PL232304B1 - Układ łagodnego przełączania tyrystorów trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ łagodnego przełączania tyrystorów, wyłączanych ujemnym prądem bramki, trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia, posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, przy czym każdy tyrystor główny falownika jest wyposażony w dodatkowy układ łagodnego przełączania. W układzie łagodnego przełączania tyrystorów trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, z których każdy składa się z czterech tyrystorów głównych wyłączanych ujemnym prądem bramki (Th11, Th12, Th13, Th14 - dla fazy A, Th21, Th22, Th23, Th24 - dla fazy B oraz Th31, Th32, Th33, Th34 dla fazy C) z dołączonymi diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, każdy tyrystor główny falownika jest wyposażony w dodatkowy układ łagodnego przełączania składający się z tyrystora pomocniczego (Th11a, Th12a, Th13a, Th14a, - dla fazy A, Th21a, Th22a, Th23a, Th24a - dla fazy B oraz Th31a, Th32a, Th33a, Th34a - dla fazy C), którym jest tyrystor typu SCR (przy czym tyrystory pomocnicze Th11a, Th14a, Th21a, Th24a, Th31a, Th34a mają dołączone diody zwrotne) oraz w jeden kondensator (C11, C12, C13, C14 - dla fazy A, C21, C22, C23, C24 dla fazy B oraz C31, C32, C33, C34 - dla fazy C), przy czym tyrystory główne połączone są między sobą oraz zaciskami źródła zasilania za pośrednictwem dławików indukcyjnych (L11, L12, L13, L14, L15, L16 - w gałęzi fazy A, L21, L22, L23, L24, L25, L26 - w gałęzi fazy B oraz L31, L32, L33, L34, L35, L36 - w gałęzi fazy C).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ łagodnego przełączania tyrystorów wyłączanych ujemnym prądem bramki, trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia. Tyrystorami wyłączanymi ujemnym prądem bramki są tyrystory GTO (Gate Turn-Off Thyristor) i tyrystory IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor).

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

W trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia dużych mocy, pracujących przy napięciach kilku lub kilkunastu kilowoltów, jako tyrystory główne stosowane są tyrystory wyłączane ujemnym prądem bramki lub tyrystory ze zintegrowanym obwodem komutacji bramką. Z uwagi na czasy ich przełączania wynoszące od kilku do kilkunastu mikrosekund falowniki napięcia mogą pracować z modulacją szerokości impulsów, a tyrystory główne są przełączane z częstotliwością pojedynczych kiloherców.

Prezentowane w literaturze i w bazach patentowych układy łagodnego przełączania tyrystorów można podzielić na dwie grupy. Pierwsza z nich obejmuje przypadki, w których falownik zawiera dwa identyczne układy łagodnego przełączania, z których jeden wspomaga przełączanie jednej połowy wszystkich tyrystorów falownika a drugi układ wspomaga przełączanie drugiej połowy wszystkich tyrystorów falownika, przy czym topologia układów, w których następuje wspomaganie przełączania jest taka sama. Wadą tego układu (z uwagi na procesy rezonansowe) jest możliwość łagodnego przełączania tyrystorów tylko w wąskim zakresie zmian częstotliwości napięcia wyjściowego falownika.

Druga grupa obejmuje układy, które wspomagają przełączanie tyrystorów indywidualnie w poszczególnych fazach falownika. Zasadniczymi wadami dotychczas stosowanych układów łagodnego przełączania tyrystorów w trójfazowym, trójpoziomowym falowniku napięcia jest niebezpieczeństwo załączenia tyrystorów głównych przy nierozładowanych kondensatorach równolegle dołączonych do tyrystorów głównych Może to być spowodowane błędnym sterowaniem lub wystąpieniem zakłóceń w układzie sterowania pracą tyrystorów. Załączenie tyrystora przy nierozładowanym kondensatorze równolegle do niego dołączonym powoduje przepływ przez tyrystor udarowego prądu rozładowania kondensatora, co grozi jego uszkodzeniem na skutek przepływu zbyt dużego prądu.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US 5684688 układ łagodnego przełączania tyrystorów trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia, w którym stosowane są dodatkowe układy łagodnego przełączania tyrystorów, włączone w strukturę typowego trójfazowego, trójpoziomowego, falownika napięcia. W rozwiązaniu przedstawionym w przywołanym opisie patentowym równoległe połączenie kondensatorów z dwoma tyrystorami głównymi w każdej z faz niesie ryzyko udarowego rozładowania kondensatorów przez tyrystory główne. 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 tyrystorów.

W literaturze i bazach patentowych występują również propozycje układów łagodnego, indywidualnego na każdą fazę przełączania w trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia zbudowanych z wykorzystaniem tranzystorów bipolarnych z izolowaną bramką, które podobnie jak tyrystory GTO i tyrystory IGCT są elementami w pełni sterowalnymi. Bezpośrednie zastąpienie tranzystorów tyrystorami wyłączanymi ujemnym prądem bramki w trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia z układami łagodnego przełączania spowoduje przeniesienie opisanych dalej mankamentów układów łagodnego przełączania występujących w falownikach tranzystorowych do tyrystorowych, trójfazowych, trójpoziomowych falowników napięcia. Zasadniczą niedogodnością układów łagodnego przełączania tranzystorów w trójfazowym, trójpoziomowym falowniku napięcia jest niebezpieczeństwo załączenia tranzystorów przy nierozładowanych kondensatorach równolegle do nich dołączonych lub niebezpieczeństwo wyłączenia tranzystorów przy różnym od zera prądzie uzwojenia transformatora lub dławika indukcyjnego 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 przy

PL 232 304 B1 niezerowym prądzie uzwojenia transformatora lub dławika indukcyjnego szeregowo połączonego z tranzystorem prowadzi do powstania przepięcia, które może spowodować uszkodzenie tranzystora na skutek wystąpienia zbyt wysokiego napięcia. Wskazane powyżej niedogodności wystąpią, w falowniku tyrystorowym, po zaimplementowaniu do nich rozwiązań stosowanych w falownikach tranzystorowych.

Znany jest ze zgłoszenia patentowego P. 415597 sposób i układ łagodnego przełączania tranzystorów w trójfazowym, dwupoziomowym falowniku napięcia z zastosowaniem tyrystorów typu SCR, jako tyrystorów pomocniczych. W przytoczonym zgłoszeniu patentowym P. 415597 do kolektora, każdego tranzystora głównego dołączona jest katoda tyrystora pomocniczego (z dołączoną diodą zwrotną), a anoda tego tyrystora połączona 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. Taki układ połączeń jest możliwy do przeniesienia do trójfazowego, trójpoziomowego, tyrystorowego falownika napięcia, jednakże dla poprawnej pracy układu łagodnego przełączania maksymalne napięcie na kondensatorze i tyrystorze głównym oraz tyrystorze pomocniczym będzie musiało być większe od podwójnej wartości napięcia źródła zasilania, co powoduje konieczność doboru elementów dostosowanych do dwukrotnie wyższego napięcia pracy, co jest niedogodnością przy projektowaniu konstrukcji trójfazowych, trójpoziomowych, tyrystorowych falowników napięcia pracujących przy napięciach kilku kilowoltów i wyższych.

Celem wynalazku jest opracowanie układu łagodnego przełączania każdego tyrystora głównego, każdej z trzech gałęzi trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia, gwarantującego takie ukształtowanie przebiegu napięcia i prądu tyrystorów głównych falownika, aby całka z iloczynu tych wielkości za czas przełączania tyrystorów była jak najmniejsza, co ogranicza straty mocy przełączania w tyrystorach głównych a także zapewnia zachowanie tego warunku w odniesieniu do dodatkowych, nie w pełni sterowanych tyrystorów typu SCR (Silicon Controlled Rectiefier), zwanych dalej tyrystorami pomocniczymi. Dodatkowym celem jest uproszczenie sposobu sterowania tyrystorów głównych i tyrystorów pomocniczych trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia w odniesieniu do sposobu sterowania tyrystorów przedstawionego w opisie patentowym US 5684688.

Cele te zostały osiągnięte poprzez zastosowanie dodatkowych układów łagodnego przełączania tyrystorów głównych włączonych w strukturę typowego tyrystorowego, trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia, przy czym na każdy z tyrystorów głównych falownika napięcia przypada jeden układ łagodnego przełączania, wyposażony w jeden tyrystor pomocniczy, jeden kondensator, diody oraz dławiki indukcyjne, przy czym sposób sterowania tyrystorów pomocniczych został zaadaptowany ze zgłoszenia patentowego P. 415597.

Istota wynalazku polega na opracowaniu topologii układu łagodnego przełączania tyrystorów głównych trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z czterech tyrystorów głównych z dołączonymi odwrotnie równolegle diodami zwanymi dalej diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, przy czym każdy tyrystor główny falownika jest wyposażony w dodatkowy układ łagodnego przełączania, składający się z tyrystora pomocniczego, kondensatora, dławików indukcyjnych i diod, przy czym układy łagodnego przełączania dwóch z czterech tyrystorów głównych każdej fazy falownika mają inną topologię względem topologii układów łagodnego przełączania pozostałych dwóch tyrystorów głównych każdej fazy. Tyrystory pomocnicze są załączane z zadanym opóźnieniem względem chwil załączania tyrystorów głównych, zależnym od czasu narastania prądu tyrystorów głównych do maksymalnej, zadanej wartości prądu odbiornika, jak to jest przedstawione w zgłoszeniu patentowym P. 415597 i wyłączają się samoczynnie po zakończeniu procesów rozładowania rezonansowego kondensatorów.

Przedstawiony w wynalazku układ łagodnego przełączania tyrystorów głównych trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia dołączonego do źródła zasilania składającego się z dwóch szeregowo połączonych 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 anodą pierwszego tyrystora głównego, z dołączoną diodą zwrotną, natomiast katoda tego tyrystora połączona jest z początkiem drugiego dławika, którego koniec połączony jest z anodą drugiego tyrystora głównego z dołączoną diodą zwrotną, a katoda drugiego tyrystora głównego połączona 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 anodą trzeciego tyrystora głównego

PL 232 304 B1 z dołączoną diodą zwrotną, a katoda tego tyrystora połączona jest z początkiem piątego dławika, którego koniec połączony jest z anodą czwartego tyrystora głównego z dołączoną diodą zwrotną, a katoda tego tyrystora połączona jest z początkiem szóstego dławika, którego koniec połączony jest z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z anodą pierwszego tyrystora głównego połączona jest katoda pierwszego tyrystora pomocniczego z dołączoną diodą zwrotną, a jego anoda połączona jest z początkiem pierwszego kondensatora, którego koniec połączony jest z anodą diody, której katoda połączona jest z katodą pierwszego tyrystora głównego. Koniec pierwszego kondensatora połączony jest również z katodą diody, której anoda połączona jest z punktem neutralnym źródła zasilania. Do anody drugiego tyrystora głównego dołączona jest także anoda diody, której katoda połączona jest z początkiem drugiego kondensatora, którego koniec połączony jest z katodą drugiego tyrystora głównego. Z katodą tej diody połączona jest także anoda drugiego tyrystora pomocniczego, a katoda tego tyrystora połączona jest z dodatnim zaciskiem źródła zasilania. Z anodą trzeciego tyrystora głównego połączony jest początek trzeciego kondensatora, do końca którego dołączona jest anoda diody, której katoda połączona jest z katodą tego tyrystora. Z końcem tego kondensatora połączona jest również katoda trzeciego tyrystora pomocniczego, a anoda tego tyrystora połączona jest z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z anodą czwartego tyrystora głównego połączona jest anoda diody, której katoda połączona jest z początkiem czwartego kondensatora, a koniec tego kondensatora połączony jest z katodą czwartego tyrystora pomocniczego z dołączoną diodą zwrotną, a anoda tego tyrystora połączona jest z katodą czwartego tyrystora głównego. Do początku czwartego kondensatora dołączona jest również anoda diody, której katoda połączona jest z punktem neutralnym źródła zasilania. Do anody drugiego tyrystora głównego dołączona jest anoda diody, której katoda połączona jest z dodatnim zaciskiem źródła zasilania, a do katody trzeciego tyrystora głównego dołączona jest katoda diody, której anoda połączona jest z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Zaznacza się, że tyrystory pomocnicze wyłączą się samoczynnie, gdy ich prąd zmniejszy się poniżej wartości prądu podtrzymania.

Zaletą układu łagodnego przełączania tyrystorów w trójfazowych, trójpoziomowych falownikach napięcia według wynalazku jest duża odporność na uszkodzenia, które mogą występować w dotychczas stosowanych układach łagodnego przełączania na skutek zakłóceń w sterowaniu tyrystorów. W proponowanym układzie nie może wystąpić udarowe rozładowanie kondensatora przez załączony tyrystor główny, co groziłoby jego uszkodzeniem na skutek przepływu zbyt dużego prądu, ponieważ żaden z kondensatorów nie jest równolegle dołączony do któregokolwiek z tyrystorów. Również nie istnieje zagrożenie nagłego przerwania prądu w dławikach, co spowodowałoby uszkodzenie tyrystora na skutek pojawienia się na nim przepięcia, ponieważ w proponowanym układzie nie występują szeregowe połączenia dławików z tyrystorami. Dodatkową zaletą jest proste sterowanie, gdyż tyrystory główne sterowane są nadrzędnie, niezależnie od sterowania tyrystorów pomocniczych. W przypadku braku koordynacji chwil załączenia tyrystorów pomocniczych względem chwil załączenia tyrystorów głównych wystąpi „twarde przełączanie” tyrystorów, nie zaś awaria urządzenia. Układ łagodnego przełączania tyrystorów według wynalazku może współpracować z dowolnym sposobem sterowania pracą trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia. Rozwiązanie według wynalazku, poza wspomaganiem przełączania tyrystorów, pełni także funkcję zabezpieczenia przeciwprzepięciowego tyrystorów. Praca układu łagodnego przełączania według wynalazku jest praktycznie bezstratna z uwagi na brak rezystorów, dlatego proponowane rozwiązanie znajdzie zastosowanie przede wszystkim przy produkcji falowników dużej mocy.

Wynalazek jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ trójfazowego, trójpoziomowego, tyrystorowego falownika napięcia z układami łagodnego przełączania wszystkich tyrystorów głównych, a Fig. 2 oraz Fig. 3 przedstawiają przebiegi czasowe w układzie połączeń łagodnego przełączania jednej fazy trójfazowego, trójpoziomowego falownika napięcia.

Układ łagodnego przełączania tyrystorów 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 anodami pierwszych tyrystorów głównych (Th11, Th21, Th31), z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh11, DTh21, DTh31), natomiast katody tych tyrystorów połączone są z początkami drugich dławików (L12, L22, L32), których końce połączone są z anodami drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh12, DTh22, DTh32), a katody drugich tyrystorów głównych połączone są z początkami trzecich dławików (L13, L23, L33), do końca których dołączone są zaciski faz odbiornika

PL 232 304 B1 trójfazowego (A, B, C) z którymi połączone są początki czwartych dławików (L14, L24, L34), których końce połączone są z anodami trzecich tyrystorów głównych (Th13, Th23, Th33) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh13, DTh23, DTh33), a katody tych tyrystorów połączone są z początkami piątych dławików (L15, L25, L35), których końce połączone są z anodami czwartych tyrystorów głównych (Th14, Th24, Th34) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh14, DTh24, DTh34), których końce połączone są z początkami szóstych dławików (L16, L26, L36), a końce tych dławików połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z anodami pierwszych tyrystorów głównych (Th11, Th21, Th31) połączone są katody pierwszych tyrystorów pomocniczych (Th11a, Th21a, Th31a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh11a, DTh21a, DTh31a), a ich anody połączone są z początkami pierwszych kondensatorów (C11, C21, C31), których końce połączone są z anodami diod (D11, D21, D31), których katody połączone są z katodami pierwszych tyrystorów głównych (Th11, Th21, Th31). 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 anod drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32) dołączone są także anody diod (D12, D22, D32), których katody połączone są z początkami drugich kondensatorów (C12, C22, C32), których końce połączone są z katodami drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32). Z katodami tych diod połączone są także anody drugich tyrystorów pomocniczych (Th12a, Th22a, Th32a) a katody tych tyrystorów połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania. Z anodami trzecich tyrystorów głównych (Th13, Th23, Th33) połączone są początki trzecich kondensatorów (C13, C23, C33), do końców których dołączone są anody diod (D13, D23, D33), których końce połączone są z katodami tych tyrystorów. Z końcami tych kondensatorów połączone są również katody trzecich tyrystorów pomocniczych (Th13a, Th23a, Th33a), a anody tych tyrystorów połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania. Z anodami czwartych tyrystorów głównych (Th14, Th24, Th34) 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 katodami czwartych tyrystorów pomocniczych (Th14a, Th24a, Th34a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh14a, DTh24a, DTh34a), a anody tych tyrystorów połączone z katodami czwartych tyrystorów głównych. 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 anod drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32) dołączone są anody diod (D1p, D2p, D3p), których katody połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania, a do katod trzecich tyrystorów głównych (Th13, Th23, Th33) 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 tyrystora głównego oraz pierwszego tyrystora pomocniczego, napięcia i prądu pierwszego tyrystora głównego oraz pierwszego tyrystora pomocniczego układu połączeń jednej z faz falownika. Przebiegi oznaczone jako Grhii, Grhiia przedstawiają sygnały sterujące pracą tyrystorów odpowiednio (Th11) i (Th11a) (sygnał dodatni oznacza impuls załączający tyrystor, sygnał ujemny oznacza impuls wyłączający tyrystor), urhii, urhiia przedstawiają napięcia na tyrystorach (Th11) i (Th11a), irhii, irhiia przedstawiają prądy tyrystorów (Th11) oraz (Th11a). Fig. 3 przedstawia przykładowe przebiegi sygnałów sterujących pracą drugiego tyrystora głównego oraz drugiego tyrystora pomocniczego, napięcia i prądu drugiego tyrystora głównego oraz drugiego tyrystora pomocniczego układu połączeń jednej z faz falownika. Przebiegi oznaczone jako Grhi2, Grhi2a przedstawiają sygnały sterujące pracą tyrystorów odpowiednio (Th12) i (Th12a) (sygnał dodatni oznacza impuls załączający tyrystor, sygnał ujemny oznacza impuls wyłączający tyrystor), urhi2, urhi2a przedstawiają napięcia na tyrystorach (Th12) i (Th12a), irhi2, irhi2a przedstawiają prądy tyrystorów (Th12) oraz (Th12a).

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. Tyrystor główny (Th13) jest załączany po wyłączeniu tyrystora głównego (Th11) a wyłączany jest przed załączeniem tyrystora głównego (Th11), a tyrystor główny (Th12) jest załączany po wyłączeniu tyrystora głównego (Th14) a wyłączany jest przed załączeniem tyrystora głównego (Th14).

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

Pierwszy tyrystor główny (Th11) jest załączany i wyłączany oraz pierwszy tyrystor pomocniczy (Th11a) jest załączany według następującego algorytmu, przy czym jako stan początkowy opisu działania przyjęto stan, w którym pierwszy tyrystor główny (Th11) i drugi tyrystor główny (Th12) są załączone,

PL 232 304 B1 wszystkie pozostałe tyrystory danej fazy są wyłączone, a prąd płynie od dodatniego zacisku źródła zasilania przez (L11), (Th 11), (L12), (Th12), (113), 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 Udc.

W chwili t11 następuje wyłączenie pierwszego tyrystora głównego (Th11), którego prąd maleje skokowo do zera. Należy podkreślić, że z chwilą wyłączenia pierwszego tyrystora głównego (Th11) następuje załączenie trzeciego tyrystora głównego (Th13), jednak jego załączenie nie wpływa na przebieg procesów przejściowych związanych z wyłączeniem pierwszego tyrystora głównego (Th11). 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 tyrystorze głównym (Th11). Kondensator (C11) ładuje się do napięcia równego co najmniej Udc a prąd tego kondensatora płynie od dodatniego zacisku źródła napięcia stałego (UDC1) przez (L11), (DTh11a), (C11), (D11), (L12), (Th12), (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 tyrystorze głównym (Th11) podczas wyłączenia jest bliskie zeru z uwagi na ładowanie kondensatora (C11), to pierwszy tyrystor główny (Th11) 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), (DTh11a). Jednocześnie zaczyna przewodzić dioda (D11a), której prąd rośnie. Prąd płynący przez (L12), (Th12), (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 napięcia stałego (UDC1) przez (L11), (DTh11a), a napięcie kondensatora (C11) osiąga wartość maksymalną, równą co najmniej Udc. Prąd fazy (A) odbiornika zamyka się w obwodzie złożonym z elementów: (UDC2), (D11 a), (D11), (L12), (Th12), (L13). Napięcie na pierwszym tyrystorze głównym (Th11) ustala się na poziomie równym Udc/2. W chwili t13 kończą się procesy przejściowe związane z wyłączeniem pierwszego tyrystora głównego (Th11). W chwili t14 następuje załączenie pierwszego tyrystora głównego (Th11). Jednocześnie następuje wyłączenie trzeciego tyrystora głównego (Th13), przy czym jego wyłączenie nie ma wpływu na przebieg procesów związanych z załączeniem pierwszego tyrystora głównego (Th11). Stały w danym cyklu pracy prąd fazy (A) odbiornika płynie przez (L12), (Th12), (L13), przy czym prąd ten jest sumą malejącego prądu płynącego przez (D11a), (D11) oraz narastającego prądu płynącego od dodatniego zacisku źródła napięcia stałego (UDC1) przez (L11) i (Th11) (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 tyrystora głównego (Th11). Ponieważ załączanie pierwszego tyrystora głównego (Th11) następuje przy prądzie bliskim zeru ze względu na charakter narastania prądu w dławiku (L11), to pierwszy tyrystor główny (Th11) 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 tyrystora głównego (Th11)), przy czym kondensator (C11) jest naładowany do napięcia równego co najmniej Udc. W chwili t16 zostaje załączony pierwszy tyrystor pomocniczy (Th11a). Kondensator (C11) rozładowuje się rezonansowo przez źródło napięcia stałego (UDC1), diodę (D11a), częściowo przez dławik (L11) zmniejszając jego prąd płynący od dodatniego zacisku źródła napięcia stałego (UDC1), a częściowo rozładowuje się przez pierwszy tyrystor główny (Th11), dławik (L12) i diodę (D1p). Prąd pierwszego tyrystora głównego (Th11) i dławika (L12) jest sumą prądu fazy (A) odbiornika oraz części prądu rezonansowego rozładowania kondensatora (C11), przy czym przez drugi tyrystor główny (Th12) i dławik (L13) płynie prąd fazy (A) odbiornika (przedział t16-t17). Ponieważ prąd kondensatora (C11) a tym samym prąd pierwszego tyrystora pomocniczego (Th11a) narasta od zera, to pierwszy tyrystor pomocniczy (Th11 a) jest załączany łagodnie. W chwili t17 napięcie na kondensatorze (C11) osiąga wartość równą zeru, co powoduje, że prąd kondensatora (C11) i pierwszego tyrystora pomocniczego (Th11a) maleją skokowo do zera, natomiast zaczyna przewodzić dioda (D11) a jej prąd narasta skokowo, co powoduje, że napięcie na pierwszym tyrystorze pomocniczym (Th11a) jest równe zeru z uwagi na przewodzenie pierwszego tyrystora głównego (Th11). Z chwilą rozpoczęcia przewodzenia prądu przez diodę (D11) pierwszy tyrystor pomocniczy (Th11a) wyłącza się samoczynnie. Prądy diod (D11 a), (D11), (D1p) maleją liniowo do zera, a prądy elementów (L11), (Th11), (L12) rosną liniowo do wartości prądu fazy (A) odbiornika pod wpływem źródła napięcia stałego (UDC1). Zakończenie tych procesów następuje

PL 232 304 B1 w chwili t18. Stan pracy układu od chwili t18 układu trwa do chwili ponownego wyłączenia pierwszego tyrystora głównego (Th11). Wyłączenie pierwszego tyrystora pomocniczego (Th11a) następuje przy napięciu bliskim zeru, co oznacza, że wyłączenie tego tyrystora jest łagodne.

Drugi tyrystor główny (Th12) jest załączany i wyłączany oraz drugi tyrystor pomocniczy (Th12a) jest załączany według następującego algorytmu, przy czym jako stan początkowy opisu działania przyjęto stan, w którym pierwszy tyrystor główny (Th11) jest wyłączony, trzeci tyrystor główny (Th13) jest załączony, drugi tyrystor główny (Th12) jest załączony, czwarty tyrystor główny (Th14) jest wyłączony, a prąd płynie w obwodzie złożonym z elementów: (UDC2), (D11a), (D11), (L12), (Th12), (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 tyrystora głównego (Th12), którego prąd maleje skokowo do zera. Jednocześnie następuje załączenie czwartego tyrystora głównego (Th14), jednakże z uwagi na założony kierunek prądu fazy (A) odbiornika prąd czwartego tyrystora głównego (Th14) jest równy zeru. Kondensator (C12) jest ładowany stałym prądem odbiornika a prąd tego kondensatora płynie przez (D11a), (D11), (L12), (D12), (C12), (L13), fazę (A) odbiornika i zamyka się przez źródło napięcia stałego (UDC2) i pozostałe fazy odbiornika oraz elementy pozostałych faz falownika. Skutkuje to liniowym narastaniem napięcia na kondensatorze (C12) a tym samym na drugim tyrystorze głównym (Th12). Ponieważ napięcie na drugim tyrystorze głównym (Th12) podczas wyłączenia jest bliskie zeru z uwagi na ładowanie kondensatora (C12), to drugi tyrystor główny (Th12) 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 elementów (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 (DTh13) trzeciego tyrystora głównego (Th13) 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 (DTh13) trzeciego tyrystora głównego (Th13), 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 tyrystora głównego (Th12).

W chwili t24 następuje załączenie drugiego tyrystora głównego (Th12). Prąd płynący przez dławik (L14), diodę zwrotną (DTh13) trzeciego tyrystora głównego (Th13) i diodę (D1n) maleje liniowo do zera, natomiast liniowo narasta prąd płynący przez źródło napięcia stałego (UDC2), diodę (D11a), diodę (D11), dławik (L12), drugi tyrystor główny (Th12) i dławik (L13). Ponieważ prąd drugiego tyrystora głównego (Th12) jest bliski zeru w chwili załączenia, to drugi tyrystor główny (Th12) jest załączany łagodnie. W przedziale t24-t25 prąd płynący przez dławik (114) maleje do zera. Do chwili t26, w której następuje załączenie drugiego tyrystora pomocniczego (Th12a) prąd płynie przez diodę (D11a), diodę (D11), dławik (L12), drugi tyrystor główny (Th12), 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 tyrystora pomocniczego (Th12a) i rozpoczyna się proces rezonansowego rozładowania kondensatora (C12). Prąd drugiego tyrystora pomocniczego (Th12a) w chwili załączenia jest bliski zeru z uwagi na rezonansowy charakter rozładowania kondensatora (C12). Zatem drugi tyrystor pomocniczy (Th12a) jest załączany łagodnie. W przedziale t26-t27 prąd rozładowania kondensatora płynie przez drugi tyrystor pomocniczy (Th12a), źródło napięcia stałego (UDC1), diodę (D11a), diodę (D11), dławik (L12), drugi tyrystor główny (Th12); w tym przedziale czasu prąd dławika (L12) i drugiego tyrystora głównego (Th12) jest sumą prądu fazy (A) odbiornika i prądu rozładowania rezonansowego kondensatora (C12). Proces rezonansowego rozładowania kondensatora (C12) kończy się w chwili t27. W chwili tej wyłącza się także tyrystor pomocniczy (Th12a). Od tej chwili prąd fazy (A) odbiornika płynie przez elementy jak w przedziale t25-t26, przy czym kondensator (C12) jest rozładowany i ten stan pracy trwa do chwili ponownego wyłączenia drugiego tyrystora głównego (Th12). Samoczynne wyłączenie drugiego tyrystora pomocniczego (Th12a) następuje przy prądzie i napięciu bliskim zeru, co oznacza, że wyłączenie tego tyrystora jest łagodne.

Dla przeciwnego kierunku prądu fazy (A) odbiornika trzeci tyrystor główny (Th13) jest załączany i wyłączany jak drugi tyrystor główny (Th12), czwarty tyrystor główny (Th14) jest załączany i wyłączany jak pierwszy tyrystor główny (Th11), trzeci tyrystor pomocniczy (Th13a) jest załączany analogicznie jak

PL 232 304 B1 drugi tyrystor pomocniczy (Th12a) a czwarty tyrystor pomocniczy (Th14a) jest załączany jak pierwszy tyrystor pomocniczy (Th11 a).

	Spis oznaczeń
A B C C11	- zacisk fazy A odbiornika, - zacisk fazy B odbiornika, - zacisk fazy C odbiornika, - kondensator pierwszy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A
C12	(C21 i C31 - odpowiednio dla faz B i C), - 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
Grhii Grh11a Grhi2 GTh12a iTh11 iThlla iTh12 iTh12a L11	(C24 i C34 - odpowiednio dla faz B i C), - sygnał sterujący pracą tyrystora głównego Th11, - sygnał sterujący pracą tyrystora pomocniczego Th11a, - sygnał sterujący pracą tyrystora głównego Th12, - sygnał sterujący pracą tyrystora pomocniczego Th12a, - prąd pierwszego tyrystora głównego Th11, - prąd pierwszego tyrystora pomocniczego Th11a, - prąd drugiego tyrystora głównego Th12, - prąd drugiego tyrystora pomocniczego Th12a, - 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
L13	- odpowiednio dla faz B i C), - 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
L16	- odpowiednio dla faz B i C), - dławik szósty gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (L26 i L36 - odpowiednio dla faz B i C),
N Th11	- punkt neutralny źródła zasilania, - pierwszy tyrystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th21 i Th31 - odpowiednio dla faz B i C),
Th11a	- pierwszy tyrystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th21 a i Th31a - odpowiednio dla faz B i C),
Th12	- drugi tyrystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th22 i Th32 - odpowiednio dla faz B i C),
Th12a	- drugi tyrystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th22a i Th32a - odpowiednio dla faz B i C),
Th13	- trzeci tyrystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th23 i Th33 - odpowiednio dla faz B i C),
Th13a	- trzeci tyrystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th23a i Th33a - odpowiednio dla faz B i C),
Th14	- czwarty tyrystor główny gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th24 i Th34 - odpowiednio dla faz B i C),
Th14a	- czwarty tyrystor pomocniczy gałęzi trójpoziomowego falownika napięcia dla fazy A (Th24a i Th34a - odpowiednio dla faz B i C),
Udc UDC1 UDC2 UTh11	- napięcie źródła zasilania, - źródło napięcia stałego, - źródło napięcia stałego, - napięcie na pierwszym tyrystorze głównym Th11,

PL 232 304 B1 umia - napięcie na pierwszym tyrystorze pomocniczym Th11a, UThi2 - napięcie na drugim tyrystorze głównym Th12,

UThi2a - napięcie na drugim tyrystorze pomocniczym Th12a.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Układ łagodnego przełączania tyrystorów trójfazowego trójpoziomowego falownika napięcia dołączonego do źródła zasilania składającego się z dwóch szeregowo połączonych źródeł napięcia stałego, przy czym wspólny punkt źródeł napięcia stałego stanowi punkt neutralny źródła zasilania (N), posiadającego trzy układy połączeń, identyczne dla każdej fazy, składające się z czterech tyrystorów głównych, którymi są tyrystory wyłączane ujemnym prądem bramki z dołączonymi diodami zwrotnymi w układzie każdej fazy, przy czym każdy tyrystor główny falownika jest wyposażony w dodatkowy układ łagodnego przełączania, składający się z tyrystora pomocniczego, kondensatora, dławików oraz diod, znamienny tym, że do dodatniego zacisku źródła zasilania dołączone są początki pierwszych dławików indukcyjnych (L11, L21, L31), a końce tych dławików połączone są z anodami pierwszych tyrystorów głównych (Th11, Th21, Th31), z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh11, DTh21, DTh31), natomiast katody tych tyrystorów połączone są z początkami drugich dławików (L12, L22, L32), których końce połączone są z anodami drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh12, DTh22, DTh32), a katody drugich tyrystorów 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 anodami trzecich tyrystorów głównych (Th 13, Th23, Th33) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh13, DTh23, DTh33), a katody tych tyrystorów połączone są z początkami piątych dławików (L15, L25, L35), których końce połączone są z anodami czwartych tyrystorów głównych (Th14, Th24, Th34) z dołączonymi dioda mi zwrotnymi (DTh14, DTh24, DTh34), których końce połączone są z początkami szóstych dławików (L16, L26, L36), a końce tych dławików połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania, a z anodami pierwszych tyrystorów głównych (Th11, Th21, Th31) połączone są katody pierwszych tyrystorów pomocniczych (Th11a, Th21a, Th31a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh11a, DTh21a, DTh31a), a anody tych tyrystorów połączone są z początkami pierwszych kondensatorów (C11, C21, C31), których końce połączone są z anodami diod (D11, D21, D31), których katody połączone są z katodami pierwszych tyrystorów głównych (Th11, Th21, Th31), 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 anod drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32) dołączone są także anody diod (D12, D22, D32), których katody połączone są z początkami drugich kondensatorów (C12, C22, C32), których końce połączone są z katodami drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32), a z katodami tych diod (D12, D22, D32) połączone są także anody drugich tyrystorów pomocniczych (Th12a, Th22a, Th32a), a katody tych tyrystorów połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania, a z anodami trzecich tyrystorów głównych (Th13, Th23, Th33) połączone są początki trzecich kondensatorów (C13, C23, C33), do końców których dołączone są anody diod (D13, D23, D33), których katody połączone są z katodami tych tyrystorów, a z końcami tych kondensatorów połączone są również katody trzecich tyrystorów pomocniczych (Th13a, Th23a, Th33a), a anody tych tyrystorów połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania, a z anodami czwartych tyrystorów głównych (Th14, Th24, Th34) 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 katodami czwartych tyrystorów pomocniczych (Th14a, Th24a, Th34a) z dołączonymi diodami zwrotnymi (DTh14a, DTh24a, DTh34a), przy czym anody tych tyrystorów pomocniczych połączone są z katodami czwartych tyrystorów głównych (Th14, Th24, Th34) a 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,

   PL 232 304 Β1 przy czym do anod drugich tyrystorów głównych (Th12, Th22, Th32) dołączone są anody diod (D1 p, D2p, D3p), których katody połączone są z dodatnim zaciskiem źródła zasilania, a do katod trzecich tyrystorów głównych (Th13, Th23, Th33) dołączone są katody diod (D1n, D2n, D3n), których anody połączone są z ujemnym zaciskiem źródła zasilania.