PL232303B1 - Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ łagodnego przełączania tranzystorów, trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia.

Z przełączaniem tranzystorów włączonych w każdą fazę trójpoziomowego falownika napięcia, zwanych dalej tranzystorami głównymi, związane jest zjawisko powstawania strat w czasie załączania i wyłączania tranzystorów. Straty te ograniczane są przez stosowanie tzw. układów łagodnego przełączania tranzystorów (ang. soft switching systems). Ich zastosowanie powoduje, że tranzystory są załączane i wyłączane przy ich prądzie lub napięciu bliskim zeru, co znacznie ogranicza wielkość strat powstających podczas przełączania tranzystorów.

W trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia średniej i dużej mocy stosowane są głównie tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor). Z uwagi na krótkie czasy ich przełączania falowniki napięcia pracują z różnymi rodzajami modulacji szerokości impulsów a tranzystory są przełączane z częstotliwością pojedynczych kiloherców w falownikach o mocach pojedynczych megawatów lub z częstotliwościami wyższymi w falownikach o mocach dziesiątek lub setek kilowatów. Duża częstotliwość przełączeń tranzystorów powoduje wzrost strat powstających w czasie ich załączania i wyłączania.

Układy łagodnego przełączania tranzystorów w trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia, podobnie jak układy łagodnego przełączania tranzystorów w dwupoziomowych falownikach napięcia, dzielą się na dwie grupy. Pierwsza z nich dotyczy przypadków, w których falownik zawiera dwa identyczne układy łagodnego przełączania, z których jeden wspomaga przełączanie jednej połowy wszystkich tranzystorów falownika a drugi układ wspomaga przełączanie drugiej połowy wszystkich tranzystorów falownika, przy czym topologia układów, w których następuje wspomaganie przełączania jest taka sama. Wadą tego rozwiązania (z uwagi na procesy rezonansowe) jest możliwość łagodnego przełączania tranzystorów tylko w wąskim zakresie zmian częstotliwości napięcia wyjściowego.

Druga grupa obejmuje układy, które wspomagają przełączanie tranzystorów w trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia indywidualnie w poszczególnych fazach. Te układy stosuje się zwłaszcza przy pracy falownika z modulacją szerokości impulsów. W proponowanych układach indywidualnego, łagodnego przełączania tranzystorów w każdej fazie falownika stosowane są dodatkowo tranzystory pomocnicze, dodatkowe dławiki indukcyjne lub transformatory oraz dodatkowe kondensatory. Zasadniczymi wadami dotychczas stosowanych układów łagodnego przełączania tranzystorów w trójfazowym, trójpoziomowym falowniku napięcia jest niebezpieczeństwo załączenia tranzystorów przy nierozładowanych kondensatorach równolegle do nich dołączonych lub niebezpieczeństwo wyłączenia tranzystorów pomocniczych przy różnym od zera prądzie uzwojenia transformatora lub dławika szeregowo połączonym z tranzystorem. Może to być spowodowane m. in. błędnym sterowaniem lub wystąpieniem zakłóceń w układzie sterowania pracą tranzystorów. W pierwszym przypadku załączenie tranzystora przy nierozładowanym kondensatorze równolegle do niego dołączonym powoduje przepływ przez tranzystor udarowego prądu rozładowania kondensatora, co grozi uszkodzeniem tranzystora na skutek przepływu zbyt dużego prądu. W drugim przypadku wyłączenie tranzystora pomocniczego przy niezerowym prądzie uzwojenia transformatora lub dławika indukcyjnego prowadzi do powstania przepięcia, które może spowodować uszkodzenie tranzystora na skutek wystąpienia zbyt dużego napięcia. W dotychczas proponowanych układach łagodnego przełączania tranzystorów w trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia przełączanie zarówno tranzystorów głównych jak i pomocniczych wymaga złożonego algorytmu sterowania co prowadzi do wieloetapowości pracy falownika związanego z przełączaniem każdego z tranzystorów głównych.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PAT.226065 sposób i układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, dwupoziomowego falownika napięcia. W przytoczonym opisie patentowym PAT.226065 do kolektora każdego tranzystora głównego dołączony jest emiter tranzystora pomocniczego (z dołączoną diodą zwrotną), a kolektor tego tranzystora połączony jest z początkiem kondensatora, przy czym koniec tego kondensatora połączony jest za pośrednictwem diody do emitera tranzystora głównego oraz koniec tego kondensatora połączony jest z katodą diody, której koniec połączony jest z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Ten sposób połączenia jest możliwy do przeniesienia do trójfazowego, trójpoziomowego, tranzystorowego falownika napięcia, jednakże dla poprawnej pracy układu łagodnego przełączania maksymalne napięcie na kondensatorze i tranzystorze głównym oraz pomocniczym będzie musiało być większe od podwójnej wartości napięcia źródła zasilania, co powoduje konieczność doboru elementów dostosowanych do dwukrotnie wyższego napięcia pracy, co jest

PL 232 303 B1 niedogodnością przy konstrukcji trójfazowych, trójpoziomowych, tranzystorowych falowników napięcia pracujących przy napięciu rzędu kilku kilowoltów i wyższych. Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US 5684688 układ łagodnego przełączania tranzystorów lub tyrystorów wyłączanych ujemnym prądem bramki trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia, w którym stosowane są dodatkowe układy łagodnego przełączania tranzystorów włączone w strukturę typowego trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia. W rozwiązaniu przedstawionym w przywołanym opisie patentowym równoległe połączenie kondensatorów z dwoma tranzystorami głównymi w każdej z faz niesie ryzyko udarowego rozładowania kondensatorów przez tranzystory główne przy wystąpieniu zakłóceń w układzie sterowania. Dodatkowo w przytoczonym opisie patentowym konieczne jest zastosowanie dzielnika napięcia złożonego z czterech kondensatorów oraz konieczny jest pomiar prądów poszczególnych faz odbiornika w celu poprawnego sterowania tranzystorów.

Celem wynalazku jest opracowanie układu łagodnego przełączania tranzystorów głównych trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia gwarantującego takie ukształtowanie przebiegu napięcia i prądu tranzystorów głównych falownika, aby całka z iloczynu tych wielkości za czas przełączania tranzystorów była jak najmniejsza, co ogranicza straty mocy podczas przełączania tranzystorów głównych a także zapewnia zachowanie tego warunku w odniesieniu do tranzystorów pomocniczych układu łagodnego przełączania. Równocześnie celem wynalazku jest wyeliminowanie zagrożenia zwarcia nierozładowanego kondensatora przez przewodzące tranzystory główne oraz wykluczenie możliwości przerwania prądu dławików skutkującego powstaniem przepięć powodujących uszkodzenie tranzystorów. Dodatkowym celem jest uproszczenie sposobu sterowania tranzystorów głównych i tranzystorów pomocniczych trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia w odniesieniu do sposobu sterowania tranzystorów opisanego w przywołanym opisie patentowym US 5684688, przy czym sposób sterowania tranzystorów głównych i pomocniczych jest znany z opisu patentowego PAT.226065.

Cele te zostały osiągnięte poprzez zastosowanie dodatkowych układów łagodnego przełączania tranzystorów głównych włączonych w strukturę typowego tranzystorowego trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia. Istota wynalazku polega na topologii układu łagodnego przełączania tranzystorów głównych trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z czterech tranzystorów głównych z dołączonymi diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, przy czym każdy tranzystor główny falownika jest wyposażony w dodatkowy układ łagodnego przełączania, składający się z tranzystora pomocniczego, kondensatora, diod oraz dławików indukcyjnych, przy czym układy łagodnego przełączania dwóch z czterech tranzystorów głównych każdej fazy falownika mają inną topologię względem topologii układów łagodnego przełączania pozostałych dwóch tranzystorów głównych każdej fazy. Tranzystory pomocnicze są załączane z zadanym opóźnieniem względem załączania tranzystorów głównych, zależnym od czasu narastania prądu tranzystorów głównych do zadanej, maksymalnej wartości prądu odbiornika, a wyłączanie tranzystorów pomocniczych następuje po zakończeniu procesów rozładowania rezonansowego kondensatorów, przy czym wyłączenie tranzystorów pomocniczych może następować równocześnie z wyłączeniem tranzystorów głównych, jak to jest przedstawione w opisie patentowym PAT.226065.

Przedstawiony w wynalazku układ łagodnego przełączania tranzystorów głównych trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia dołączonego do źródła zasilania składającego się z dwóch szeregowo połączonych takich samych źródeł napięcia stałego, przy czym wspólny punkt źródeł napięcia stałego stanowi punkt neutralny źródła zasilania, 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 zasilania, a koniec tego dławika połączony jest z kolektorem pierwszego tranzystora głównego z dołączoną diodą zwrotną, natomiast emiter tego tranzystora połączony jest z początkiem drugiego dławika, którego koniec połączony jest z kolektorem drugiego tranzystora głównego z dołączoną diodą zwrotną, a emiter drugiego tranzystora głównego połączony jest z początkiem trzeciego dławika, do końca którego dołączony jest zacisk fazy odbiornika trójfazowego, z którym połączony jest początek czwartego dławika, którego koniec połączony jest z kolektorem trzeciego tranzystora głównego z dołączoną diodą zwrotną, a emiter tego tranzystora połączony jest z początkiem piątego dławika, którego koniec połączony jest z kolektorem czwartego tranzystora głównego z dołączoną diodą zwrotną, a emiter tego tranzystora połączony jest z początkiem szóstego dławika, którego koniec połączony jest z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z kolektorem pierwszego tranzystora głównego połączony jest emiter pierwszego tranzystora pomocniczego z dołączoną diodą zwrotną, a jego kolektor połączony jest z początkiem pierwszego kondensatora, którego koniec

PL 232 303 B1 połączony jest z anodą diody, której katoda połączona jest z emiterem pierwszego tranzystora głównego. Koniec pierwszego kondensatora połączony jest również z katodą diody, której anoda połączona jest z punktem neutralnym źródła zasilania. Do kolektora drugiego tranzystora głównego dołączona jest także anoda diody, której katoda połączona jest z początkiem drugiego kondensatora, którego koniec połączony jest z emiterem drugiego tranzystora głównego. Z katodą tej diody połączona jest także anoda diody, której katoda połączona jest z kolektorem drugiego tranzystora pomocniczego z dołączoną diodą zwrotną, a emiter tego tranzystora połączony jest z dodatnim zaciskiem źródła zasilania. Z kolektorem trzeciego tranzystora głównego połączony jest trzeci kondensator, do końca którego dołączona jest anoda diody, której katoda połączona jest z emiterem tego tranzystora. Z końcem tego kondensatora połączona jest również katoda diody, której anoda połączona jest z emiterem trzeciego tranzystora pomocniczego z dołączoną diodą zwrotną, a kolektor tego tranzystora połączony jest z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z kolektorem czwartego tranzystora głównego połączona jest anoda diody, której katoda połączona jest z początkiem czwartego kondensatora, a koniec tego kondensatora połączony jest z emiterem czwartego tranzystora głównego z dołączoną diodą zwrotną, a kolektor tego tranzystora połączony jest z emiterem czwartego tranzystora głównego. Do początku czwartego kondensatora dołączona jest również anoda diody, której katoda połączona jest z punktem neutralnym źródła zasilania. Do kolektora drugiego tranzystora głównego dołączona jest anoda diody, której katoda połączona jest z dodatnim zaciskiem źródła zasilania a do emitera trzeciego tranzystora głównego dołączona jest katoda diody, której anoda połączona jest z ujemnym zaciskiem źródła zasilania.

Zaletą układu łagodnego przełączania tranzystorów w falownikach napięcia według wynalazku jest duża odporność na uszkodzenia, które mogą występować w dotychczas stosowanych układach łagodnego przełączania na skutek zakłóceń w sterowaniu tranzystorów. W proponowanym układzie nie może wystąpić udarowe rozładowanie kondensatora przez załączony tranzystor główny, co groziłoby jego uszkodzeniem na skutek przepływu zbyt dużego prądu, ponieważ żaden z kondensatorów nie jest równolegle dołączony do któregokolwiek z tranzystorów. Również nie istnieje zagrożenie nagłego przerwania prądu w dławikach, co spowodowałoby uszkodzenie tranzystora na skutek pojawienia się na nim przepięcia, ponieważ w proponowanym układzie nie występują szeregowe połączenia dławików z tranzystorami. Dodatkową zaletą jest proste sterowanie, gdyż tranzystory główne sterowane są nadrzędnie, niezależnie od sterowania tranzystorów pomocniczych. Przełączanie tranzystorów pomocniczych zależy od stanu pracy tranzystorów głównych. W przypadku braku koordynacji chwil załączenia i wyłączenia tranzystorów pomocniczych względem chwil załączenia i wyłączenia tranzystorów głównych wystąpi „twarde przełączanie” tranzystorów, nie zaś awaria urządzenia. Układ łagodnego przełączania tranzystorów według wynalazku może współpracować z dowolnym sposobem sterowania pracą trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia. Rozwiązanie według wynalazku, poza wspomaganiem przełączania tranzystorów, pełni także funkcję zabezpieczenia przeciwprzepięciowego tranzystorów. Praca układu łagodnego przełączania według wynalazku jest praktycznie bezstratna z uwagi na brak rezystorów, co przyczynia się do zwiększenia sprawności falowników, dlatego proponowane rozwiązanie jest adresowane przede wszystkim do producentów falowników średniej i dużej mocy. Topologia układu łagodnego przełączania tranzystorów w falownikach napięcia według wynalazku wspomaga także układ zabezpieczenia nadprądowego, a zwłaszcza przeciwzwarciowego. Dzięki obecności dławików indukcyjnych prąd zwarciowy narasta wolniej, co wydłuża przedział czasu, w którym powinno nastąpić wyłączenie falownika.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ łagodnego przełączania tranzystorów głównych w trójfazowym, trójpoziomowym falowniku napięcia, a Fig. 2 i Fig. 3 przedstawiają przebiegi czasowe w układzie połączeń łagodnego przełączania jednej fazy trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia.

Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia przedstawia Fig. 1. Falownik dołączony jest do źródła zasilania o napięciu Udc składającego się z dwóch szeregowo połączonych źródeł napięcia stałego, przy czym wspólny punkt źródeł napięcia stałego stanowi punkt neutralny (N) źródła zasilania. Do dodatniego zacisku źródła zasilania dołączone są początki pierwszych dławików indukcyjnych (L11, L21, L31), a końce tych dławików połączone są z kolektorami pierwszych tranzystorów głównych (T11, T21, T31) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT11, DT21, DT31), natomiast emitery tych tranzystorów połączone są z początkami drugich dławików (L12, L22, L32), których końce połączone są z kolektorami drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT12, DT22, DT32), a emitery drugich tranzystorów głównych połączone są z początkami trzecich dławików (L13, L23, L33), do końca których dołączone są zaciski faz odbiornika

PL 232 303 B1 trójfazowego (A, B, C), z którymi połączone są początki czwartych dławików (L14, L24, L34), których końce połączone są z kolektorami trzecich tranzystorów głównych (T13, T23, T33) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT13, DT23, DT33), a emitery tych tranzystorów połączone są z początkami piątych dławików (L15, L25, L35), których końce połączone są z kolektorami czwartych tranzystorów głównych (T14, T24, T34) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT14, DT24, DT34), których emitery połączone są z początkami szóstych dławików (L16, L26, L36), a końce tych dławików połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z kolektorami pierwszych tranzystorów głównych (T11, T21, T31) połączone są emitery pierwszych tranzystorów pomocniczych (T11a, T21a, T31a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT11a, DT21a, DT31a), a ich kolektory połączone są z początkami pierwszych kondensatorów (C11, C21, C31), których końce połączone są z anodami diod (D11, D21, D31), których katody połączone są z emiterami pierwszych tranzystorów głównych (T11, T21, T31). Końce pierwszych kondensatorów (C11, C21, C31) połączone są również z katodami diod (D11a, D21a, D31a), których anody połączone są z punktem neutralnym (N) źródła zasilania. Do kolektorów drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32) dołączone są także anody diod (D12, D22, D32), których katody połączone są z początkam i drugich kondensatorów (C12, C22, C32), których końce połączone są z emiterami drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32). Z katodami tych diod połączone są także anody diod (D12a, D22a, D32a), których katody połączone są z kolektorami drugich tranzystorów pomocniczych (T12a, T22a, T32a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT12a, DT22a, DT32a), a emitery tych tranzystorów połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania. Z kolektorami trzecich tranzystorów głównych (T13, T23, T33) połączone są początki trzecich kondensatorów (C13, C23, G33), do końców których dołączone są anody diod (D13, D23, D33), których katody połączone są z emiterami tych tranzystorów. Z końcami tych kondensatorów połączone są również katody diod (D13a, D23a, D33a), których anody połączone są z emiterami trzecich tranzystorów pomocniczych (T13a, T23a, T33a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT13a, DT23a, DT33a), a kolektory tych tranzystorów połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z kolektorami czwartych tranzystorów głównych (T14, T24, T34) połączone są anody diod (D14, D24, D34), których katody połączone są z początkami czwartych kondensatorów (C14, C24, C34), a końce tych kondensatorów połączone są z emiterami czwartych tranzystorów pomocniczych (T14a, T24a, T34a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT14a, DT24a, DT34a), a kolektory tych tranzystorów połączone z emiterami czwartych tranzystorów głównych (T14, T24, T34). Do początków czwartych kondensatorów (C14, C24, C34) dołączone są również anody diod (D14a, D24a, D34a), których katody połączone są z punktem neutralnym (N) źródła zasilania. Do kolektorów drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32) dołączone są anody diod (D1p, D2p, D3p), których katody połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania a do emiterów trzecich tranzystorów głównych (T13, T23, T33) dołączone są katody diod (D1n, D2n, D3n), których anody połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania.

Fig. 2 przedstawia przykładowe przebiegi sygnałów sterujących pracą pierwszego tranzystora głównego oraz pierwszego tranzystora pomocniczego, napięcia i prądu pierwszego tranzystora głównego oraz pierwszego tranzystora pomocniczego układu połączeń jednej z faz falownika. Przebiegi oznaczone jako Grii, Griia, przedstawiają sygnały sterujące pracą tranzystorów odpowiednio (T11) i (T11a) (sygnał dodatni oznacza wysterowanie tranzystora do przewodzenia, sygnał o poziomie zero oznacza wysterowanie do nieprzewodzenia), urii, uriia przedstawiają napięcia na tranzystorach (T11) i (T11a), irii, iriia przedstawiają prądy tranzystorów (T11) oraz (T11a). Fig. 3 przedstawia przykładowe przebiegi sygnałów sterujących pracą drugiego tranzystora głównego (T12) oraz drugiego tranzystora pomocniczego (T12a), napięcia i prądu drugiego tranzystora głównego oraz drugiego tranzystora pomocniczego układu połączeń jednej z faz falownika. Przebiegi oznaczone jako Gri2, Gri2a przedstawiają sygnały sterujące pracą tranzystorów odpowiednio (T12) i (T12a) (sygnał dodatni oznacza wysterowanie tranzystora do przewodzenia, sygnał o poziomie zero oznacza wysterowanie do nieprzewodzenia), uri2, uri2a przedstawiają napięcia na tranzystorach odpowiednio (T12) i (T12a), iri2, iri2a przedstawiają prądy tranzystorów (T12) oraz (T12a).

W opisie pracy jednej fazy trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia z układem łagodnego przełączania zakłada się, że w danym cyklu pracy wartość prądu odbiornika nie zmienia się i prąd płynie do fazy (A) odbiornika. T ranzystor główny (T12) jest sterowany sygnałem będącym logiczną negacją sygnału sterowania tranzystora głównego (T14) a tranzystor główny (T13) jest sterowany sygnałem będącym logiczną negacją sygnału sterowania tranzystora głównego (T11).

Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia działa według następującego opisu.

PL 232 303 B1

Pierwszy tranzystor główny (T11) i pierwszy tranzystor pomocniczy (T11a) są załączane i wyłączane według, następującego algorytmu, przy czym jako stan początkowy opisu działania przyjęto stan, w którym pierwszy tranzystor główny (T11) i drugi tranzystor główny (T12) są załączone, wszystkie pozostałe tranzystory danej fazy są wyłączone, a prąd płynie od dodatniego zacisku źródła napięcia przez (L11), (T11), (L12), (T12), (L13), fazę (A) odbiornika i zamyka się przez źródło napięcia stałego (UDC2) płynąc przez pozostałe fazy odbiornika i elementy pozostałych faz falownika, przy czym kondensator (C11) jest rozładowany, kondensatory (C12) i (C13) są naładowane do napięcia równego Udc/2, natomiast kondensator (C14) jest naładowany do napięcia równego co najmniej UdcW chwili t11 następuje wyłączenie pierwszego tranzystora głównego (T11), którego prąd maleje skokowo do zera. Należy podkreślić, że z chwilą wyłączenia pierwszego tranzystora głównego (T11) następuje załączenie trzeciego tranzystora głównego (T13), jednak jego załączenie nie wpływa na przebieg procesów przejściowych związanych z wyłączeniem pierwszego tranzystora głównego (T11). W przedziale (t11-t12) następuje ładowanie kondensatora (C11) stałym prądem fazy (A) odbiornika, co skutkuje liniowym narastaniem napięcia na tym kondensatorze a tym samym na pierwszym tranzystorze głównym (T11). Kondensator (C11) ładuje się do napięcia równego co najmniej Udc a prąd tego kondensatora płynie od dodatniego zacisku źródła zasilania przez (L11), (DT11a), (C11), (D11), (L12), (T12), (L13), fazę (A) odbiornika i zamyka się przez źródło napięcia stałego (UDC2) płynąc przez pozostałe fazy odbiornika i elementy pozostałych faz falownika. Ponieważ napięcie na pierwszym tranzystorze głównym (T11) podczas wyłączenia jest bliskie zeru z uwagi na ładowanie kondensatora (C11), to pierwszy tranzystor główny (T11) jest wyłączany łagodnie. Gdy w chwili t12 napięcie na kondensatorze (C11) osiągnie wartość równą Udc/2, dalszy proces ładowania kondensatora ma charakter rezonansowy (przedział t12-t13); prąd kondensatora (C11) zaczyna maleć; tym samym maleje prąd płynący przez (L11), (DT11a). Jednocześnie zaczyna przewodzić dioda (D11a), której prąd rośnie. Prąd płynący przez (L12), (T12), (L13), (UDC2) nie zmienia się, ponieważ założono, że w danym cyklu pracy prąd odbiornika nie zmienia swojej wartości. W chwili t13 prąd ładowania kondensatora (C11) maleje do zera, podobnie prąd płynący od dodatniego zacisku źródła zasilania przez (L11), (DT11a), a napięcie kondensatora (C11) osiąga wartość maksymalną, równą co najmniej Udc. Prąd fazy (A) odbiornika zamyka się w obwodzie złożonym z elementów: (UDC2), (D11a), (D11), (L12), (T12), (L13). Napięcie na pierwszym tranzystorze głównym (T11) ustala się na poziomie równym Udc/2. W chwili t13 kończą się procesy przejściowe związane z wyłączeniem pierwszego tranzystora głównego (T11). W chwili t14 następuje załączenie pierwszego tranzystora głównego (T11). Jednocześnie następuje wyłączenie trzeciego tranzystora głównego (T13), przy czym jego wyłączenie nie ma wpływu na przebieg procesów związanych z załączeniem pierwszego tranzystora głównego (T11). Stały w danym cyklu pracy prąd fazy (A) odbiornika płynie przez (L12), (T12), (L13), przy czym prąd ten jest sumą malejącego prądu płynącego przez (D11a), (D11) oraz narastającego prądu płynącego od dodatniego zacisku źródła zasilania przez (L11) i (T11) (przedział t14-t15). Na dławiku (L11) występuje stałe napięcie o wartości równej Udc/2 zatem prąd dławika (L11) narasta liniowo od zera, a tym samym liniowo narasta prąd pierwszego tranzystora głównego (T11). Ponieważ załączanie pierwszego tranzystora głównego (T11) następuję przy prądzie bliskim zeru ze względu na charakter narastania prądu w dławiku (L11), to pierwszy tranzystor główny (T11) jest załączany łagodnie. W chwili t15 prądy diod (D11a) i (D11) osiągają wartość równą zeru. Od chwili t15 stan pracy danej fazy falownika jest podobny do stanu pracy występującego przed chwilą t11 (przed wyłączeniem pierwszego tranzystora głównego (T11)), przy czym kondensator (C11) jest naładowany do napięcia równego co najmniej Udc. W chwili t16 zostaje załączony pierwszy tranzystor pomocniczy (T11a). Kondensator (C11) rozładowuje się rezonansowo przez źródło napięcia stałego (UDC1), diodę (D11a), częściowo przez dławik (L11) zmniejszając jego prąd płynący od dodatniego zacisku źródła zasilania a częściowo rozładowuje się przez pierwszy tranzystor główny (T11), dławik (L12) i diodę (D1p). Prąd pierwszego tranzystora głównego (T11) i dławika (L12) jest sumą prądu fazy (A) odbiornika oraz części prądu rezonansowego rozładowania kondensatora (C11), przy czym przez drugi tranzystor główny (T12) i dławik (L13) płynie prąd fazy (A) odbiornika (przedział t16-t17). Ponieważ prąd kondensatora (C11) a tym samym prąd pierwszego tranzystora pomocniczego (T11a) narasta od zera, to można stwierdzić, że pierwszy tranzystor pomocniczy (T11a) jest załączany łagodnie. W chwili t17 napięcie na kondensatorze (C11) osiąga wartość równą zeru, co powoduje, że prąd kondensatora (C11) i pierwszego tranzystora pomocniczego (T11a) maleją skokowo do zera, natomiast zaczyna przewodzić dioda (D11), a pierwszy tranzystor pomocniczy (T11a) jest nadal w stanie przewodzenia. Prądy diod (D11a), (D11), (D1p) maleją liniowo do zera, a prądy elementów (L11), (T11), (L12) rosną liniowo do wartości prądu fazy (A) odbiornika. Zakończenie tych procesów następuje w chwili t18.

PL 232 303 B1

W chwili t19 pierwszy tranzystor pomocniczy (T11a) zostaje wysterowany do nieprzewodzenia. Stan pracy układu od chwili t19 trwa do chwili ponownego wyłączenia pierwszego tranzystora głównego (T11). Wyłączenie pierwszego tranzystora pomocniczego (T11a) następuje przy prądzie i napięciu równym zeru, co oznacza, że wyłączenie tego tranzystora jest łagodne.

Drugi tranzystor główny (T12) i drugi tranzystor pomocniczy (T12a) są załączane i wyłączane według następującego algorytmu, przy czym jako stan początkowy opisu działania przyjęto stan, w którym pierwszy tranzystor główny (T11) jest wyłączony, trzeci tranzystor główny (T13) jest załączony, drugi tranzystor główny (T12) jest załączony, czwarty tranzystor główny (T14) jest wyłączony, a prąd płynie w obwodzie złożonym z elementów: (UDC2), (D11a), (D11), (L12), (T12), (L13), fazę (A) odbiornika i zamyka się przez źródło napięcia stałego (UDC2) płynąc przez pozostałe fazy odbiornika i elementy pozostałych faz falownika przy czym kondensator (C11) jest naładowany do napięcia równego co najmniej Udc, kondensator (C12) jest rozładowany, kondensator (C13) jest naładowany do napięcia Udc/2 a kondensator (C14) jest naładowany do napięcia wyższego od Udc/2.

W chwili t21 następuje wyłączenie drugiego tranzystora głównego (T12), którego prąd maleje skokowo do zera. Jednocześnie następuje załączenie czwartego tranzystora głównego (T14), jednakże z uwagi na założony kierunek prądu fazy (A) odbiornika prąd czwartego tranzystora głównego (T14) jest równy zeru. Kondensator (C12) jest ładowany stałym prądem fazy (A) odbiornika a prąd tego kondensatora płynie przez (D11a), (D11), (L12), (D12), (C12), (L13), fazę (A) odbiornika i zamyka się przez źródło napięcia stałego (UDC2) płynąc przez pozostałe fazy odbiornika i elementy pozostałych faz falownika. Skutkuje to liniowym narastaniem napięcia na kondensatorze (C12) a tym samym liniowym narastaniem napięcia na drugim tranzystorze głównym (T12). Ponieważ napięcie na drugim tranzystorze głównym (T12) podczas wyłączenia jest bliskie zeru z uwagi na ładowanie kondensatora (C12), to drugi tranzystor główny (T12) jest wyłączany łagodnie. Gdy w chwili t22 napięcie na kondensatorze (C12) osiągnie wartość równą Udc/2 to dalszy proces ładowania kondensatora (C12) ma charakter rezonansowy; prąd kondensatora (C12) maleje, maleje również prąd płynący przez elementy (UDC2), (D11a), (D11), (L12), (D12), (C12) i (L13) (przedział t22-t23). Jednocześnie zaczyna przewodzić dioda (D1n), której prąd rośnie, a prąd ten płynie także przez diodę zwrotną (DT13) trzeciego tranzystora głównego (T13) i dławik (L14). W chwili t23 prąd kondensatora (C12) osiąga wartość równą zeru, a napięcie na kondensatorze (C12) osiąga wartość maksymalną, równą co najmniej Udc. Prąd fazy (A) odbiornika płynie przez dławik (L14), diodę zwrotną (DT13) trzeciego tranzystora głównego (T13), diodę (D1n) i zamyka się przez pozostałe fazy odbiornika i elementy pozostałych faz falownika. W chwili t23 kończą się procesy przejściowe związane z wyłączeniem drugiego tranzystora głównego (T12).

W chwili t24 następuje załączenie drugiego tranzystora głównego (T12). Prąd płynący przez dławik (L14), diodę zwrotną (DT13) trzeciego tranzystora głównego (T13) i diodę (D1n) maleje liniowo do zera, natomiast liniowo narasta prąd płynący przez źródło napięcia stałego (UDC2), diodę (D11a), diodę (D11), dławik (L12), drugi tranzystor główny (T12) i dławik (L13). Ponieważ prąd drugiego tranzystora głównego (T12) jest bliski zeru w chwili załączenia, to drugi tranzystor główny (T12) jest załączany łagodnie. W przedziale t24-t25 prąd płynący przez dławik (L14) maleje do zera. Do chwili t26, w której następuje załączenie drugiego tranzystora pomocniczego (T12a) prąd płynie przez diodę (D11a), diodę (D11), dławik (L12), drugi tranzystor główny (T12), dławik (L13), fazę (A) odbiornika i zamyka się przez źródło napięcia stałego (UDC2) płynąc przez pozostałe fazy odbiornika i elementy pozostałych faz falownika. W chwili t26 następuje załączenie drugiego tranzystora pomocniczego (T12a) i rozpoczyna się proces rezonansowego rozładowania kondensatora (C12). Prąd drugiego tranzystora pomocniczego (T12a) w chwili załączenia jest bliski zeru z uwagi na rezonansowy charakter rozładowania kondensatora (C12). Zatem drugi tranzystor pomocniczy (T12a) jest załączany łagodnie. W przedziale t26-t27 prąd rozładowania kondensatora (C12) płynie przez diodę (D12a), drugi tranzystor pomocniczy (T12a), źródło napięcia stałego (UDC1), diodę (D11a), diodę (D11), dławik (L12), drugi tranzystor główny (T12); w tym przedziale czasu prąd dławika (L12) i drugiego tranzystora głównego (T12) jest sumą prądu fazy (A) odbiornika i prądu rozładowania rezonansowego kondensatora (C12). Proces rezonansowego rozładowania kondensatora (C12) kończy się w chwili t27. Od tej chwili prąd fazy (A) odbiornika płynie przez elementy jak w przedziale t25-t26, przy czym kondensator (C12) jest rozładowany. Wyłączenie drugiego tranzystora pomocniczego (T12a) następuje w chwili t28. Ten stan pracy trwa do chwili ponownego wyłączenia drugiego tranzystora głównego (T12). Wyłączenie drugiego tranzystora pomocniczego (T12a) następuje przy prądzie i napięciu równym zeru, zatem wyłączenie tego tranzystora jest łagodne.

Trzeci tranzystor główny (T13) układu połączeń danej fazy, trzeci tranzystor pomocniczy (T13a), czwarty tranzystor główny (T14) oraz czwarty tranzystor pomocniczy (T14a) dla przeciwnego

PL 232 303 B1 kierunku prądu odbiornika są załączane i wyłączane analogicznie jak odpowiednio drugi tranzystor główny (T12), drugi tranzystor pomocniczy (T12a), pierwszy tranzystor główny (T11) oraz pier wszy tranzystor pomocniczy (T11 a).

Spis oznaczeń

A - zacisk fazy A odbiornika,

B - zacisk fazy B odbiornika,

C - zacisk fazy C odbiornika,

C11 - kondensator pierwszy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (C21 i C31 - odpowiednio dla faz B i C),

C12 - kondensator drugi gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (C22 i C32 - odpowiednio dla faz B i C),

C13 - kondensator trzeci gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (C23 i C33 - odpowiednio dla faz B i C),

C14 - kondensator czwarty gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (C24 i C34 - odpowiednio dla faz B i C),

Gtii - sygnał sterujący pracą tranzystora głównego T11,

Griia - sygnał sterujący pracą tranzystora pomocniczego T11a,

Gti2 - sygnał sterujący pracą tranzystora głównego T12,

GTi2a - sygnał sterujący pracą tranzystora pomocniczego T12a, iTii - prąd pierwszego tranzystora głównego T11, iTiia - prąd pierwszego tranzystora pomocniczego T11a, iTi2 - prąd drugiego tranzystora głównego T12, iTi2a - prąd drugiego tranzystora pomocniczego T12a,

L11 - dławik pierwszy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (L21 i L31 - odpowiednio dla faz B i C),

L12 - dławik drugi gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (L22 i L32

- odpowiednio dla faz B i C),

L13 - dławik trzeci gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (L23 i L33

- odpowiednio dla faz B i C,

L14 - dławik czwarty gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (L24 i L34 - odpowiednio dla faz B i C,

L15 - dławik piąty gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (L25 i L35

- odpowiednio dla faz B i C),

L16 - dławik szósty gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (L26 i L36 - odpowiednio dla faz B i C),

N - punkt neutralny źródła zasilania,

T11 - pierwszy tranzystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (T21 i T31 - odpowiednio dla faz B i C),

T11a - pierwszy tranzystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (T21a i T31a - odpowiednio dla faz B i C),

T12 - drugi tranzystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (T21 i T31 - odpowiednio dla faz B i C),

T12a - drugi tranzystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (T22a i T32a - odpowiednio dla faz B i C),

T13 - trzeci tranzystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy

A (T23 i T33 - odpowiednio dla faz B i C),

T13a - trzeci tranzystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (T23a i T33a - odpowiednio dla faz B i C),

T14 - czwarty tranzystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy

A (T24 i T34 - odpowiednio dla faz B i C),

T14a - czwarty tranzystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (T24a i T34a - odpowiednio dla faz B i C),

Udc - napięcie źródła zasilania,

UDC1 - źródło napięcia stałego,

UDC2 - źródło napięcia stałego, utii - napięcie na pierwszym tranzystorze głównym T11,

PL 232 303 B1

UT11a

UT12

UT12a

- napięcie na pierwszym tranzystorze pomocniczym T11a,

- napięcie na drugim tranzystorze głównym T12,

- napięcie na drugim tranzystorze pomocniczym T12a.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Układ łagodnego przełączania tranzystorów trójfazowego trójpoziomowego falownika napięcia, dołączonego do źródła zasilania składającego się z dwóch szeregowo połączonych takich samych źródeł napięcia stałego, przy czym wspólny punkt źródeł napięcia stałego stanowi punkt neutralny (N) źródła zasilania, posiadający trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z czterech tranzystorów głównych z dołączonymi diodami zwrotnymi, w układzie każdej fazy, a każdy tranzystor główny falownika jest wyposażony w dodatkowy układ łagodnego przełączania, składający się z tranzystora pomocniczego, kondensatora, diod i dławików indukcyjnych, znamienny tym, że do dodatniego zacisku źródła zasilania dołączone są początki pierwszych dławików indukcyjnych (L11, L21, L31), a końce tych dławików połączone są z kolektorami pierwszych tranzystorów głównych (T11, T21, T31) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT11, DT21, DT31), natomiast emitery tych tranzystorów połączone są z początkami drugich dławików (L12, L22, L32), których końce połączone są z kolektorami drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT12, DT22, DT32), a emitery drugich tranzystorów głównych połączone są z początkami trzecich dławików (L13, L23, L33), do końca których dołączone są zaciski faz odbiornika trójfazowego (A, B, C), z którymi połączone są początki czwartych dławików (L14, L24, L34), których końce połączone są z kolektorami trzecich tranzystorów głównych (T13, T23, T33) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT13, DT23, DT33), a emitery tych tranzystorów połączone są z początkami piątych dławików (L15, L25, L35), których końce połączone są z kolektorami czwartych tranzystorów głównych (T14, T24, T34) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT14, DT24, DT34), których emitery połączone są z początkami szóstych dławików (116, L26, L36), a ich końce połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania, a z kolektorami pierwszych tranzystorów głównych (T11, T21, T31) połączone są emitery pierwszych tranzystorów pomocniczych (T11a, T21a, T31a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT11a, DT21a, DT31a), a ich kolektory połączone są z początkami pierwszych kondensatorów (C11, C21, C31), których końce połączone są z anodami diod (D11, D21, D31), których katody połączone są z emiterami pierwszych tranzystorów głównych (T11, T21, T31), a końce pierwszych kondensatorów (C11, C21, C31) połączone są również z katodami diod (D11a, D21a, D31a), których anody połączone są z punktem neutralnym (N) źródła zasilania, przy czym do kolektorów drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32) dołączone są także anody diod (D12, D22, D32), których katody połączone są z początkami drugich kondensatorów (C12, C22, C32), których końce połączone są z emiterami drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32), a z katodami tych diod połączone są także anody diod (D12a, D22a, D32a), których katody połączone są z kolektorami drugich tranzystorów pomocniczych (T12a, T22a, T32a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT12a, DT22a, DT32a), a emitery tych tranzystorów połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania, a z kolektorami trzecich tranzystorów głównych (T13, T23, T33) połączone są trzecie kondensatory (C13, C23, C33), do końców których dołączone są anody diod (D13, D23, D33), których katody połączone są z emiterami tych tranzystorów, a z końcami tych kondensatorów połączone są również katody diod (D13a, D23a, D33a), których anod y połączone są z emiterami trzecich tranzystorów pomocniczych (T13a, T23a, T33a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT13a, DT23a, DT33a), a kolektory tych tranzystorów połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania, a z kolektorami czwartych tranzystorów głównych (T14, T24, T34) połączone są anody diod (D14, D24, D34), których katody połączone są z początkami czwartych kondensatorów (C14, C24, C34), a końce tych kondensatorów połączone są z emiterami czwartych tranzystorów pomocniczych (T14a, T24a, T34a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DT14a, DT24a, DT34a), przy czym kolektory tych tranzystorów pomocniczych połączone są z emiterami czwartych tranzystorów głównych (T14, T24, T34), a do początków czwartych kondensatorów (C14, C24, C34) dołączone są również anody diod

   PL 232 303 Β1 (D14a, D24a, D34a), których katody połączone są z punktem neutralnym (N) źródła zasilania, przy czym do kolektorów drugich tranzystorów głównych (T12, T22, T32) dołączone są anody diod (D1p, D2p, D3p), których katody połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania, a do emiterów trzecich tranzystorów głównych (T13, T23, T33) dołączone są katody diod (D1 n, D2n, D3n), których anody połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania.