SE524014C2 - Omriktare samt förfarande för styrning av en omriktare - Google Patents

Description

25 30 35 524 014 s.. ..

Växelströmssidan hos omriktaren skulle även kunna vara anslu- ten till en växelströmsmotor för drivande därav eller till en växel- strömsgenerator.

Vidare påpekas att förfarandet är inriktat på styrning av en nämnd omriktare som uppvisar åtminstone nämnda sex enheter, vilket innebär att åtminstone tre olika nivåer kan erhållas på spänningen på nämnda utgång, men det är fullt möjligt att om- riktaren uppvisar fler sådana enheter, så att fler än fyra huvud- tillstånd och även fler än tre nivåer på spänningen på utgången kan uppnås. Därvid kan flera omriktare av detta slag bilda del av en omriktare för flera faser, såsom för trefas, men den kan även vara anordnad att ensam bilda en omriktare för omvandling mel- lan likspänning och en enfasväxelspänning.

Vidare är uppfinningen inte begränsad till några speciella spän- ningsnivåer på nämnda första likspänningssida eller storlek på effekt som skall hanteras. De förra ligger med fördel inom inter- vallet 1 kV-500 kV.

En fördel med att vid omriktning av växelspänning till likspänning och vice versa använda en omriktare med åtminstone tre nivåer istället för en tvånivåbrygga är att betydligt lägre frekvenser för» switchande av enheternas halvledarelement enligt pulsbredds- moduleringsmönstret kan användas för uppnående av en kurv- form hos växelspänningssidan av en given kvalitet. Därigenom kan switchförlusterna minskas avsevärt, så att det även blir möj- ligt att överföra högre effekter genom en sådan trenivåomriktare än genom en tvånivåbrygga, då högre ledförluster kan tillåtas.

Samtidigt reduceras genom pulsbreddsmoduleringsförfarandet genererade övertoner.

Ett förfarande av inledningsvis definierat slag är tidigare känt ge- nom sökandens egna svenska patent 517 427. Detta svenska patent beskriver ett förfarande som utgör en förbättring av tidi- gare kända sådana förfaranden för styrning av en omriktare med nämnda sex enheter genom att föreslå hur switchförlusterna skall 10 15 20 25 30 35 52.4 014 fördelas jämnare än tidigare mellan de olika enheterna. Genom att hos en utföringsform av förfarandet enligt det svenska paten- tet 517 427 utnyttja endast fyra olika tillstånd hos enheternas halvledarelement blir själva förfarandet för styrning av halvledar- elementen mycket enkelt. Det påpekas att det i praktiken natur- ligtvis förekommer ett femte möjligt tillstànd hos denna utfö- ringsform, nämligen när omriktaren är ur drift och då alla halvle- darelementen är släckta. Genom att halvledarelementen hos den första och sjätte enheten styrs att i respektive huvudtillstånd in- taga samma läge, tänt eller släckt, samt halvledarelementen i den fjärde och femte enheten styrs att i respektive huvudtillstånd intaga samma läge, tänt eller släckt, blir det möjligt att använda sig av samma styrsignal för halvledarelementen i den första och sjätte enheten respektive i den fjärde och femte enheten. Även om det är fördelaktigt att så att säga förregla halvledarele- menten i fyra av enheterna parvis på detta sätt har föreliggande uppfinnare kommit till insikten att det stundom kan innebära pro- blem att ge halvledarelementen hos ett sådant par av enheter styrsignaler för tändande eller släckande av dem samtidigt. Detta beror på att halvledarelementen kommer att reagera skiljaktigt på en sådan styrsignal i beroende av om halvledarelementet är strömförande vid omkopplingen eller ej, det vill säga om det rör sig om en passiv spänningsomkoppling eller en verklig ström- kommutering. En passiv spänningsomkoppling kan gå betydligt snabbare än en verklig strömkommutering, så att i det ena fallet tänds eller släcks halvledarelementet avsevärt snabbare än i det andra fallet. Detta kan innebära, villkorat med strömriktning vid kommutering, att kortvariga höga spänningstoppar skulle kunna uppnås över någon nämnd enhet, vilket skulle kunna förstöra halvledarelementet ifråga. Alternativt måste halvledarelementen, eller åtminstone sådana i vissa enheter, utformas att i de flesta fall vara överdimensionerade vad gäller spänningstålighet för att klara sådana spänningstoppar, och därvid blir de onödigt dyra. 10 15 20 25 30 35 524 014 n | - . . ø . - Q ..

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förfa- rande samt en omriktare av inledningsvis definierat slag, vilka gör det möjligt att råda bot på ovannämnda olägenhet och däri- genom göra det möjligt att tillförsäkra att inte något halvledar- element förstörs vid omkopplingarna på grund av spänningstop- par utan krav på nämnd överdimensionering av halvledarele- menten för den skull.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom tillhandahållande av ett förfarande av inledningsvis definierat slag, hos vilket vid ett växlande mellan huvudtillstånd genom en så kallad liten kommuteringsloop utförs, det vill säga ett växlande mellan ett anslutande av pluspolen till utgången och nolltillståndet enligt det tredje huvudtillståndet eller ett växlande mellan ett anslutande av minuspolen till utgången och nolltillståndet enligt det fjärde hu- vudtillståndet, åtminstone när strömriktningen skulle innebära en spänningstopp på väsentligen hela spänningen mellan nämnda pluspol och minuspol över den av den andra eller den tredje en- heten som ej tillhör kommuteringsloopen i det fall halvledarele- menten som skall vara tända i det kommande huvudtillståndet och tillhör ett nämnt par av enheter skulle tändas samtidigt, en extra sekvens i form av en fördröjd tåndning av halvledarele- mentet hos den ena enheten hos sistnämnda par relativt halvle- darelementet hos detta pars andra enhet.

Uppfinnarna har således insett att nämnda problem med spän- ningstoppar uppnås vid ett växlande mellan huvudtillstånd genom en så kallad liten kommuteringsloop, och att detta problem kan lösas genom att införa en fördröjning av tändningen av halvle- darelementet hos den ena enheten hos ett nämnt enhetspar rela- tivt halvledarelementet hos detta pars andra enhet vid sådan kommutering. Genom en sådan fördröjning kommer det att kunna tillses att aldrig väsentligt mer än halva spänningen mellan nämnda pluspol och minuspol kommer att appliceras över den andra eller tredje enheten. Dessa enheters halvledarelement be- 10 15 20 25 30 35 5-24 014 .fia u» höver således inte överdimensioneras vad gäller spänningstålig- het relativt halvledarelementen hos andra enheter hos omrikta- ren.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen utförs nämnda extra sekvens alltid vid växling av huvudtillstånd enligt en nämnd liten kommuteringsloop oberoende av strömriktningen vid utgången. Det har befunnits att problemet med nämnda spän- ningstoppar är beroende av strömriktningen vid en nämnd kom- mutering, men genom att göra utförandet av extrasekvensen obe- roende av strömriktningen kan det uppfinningsenliga förfarandet förenklas betydligt och dess tillförlitlighet höjas.

Det har därvid befunnits att det är fördelaktigt att tända halvle- darelementet i den yttre enheten, det vill säga den första eller fjärde enheten, hos respektive par av enheter med fördröjning relativt den andra enheten, det vill säga den sjätte eller femte, i paret.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen är nämnda fördröjning mindre än en tiondel, företrädesvis mindre än en hundradel av den normala varaktigheten av ett nämnt huvud- tillstånd. Således är det meningen att det mellantillstånd som uppnås genom nämnda fördröjning skall ha en i sammanhanget försvinnande kort varaktighet relativt huvudtillstånden och där- med i praktiken inte påverka resultatet av omriktarens drift på annat sätt än att spänningstoppar över halvledarelementen ifråga undviks.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen styrs enheternas halvledarelement så att mellan två huvudtillstånd all- tid ett så kallat blankingtillstånd uppnås för undvikande av att halvledarelement som inte får vara tända samtidigt skall kortva- rigt åtminstone delvis vara detta och att under detta tillstånd ett sådant halvledarelement hinner släcka innan därefter ett annat sådant tänds. Härigenom kan partiella kortslutningar hos omrikta- ren ifråga undvikas, exempelvis kortslutningar av kondensatorer 10 15 20 25 30 35 524-014 a I-uu- ..o .. använda på omriktarens likspänningssida för definierande av likspänningen.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen styrs halvledareiementen för att minimera varaktigheten hos mellan nämnda huvudtillstànd liggande tillstånd med halvledareiementen i den andra och sjätte enheten samtidigt tända eller i den tredje och femte enheten samtidigt tända för undvikande av parallell- strömmar i omriktaren. Det har nämligen befunnits att till odefini- erade drifttillstånd hos omriktaren rådande parallellströmmar i beroende av strömriktningen vid omriktarens utgång kan uppnås om halvledareiementen i den andra och sjätte enheten eller de i den tredje och femte enheten är tända samtidigt i mellan huvud- tillstånden liggande mellantillstånd. Problemet med sådana pa- rallellströmmar och odefinierade drifttillstånd hos omriktaren lö- ses genom att göra dessa mellantillstånd så korta det överhu- vudtaget går.

Enligt en annan föredragen utföringsform styrs vid växlande mellan huvudtillstànd via en stor kommuteringsloop, det vill säga ett växlande mellan det första huvudtillståndet och det fjärde hu- vudtillståndet eller ett växlande mellan det andra huvudtillståndet och det tredje huvudtillståndet, de till samma enhetspar hörande halvledareiementen med en och samma styrpuls för att båda un- der växlandet konstant hållas i samma läge, släckt eller tänt. Det har befunnits att oberoende av riktningen på strömmen i omrikta- rens utgång uppstår inga problem med nämnda spänningstoppar vid kommutering enligt den så kallade stora kommuteringsloopen, så att förfarandet kan förenklas i ett sådant fall genom att an- vända en och samma styrpuls för halvledareiementen tillhörande samma par.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen utförs förfarandet på en omriktare med flera nämnda halvledarelement seriekopplade i varje nämnd enhet, och halvledareiementen till- hörande samma enhet styrs genom en och samma styrpuls. Det uppfinningsenliga förfarandet är speciellt väl lämpat för omriktare 10 15 20 25 30 35 524-014 « ..- n. hos vilka det krävs en seriekoppling av ett flertal halvledarele- ment för att de tillsammans skall kunna hålla den spänning som enheten måste hålla i sitt blockerande tillstånd, eftersom i ett så- dant fall vissa halvledarelement redan kan ha en något högre spänning över sig än andra halvledarelement på grund av vissa smärre skillnader mellan halvledarelementen, och i ett sådant fall är det ytterst viktigt att nämnda spänningstoppar kan undvikas för att eliminera risken för att just dessa halvledarelement slås ut och därigenom även övriga halvledarelement slås ut.

Uppfinningen avser även en omriktare enligt bifogade självstän- diga omriktarpatentkrav, och fördelarna med en sådan omriktare i förhållande till tidigare kända omriktare av det slaget framgår med all önskvärd tydlighet av beskrivningen ovan av förfarandet enligt uppfinningen samt de föredragna utföringsformerna därav.

Uppfinningen avser även ett datorprogram samt ett datorläsbart medium enligt motsvarande bifogade patentkrav. Det inses lätt att förfarandet enligt uppfinningen definierat i bifogade uppsätt- ning förfarandepatentkrav är väl lämpat att utföras genom pro- graminstruktioner från en processor påverkbar av ett med ifråga- varande programsteg försett datorprogram.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av den efterföljande beskrivningen samt övriga osjälvständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan beskrivs såsom exempel anförda föredragna utfö- ringsformer av uppfinningen under hänvisning till bifogade rit- ningar, på vilka: fig 1 schematiskt illustrerar en omriktare av tre-nivå-typ av det slag på vilket det uppfinningsenliga förfarandet är applicerbart, 10 15 20 25 30 35 .524 014 - - ~ . . n - ; Q n. fig 2 illustrerar schematiskt hur ett pulsbreddsmoduleringsmöns- ter läggs ut på fasutgången hos en omriktare enligt fig 1, och fig 3 är ett förenklat blockschema illustrerande principen för styr- ning av en omriktare enligt fig 1 enligt föreliggande uppfinning.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGS- FORMER AV UPPFINNINGEN I fig 1 illustreras uppbyggnaden av en tre-nivå-omriktare av det slag som finns beskrivet i sökandens ovannämnda svenska pa- tent 517 427. Det illustreras här hur omriktaren uppvisar tre så kallade fasben 1-3 med var sin fasutgång 4-6 för anslutande av omriktarens växelspänningssida via en reaktor och/eller trans- formator till ett trefas-växelspänningsnät, men härefter kommer endast det ena av dessa fasben att diskuteras. Det är även fullt möjligt att omriktaren är ansluten till ett enfas-växelspänningsnät eller växelspänningssidan kan förutom AC-nätet anslutas till en generator eller en motor. Omriktaren är en så kallad VSC-omrik- tare, vilken uppvisar en mellan två poler, en positiv 7 och en ne- gativ 8, hos en likspänningssida hos omriktaren anordnad serie- koppling av fyra enheter S1-S4, vilka vardera innefattar ett släckbart halvledarelement 13-16 och en därmed antiparallellt kopplad diod 17-20 och är givna ordningsnummer efter ordningen i seriekopplingen från den positiva till den negativa polen.

Två seriekopplade kondensatorer 21, 22 är anordnade mellan nämnda båda poler, och en punkt 23 (likspänningssidans mitt- punkt) mellan dessa (vilket normalt är fallet) är ansluten till jord 9 via en impedans Z, varvid denna impedans kan variera från noll (= direktjordning av likspänningssidans mittpunkt) till ett värde X (= impedansjordning av likspänningssidans mittpunkt, via till ex- empel en resistans R eller en induktans L) upp till ett värde Xmax (= ojordad mittpunkt, där jordningen enbart bestäms av strökapa- citanser mellan likspänningssidans mittpunkt och jord), så att på detta sätt potentialerna +U/2 respektive -U/2 tillhandahålls hos 10 15 20 25 30 35 524.014 '~noø . - o ~ n u respektive pol, varvid U är spänningen mellan de båda polerna 7, 8.

En andra mittpunkt 24 hos seriekopplingen mellan den första och andra enheten är via en femte enhet S5 med dioden 26 med led- riktning med avseende på fasutgången 4 motsatt ledriktningen hos den andra enhetens diod och ett antiparallellt därmed kopp- lat släckbart halvledarelement 10 ansluten till likspänningssidans mittpunkt och en tredje mittpunkt 27 hos seriekopplingen mellan den tredje och fjärde enheten är via en sjätte nämnd enhet S6 med dioden 29 med ledriktning med avseende på fasutgången motsatt den tredje enhetens diod och ett antiparallellt därmed kopplat släckbart halvledarelement 11 ansluten till likspännings- sidans mittpunkt.

De släckbara halvledarelementen hos enheterna S1-S6 kan ex- empelvis vara lGBT-er eller GTO-er. Fastän endast en lGBT eller GTO per enhet visats kan denna stå för en mängd, seriekopp- lade, simultant styrda lGBT-er eller GTO-er, vilket ävenledes normalt är fallet, då det krävs ett förhållandevis stort antal så- dana halvledarelement för att hålla den spänning som varje en- het måste hålla i blockerat tillstånd, då exempelvis likspännings- sidan har en spänning överstigande 10 kV. Likaså kan varje vi- sad diod, så kallad frihjulsdiod, stå för en mängd seriekopplade dioder.

De i omriktaren ingående halvledarelementen styrs via en sche- matiskt antydd inrättning 30 att tändas och släckas för att om- växlande ansluta likspänningssidans mittpunkt, pluspol och mi- nuspol till fasutgången hos respektive fasben för alstrande av ett tåg av pulser med bestämda amplituder och enligt ett puls- breddsmoduleringsmönster (PWM) på fasutgången. Därvid är pulsbreddsmoduleringsfrekvensen betydligt högre än, med fördel åtminstone 5 gånger så hög, mera föredraget åtminstone 10 gånger så hög och mest föredraget åtminstone 20 gånger så hög som grundfrekvensen hos den normalt väsentligen sinusformade växelströmmen på omriktarens fasutgång. Således kan puls- 10 15 20 25 30 35 524» 01-4 10 breddsmoduleringsfrekvensen företrädesvis vara i storleksord- ningen 1-2 kHz, medan grundfrekvensen, det vill säga den fre- kvens grundtonen hos fasströmmen på fasutgången har, typiskt sett är 50 Hz eller 60 Hz. Vid generator- eller motoransluten om- riktare kan dock frekvensen hos strömmen variera inom ett stort område.

Omriktaren kan drivas på olika sätt, såsom för överföring av aktiv effekt som likriktare eller som växelriktare, eller för överförande av reaktiv effekt, eller för överföring av en kombination av aktiv och reaktiv effekt.

Likspänningssidans mittpunkt 23 är anslutbar till fasutgången 4 genom två olika så kallade nolltillstånd, nämligen ett första i vil- ket den andra S2 och den femte S5 enheten är i ledande till- stånd, och ett andra, i vilket den tredje S3 och den sjätte S6 en- heten är i ledande tillstånd. Med fördel utnyttjas denna valmöjlig- het av nolltillstånd för styrande av omriktaren så att summan av switch- och ledförlusterna fördelas jämnare mellan halvledarele- menten hos fyra av de sex enheterna, och hur sådan styrning kan ske finns närmare beskrivet i svenska patentet 517 427.

Med fördel är inrättningen 30 anordnad att styra enheternas halvledarelement så att de båda nolltillstånden intages väsentli- gen lika många gånger per tidsenhet, och det är fördelaktigt att därvid halvledarelementen styrs så att väsentligen varje gång ett nämnt nolltillstånd skall väljas väljs det motsatta nolltillståndet mot det närmast i tiden föregående nolltillståndet.

Styrinrättningen 30 är anordnad att styra enheternas S1-S6 halvledarelement att tändas och släckas så att omväxlande fyra huvudtillstånd erhålles hos omriktaren i form av anslutning av ut- gången till den första sidans pluspol enligt ett första, vid vilket således åtminstone halvledarelementen hos S1 och S2 måste vara tända, minuspol enligt ett andra, i vilket åtminstone halv- ledarelementen hos S3 och S4 måste vara tända, eller mittpunkt via något av nämnda två nolltillstånd. Likt styrförfarandet enligt 10 15 20 25 30 35 524 0-14 .fu u. 11 det svenska patentet 517 427 görs hos det uppfinningsenliga förfarandet en förregling mellan enhetsparen S1, S6 och S4, S5 vad gäller deras läge i respektive huvudtillstånd, så att de till samma par hörande är samtidigt tända eller släckta. Därvid till- ses att motstående enheters halvledarelement har släcksignaler innan halvledarelementet som skall tändas för tändsignal. Skulle inte en sådan förregling vara förhanden och exempelvis S1, S6 tändas innan S4, S5 släcks vid växlande från det fjärde till det första tillståndet, då kommer kondensatorerna 21 och 22 att kort- slutas kortvarigt och stora kortslutningsströmmar uppstå.

I fig 2 illustreras hur ett pulsbreddsmoduleringsmönster typiskt sett kan se ut för en omriktare av det slag som visas i fig 1. Där- vid är den visade sinuskurvan 31 spänningsbörvärdet på omrikta- rens fasutgång 4, medan det framgår att när nämnda börvärde är positivt anslutes omväxlande likspänningssidans pluspol och dess mittpunkt 23 till fasutgången, det vill säga positiva pulser och nollpulser medan skiftande bredd växlas, medan när nämnda börvärde är negativt det växlas mellan negativa pulser och noll- pulser. l fig 3 illustreras mycket schematiskt hur styrning genom styrin- rättningen 30 i praktiken går till. Ett referensvärde motsvarande fasuttagets spänningsbörvärde inkommer vid 33 till en puls- breddsmoduleringsgenerator 34, vilken utarbetar det i fig 2 vi- sade pulsbreddsmoduleringsmönstret och sänder en puls- breddsmoduleringssignal på sin utgång 35, vilken beordrar en positiv, negativ eller nollpuls på fasutgången, till en nolltill- ståndsväljare 36, vilken sänder en pulsbreddsmoduleringssignal innehållande uppgift även om vilket nolltillstånd som skall väljas när nollpuls skall läggas ut på fasutgången, till ett medel 37 för styrande av de olika enheternas S1-S6 halvledarelement att tän- das eller släckas, vilket illustreras genom de sex pilarna 38 till halvledarelementen.

Föreliggande uppfinnare har insett att vid vissa kommuteringar mellan olika huvudtillstånd hos ett förfarande enligt det svenska 10 15 20 25 30 35 524 0114 ~ u - . . . . . ø u. 12 patentet 517 427 kommer kortvariga spänningstoppar på väsent- ligen hela spänningen U mellan likspänningssidans båda poler att appliceras över någon av de båda inre enheterna, det vill säga S2 eller S3. Därvid är risken stor att ett eller flera halvle- darelement i en sådan enhet havererar, om inte enheterna kraf- tigt överdimensioneras vad gäller spänningstålighet, vilket blir kostsamt. Närmare bestämt uppstår detta problem vid ett väx- lande mellan huvudtillstånd genom en så kallad liten kommute- ringsloop, det vill säga mellan anslutande av pluspolen till ut- gången och det tredje nolltillståndet eller anslutande av mi- nuspolen till utgången och det fjärde nolltillståndet. Detta är be- roende av att enheterna beter sig olika i beroende av om det rör sig om en passiv spänningsomkoppling hos halvledarelementen eller om det rör sig om en verklig strömkommutering. Detta kan exemplifieras med att det skall växlas mellan det första huvudtill- ståndet, i vilket S1, S2 och S6 är tända, till det tredje huvudtill- ståndet, i vilket S2, S5 och S4 är tända. Skulle i ett sådant fall efter släckande av S1 och S6 S4 och S5 tändas samtidigt, då skulle på grund av att S1 har lett ström det ta en i samman- hanget inte oansenlig tid att tända halvledarelementet i S5 och kommutera över strömmen från S1 till detta, så att kortvarigt ut- gången 4 fortfarande skulle ha kvar samma potential som likspänningssidans pluspol. Skulle däremot halvledarelementet i S4 tändas samtidigt, vilket skulle innebära en passiv spännings- omkoppling utan någon strömkommutering, då skulle betydligt snabbare minuspolens potential anslutas till punkten 27 mellan.

S3 och S4, så att kortvarigt hela spänningen mellan de båda likspänningspolerna skulle ligga över S3. Detta problem råder emellertid uppfinningen bot på genom att vid växlande mellan huvudtillstånd genom en liten kommuteringsloop införa en extra- sekvens i form av en fördröjd tändning av halvledarelementet hos den ena enheten hos det par som skall tändas relativt halvledar- elementet hos detta pars andra enhet. I det just beskrivna ex- emplet innebär detta att halvledarelementet i S4 tänds med en fördröjning relativt halvledarelementet i S5, så att nämnda ström- kommutering har hunnit ske och fasutgången 4 är på nollpoten- tial innan halvledarelementet i S4 tänds, och därmed endast 10 15 20 25 30 35 524 0-14 se... ...n- 13 halva likspänningen kommer att anligga över S3. Därvid är nämnda fördröjning mycket kort i förhållande till den normala varaktigheten hos ett nämnt huvudtillstånd, och förhållandet är typiskt sett så att fördröjningen är mindre än en tiondel, företrä- desvis mindre än en hundradel av den normala varaktigheten av ett nämnt huvudtillstånd, och kan exempelvis vara 5 us/1000 us.

Förutom dessa så kallade extra sekvenser vid en så kallad liten kommuteringsloop styrs enheternas halvledarelement så att man mellan två huvudtillstånd alltid har ett så kallat blankingtillstånd för undvikande av att halvledarelement som inte får vara tända samtidigt skall kortvarigt åtminstone delvis vara detta och att un- der detta tillstånd ett sådant halvledarelement hinner släcka in- nan därefter ett annat sådant tänds. Sådana blankingtillstånd har en tidslängd i ungefärligen samma storleksordning som nämnda fördröjning och är således försvinnande korta i förhållande till den normala varaktigheten hos ett huvudtillstånd. De införs mel- lan alla huvudtillstånd, även vid så kallade stora kommuterings- loopar där en nämnd extrasekvens inte genomförs.

Dessutom styrs halvledarelementen för att minimera varaktighe- ten hos mellan nämnda huvudtillstånd liggande tillstånd med halvledarelementen i den andra och sjätte enheten samtidigt tända eller i den tredje och femte enheten samtidigt tända för undvikande av parallellströmmar i omriktaren.

Detta leder till följande kontrollscheman för växlande mellan hu- vudtillstånd genom en så kallad liten kommuteringsloop enligt fö- religgande uppfinning: I tabell 1-4 är de uppfinningsenliga förfarandena med extra- sekvenser vid ett växlande mellan huvudtillstånd genom en så kallad liten kommuteringsloop visade, varvid B indikerar blankningstillstånd och E extrasekvens. På motsvarande sätt är växlande mellan huvudtillstånd genom de båda så kallade stora kommuteringslooperna sammanfattade i tabell 5 och tabell 6. Där framgår att inga extrasekvenser används. » » » . »n ~ u - a »- . ...- ...- .- . . . . . . .- . n . . . nu 524 014 14 Tabell 1 S6 S5 S4 S3 S2 S1 1+ 3N Tabell 2 S6 S5 S4 S3 S2 S1 3N ,1+ Tabell 3 10 S6 S5 S4 S3 S2 S1 4N 10 15 524 014 .øv-o 15 Tabell 4 S1 S2 S3 S4 S5 S6 4N 1 0 1 0 0 1 E 0 0 1 0 0 1 E 0 0 1 0 1 1 B 0 0 1 0 1 0 2- 0 0 1 1 1 0 Tabell 5 S1 S2 S3 S4 S5 S6 1+ 1 1 0 0 0 1 B 1 0 0 0 0 1 4N 1 0 1 0 0 1 B 1 0 0 0 0 1 1+ 1 1 0 0 0 1 Tabell 6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 2- 0 0 1 1 1 0 B 0 0 0 1 1 0 3N 0 1 0 1 1 0 B 0 0 0 1 1 0 2- 0 O 1» 1 1 0 Växlingen enligt tabell 1 har redan kommenterats högre upp. Den enligt tabell 2 kan förklaras enligt följande. Mellantillståndet med S2 och S5 ledande läggs in före det andra mellantillståndet med S2, S5 och S6 ledande, då det i annat fall finns risk att S4 och S6 är kortvarigt samtidigt tända och kortsluter kondensatorn 22.

Extrasekvensen i form av tillståndet med S2, S5 och S6 tända är 10 15 20 25 30 35 524 0514 -us ~. 16 till för att tvinga mittpunkten 27 mellan S3 och S4 att bli noll in- nan fasutgången ansluts till pluspolen. Blankningstillståndet med S2 och S6 tända är viktigt, då man i annat fall skulle blivit tvungen att släcka S5 samtidigt som S1 tänds, och man vill av ovan nämnd anledning inte styra halvledarelementen i två enhe- ter i en liten kommuteringsloop samtidigt.

Tabell 3 och tabell 4 behöver ingen ytterligare förklaring, då samma problem uppträder där som vid växlingarna enligt tabell 1 och tabell 2 och dessa växlingar är spegelsymmetriska relativt utgången 4 och mittpunkten 23 relativt de förra.

Såsom ovan redan nämnts skall tillstånden med S3 S5 S6, S3 S5, S2 S5 S6 eller S2 S6 samtidigt ledande minimeras för att be- gränsa varaktigheten av parallellströmmar i kretsen så långt som möjligt.

För att förenkla det uppfinningsenliga styrförfarandet görs inte detta beroende av riktningen på strömmen i utgången 4, även om vissa problem som löses genom nämnda extrasekvenser endast förekommer vid en given strömriktning och vid motsatt strömrikt- ning därmed extrasekvensen skulle kunna utelämnas. Detta skulle dock leda till ett betydligt mera komplicerat styrförfarande.

Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna föredragna utföringsformerna, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området, utan att denne avviker från uppfinningens grundtanke sådan denna definieras i patentkraven.

En mängd andra möjligheter till styrscheman som utnyttjar den uppfinningsenliga grundtanken torde vara uppenbara för fackmän på området.

Exempelvis är det mycket väl möjligt att känna av riktningen på strömmen i utgången och göra utförandet av en extrasekvens el- ler ej beroende av strömriktningen. Det är även möjligt att om- 524 014 n-ø-n .q--u 17 riktaren ifråga uppvisar ytterligare nämnda enheter för att ge möjlighet till fler än tre nivåer på utgången.

Claims (31)

10 15 20 25 30 35 524 014 18 Patentkrav

1. Förfarande för styrning av en omriktare för omriktning av likspänning till växelspänning eller likspänning och vice versa, vilken innefattar en mellan två poler, en positiv (7) och en nega- tiv (8), hos en första sida i form av en likspänningssida hos om- riktaren anordnad seriekoppling av fyra enheter (S1-S4), vilka vardera innefattar ett släckbart halvledarelement (13-16)och en därmed antiparallellt kopplad diod (17-20) och är givna ordnings- nummer efter ordningen i seriekopplingen från den positiva till den negativa polen, en ledning hos omriktarens andra sida an- sluten till en första mittpunkt, benämnd utgång (4), hos serie- kopplingen mellan den andra och tredje enheten, medel (9) an- ordnade att på nämnda första sida tillhandahålla en mittpunkt (23) mellan de båda polerna och lägga dessa poler på samma spänning men med motsatta tecken i förhållande till den första sidans mittpunkt, varvid en andra mittpunkt (24) hos seriekopp- lin-gen mellan den första och andra enheten är via en femte nämnd enhet (S5) med ett släckbart halvledarelement (10) och med den antiparallellt med detta kopplade dioden (26) med ledriktningen med avseende på utgången (4) motsatt ledriktning hos den andra enhetens diod ansluten till den första sidans mitt- punkt (23) och en tredje mittpunkt (27) hos seriekopplingen mel- lan den tredje och fjärde enheten är via en sjätte nämnd enhet (S6) med ett släckbart halvledarelement (11) och med den anti- parallellt med detta kopplade dioden (29) med ledriktning med avseende på utgången motsatt den tredje enhetens diod ansluten till den första sidans mittpunkt, vid vilket enheternas halvledar- element styrs att tändas och släckas så att omväxlande fyra hu- vudtillstånd erhålles hos omriktaren i form av anslutning av ut- gången (4) till den första sidans pluspol (7) enligt ett första, mi- nuspol (8) enligt ett andra eller mittpunkt (23) via något av två olika så kallade nolltillstånd, nämligen ett tredje, i vilket den andra och femte enheten är i ledande tillstånd, och ett fjärde, i vilket den tredje och sjätte enheten är i ledande tillstånd, varvid den första och sjätte enheten bildar ett par genom att dessa 10 15 20 25 30 35 524 014 ...ao . . u . . 1 . - . .. 19 l' halvledarelement styrs att i respektive huvudtillstånd 'Åntaga samma läge, tänt eller släckt, och den fjärde och femte enheten bildar ett par genom att dessa halvledarelement styrs att i re- spektive huvudtillstånd intaga samma läge, tänt eller släckt, samt varvid en växling mellan det första och andra huvudtillståndet alltid görs via det tredje eller fjärde nolltillståndet, kännetecknat därav, att vid ett växlande mellan huvudtillstånd genom en så kallad liten kommuteringsloop utförs, det vill säga ett växlande mellan ett anslutande av pluspolen (7) till utgången (4) och noll- tillståndet enligt det tredje huvudtillståndet eller ett växlande mellan anslutande av minuspolen (8) till utgången (4) och nolltill- ståndet enligt det fjärde huvudtillståndet, åtminstone när strömriktningen skulle innebära en spänningstopp på väsentligen hela spänningen mellan nämnda pluspol och minuspol över den av den andra eller tredje enheten (S2, S3) som ej tillhör kommu- teringsloopen i det fall halvledarelementen som skall vara tända i det kommande huvudtillståndet och tillhör ett nämnt par (S1, S6 resp S4, S5) av enheter skulle tändas samtidigt, en extra se- kvens i form av en fördröjd tändning av halvledarelementet hos den ena enheten hos sistnämnda par relativt halvledarelementet hos detta pars andra enhet.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat därav, att nämnda ex- tra sekvens alltid utförs vid växling av huvudtillstånd enligt en nämnd liten kommuteringsloop oberoende av strömriktningen vid utgången.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att det är halvledarelementet i den yttre enheten (S1, S4), det vill säga den första eller fjärde enheten, hos respektive par av enheter som tänds med fördröjning relativt den andra enheten (S6, S5), det vill säga den sjätte eller femte, i paret.

4. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att vid växlande från det första till det tredje huvudtillstån- det tänds halvledarelementet i den fjärde enheten (S4) med en fördröjning relativt halvledarelementet i den femte enheten (S5). 10 15 20 25 30 35 524 014 n s . - s n n .uu av 20

5. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att vid växlande från det andra till det fjärde huvudtillstån- det tänds halvledarelementet i den första enheten (S1) med en fördröjning relativt halvledarelementet i den sjätte enheten (S6).

6. *Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att vid ett växlande från det tredje till det första huvudtill- ståndet tänds halvledarelementet i den första enheten (S1) med en fördröjning relativt halvledarelementet i den sjätte enheten (S6).

7. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att vid ett växlande från det fjärde till det andra huvudtill- ståndet tänds halvledarelemetet i den fjärde enheten (S4) med en fördröjning relativt halvledarelementet i den femte enheten (S5).

8. , Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att nämnda fördröjning är mindre än en tiondel, företrä- desvis mindre än en hundradel av den normala varaktigheten av ett nämnt huvudtillstånd.

9. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att enheternas halvledarelement styrs så att mellan två huvudtillstånd alltid ett så kallat blankingtillstånd (B) uppnås för undvikande av att halvledarelement som inte får vara tända sam- tidigt skall kortvarigt åtminstone delvis vara detta och att under detta tillstånd ett sådant halvledarelement hinner släcka innan därefter ett annat sådant tänds.

10. Förfarande enligt krav 9, kännetecknat därav, att halvledar- elementen styrs för intagande av nämnda blankingtillstånd (B) under en tidsperiod som varar mindre än en tiondel, företrädesvis mindre än en hundradel av den normala varaktigheten av ett nämnt huvudtillstånd. 10 15 20 25 30 35 524 014 . . ~ . . u - - u ~ø 21

11. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att det första huvudtillståndet uppnås genom att styra halvledarelementen i den första (S1), andra (S2) och sjätte (S6) enheten att vara tända, det andra huvudtillståndet genom att styra halvledarelementen i den tredje (S3), fjärde (S4) och femte (S5) enheten att vara tända, det tredje huvudtillståndet genom att styra halvledarelementen i den andra (S2), fjärde (S4) och femte (S5) enheten att vara tända och det fjärde huvudtillståndet ge- nom att styra halvledarelementen i den första (S1), tredje (S3) och sjätte (S6) enheten att vara tända.

12. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat därav, att vid väx- lande från det första huvudtillståndet till det tredje släcks först halvledarelementen i den första (S1) och sjätte (S6) enheten, se- dan tänds halvledarelementet i den femte (S5) enheten och slut- ligen tänds halvledarelementet i den fjärde enheten (S4).

13. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat därav, att vid väx- lande från det tredje huvudtillståndet till det första huvudtillstån- det släcks först halvledarelementet i den fjärde enheten (S4), se- dan tänds halvledarelementet i den sjätte enheten (S6), därpå släcks halvledarelementet i den femte enheten (S5) och slutligen tänds halvledarelementet l den första enheten (S1).

14. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat därav, att vid väx- lande från det andra huvudtillståndet till det fjärde huvudtillstån- det släcks först halvledarelementen i den fjärde (S4) och femte (S5) enheten, sedan tänds halvledarelementet i den sjätte enhe- ten (S6) och slutligen tänds halvledarelementet i den första en- heten (S1).

15. Förfarande enligt krav 11, kännetecknat därav, att vid väx- lande från det fjärde huvudtillståndet till det andra huvudtillstån- det släcks först halvledarelementet i den första enheten (S1), se- dan tänds halvledarelementet i den femte enheten (S5), därpå släcks halvledarelementet i den sjätte enheten (S6) och slutligen tänds halvledarelementet i den fjärde enheten (S4). 10 15 20 25 30 35 524 014 Q . ~ . ~ - » - - <- 22

16. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att halvledarelementen styrs för att minimera varaktighe- ten hos mellan nämnda huvudtillstànd liggande tillstånd med halvledarelementen i den andra (S2) och sjätte (S6) enheten samtidigt tända eller i den tredje (S3) och femte (S5) enheten samtidigt tända för undvikande av parallellströmmar i omriktaren.

17. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att vid växlande mellan huvudtillstànd via en stor kommu- teringsloop, det vill säga ett växlande mellan det första huvudtill- ståndet och det fjärde huvudtillståndet eller ett växlande mellan det andra huvudtillståndet och det tredje huvudtillståndet, styrs de till samma enhetspar (S1, S6 resp S4, S5) hörande halvledar- elementen med en och samma styrpuls för att båda under väx- landet konstant hållas i samma läge, släckt eller tänt.

18. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att enheternas halvledarelement styrs så att de båda noll- tillstånden intages väsentligen lika många gånger per tidsenhet.

19. Förfarande enligt krav 18, kännetecknat därav, att enheter- nas halvledarelement styrs så att väsentligen varje gång ett nämnt nolltillstånd skall väljas väljs det motsatta nolltillståndet mot det närmast i tiden föregående nolltillståndet.

20. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att det utförs på en omriktare med flera nämnda halvledar- element seriekopplade i varje nämnd enhet (S1-S6), och att halvledarelementen tillhörande samma enhet styrs genom en och samma styrpuls.

21. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att det är halvledarelement (13-16) i form av lGBT:er (ln- sulated Gate Bipolar Transistors) som styrs att tändas och släckas. 10 15 20 25 30 35 524 014 , . - . » < v - ~ -~ 23

22. Förfarande enligt något av föregående krav, kännetecknat därav, att det utförs på en omriktare i form av en VSC-omriktare för omriktning av växelspänning till likspänning och vice versa med nämnda ledning bildad av en växelspänningsfasiedning för att via växlande mellan huvudtillstånden alstra ett tåg av pulser med bestämda amplituder enligt ett pulsbreddsmodulerings- mönster på omriktarens utgång (4).

23. Förfarande enligt krav 22, kännetecknat därav, att det är en VSC-omriktare med en likspänningssida bildad av ett likspän- ningsnät för överföring av högspänd likström (HVDC) och växel- spänningsfasledningen tillhörande ett växelspänningsnät som styrs.

24. Förfarande enligt krav 22, kännetecknat därav, att det är tvà VSC-omriktare hos en back-to-back-station med sina växelspän- ningssidor anslutna till ett och samma eller var sitt växelspän- ningsnät och sina likspänningssidor anslutna till varandra som styrs.

25. Förfarande enligt krav 22, kännetecknat därav, att det är en VSC-omriktare ingående i en SVC (Static Var Compensator) med likspänningssidan bildad av fritt hängande kondensatorer och växelspänningsfasledningen tillhörande ett växelspänningsnät som styrs.

26. Förfarande enligt något av kraven 1-21, kännetecknat därav, att det är en VSC-omriktare med nämnda utgång ansluten till en växelströmsmotor som styrs.

27. Förfarande enligt något av kraven 1-21, kännetecknat därav, att det är en VSC-omriktare med nämnda utgång ansluten till en växelströmsgenerator som styrs.

28. Omriktare för omriktning av likspänning till växelspänning el- ler likspänning och vice versa, vilken innefattar en mellan tvà 10 15 20 25 30 35 5241314 24 poler, en positiv (7) och en negativ (8), hos en första sida i form av en likspänningssida hos omriktaren anordnad seriekoppling av fyra enheter (S1-S4), vilka vardera innefattar ett släckbart halvle- darelement (13-16) och en därmed antiparallellt kopplad diod (17-20) och är givna ordningsnummer efter ordningen i serie- kopplingen från den positiva till den negativa polen, en ledning hos omriktarens andra sida ansluten till en första mittpunkt, be- nämnd utgång (4), hos seriekopplingen mellan den andra och tredje enheten, medel (9) anordnade att på nämnda första sida tillhandahålla en mittpunkt (23) mellan de båda polerna och lägga dessa poler på samma spänning men med motsatta tecken i förhållande till den första sidans mittpunkt, varvid en andra mittpunkt (24) hos seriekopplingen mellan den första och andra enheten är via en femte nämnd enhet (S5) med ett släckbart halvledarelement (10) och med den antiparallellt med detta kopplade dioden (26) med ledriktningen med avseende på ut- gången motsatt ledriktningen hos den andra enhetens diod an- sluten till den första sidans mittpunkt och en tredje mittpunkt (27) hos seriekopplingen mellan den tredje och fjärde enheten är via en sjätte nämnd enhet (S6) med ett släckbart halvledarelement (11) och med den antiparallellt med detta kopplade dioden (29) med ledriktningen med avseende på utgången motsatt den tredje enhetens diod ansluten till den första sidans mittpunkt, varvid omriktaren även innefattar en inrättning (30) anordnad att styra enheternas halvledarelement att tändas och släckas för att om- växlande uppnå fyra huvudtillstånd hos omriktaren i form av an- slutning av utgången till den första sidans pluspol (7) enligt ett första, minuspol (8) enligt ett andra eller mittpunkt (23) via något av två olika så kallade nolltillstånd, nämligen ett tredje, i vilket den andra och femte enheten är i ledande tillstånd, och ett fjärde, i vilket den tredje och sjätte enheten är i ledande tillstånd, varvid den första och sjätte enheten bildar ett par genom att in- rättningen är anordnad att styra dessas halvledarelement att i respektive huvudtillstånd intaga samma läge, tänt eller släckt, och den fjärde och femte enheten bildar ett par genom att inrätt- ningen är anordnad att styra dessas halvledarelement att i re- spektive huvudtillstånd intaga samma läge, tänt eller släckt, samt 10 15 20 25 30 52-4 014 » . - ~ - . - . - .- 25 varvid inrättningen är anordnad att styra halvledarelementen så att en växling mellan det första och andra huvudtillståndet alltid görs via det tredje eller fjärde nolltillstàndet, kännetecknad därav, att inrättningen är anordnad att, vid ett växlande mellan huvudtillstånd genom en så kallad liten kommuteringsloop, det vill säga mellan anslutande av pluspolen till utgången och nolltillståndet enligt det tredje huvudtillståndet eller ett an- slutande av minuspolen till utgången och nolltillståndet enligt det fjärde huvudtillståndet, åtminstone när strömriktningen skulle innebära en spänningstopp på väsentligen hela spänningen mellan nämnda pluspol (7) och minuspol (8) över den av den andra (S2) eller tredje (S3) enheten som ej tillhör kommu- teringsloopen i det fall halvledarelementen som skall vara tända i det kommande huvudtillståndet och tillhör ett nämnt par av en- heter skulle tändas samtidigt, styra dessa halvledarelement en- ligt en extra sekvens i form av en fördröjd tändning av halvledar- elementet hos den ena enheten hos sistnämnda par relativt halvledarelementet hos parets andra enhet.

29. Datorprogram som är laddningsbart direkt in i internminnet hos en dator, vilket innefattar mjukvarukodpartier för styrande av stegen hos något av kraven 1-27 när programmet körs på datorn.

30. Datorprogram enligt krav 29 tillhandahållet åtminstone delvis via ett nätverk såsom internet.

31. Datorläsbart medium med ett därpå registrerat program, vil- ket är utformat att bringa en dator att styra stegen enligt något av kraven 1-27.