolektor pierwszego tranzystora i katoda pierwszego tyrystora dołączone są do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego, a początek czwartego dławika połączony jest z anodą diody, której katoda połączona jest z końcem pierwszego kondensatora. Koniec czwartego dławika dołączony jest do ujemnego zacisku źródła napięcia stałego, a emiter drugiego tranzystora oraz anoda drugiego tyrystora dołączone są do ujemnego zacisku źródła napięcia stałego. Dodatkowo do zacisku pierwszej fazy odbiornika dołączona jest anoda diody, której katoda połączona jest z dodatnim zaciskiem źródła napięcia stałego oraz do tego zacisku dołączona jest katoda diody, której anoda połączona jest z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego.

Zaletą sposobu oraz układu łagodnego przełączania tranzystorów w falownikach napięcia według wynalazku jest wyeliminowanie konieczności określania czasu przewodzenia tranzystorów pomocniczych, gdyż zastosowane w ich miejsce tyrystory wymagają podania tylko impulsu załączającego, co prowadzi do uproszczenia sposobu sterowania.

Sposób i układ łagodnego przełączania tranzystorów według wynalazku może współpracować z dowolnym sposobem sterowania pracą trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ łagodnego przełączania tranzystorów w trójfazowym, dwupoziomowym falowniku napięcia, fig. 2 przedstawia układu łagodnego przełączania tranzystorów w trójfazowym, dwupoziomowym falowniku napięcia w korzystnej postaci wynalazku, natomiast fig. 3 przedstawia przebiegi czasowe w układzie połączeń łagodnego przełączania jednej fazy trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia.

Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia w wariancie podstawowym przedstawia Fig. 1. Do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego dołączone są początki pierwszych dławików indukcyjnych (L1 a, L3a, L5a), a końce tych dławików połączone są z kolektorami pierwszych tranzystorów (T1, T3, T5) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT1, DT3, DT5). Emitery pierwszych tranzystorów (T1, T3, T5) połączone są z początkami drugich dławików (L1 b, L3b, L5b), a do końca tych dławików dołączone są zaciski faz odbiornika trójfazowego (A, B, C) oraz dołączone są początki trzecich dławików (L2b, L4b, L6b). Końce tych dławików połączone są z kolektorami drugich tranzystorów (T2, T4, T6) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT2, DT4, DT6), których emitery połączone są z początkami czwartych dławików (L2a, L4a, L6a). Końce czwartych dławików (L2a, L4a, L6a) połączone są z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego. Z kolektorami pierwszych tranzystorów (T1, T3, T5) połączone są katody pierwszych tyrystorów (Ty1, Ty3, Ty5) z dołączonymi diodami zwrotnymi tyrystorów (DTy1, DTy3, DTy5), których anody połączone są z początkami pierwszych kondensatorów (C1, C3, C5). Końce tych kondensatorów połączone są z anodami diod (D1s, D3s, D5s), których katody połączone są z emiterami pierwszych tranzystorów (T1, T3, T5). Końce pierwszych kondensatorów (C1, C3, C5) połączone są również z katodami diod (D2z, D4z, D6z), których anody połączone są z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego. Do kolektorów drugich tranzystorów (T2, T4, T6) dołączone są także anody diod (D2s, D4s, D6s), których katody połączone są z początkami drugich kondensatorów (C2, C4, C6). Z katodami diod (D2s, D4s, D6s) połączone są także anody diod (D1z, D3z, D5z), których katody dołączone są do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego. Końce drugich kondensatorów (C2, C4, C6) połączone są z katodami drugich tyrystorów (Ty2, Ty4, Ty6), przy czym anody tych tyrystorów połączone są z emiterami drugich tranzystorów (T2, T4, T6).

W wariancie alternatywnym (fig. 2) pierwsze dławiki (L1a, L3a, L5a) połączone są szeregowo z diodami (D1z, D3z, D5z) oraz czwarte dławiki (L2a, L4a, L6a) połączone są szeregowo z diodami (D2z, D4z, D6z). Kolektory pierwszych tranzystorów (T1, T3, T5), katody pierwszych tyrystorów (Ty1, Ty3, Ty5) i początki pierwszych dławików (L1a, L3a, L5a) dołączone są do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego. Natomiast emitery drugich tranzystorów (T2, T4, T6), anody drugich tyrystorów (Ty2,

PL 231 117 B1

Ty4, Ty6) i końce czwartych dławików (L2a, L4a, L6a) dołączone są do ujemnego zacisku źródła napięcia stałego. Katody diod (D1z, D3z, D5z) połączone są z końcami pierwszych dławików (L1a, L3a, L5a), a początki czwartych dławików (L2a, L4a, L6a) połączone są z anodami diod (D2z, D4z, D6z). Dodatkowo, do zacisków faz odbiornika trójfazowego (A, B, C) dołączone są anody diod (D1, D3, D5) i katody diod (D2, D4, D6), przy czym katody diod (D1, D3, D5) połączone są z dodatnim zaciskiem źródła napięcia stałego, a anody diod (D2, D4, D6) połączone są z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego.

Fig. 3 przedstawia przykładowe przebiegi sygnałów sterujących pracą pierwszego tranzystora i pierwszego tyrystora, napięcia i prądu pierwszego tranzystora i pierwszego tyrystora układu połączeń jednej z faz falownika. Przebiegi oznaczone jako Gti, GTy1 przedstawiają sygnały sterujące pracą odpowiednio: tranzystora (T1) i tyrystora (Ty1) (sygnał dodatni oznacza wysterowanie tranzystora do przewodzenia i odpowiednio załączenie tyrystora, sygnał o poziomie zero oznacza wysterowanie tranzystora do nieprzewodzenia), uti, UTyi i przedstawiają napięcia odpowiednio: na tranzystorze (T1) i tyrystorze (Tyl); iTi, iTyi przedstawiają prądy: tranzystora (T1) oraz tyrystora (Ty1).

W chwili t1 następuje wyłączenie pierwszego tranzystora (T1), którego prąd maleje skokowo do zera. Kondensator (C1) ładuje się rezonansowo do napięcia wyższego od napięcia źródła napięcia stałego, a prąd tego kondensatora płynie przez (L1a), (DTy1), (C1), (D1s), (L1b), fazę (A) odbiornika. Prąd dławika (L1a) i kondensatora (C1) maleje do zera, natomiast napięcie kondensatora (C1) i napięcie tranzystora (T1) narasta i osiąga wartość maksymalną w chwili t2. Prąd fazy (A) odbiornika płynie od ujemnego zacisku źródła napięcia stałego częściowo przez (D2z), (D1s), (L1b), a częściowo przez dławik (L2a), diodę zwrotną (DT2) tranzystora (T2) i dławik (L2b). Napięcie na tranzystorze (T1) ustala się na poziomie napięcia źródła napięcia stałego. Ponieważ napięcie na tranzystorze (T1) podczas wyłączenia jest bliskie zeru z uwagi na ładowanie kondensatora (C1), to tranzystor (T1) jest wyłączany łagodnie.

W chwili t3 następuje załączenie tranzystora (T1). Prąd dławika (L1a) i tranzystora (T1) zaczyna narastać łagodnie do wartości prądu odbiornika. Natomiast prąd płynący przez diodę (D1s) i (D2z) oraz prąd płynący przez dławik (L2a), diodę zwrotną (DT2) tranzystora (T2) i dławik (L2b) zaczynają maleć łagodnie do zera. Ponieważ załączanie tranzystora (T1) następuję przy prądzie bliskim zeru ze względu na charakter narastania prądu w dławiku (L1a), to tranzystor (T1) jest załączany łagodnie. Gdy prąd dławika (L1a) osiągnie wartość prądu odbiornika, to prąd płynący przez diodę (D1s) i (D2z) oraz prąd płynący przez dławik (L2a), diodę zwrotną (DT2) tranzystora (T2) i dławik (L2b) osiągną wartość równą zeru. W tym stanie w chwili t4 załączany jest tyrystor (Ty1). Następuje proces rezonansowego rozładowania kondensatora (C1) w obwodzie: (C1 ), (Ty1), (L1a), źródło napięcia stałego, (D2z). Tyrystor (Ty1) wyłącza się samoistnie w chwili t5 po zakończeniu procesu rozładowania rezonansowego kondensatora (C1). Ponieważ tyrystor (Ty1) jest załączany przy prądzie bliskim zeru i wyłącza się samoistnie również przy prądzie bliskim zeru, to przełączanie tego tyrystora jest łagodne. Dla poprawnie dobranych kondensatorów i dławików, kondensator rozładuje się do napięcia równego zeru. W chwili t6 prąd tranzystora (T1) osiąga wartość prądu odbiornika, co jest równoznaczne z zakończeniem procesów przejściowych związanych z załączeniem tego tranzystora. Prąd płynie od dodatniego zacisku źródła napięcia stałego przez dławik (L1a), tranzystor (T1), dławik (L1b) do fazy (A) odbiornika. Kondensator (C1) pozostaje rozładowany; stan ten trwa do chwili ponownego wyłączenia tranzystora (Ti).

Drugi tranzystor układu połączeń danej fazy (T2) oraz drugi tyrystor (Ty2) dla przeciwnego kierunku prądu odbiornika są załączane analogicznie jak tranzystor (T1) oraz tyrystor (Ty1).

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   i. Sposób łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego dwupoziomowego falownika napięcia posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z dwóch tranzystorów z dołączonymi diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, przy czym każdy tranzystor falownika jest wyposażony w dodatkowy układ wspomagający jego przełączanie według patentu PL 226065, w którym elementy przełączające dodatkowych układów wspomagających przełączanie tranzystorów głównych falownika zostają załączone po upływie zadanego przedziału czasu względem chwil załączenia odpowiednich tranzystorów głównych, znamienny tym, że w każdym z układów połączeń dla poszczególnych faz pierwszy tyrystor (Ty1, Ty3, Ty5) zostaje załączony po upływie zadanego przedziału czasu (At1) względem chwili załączenia pierwszego tranzystora (T1, T3, T5), a wyłączy się samoistnie po zmniejszeniu się

   PL 231 117 B1 jego prądu poniżej wartości prądu podtrzymania, a tyrystor drugi (Ty2, Ty4, Ty6), w każdym z układów połączeń dla poszczególnych faz zostaje załączony po upływie zadanego przedziału czasu (At1) względem chwili załączenia drugiego tranzystora (T2, T4, T6), a wyłączy się samoistnie po zmniejszeniu się jego prądu poniżej wartości prądu podtrzymania.
2. 2. Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego dwupoziomowego falownika napięcia, posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z dwóch tranzystorów z dołączonymi diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, przy czym każdy tranzystor falownika jest wyposażony w dodatkowy układ wspomagający jego przełączanie według patentu PL 226065, w którym układy wspomagające przełączanie tranzystorów głównych składają się z elementów przełączających i połączonych z nimi równolegle diod zwrotnych, przy czym w układach wspomagających dla pierwszych tranzystorów głównych anody diod zwrotnych układów wspomagających połączone są z kolektorami pierwszych tranzystorów głównych a katody diod zwrotnych układów wspomagających połączone są z emiterami pierwszych tranzystorów głównych poprzez pierwsze kondensatory i diody pomocnicze a w układach wspomagających dla drugich tranzystorów głównych anody diod zwrotnych układów wspomagających dla drugich tranzystorów głównych połączone są z kolektorami drugich tranzystorów głównych poprzez drugie kondensatory i diody pomocnicze a katody diod zwrotnych układów wspomagających dla drugich tranzystorów głównych połączone są z emiterami drugich tranzystorów głównych natomiast kolektory pierwszych tranzystorów głównych połączone są z dodatnim zaciskiem źródła napięcia stałego za pośrednictwem pierwszych dławików indukcyjnych, a emitery tych tranzystorów połączone są poprzez drugie dławiki z zaciskami faz odbiornika trójfazowego (A, B, C) a kolektory drugich tranzystorów głównych połączone są poprzez trzecie dławiki z zaciskami faz odbiornika trójfazowego (A, B, C) a ich emitery poprzez czwarte dławiki połączone są z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego, znamienny tym, że z kolektorami pierwszych tranzystorów (T1, T3, T5) połączone są katody pierwszych tyrystorów (Ty1, Ty3, Ty5) i anody diod zwrotnych (DTy1, DTy3, DTy5), których katody połączone są z anodami pierwszych tyrystorów (Ty1, Ty3, Ty5) i z początkami pierwszych kondensatorów (C1, C3, C5), natomiast końce drugich kondensatorów (C2, C4, C6) połączone są z katodami drugich tyrystorów (Ty2, Ty4, Ty6) i z anodami diod zwrotnych (DTy2, DTy4, DTy6), a katody tych diod oraz anody tyrystorów (Ty2, Ty4, Ty6) połączone są z emiterami drugich tranzystorów (T2, T4, T6).
3. 3. Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego dwupoziomowego falownika napięcia według patentu PL 226065, w którym początki pierwszych dławików połączone są z dodatnim zaciskiem źródła napięcia stałego a końce tych dławików połączone są z katodami diod gałęzi zasilających układy wspomagające przełączanie drugich tranzystorów głównych a ich anody połączone są z kondensatorami układów wspomagające przełączanie drugich tranzystorów głównych, natomiast kolektory pierwszych tranzystorów głównych i anody diod zwrotnych układów wspomagających przełączanie pierwszych tranzystorów głównych dołączone są do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego a początki czwartych dławików połączone są z anodami diod gałęzi zasilających układy wspomagające przełączanie pierwszych tranzystorów głównych a ich katody połączone są z kondensatorami układów wspomagające przełączanie pierwszych tranzystorów głównych, a końce tych dławików dołączone są do ujemnego zacisku źródła napięcia stałego, natomiast zaś dodatkowo do zacisków faz odbiornika trójfazowego (A, B, C) dołączone są anody pierwszych diod gałęzi zasilania, których katody połączone są z dodatnim zaciskiem źródła napięcia stałego oraz katody drugich diod gałęzi zasilania, których anody połączone są z ujemnym zaciskiem źródła napięcia stałego, znamienny tym, że katody pierwszych tyrystorów (Ty1, Ty3, Ty5) i kolektory pierwszych tranzystorów (T1, T3, T5) dołączone są do dodatniego zacisku źródła napięcia stałego, natomiast anody drugich tyrystorów (Ty2, Ty4, Ty6) i emitery drugich tranzystorów (T2, T4, T6) dołączone są do ujemnego zacisku źródła napięcia stałego.