Realisatie van een driefasen input-commutated bruginvertor voor de voeding van draaiveldmachines

(1)

Realisatie van een driefasen input-commutated bruginvertor

voor de voeding van draaiveldmachines

Citation for published version (APA):

Menting, J. M. (1978). Realisatie van een driefasen input-commutated bruginvertor voor de voeding van draaiveldmachines. Technische Hogeschool Eindhoven.

Document status and date: Gepubliceerd: 01/01/1978

Document Version:

Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can be important differences between the submitted version and the official published version of record. People interested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit the DOI to the publisher's website.

• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.

• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and page numbers.

Link to publication

General rights

Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain

• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, please follow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policy

If you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

(2)

.' ",

; \

Technische Hogeschool Eindhoven

Afdeling der elektrotechniek - Vakgroep elektromechanica

AFSTUDEERVERSLAG.

Realisatie van een driefasen

input-commutated bruginvertor voor de voeding van draaiveldmachines.

biz.O. I van

rapport nr. EM 78-)3

december 1978.

EM 78-13 J.M. Menting.

Hoogleraar: prof.ir. C. Rodenburg.

Mentoren : lector ir. J.A. Schot,

ir. W.J. de Zeeuw, ir. H.H. Ehrenburg.

(3)

Afdeling der elektrotcchniek - Vakgrocp elektromechanica

Inhoudsopgave. Titelblad I nhoudsopgave Samenvattin~/Summary Inleiding De afstudeeropdracht ltoofdstuk I

1.1 Beschrijvin~van de invertor 1.2 De hoofdstroomschakeling

1.2.1 De voedin~

1.2.2 Het kommutatiecirouit

1.2.3 De thyriBtorbru~

1.2.4 De diodebrug

1.; De werking van het hoofdstroomoircuit

1.3.1

1.3.2 Het doyen van de thyristorbrug

1.3.3 Het begrenzen van de doofkondensatorspanning

1.4 De stuurelektronika

1.4.1 De eisen 1.4.2 De uitvoering 1.4.3 Schemabeschrijving

1.4.4 Essentieele punten bij de realisatie

1.5 Meer verfijnde sturingsmethoden

biz. 0.2 van rapport nr. FM 78-1~ p~ina 0.1 0.2 0.4 0.5 0.6 1.1 1.2 1.2

1.;

1.3 1.3 1.3 1.4 1.7 1.9 1.9 1.5.1 Natuurlijke bemonstering 1.19

1.5.2 Natuurlijke bemonstering met vaste verhouding felfi 1.20

1.5.3 Natuurlijke bemonstering via saIDpeling 1.22

1.5.4 Natuur1ijke bemonstering met steeds herstarten van de draaggolf 1.23

1.5.5 Andere bemonsteringsmethoden 1.23

1.6 Eerder gerealiseerde stuursohakelingen 1.25

Hoofdstuk II Berekeningen aan de hoofdstroomsohakeling. Het kommutatie~deelte

2.1.1 De vereiste dooftijd t d

2.1.2 De berekening van 11, 12 en Cd 2.1.3 De kommutatietransformator 2.1.4 Eisen aan de doofthyristoren

2.1.5 De keuze van I¥

2.1.6 Risen a.a.n de voeding

2.1.7 De zelfdoving YaJl de doofthyristoren

2.1.8 di/dt en duldt be~enzing

2.11 2.14 2.15 2.17 2.18

(4)

blz.0.3 van

rapport nr. EM. 78-13 Inhoudsopgave (vervolg)

2.2 ne thyristorbrug

2.2.1

Ret

stroomverloop

?2.2 EiseR aan de brugthyristoren

Hoofdstuk I I I Resultaten met eni~e invertortypen.

Resultaten met invertortype 1 3.1.1 Beschri.1ving ~.1.2 Bedrijf bij 80 V 3.1.3 Bedrijf bij 160 V 3.2 Invertor type 2 3.2.1 Bedri.1f bij 230 V 3.2.2 Intermezzo 3.2.3 ~.3 Invertor type 3 3.~.1 3.3.2 Storin~gevoeli~heid

:>;.3.~ Metin~en aan de kombinatie invertor-maohine 3.4 Storin~en in de pu1sversterkers

Roofdstuk LV De invertor met niet-gekoppelde spoelea Ll en 12

4.1 Besohrijving 4.2 De kommutatie pagina 2.22 2.22 2.22 ~.] 3.1 3.2 3.6

3.9

3.10 3.11 3.13 3.B 3.15

3.17

3.27 4.3 De uitvoering 4.3 4.3.1 De stuurelektronika 4.3 4.3.2 Ret hoofdstroomcircuit 4.4

4.4 Eisen aan de halfgeleiders 4.4

4., Ver~elijkingvan de invertor met kommutatietransformator

en die met kommutatiespoelen 4.5

Roofdstuk V Konklusies

5~1 Ret ontwerp

5.2 ne toepasbaarheid van pulsbreedtemodulatietechnieken

5.3

De regelbaarheid van de maohine

5.6 Specificatie van de invertor met kommutatiespoelen

5.7 Slotwoord 5.1

5.4

5.5

5.9

5.10 A-p-pendices: A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6

: Berekening f . met volledige pulsduur

m1n

: Ret opslingerea van de spanning op de doofkondensator Cd : De stuurelektronika

: Ringkerngegevens

: Fabril'lksgel<evens va.n de gebruikte thyristoren

(5)

Technische Hogeschool Eindhoven

Sa.menvatting.

biz. 0.4 van

rapport nr·EM 18-13

Dit onderzoek behelat het oatwerp en de realiaatie van een

voedingsapparaat voor draaiveldmachines. Om het toerental van

deze machines te kunnen varilren dient de frekwentie van de

uit~n~sspanninginstelbaar te zijn.

Deze uitgan~sspanning wordt verkregen uit een driefasige

bruginvertor met gemeenschappelijke, gedwongen dovin~ van

de brugthyristoren, die gevoed wordt ui teen

geli.jkspannings-bron. Er zijn verscheidene basis-ontwerpen van dergelijke

in-vertoren bekend, waarvan er twee onderzocht zijn.

Bijzondere aandacht is besteed &an de bedrijfszekerheid van

de stuurelektronika, het vermogensdeel en de koppeling daar-tussen.

De gerealiseerde installatie maakt een uitgangsstroom vaa 80 A

mogelijk bij een spanning van 220 V en een frekwentie, die in-stelbaar is tussen 0,02 Hz en 110 Hz.

Summary.

This report deals with the design and oonstruction of a three--phase input-commutated bridge invertor, intended to supply

induction machines. The output frequency of the invertor OU

be controlled in order to vary the speed of the inductioa motor. Several basic invertor sohemes are knowa; two of them were

in-vesti~ted. The resulting invertor, for an output voltage of

220 V D.C., has proved to be reliable up to output currents

of 80 A and its output frequency can be varied between

(6)

blz.O,S van

rapport nr. EM 78-1~

Inleiding.

In aandrijttechnieken bestaat veelvuldige vraag naar een elektrische

machine, die een ~oot toerenbereik heeft en over dat toerenbereik

steeds het nominale koppel kan leveren. Bovendien is het gewenst, dat

het eenmaal ingestelde toerental weinig afhankelijk is van het door de belasting gevraagde koppel.

Door een Ward-Leonard installatie wordt aan deze eisen voldaan. Deze installatie bestaat uit ee. vreemd bekrachtigde gelijkstroom-machine, gevoed door een gelijkstroomgenerator, die aangedreven wordt door een draaiveldmaohine. Het opgestelde maohine-vermogen is ruim driemaal het gevraagde meohanische vermogen. De installatie is dus duur en heeft een beperkt rendement. Tegenwoordig zijn er weliswaar elektronische Warn-Leonard installaties, maar sluitschakel hierbij blijft de gelijkstroommaohine. Deze machine vereist in verband met zijn kommutator periodiek onderhoud en kan in sommige omgevingen niet

~ebruikt worden. Bovendien kan de gelijkstroommaohine niet ontworpen worden voor hoge spanningen of stromen.

De induktiemachine heeft deze nadelen niet, hij is eenvoudiger doordat de kommutator ontbreekt; hij is veel robuuster en vereist vrij-weI geen onderhoud. Het is daarom de meest gangbare machine, die echter

gezien wordt als een motor met een konstant toerental, omda~hij vrijwel

synchroon loopt met de frekwentie van de voeding, die meestal gevormd

wordt door het draaistroomnet,dat een vaste frekwentie heeft van

50

Hz.

Door de induktiemachine te voeden uit een bron met variabele frekwentie is hat mogelijk het toerental van stilstand tot aan het maximaal toelaatbare te regelen. Daarbij is het steeds mogelijk om over het nominale koppel te besohikken, mite de voedingsspanning zo-danig aan de frekwentie wordt aangepast, dat de magnetische flux in de machine zi,jn nominale waarde behoudt. De frekwentie en de amplitude van de statorspanning bij een bepaald toerental dienen uiteraard afgestemd

te zi~n op de nominale gegevens van de maohine.

De uitwendige eigenschappen van een dergelijke aandrijving zijn zowel elektrisch als mechanisch tot op zekere hoogte identiek met die van een gelijkstroommachine, die vreemd bekrachtigd wordt en gevoed wordt uit een regelbare spanningsbro••

Teneinde zo een aandrdjving te realiseren, is aan mij de volgende afstudeeropdracht ultgereikt:

(7)

TECHNISCHE HOGESCHOOL EINDHOVEN

biz. 0.6 van

rapport nr. EM 78-13

Afdeling der Elektrotechniek

Afstudeeropdracht voor J.M. Menting.

Vakgroep Elektromechanica Begindatum Onderwerp Docent(en) Mentor (en) 1 januari 1978.

Het combineren van de resultaten van de afstudeerwerken van Nuyten (EM 73-2)* en Lossbroek (EM 75-14)* zodat een goed bruikbare, storingsvrije, input commutated driefasige brug-invertor ontstaat ten behoeve van de voeding van draaiveld-machines. Vermogen ca. 5 kVA, ingangsspanning 220 V,

frequentie van de uitgangsspanning instelbaar tussen

a

en

100 Hz. *)

Hierin worden aanzetten gegeven voor het ontwerp en de

realisatie van een driefasen-invertorinstallatie ten behoeve van frequentiesturing van draaiveldmachines.

: prof.ir. C. Rodenburg, ire J.A. Schot.

(8)

- - - , - - - , Technische Hogeschool Eindhoven

biz. 0.7 van

rapport nr. EM. 78-13

Nnijten heeft modifikaties van een invertor volgens het ontwerp van Dewan en Duff (lit.l) uitgewerkt en een tamelijk komplexe

stnurelektronika gerealiseerd, die, onder meer door toepassing van TLL schakelin~en nraktisoh niet zo goed bruikbaar bleek.

Mijn voorganger L5ssbroek heeft een funktionerende invertor-installatie gebouwd, die hij stap voor stap gerealiseerd heeft. Bijzondere aandacht besteedde hij aan de koppeling tussen de

stuurelektronika en het vermogensdeel, omdat er voortdurend

storingen optraden, ondanks het feit dat hij relatief eenvou-dige stuurelektronika gebruikte, die bovendien uitgevoerd was

met HLL. Zijn stuurelektronika is door mij aanvankelijk ook

gebruikt, voordat een nieuw ontwerp gereed was.

Zijn schake ling had relatief grote afmetingen, hetgeen de

storingsgevoeli~heidvergroot, en een ingewikkeld start-stop

systeem, dat niet voldoende stabiel bleek te funktioneren. Daarom is voor de volgende opzet gekozen:

Eerst moet een zo eenvoudig mogelijke stuurschakeling

ge-realiseerd worden, die kompakt gebouwd is.

Wanneer dez~ stabiel werkt, moet het hoofdstroomcircuit

~optimalis~erdworden en tens lotte kan de besturing

(9)

biz. 1.1 van

rapport nr. Fl1.78-13

HOO"F'DS'I'Ul5.-h

1.1 Beschrijving van de invertor.

Dewan en Duff hebben in

1969 (de 11)

een ontwerp gepubliceerd

van een input-commutated invertor; dit is een inve~torwaarbij

de ~eleidende thyristoren gedoofd worden doordat een schakeling

aan de gelijkspanningsbronzijde hun stroom overneemt 1)

en eventueel een tegenspanning aanlegt.

De oorspronkeH.1ke schakeling van Dewan en Duff is door mijn

voor~gerNuijten in gewijzigde vorm toegepast.

7.ijn hoofdstroomschema van de invertor is een uitgangspunt voor mij geweest.

Het hoofdetroomcircuit verzorgt de gehele interaktie tussen

de g-eli.1kspannings- en de wisselspanningezi.1de van de invertor, terwijl de stuurelektronika dit oircuit van de juiste ontsteek-'Pulsen voorziet.

1) Dit proces heet kommutatie.

l.:? D'" Hoofdstroomschakeling.

Deze is in onderstaande fiF('Ullr weergegeven, waarin ook de benamingen en polariteiten zijn aangegeven, zoals die in het vervolg gebruikt zullen worden.

D6

'1}/ ])3 '])5"

•

L/ 19' ,q

""-

.

-1ti./

"'-"/

-rB,. 7/ "'-,.j TJ" - 'l<~" ~

_R.

_.s

_T

e

1) ~.1

_t;"

T8, Til).

TZ

T+

(10)

De vol~nde sekties zijn te onderscheidens

~~ voeding.

Deze be staat uit:

biz. 1.2 van

rapport nr. EM.78-1~

De voedingsspanning U

v' welke afkomstig is uit een

akku-batterij, zodat de energiestroom zowel van de bron af ala

nsar de bron toe gericht tan zijn.

Een kondensator C , welke tot doel heeft de

ingangs-v

spanning konstant te houden. De akkubatterij heeft

name-li~k een nlet te verwa&Tlozen inwendige weerstand en de

voedingsleidingen gedragen zich induktief. Verder biedt deze kondensator bescherming tegen te hoge du/dt op de ingangsklemmen wanneer de voedingsspanning ingeschakeld wordt.

- Een smeltveiligheid S, welke zo snel moet zijn, dat de

thyristoren tegen kortsluiting beveiligd zijn.

Het kommutatiecircuit. Bestaande uit:

Ben kommutatietransformator met de wikkelingen LI, L2 en l't, welke onderling zo vast mogeli.1k gekoppeld zijn. De rloofkondl'!nRator Cd' welke als energiereservoir dienst doet.

De terugleverdiode TIt' welke aan het eind van de kommu-tatie de in de transformator aanwezige veldenergie via de wikkeling L

t aan de voeding teruglevert.

De doofthyristoren

(TAl' TA

2) en (TBI, TB2) welke

(11)

biz. 1.3van

1.2.~ De thyristorbrug.

De thyristoren Tl

tIm

T6 welke de energiestroom van de voedi~

naar de klemmen R, S en T, waarop de belasting wordt aangesloten, verzorgen.

1.2.4 De diodebrug.

Deze bestaat uit Dl

tIm

D6, welke de energieetroom van de klemmen

R, S en T naar de voeding verzorgen. In een uitvoering van de invertor

met on~eko~~elde s~oelen dien zij ale vrijloopdioden dienet.

De werking van het hoofdstroomcircuit.

1.3.1 Door de brugthyristoren onderling met een faseverschuiving van

60

0 te ontsteken en gedurende 1800 in geleiding te houden (dit betekent

dat er steeds een drieta1 in ge1eiding is) kan men aan de klemmen R, S

en Teen drie-fasig spanningssysteem o~bouwen. Wanneer aohteree.volgens

TI, ~6, T~, ~2,

T5

en T4 ontstoken worden, is ~&. periode voltooid en

dan is de fa.sevol~rdeR S T. Tl ~ Gclc.idt.

I

T6 '1',', r - - - l

I

-''*

....--

-!- ---4 - -.---~.---____T_----_!_----...._---__,---j.

*

ontsteek-moment

*

o

_"6

T T I

*

I .1 T

_IT

_Z-T

T - tijd ~ 3 6

fig. 1.2 ne ~1eidi~toe8tandvan de brugthyristoreu

(12)

biz. 1.4 van

rapport

m·m.

78-13

De lijnspannin~n hebben dan de volRende vorm: (fig. 1.,)

t o f + + -U TN

to

1----+---+----""" - t 2U v -3-U RN

t

o t - - - j - - - , t f - - - L . . .

-ll~;T

to

UH.S

to

u

v 1.1 v

fi,o:. 1. ') De Ii .inspannin,ll;'en fi~. 1.4 De fase8vannin~n

Als er een symmetrische belasting in ster aanges10ten wordt, hebben de

spannin~nde in fi~. 1.4 aangegeve. vorm ten opziohte van het

be1 a stin,ll;'ssterpunt N.

Ret doyen van de thyristorbrug.

V66r elke verandering in geleidingstoestand van de brug worden al1e thyristoren gedoofd.Dit doven wordt inp;eleid door hat ontstekeJl van

~~n paar doofthyristoren. Welk paar dat is, is afhankeli.ik van de

pola-riteit van de doofkondt'!nsatorspanninR'.

A~n dp. hand van het volp-ends voo~beeld zal beschreven worden hoe het

doven in zi~n werk f('aRt.

(13)

biz. 1.5 van

rapport nr.EM. 78-13

- de brugthyristoren Tl, T4 en T6 (zie fig. 1.1).

- de doofkondeneator Cd is met de aangegeven polariteit opgeladen tot

ucd(o), waarbij ucd(o) de spanning u_cd ten tijde t - t betekent.

- de doofthyristoren TAl en TA2 worden ontstoken ten tijde t - to.

- er is een induktieve belasting aangesloten, zodat tijdene het doyen de

stromen aan de uitgan~sklemmenR, S en T konstant verondersteld kunnen

worden.

Bovendien wordt de koppeling tussen Ll, 12 en 13 ideaal verondersteld. Ter verduidelijking is op de uitslaande pagina 1.8 (fig.l.5) het verloop

van eni~ spanningen en stromen gedurende de kommutatie weergegeven.

•

Na het ontsteken van TAl en TA2 krijgt punt B' de potentiaal

U_v + ucd(o), waarbij aan de negatieve klem van de gelijkspanningsvoeding

de potentiaal 0 wordt toegekend. Door de koppeling tussen Ll en L2, waarbij

Ll = 12 komt punt A' op de potentiaal - uod(o), vaardoor de Apannin~

uA'B': - U_v - 2u_cd wordt. De stromen i

A en iB willen nu van richting

veranderen. Dit kan echter niet abrupt door de altijd aanwezi~

zelf-induktie, te weten: voor i

A hoofdzakelijk de spreidingszelfinduktie van

Ll, en voor i_B de bedradin~szelfinduktie;deze worden gerepresenteerd

door respectievelijk 1

A en ~. De stroom iA neemt af met diA/dt, dus ook

i

Tl neemt af. Wij veronderstelden iR konstant, due D2 zal in geleiding

moeten gaan om de benodigde stroom te leveren. Daar Tl en D2 gelijktijdi~

geleiden moet de potentiaal op A, afgezien van de spanning over de

ele-uLA -Ucd(o)

menten, 0 zijn. Hieruit voIgt, dat: diA/dt -

-r-.

1

A A

Dezelfde redenering geldt voor i_B : i_B neemt af met diB/dt, dus ook

de stromen i_T4 en i_T6 nemen af. is en iT worden konstant verondersteld,

dus D3 en D5 zullen stroom moeten gaan leveren. Daar D3, T4, D5 en T6

g-eli;lktijdig in geleidin~ zijll, zal de potentiaal B U

v bedragen.

-Ucd(o)

~

De potentiaal op B' is U_v + Ucd(o) waardoor diB/dt =

Tijdens de hier beschreven kommutatie zal het aantal amp~re -wind1n~n

in de traneformator 1.1, 1,2 konstant moeten zijn om het magnetisch veld

te handhaven. Daar 1_A afneemt en dus i₁₁ afneemt, zal 1₁₂ moeten toenemen

met -d1

A/dt, waarbij 11 - 12, omdat ook de afname van 1B gekompenseerd

moet worden, gaat vanuit Cd een stroom naar punt B vloeien, welke toeneemt

d i

A+ iB

(14)

biz. 1.6 van

rapport nr.

m

78-13

De~e ~oestand duurt voort totdat de bru~hyristorp-n s~erren.

Dit. bet.ekent dat i

Aen iB blijven afnemen en zelfs eni~szins

negatief worden door de in de thyristoren aanwezi~ overmaat

aan ladin~sdrap;-ers.Zijn deze Jadinp;-sdrap:ers o~~eruimd, dan

nemen i

A en iB zeer snel af tot de stationaire lekstroom,

waar-door de zelnnduktie van de bedrading een steile spanningspiek

veroorzaakt. Om de thyristoren hiertegen te beschermen is over

elke thyristor een R-C dempnetwerk aangebracht, wat de

induktie--piek be-perkt.

Zijn i_A en i_B nul p;-eworden (t-t

l) en dit is zeer korte

tijd, in de grootte-orde van 1

ps,

na het ontsteken van de

doofthyristoren, dan zal B de potentiaal U_v + uCd(l) en punt A

de -potentiaal -uCd(l) aannemen, zodat u

AB\- - U

v -

2 uCd(l).

Hierbij is uCd(l) ~uCd(O)' omdat de kapaciteit Cd vrij p;root

d ient te zi,in.

De spanning over de gedoofde thyristoren bedraagt nu:

Tl: -~d T4: -u Cd T6: -u Cd

(u

_{A • -}

u

_{Cd '} (~. U_v + u_{Cd '}

(u:a -

_Uv + u_{Cd '} D2 geleidt)

D3

geleidt)

D5

geleidt) De spanning u

Cd zal nu sinusvormig gaan verI open met

een amplitude van U_v + uCd(l) +YlKi_A + i_B), omdat het oircuit

+ U , TAl, Cd' TA2, L2, - U_v _v een slingerkring vormt.

u

Cd neemt af en wordt 0 ten tijde t • t2• Dan dienen Tl, T4 en

T6 hun blokkeervermogen teruggekregen te hebben, want zodra u Cd

(15)

biz.

1.7

van

rapport nr. EM

78-13

Ten tijde t - t

2 is dus de gehele thyristorbrug gedoofd.

Een analoge beschouwing aangaande het doyen van de thyristoren kan worden gehouden wanneer een ander drietal in de brug in geleiding was en/of de doofthyristoren (TBl/TB2) bij negatieve u

Cd ontstoken werden.

N.B. Zolang er stroom door de belasting vloeit en de

brug-thyristoren zijn gedoofd, zullen de klemspanningen R, S 'en T van teken omp;ekeerd zijn.

Het begrenzen van de doofkondensatorapanning.

VoIgt men in het voorafgaande voorbeeld uCdna t - t₂,

dan is te zien, dat deze spanning negatief wordt en af wil

nemen tot de waarde u_Cd - - (UCd(l) + 2 Uv)~- (UCd(O) + 2 Uv).

Om deze opslingering tegen te gsan zijn L

t en Dt aangebracht.

Voor de wikkelverhouding van de spoelen Ll, L2 en L_t geldt

respektieveli,jk 1 : 1 :

~

• Daarbij is

~

_{- ujuCd}

(0) -

u) ,

*

waarbij u

Cd

(0)

een vast gekozen spanning vertegenwoordigt.

Wanneer derhalve ten tijde t - t

3

geldt: ~2 - Uv - uca(o) dan is: u_L • U t

v

en gaat de terugleverdiode D t in geleiding. Dt blijft ia ( 1 I>- 2)

geleidin~ totdat aIle veldenergie -

2

L2 tCd naar de voeding

is teruggeleverd. Zodra TIt begint te geleiden breekt i

Cd af en

u_Cd blijft - U_Ca(

0).

Door di t afbreken van i_Cd is het

kommutatie-circuit zelfdovend.

Wederom kan eenzelfde besohouwing opp;ezet worden als de kommutatie was ingeleid door het ontsteken van TBI en TB2; dan vindt de be-grenzing van u

Cd tot uCd

(0)

plaats door de koppeling Ll,

Lt •

Wanneer tenslotte ~t • 0 is de kommutatie voltooid en kan ee.

nieuwe bruggeleidingstoestaRd ingesteld worden.

*

Voor de keuze van ~zie 2.1.5

(16)

Afdeling der elektrotechniek - Vakgroep elektromechanica

biz. 1. 8 van rapport nr. EM 78-1 3 --- - - - ' - - - ' - - - 1

o

-2u

-u

Cd v -ued Dt -, i... I I 1 ','

'I

'c I: ., i 'i

'I

i.

I

Ii !I'

"L". _

I

:, 1 ' ;,-

i: .

I::"" "

T":

I-- I - , ; ,

f- , -_.! .

.,,~.

-,-TI-' 'IT ,;1"1 ,,' .T'-', ,III,' , --hI11-:7-' .

--+,--'-'-

'1-'1

-"~I---+-t--I:"~ I'! i ,'0 ["ol..c. 'III "~ I , I

. I, " '·,,,1 'I~~ ". • .• ,HI I ,; . j' , . " 1 .. '

""I.,

I : ••• ,t f+i-;-::Irloi.i.u~ ,4,~.J·

..

J._; ..__ .... ;

!

::,1,

I

i

~~~i,' ,Ii, I I~ I !

(17)

1.4 De stuurelektronika.

1.4.1 De eisen.

biz. 1.9 van

rapport nr. m.78-l3

In fj~. 1.2 is reeds te zien welke vorm de stuurpulsen, die

vanuit de stuurschakelin~komen, dienen te hebben~ Esseltieel is, dat

het lange pulsen zijn, daar het moment, waarop .en thyristor in

gelei-din~ kan ~n, niet met het begin van een interval samen hoeft te Tallen.

Dit wordt veroorzaakt door het induktieve karakter van de last en de aan-wezigheid van terugleverdiode••

Zie ook page 68 van(L2~

Elk~ toestandsverandering in de konfiguratie van pulsen zal

ingeleid moe ten worden door doofpulsen, afWisselend voor TA en TE. Dit kunnen korte pulsen zijn, daar de doofthyristoren direkt na

ont-steking stroom gaan voeren.

Pas nadat de doofkondensator weer geheel opgeladen is, zullen er weer ontsteekpulsen mogen komen, zodat een ontsteekvertragingatijd

t_{v m}i_:n gegarandeerd moet zijn._.

Een regeling van de relatieve geleidingsduur van de brag-thyristoren maakt het mogelijk om de spanning - tijdintegraal aan de

uitgang te beheersen. De pulsen voor een brugthyristor en een doofthyristor krijgen dan de volgende vorm:

T1W

_~

_{Ji.J "}

I

r-I I I I I I I

i.r-

tr

!~Mi.

j

I I

Iii

I

~

I

\ I I~ _-I

71

I

fig. 1.6 Uitgangspulsen van de stuurschakeling.

Hierin is: t de ontsteekvertragingstijd

v t de pulsduurtijd 'P t ----L _{de relatieve geleidingsduur} t +t v p

T de -periodeduur van de uitgangsspanning.

(18)

biz. 1.10van rapport nr. EM

78-13

rembedrijf --- motorbedrijf - - dissiPatorbedrijf! ... generatorbedrijf

"

/ / / / / / / / / / /

Tenslotte dient de elektronika een regeling van de periodeduur T mogelijk

te maken, zodat de frekwentie f

i van de uitgangsspanning instelbaar is van

0-100 Hz.

mr

is evenwel niet JlaB.r gestreefd oa lagere frekwentieevan 0,02 Hz op te kunnen werken en weI om drie redenen:

1 De invertor is bedoeld voor de voedin~van imduktiemachines met

kort-~sloten rotor. Wordt hierbij ~zorgd voor het Rominale veld in de

machine en de nominale waarde van de sliphoekfrekventie l O r · lOS P (Om

(zie L

13)

dan levert de machine zijn nominale koppel. Wanneer de

machine as stilstaat, bedraagt de invertorfrekwentie in dat geval

in de praktijk 1 - 2 Hz. Wordt de machine as vervolgens aangedreven

met een hoeksnelheidu~egengellteldaan !.lJ

s ' dan zal f i evenredi~ moeten

dalen. Is 0,02 bereikt, dan wordt hat stuurpatroon zodanig gewijzigd,

dat de fasevolgorde van de 'invertor omkeer~en de richting van !.lJ_m

aanneemt. De machine spriR~ dan van dissipator naar generatorbedrijf.

2 x 0 02

ntt betekent een nauwelj jkll merkbare apron,; van l ' • 4

%

:t,n de

sJip, zodat het koppel vrijwel konstant zal blijve_.

Daarom is 0,02 Hz a18 laagate frekwentie zeker toereikend.

In onderstaande figuur is het verband tussen de invertornitgangs-frekwentie en de werkgebieden van de maohine bij nominaal koppel weerp;egeven. Een tegengestelde draairichting wordt hier gerepresen-teerd door een negatieve hoekfrekventie.

U)m

t

fig.

1.7

Werkgebieden bij nominaal koppel

(voor verwaarloosbare statorweerstand)

2 Een oscillator, welke bij zeer lage freleventie nog stabiel blijft

werken en meer dan een faktor 1000 in freleventie re~elbaar is, is

uitsluitend met dure en moeilijk verkrijgbare komponenten realiseerbaar.

(19)

blz.l.ll van

rapport nr. EM 78-1,

i

Rij de t08Kep&ste etuTjnKsmethod~is het koppel bij de bovenKenoemde

lage frekwentie dermate pulserend, dat machinebedrijf in dat gebied

niet dnvol is.

Voor de praktische uitvoering dient nog rekening gehouden te worden met een hoge ongevoeligheid voor stoorspanningen en de aanpassingsmoge-li,ikheid aan bestaande pulsversterkers.

Bovendien moet er een programma ingebouwd zijn, dat zorg draagt voor het opladen van de doofkondensator v66r het starten van de invertor.

1.4.2 De uitvoering.

Voor de beschrijving van de elektronika wordt verwezen naar het

schema op page

A.3.

De elementen worden aangeduid met een volgnummer

en de fabrieksnaam. Zo betekent 4FZHlll:

het vierde element dat door de fabrikant FZHlll is genoemd. De aansluitingen worden als voIgt aangegeven: 4FZHlll(12).

Dit betekent: poot nummer 12 van het ~lement 4FZHill.

ne logikasymbolen zijn weergegeven zoals neergelegd in het

normalisatie-blad NF.N 5152.

Zoals hiervoor beschreven kent de thyristorbrug zes

geleidings-tnestand~n. Zes toestanden kunnen worden verkregen door een

schuifregis-t~r zes toestanden te laten doorlopen op kommando van een kloksignaal,

~fwel door een osoi] latorsiKnaal door zee te delen en eJke toeBtand van

de 7.l'!s-ol"ler te rletekteren.

Gekozen is voor een zl'!s-deler schakeling, omdat de komponenten een-voudig verkri.iKbaar zi.in en de geheugeninhoud zeer stabiel aanwezig is. De deler wordt bestuurd door een oscillator, waarvan de frekwentie en de relatieve "hoog"_tijd regelbaar zi.in. Met "hoog" wordt hier het 10-gisch I-nivo bedoeld; dit komt vrijwel met de voedingsspanning overeen. Beide regelingen aan de oscillator geschieden door instelspanningen, zo-dat de aansluiting van een regelsysteem aan de stuurelektronika eenvoudig is. Het start-stop systeem zorgt ervoor, dat de zes-deler in een juiste positie start en dat de doofthyristoren viermaal worden ontstoken, voor-dat de brugthyristorf'm il\ geleiding komen. Dit laatste zorgt voor voldoen-de lading op Cd voor voldoen-de eerste kommutatie. Een bloksohema van voldoen-de sturing is op de volKende pagina weergegeven.

(20)

l> ~ 0:. CP ro

n

:;' ~_:J \0

;.

0-ro

n

.... ~ ro tI 10 _:::I: ~ 0 .... _CC 0

co

CP (") tn ::T

n

::J ::::r it)' 0 '7<

2-< m III

S·

'7< D-\0_.... _::::r 0 ₀ ro _< '0 _CP ro :J 10 ~ .... 0 3 ro (") ::T III ::l n' III 1 - - - 4 1. -

a'

e.

Lu-1---1/,lttJi

s~".9nA4' 1---1---,-,.,

inslel

~u,~

I"n,,.

.I~,.S

fig. 1.8. Blokschema van de stuurelektronika

.... _c::r III _N '0 '0 0

.

~

...

..

_f

_T~TI; ::l N r _::'" < t:z:l III ~ ::l ... 00 I

...

W

(21)

biz. 1.13'"'an

rapport nr.EM. 78-13

~~_os~111~~2F-~ Nadat aanvankelijk oscillatoren gebouwd waren, bestaande

uit l!~n operationele versterker of een eenvoudige zaagtandgenerator, bleek

a] spoedig oat dit soort schakeJingen te storingsgevoelig is. De oscillator

is het enige analoog werkende gedeelte in het geheel en dit vormt tevens

het meest gevoelige deel.

Ret oscillatorsip;naal wordt in de toegepaste schakeling zaer zorgvuldig volgens de volgende methode opgebouwd:

f [b ·~3:rE.;rlZ_valling _I<.

J L

r

_r

u

tot l i r

-J

ffi

u

X

~ r - - r -

:::u

, -Dcg\·(!n~.ing vu..:n f - - )(

-1

J I

-u

tot -U

_r

,J

lJlJ

~

+

,J kUIlllJacator uit

U l i

f Up r

->

fi~. 1.9 De reg-elbare oscillator.

De beide spanningsbegrenzers zorgen ervoor, dat de spanning op het

punt X 6fwel u

f 6fwel - uf bedraag-t, afhankelijk van de ui tgang van de

Schmitt-trigger. De spanning ou het punt X, bijvoorbeeld u

f' wordt

ge-lntep:reerd totdat de integratorui tR"angsspanning het triggernivO u

t

bereikt, waardoor de spanning aan de trigger'lli tgang - U word t.

Daardoor komt X op het spanni~snivo- u

f' de integrator integreert

tot u_t en de triggeruitgang wordt U. Zie fig. 1.10.

De driehoekvormige uitgangsspanning van de integrator wordt ver-g-eleken met een variabele spanning- u , waardoor aan de uitgang van de

p

komuarator een blokspanning met variabe1!e hoog-ti,id ontstaat.

Het vergelijken met een driehoekspanning heeft het voordeel, dat zowel de opgaande als neergaande flank van het te vergelijken sip;na.a.l steeds zo steil mogeJijk zijn, waardoor de komparator zo snel mogelijk zijn

omklannunt passeert. Dit is in het bijzonder bij lage frekwentie van

beJang.

(22)

LI

Atdeling der elektrotechniek - Vakgroep elektromechanica

r----..,....---., - - - ...-.---.----+-I I I o t----t----!I~---+---_tl_--_+I

----+----I I J~ f I

, - I.,f I---~- - - _J J- -

-r-JI----,-I biz. 1 • 1 Ll-van rapport nr. j':M. 7 [3-1) integrator trigger uitgangsspanning

u

r-_r--__.- - - , I , I I I I I I I ~-

__

-_'~-

..._- - -

.f---~-__!"--fig. 1.10 Spanningen in de oscillator

komparator

11itl~a.ngss paw1ing

=

Uuit

U1'

=

uf2 Uf2 >ufl

De:2',e osc~ill<ttor wordt gevormd door de: volgendc komponenten: ~ 7~1 cn 5 7~1 : de begrenzcrs

1 7~.,

·

_{dl: j.nvertor voor U1'} ,

·

,

11 7/1_,1 _: _de: _integrator

5 7n : de ~chmitt-trigger. 301

· _·

de komparator.

~)tur inC! van <le brugthyrL~toren. He t oscilla tor-u'Lit{~an!~'ssignaal pas-sccrt cen

556

tijd:;chakeling, welke een tvminvan 180 ps garandecrt. De bej.de lElll flip-flops zijn als driedeler geschakeld. Daaruit

I

worden ciric nel:r{';aande sjBnalen afgeleid, welke iauer met een toe-s t:mdrwerander inC; van de driedeler korretoe-spondereh. Deze toe-s ignalen l,oiCn dicnst als kloksignalen voar de 3l!tlll en 4Hlll flip-flops,

:6odat aan hun uitc;anr,-en zas signalen ontstaan,onderling 60overschoven.

Dc:~c zcs signalen worden met het vcrtraagde oscillatorsignaal toege-vocrd aan zes :F'ZHlll poorten.De vertraging 1)

v~n

1,2 ps vindt plaats

in de HI09 poort en het ui tgangssignaal doet die:nst als klokpuls. 1) De vertraging werkt uitsluitend bij het hoog iworden van het

(23)

blz.l.le; van

rapport nrEM. 78-1~

Dit klo~ulssysteemis Doodzakelijk, omdat de uitgangsspanningen van een

om~lappendeflip-flop bij benadering de volgende vorm hebben:

Uuit 15V t - - - _ .

t

---'ftM

s - _ t .fig. 1.11

het omklappenvan de uitgangen van een flIp-flop.

Daardoor kunnen twee thyristoren gelijktijdig in geleiding komen wanneer

zij direkt san de uit~gen aang8s1oten zija.

Bi~ veranderin~nin bruggeleidingstoestand worden aIle thyristoren

p:edoofd. Het IHI09(6) sip:na.a.l zorgt ervoon'dat gedurende t geen van de

v brugthyristoren een poortpuls krijgt.

De poortpulsen voor de brugthyristoren worden gevormd door reeds bestaande

~ulsversterkers,die voorzien zijn van optische koppelingen voor de

gal-vanische scheiding tussen de elektronika en het hoofdstroomoirouit. Voor een beschrijving van de pulsversterkers zie (L2) en (L3).

Sturin! van de doofthyrietoren. Het oscillatorsignaal 4FZHlll(7) wordt

toegevoerd &an een tweedeler, de 4Hlll, en een

556

tijdsohakeling.

De 4Hlll zorgt ervoor dat TA en TB beurtelings ontstoken worden.

I

De tijdsohakeling begrenet de pulsduur zodanig, dat dr pulstransforma-toren juist niet verzadigd worden. Aan de beide emittervolgers kunnen weliswaar direkt pulskastjes aangesloten worden, maar om de bedrijfs-zekerheid te vergroten is een eindtrap toegevoegd, welke laagohmig

ge-stuurd wordt. De eohakeltransistoren worden snel in verzadiging ~stuurd

en kunnen via de basis-emittor weerstand ook weer snel de lading in de

I

basis kwi~traken

Het starten. Na het startkommando wordt de lijn naar IHI09(S) hoog,

waardoor deze poort vrij komt voor de

overi~ 8ignale~.

De S-inp,ang van de 2Hlll wordt laag, waardoor de erop aangesloten

flip-flops ~n rea~eren op hun klokpulsen. Tevens komen de HI03

poorten vrij en de doofthyristoren beginnen te werken. De beide

~Hll1's tellen vier neergaande flanken van de osoillator, hetgeen

I :

(24)

blz.l.16van

rapport nr.EM 78-13

overecnkomt met vier doofpulsen, waardoor Cd tot zijn eindwaarde Hordt ope-eladen • 7,ie A.2. Daarna klapt de 2Rlll flip-flop om en houdt zichzelf in de utand met cen hoge uitgang.

Door het hooG worden van de 2Hlll komt de poort IHI09 vri.j voor hut ou(:11latorsiGnual cn produccren de beide IFZRlll's cen 60ys instelpuls, welke de gehele delerschakeling in ~en vaste uitgangs-positic brengt. Na deze puIs is de gehele invertor gestart.

Hut stoppen. Na het stopkommando worden via de lijn naar IHI09(5) direkt aIle pulsen naar de thyristorbrug afgebroken. Het doven gaat cchtcr door, totdat een neergaande flank van eert doofpuls voor TB aan 2FZRlll(12) verschijnt. Daarop reageert de 2Rlll welke inmiddels vri.j{7(~gevcn Is, door het hoot"," worden van de S-ingang. De 2Rlll krijgt

tI,I:It"lIIl'C el'IlI:~fl:c II i tp;nnf7, w:t:I:rmoe til) doofthyrintorlm worden af{l:f~:1(~h:l-k~ld en de ~chele nturtschakeling in de uitgangsuituatie wordt ge-br<'lcht.

4FZH II I(7)

osci Hator

lHI03(3)

"s~J

I"

stop"

TA

~

II

TB

~

IFZHIII(7)

U

Tl 2H I I I

~

(25)

Technische Hogeschool Eindhoven blz.I.11van

Afdeling der elektrotechniek - Vakgroep elektromechanica rapport nr. EM 18-1~

, - - - _...

__

._---_._-_...__._--...

__

._-..

_---_.--'----

---Extra voorzieningen.

Een in~n~ van de IHI09 is vrijgehouden voor het aansluiten van een

chopper, welke de etuurpulsen in stukjes hakt, zodat de spanning --tijdintegraal verminderd wordt, waarbij ook het frekwentiespektrum van de uitgangsspanning bernvloed wordt.

- De klokpuleingangen 4HIll(15) en 3HIII(lS) kunnen met.een dubbelpolige omschakplaar verwisseld worden, waardoor de fasevolgorde omkeert.

1.4.4. Essenti5le punten bij de realisatie.

Bij het opbouwen van elektronika, welke moet werken in een omgeving met energierijke storingsvelden, zijn de volgende zaken van wezenlijk belang:

I De logische schakelingen dienen een van nature hoge storingsdrempel te

bezitten. De ~erealiseerde sohakeling is uitgevoerd in HLL, High Level

Logic, welke ~evoed wordt met 15

v.

Jndust1."iSel past men nog hogere voedingss'Panningen toe.

2 De verbindingslijnen dienen zo kort mogelijk te zijn.

i

De impedanties moeten zo laag mogelijk zijn om kapaoitief gernduceerde

stuurspanningen laag te houden. Dit geldt zowel voor het analoge als het

digitale gedeelte, waar het zelfe zin kan hebben, de ~lokpulslijnen bij

de ingangen met een weerstand Raar de voeding te leggen. In het bijzonder

zi,in fHp-flop-schakelingen zeer kritisoh op de klokpiu,lsvorm (L5).

~ De voedingsspanning moet op meerdere plaatsen hoogfrekwent ontkoppeld

worden.

2

Regel- en instelspanningen moeten storingsvrij gehouden worden door er

elm kapaci tei t over aan te brenglm, daar waar zi.1 desohakeli~ binnenkomen.

6 Niet ~ebruikte ingangen van Ie's dienen een gedefinieerde potentiaal te

krijgen. Bijvoorbeeld: aIle niet gebruikte ingangen van de HLL. liggen aan de voedingss'Panning.

1

AIle uitgangen moeten van een buffertrap voorzien worden.

8 In gevallen waarbij hevige storing optreedt kan verbetering worden

be-reikt door een voeding toe te passen, welke kapaoiteitsarm is ten opziohte

van het elektriciteitsnet, en d~ behuizing te aarden.

2

Aarding dient bij voorkeur aan "n 'Punt nabij het gevoeligste punt van

de schakeling plaats te vinden. Wanneer dit moeilijk uitvoerbaar is,

(26)

biz.1.18van

aan te snijden.

10 Er moet aan racing conditions voldaan zijn. Dit geldt natuurlijk

altijd voor di~itale schakelin~n, maar vooral bij

storingeinvloe-den kan het enip;e tijd duren (bij HLL in de orde van enige tien-tallen ns) voordat delers, tellers of schuifregisters hun nieuwe evenwichtstoestand hebben bereikt. Men moet derhalve zeer voor-zichtig zijn met het samenvoegen van signalen, welke verschillende

we~en hebben ~vol~.

1.5 Meer verfijnde sturingsmethodes.

De belangrijkste opgaven van de besturing zijn de instelbaarheid

van de uit~n~sfrekwentieen de kontroleerbaarheid, van de machineflux.

Daar bij spanningsinvertoreB de uitgangsspanning konstant is, 1)

kan de spannin~tijdinte~l,welke de machineflux bepaalt, aIleen

gevarieerd worden door de spanningsblokkell, aan~duid in fig. 1.3,

de.

De breedte van deze blokken kan in mi~n schakeling van nul tot

maxi-I

male waarde (als in fi~. 1.3) geregeld worden door variatie van de

ont-steekvertragingstijd tv' welke ingesteld wordt met; de regelspanning up. Wanneer t.".O worden de blokken smaller en krijgen oiok de spanningen van

fig. 1.4 een ander verloop. Nu bevatten spanningen als in fig. 1.3 al vpel bovenharmonischen: hun aandeel neemt nog toe, naarmate tv toeneemt

en de blokken smaller worden. (een dirac-puIs heeft een oneindi~breed

vlak spektrtUII). De harmonischen in de spanning veroorzaken harmonischen in de machinestroom. Deze geven op hun beurt aanleiding tot koppels. Omdat deze koppels behoren bij draaivelden, die een p;rote slip hebben

ten opzichte van de rotoras, leiden zij tot verwarming Vaft de machine.

Tevens ontstaaa er veelal mechanische trillingen.

1) Er bestaan spanningsinvertoren, gevoed uit ieen variabele

spanningsbroJl; de uitgangsspanning is dan gedurende een

I

periode weI konstant en de hier beschreven methodes

worden dan uitsluitend toe~epast ter onderdrukking van

(27)

biz. 1.19van

Om het aandeel van de grondharmonische 1) te vergroten, zijn vele

sturin~smethodenontwikkeld, waarvan ik er enkele wil noemen. AIle werken

vol~ens het ~rinoipe van de pulsbreedtemodulatie, waarbij allereerst

opge-merkt dient te worden, dat de vaste sohakeloyklus, zoals genoemd onder 1.3,

los~elatenwordt.

Het gemeensohap~elijkevan de onderstaande modulatiemethoden is, dat hierbij zowel frekwentie als "uitgangsspanning" tegelijk geregeld wordt.

1.5.1.Natuurlijke bemonstering.

De gewenste uitgangss~anningvan een invertor is een zuivere sinus

met een bepaalde frekwentie

Ii

en amplitude

A.

In de stuurschakeling wordt

die sinus o~gewekt met een frekwentie f

i en een amplitude die evenredig

is met A. Deze sinusgolf wordt modulerende golf (modulati~wave) genoemd.

In de stuurelektroBika wordt verder een driehoekvormige draaggolf o~gewekt,

met een frekwentie f

c die onafhankelijk is vaa fi, m~ be~aald wordt door

de maximale schakelfrekwentie van de invertor.

Het modulatieproces berust hier niet op een ve~enigvuldigings-,

maar o~ een ver~lijkingso~eratie;de momentele waarden van sinus en

drie-hoek worden voortdurend met elkaar vergeleken en op de punten waar zij &an

elkaar gelijk zijn,kla~thet modulaat - een schakelfunktie - om. Daar de

schakelfunktie juist o~ de snij~untenvan sinus en dr!ehoek omklapt, wordt

dit proces natuurlijke bemonstering genoemd.

Voor elke fase R, S en T worden aparte sinusgol~en opgewekt,

onder-lin~ 1200

verschoven. Zij worden aIle met dezelfde draaggolf vergeleken en het resuJtaat is een drietal sohakelfunkties, die elk in de korresponderende brup;tak bepalen of de bovenste of de onderste thyristor geleidt.

Het beschreven prooes is no~aals weerge~even in fig. 1.13.

1) Hierbij is de term grondharmonische in wat afwijkende zin

gebruikt; het is niet de laagst voorkomende fre~entie,

!

maar weI die met de gewenste waarde.

(28)

biz. 1.2CfJan rapport nr.Em 78-13 t Modulating WeN8(d Modulating V,l-- roo-- I

t

V

,..-

....

---

~

-t

-

....

I V I"'"" roo-

r----

t

-V

-Mo~lating waves lind carrier WiNe

•

Modulated wave (a)

•

Modulated wave (e) Modulated wave (b)

Natuur1ijke bemon8terin~.Brons L14(1).

I

op deze wijze de fourier-met de frekwentie f

i bezit,

2

komponenten, mite f_e> -; f_i•

gewenste komponent f_i in de overige

Hit bemonsteringstheorie8n is bekend, dat

ontbinding van de lijnspanningen een kom~onent

die Kroter is dan aIle andere

2

Is f c

<";:;

fi ' dan verdrinkt de komponenten.

Daar de draaggolfen en het modu1erende signaal geen vaste re1atie

,

hebben, varieert het frekwentiespektrum voortdurend in de tijd en ontstaan

er interferenties, die la~ere frekwenties bezitten dan f • Deze worden

onder-e

harmonischen genoemd en in (L14) geanalyeeerd. Voorts ~ordt in deze

litera-tuur ~wap; gemaakt van het optreden van gelijkstroomkomponenten (zie in

bo-venstaande figuur de ongelijkheid van de fasen) en hat ontstaan van stoot.

stromen. Dit is een belangrijk nadeel van deze methode. Experimenten

we-zen uit,dat zij aIleen bruikbaar is voor f

(29)

biz.1.21 van

rapport nr. E}II 18-1~

~

'C

1.5.2 Natuurlijke bemonstering met vaste verhoudins ~

1.

Door f

c en fi een vaste relatie te ~ven, wordt het

frekwentiespek-truro stabiel in de tijd en bestaat uit een diskreet aantal komponertten.

N.B. Wij sluiten hierbij voor f

If.

de irrationale getallen uit.

c 1.

Er zi~n nu de volgende geva11en te onderscheiden:

- f

If.

iR een rationale breuk. De uitgangsspanning zal nu een patroon

C 1. I

vertonen, dat een periode bevat die groter is dan

I/f ..

Er komen dUB

1.

onderharmonischen voor. In onderstaande figuur is ~en voorbeeld gegeven

i

van f

If

i

= 5/2.

Het schakelpatroon herhaalt zich met de halve

invertor-C i

uit~n~frekwentie. fi/2 is dus als onderharmonische aanwezig.

Modulating wave Carrier wave Modulating wav. dnd :;,rri.r ':IV • . d,mDling ,onts Switching points PWM wave -v I

,

r - -

rr-

-I ,

I

_I

,

I

_I

I I I t I I I

1

I I

-

_I

,

'---1

I

1

_.1

Tj'

-,-

f l _I

,

I _i f;

-,

Modulation pI'OC.ss for one Iltlase

• 1.14 Ontstaan van onderharmonisohe•• Bron, 114 (1).

i

- f = k.f., waarbij keen natuurlijk getal is. De uitgangsspanning is

c 1. I

dan periodiek met I/fi; er komen dus ~en onderha~onischenvoar,

het~een beslist noodzakelijk is om een goed machin~bedrijfmogelijk te maken.

(30)

biz.1.22van

In

(L14)

wordt bovendien ~meld dat experimenten het volgende uitwezen:

- Wanneer f c

=

3 k.f

i, dan komen er geen drievoudige harmonischen in de

lijns~ingToor.

- Wanneer f_c

=

(2 k + 1) f.₁t dan komen er geen even harmonisehen in de

lijnspanning voor. De voorwaarde f

c - k.fi moet ala noodzakelijke voorwaarde gezien wordeR

(IJ.14)

en is te vertalen in: de periodiciteit van de draaggolf moet in de

modulerende golf terug te vinden zijn. Dit is de basisgedachte waarop de volgende methoden berusten.

1.5.~ Natuurlijke bemonstering via de in de kommunikatie-techniek gebruikelijke bemonsteringsmethode.

CarTier wave and regular sampled rrodulating wave SarT'4lling instants Switching Instants fig.

1.15

bemonsterings-methode

3

Bron:

L14 (1)

PWM WavefOrm or sWitching function -v

V66rdat de modulerende golf vergeleken wordt met de driehoeksspanning,

zoals onder

1.5.1,

wordt deze bemonsterd op het moment dat de draaggolf

een extreem heeft. De bemonsterde waarde wordt opgeslagen en dan pas

ver-~eleken met de grootte van de driehoekBspanni~.Metingen toonQen &an, dat

het bruikbare frekwentiegebied loopt vanaf f_c • 2 fie

Er traden vrijweJ geen onderharmonisohen op, hoewel f

o en f1 niet

(31)

1.5.4 Natuurlijke bemonstering met steeds herstarten

v'1.n de draaggolf. biz. 1.23van rapport nr. E1"! 78-13 0 _{_ I :} fig. 1.16 -I Bemonsteringsmethode 4 I ll(l)

t

0 -~ -\

Hierbij wordt de driehoekvormige draaggolf met vaste frekwentie f c bij elke nuldoorgang van de modulerende golf op -1 of +1 weer gestart,

~fhankelijkvan het teken van de afgeleide in de nuldoorgang. Er treedt

verschuivingssymmetrie in de schakelfunktie op, waardoor even bovenhar-monischen in ieder geval afwezig zij_. Daar het sohakelpatroon per periode en per fase hetzelfde is, komen bovendien geen

gelijkstroom-komponenten en onde~harmonischen op (L4), hetgeen door meetresultaten,

die in L14(2) ~emeld worden, bevestigd wordt.

l.~.~ Andere bemonsteringsmethoden.

Behalve boven~enoemdenatuurlijke bemonsteringsmethoden bestaan er

nog andere modulatiemethoden, die geen gebruik maken van bemonstering,

bi.ivoorbeeld door uit de spanningsblokken een vooraf ingesteld aantal stukken weg te snijden bfwel met gelijke breedte, zoals LSssbroek het deed, bfwel met variabele breedte om harmonisohen effektiever te

onder-drukken. In beide ~vallen dient het aansnijpatroon per peri ode en per

rase ge1ijk te zjjn (L4) om onderharmonischen en ~lijkspanningskompo

nenten te vermijden. Bij deze method en wordt uitgegaan van de

basisgo1f-vorm zoals in mi.in elektronika,waarui t het vaste patroon wordt uitgesneden In het algemeen 1eidt dit tot vrij sterke bovenharmonischen (L14(2) en L2)

(32)

blz.l.24 van

'renslotte wil ik no~ een bemonsterin~smethodenoemen, uniforme

bemonstertnp: ~naamd, die een schakelfunktie produceert met gelijke

inter-vallen, waarbinnen de relatieve hoog-tijd afhankelijk is van de momentele \laa.rde van de modulerende sinus aan het begin van een interval.

In de praktijk wordt dit ala voIgt gerealiseerd:

Het be~in van een interval wordt gegeven door het maximum van de

driehoekvormige draaggolf. De momentele waarde van de sinus aan het begin van het interval wordt vervolgens gedurende het gehele interval onthouden en met de driehoek natuurlijk bemonsterd. Zie de onderstaande figuur.

Uniforme bemonstering. r - - - - &&n interval - I +1

1.IJiJt

1i..lt

)t

o

~--+--+--~..---I--'r---j~--..-o

tt--t---+-/---+--+-+---_

t -I uniforme bemo~steriBg

(33)

blz.l.25 van

rapport nr. EM

78-13

1.').6

De methodes

1.5.1

en

1.5.?

zijn ~otendeels theoretisch

reeds geanalyseerd. Voor het berekenen van het spektrum wordt

ge-bruik ~em~~kt van snel-konvergerende Kapteyn-reeksen.

L14

en: G.N.Watson, A treaties on the theory of Bessel

Dll1ction. D.P., Cambrid~e

(1966).

Voor ee~ ~oede machines turing komen de methoden

1.5.2

(met f_c

=

k.f_i),

1.5.3

en

1.'5.4

in .aanmerking,waarbij aan beide

laatste nog vri.1wel ~een theoretisch onderzoek verricht is en

der-halve aantrekkelijk zijn voor een nadere besohouwing.

De mpthoden waarbij de ~ondgolfwordt aangesneden blijken bij

de-zelfde schakelverliezen (hetde-zelfde aantal kommutaties oer ti.1ds ... eenheid) toch al ti.1d een groter aandeel aan harmonischen te

produ-oeren dan bemonsteringsmethoden.

(L14(3) ) •

Bemonsteringsmethoden vereisen echter no~l komplexe

stuur-schakelingen, in het bijzonder de uniforme en de natuurlijke methode

met f_c = k.f_j , waarbi.1 rlraagp,'olf en modulerende golf gesynchroniseerd

moeten zijn, terwi.l1 de maximale kommutatiefrekwentie niet

overschre-den mag woroverschre-den. In de praktijk lost men dit op door k in stappen te

varHiren.

synohrone natuurlijke bemonBterin~.

Ret meest aantrekkelijke lijkt nu de methode

1.5.4,

waarbij

uitsluitend nuldoorgangsdetektie als extra aanwezig is.

(34)

~---Technische Hogeschool Eindhoven

Eerder gerealiseerde stullrsohakelingen.

biz. 1.26van

rapport nr.EM.78-13

Nuijten (L3) wekt drie 1200 versohovea, trapjesvormige krommen op,

die een sinus benaderen (vergelijk fig.l.14) en als modulerende golven dienst doen. De draaggolf wordt verkregen door de spanning aan de inver-toruitgangsklemmen ten opziohte van een kunstmatig sterPUnt te meten en

te integreren. Deze geIntegreerde uitgangsspannin~is een maat voor de

fluxverandering in de machine, waarvan het gewenste verloop aangegeven

wordt door de modul~rende golven. De snijpunten van de draaggolf en

modulerende golf leveren een schakelfunktie op welke het geleidings-patroon in de thyristorbrug verandert.

nit prooes kan als voIgt besohreven worden:

Wordt de draaggolf van bi,;voorbeeld klem R in absolute waarde groter dan de gewenste absolute waarde, welke aangegeven wordt door de bij fase R hehorpnrle morlulfllrende golf, dan dooft de ,;oehelA thyristorbrug.

Direkt rlaarna. worden in de takken S en T de thyristoren weer ontstoken. Tn principe is het geleidingspatroon van de brugthyristoren gelijk aan dat in mijn schakeling, met dit verschil, dat er door de

spanningsrege-ling ~~n of meerdere thyristoren kunnen worden gedoofd (in het

boven-staande voorbeeld een in tak R) en er dus Minder dan drie gelijktijdig in geleiding kunnen zijn, hetgeen een afwijking betekent van vat bij spanningsinvertoren gebruikelijk is.

Dit regelsysteem zou werken bij een ~~nfasesY8teemmet

induktie-ve belasting: daarbij keert de spanning bij hat doyen van teken om en de getntegreerde spanning neemt weer af.

In een driefasensysteem met machinebelasting wordt de uitgangs-spanning aan een invertoruitgangsklem niet uitsluitend bepaald door het a1 dan niet in geleiding zijn van een thyristor in de desbetreffende bnlgtak; de geleidingstoestand van rle beide andere takken en de machine-spanning zijn mede bepalend. Zo kan bijvoorbeeld nog geruime tijd de aan de ontstoken brugthyristor parallel staande diode geleiden, zodat het niets uitmaakt of die thyristor nu gedoofd wordt of niet, met andere woorden de spanningsregeling kan in die brugtak niet ingrijpen.

Vervolgens is in het systeem van Nuijten niet voldaan aan de eis, dat de modulerende frekwentie en de draaggolffrekwentie een vaste

korrelatie hebben om onderharmonischen en gelijkstromen te voorkomen. Tenslotte was zijn elektronika tamelijk komplex en uitgevoerd in TTL logika. hetgeen de praktische bruikbaarhetd verminderde.

(35)

biz. 1.27 van

L5ssbroek (L2) wekt een vast geleidingspatroon als in fig. 1.2

Ope De stuurpulsen worden verkregen door deling van een

oscillator-signaal met behulp van twee synchroon lopende, maar in fase verscho-ven driedelers. De oscillator ia gebouwd rond een operationele ver-sterker, welke de laadkurven van een kondensator vergelijkt met een instelbare spanning.

Door de flauwe hellingen is dit een bron van storing.

In deze schakeling is ook niet voldaan aan punt 10 van 1.4.4. Bijvoorbeeld:

1 Het uit fase starten van de driedelers ging niet altijd feilloos,

daar de klokpuls voor een van beide driedelera uit signalen wordt opgebouwd, komende uit dezelfde bron maar met verschil-lende looptijd.

2 Het signaal komende van GHI02(8) wordt gedeeld in BHlll en

Alilll. Dan wordt AHlll(9) en AHlll(lO) opgeteld in respektie-velijk AHI03 en CHI02. Door de looptijden in BRIll, AHlll en GHl12 kunnen aan de uitgangen van CHI02 en AHl03 valse pulsen ontstaan.

Het onderstaande oscilloskoopbeeld toont de klokpuls van de EHlll flip-flop, welke een keer te veel omklapt ten gevolge van. valse pulsen. Slechta de eerate opgaande flank is gewenst.

t

u 3 V/schaaldeel gemeten met Philips oscilloskoop PM 3253 L5ssbroek-schakeling t -0,1 us/schaaldeel

(36)

r - - - , - - - , Technische Hogeschool Eindhoven

biz. 2.1 van

rapport nr. EM 78-1,

HOOFDSTUK II.

Berekening aan de hoofd~troomschakeling.

Het kommutatiegedeelte.

Deze schake11ng heeft de volgende funkties:

1

Zorgen voor een direkte kommutatie van de machinestroom naar de

terugleverdiodes.

~ Het overnemen van de stroom, welke eerst door beide epoelen 11 en 12

vloeide, door ~~n van die spoelen. In die epoel wordt de stroom nu twee

maal zo ~oot,waardoor het veld in de kommutatietransformator konstant

bli1ft. Deze stroom vloeit nu in de doofkondensator Cd.

2

Het gedurende een bepaalde tijd t

d aanleggen van een sperspannin~

over dp te doven thyristoren.

201.1 De vereiste dooftijd tdo

Gedurende de dooftijd t

d dienen de gedoofde thyristoren hun

blokkeerver-mogen terug te krij~eno Een maat voor de snelheid waarmee zij dat

blokkeerver-mogen teru~ krijgen is de hersteltijd thO Voor een invertor worden snelle

thyrintoren, dit zijn thyristoren met een korte t

h, toegepast om hoge

schakel-frekwenties en een eenvoudiger komm~tatiecircuitmogelijk te maken, doordat de

komponenten, die t_h moeten garanderen, kleiner kunnen zijn. Voor de toe~paste

thyristoren van het type CS78 wordt door de fabrikant t

h = 20)ls opgegeven,

onder kondities volgens DIN 41787. Daar in deze invertor niet aan deze kon-dities is voldaan, werd t

h gemeten, gebruik makend van de volp;ende

stroom-- t en sperspanningsvorrn: - - - j - : 1

t

'0

V

-300 - t

I is de stroom die juist v66r het afschakelen

o

door de thyristor liep. De thyristorepa.nning neem

vanaf -300 V toe volgens een e-macht.Teneinde t_h

tA kunnen bepalen wordt d@ exponent in deze e--ma.cht, uitgaande van een kleine waarde , steeds sterker negatief gemaakt, totdat de thyristor nog maar net gedoofd blijft.

fig. 2.1 Meting van t

h

De langste hersteltijden van de brugthyristoren waren: 1

0 t_h

50 A 10

ps

AO A ;_H))IS Hi erbi j bedroeg de onderl1nge spreiding circa 40

%

no

A 50)1s

Het uitgangspunt bij het bepalen van t

d dient derhalve de maximaal

(37)

biz. 2.2 van

rapport nr.

EM. 78-13

De maximale belastingsstroom kan als voIgt berekend worden:

Als de machine is aangesloten op een sinusvormige netspanning ge1dt

voor het op~nomen ~ermogen:

de invertoruitgangsspanning (gewikkelde rotor) R S T da.n is: p .. U f f x I ff x cos

f

x

J3

e. e . ~ .. {i x

i

x cos , x

~

Stellen wij: p ..

5

kW u .. 220

V,

cosf" 0,5 ... i ..

52,5

A

Daar de invp.rtoruit~ngsspanningblokvormig is, moet deze waarde

ge-korrip:eerd worden. E:r zijn diverse benaderingswijzen om, uitgaande van specifieke machinegegevens, de korrektiefaktor te berekenen (LIO en IJll) •

Voor een spanni~sverloopvolgens fig.

1.3

en een machine van 5 kW is

de te kommuteren stroom ongeveer een faktor 1,3 hoger.

De maximale te kommuteren stroom bedraagt dan: 68 A.

Ren

to

co 2~ ps zou voldoende zijn, maar voor de veiligheid is

t_d co

,0

ps

gekozen.

?].2. De berekening van Ll, L2 en Cd,

o

fig. 2.3 de kommutatie.

:juist gedoofde thyristor

Tn bovenstaande figuur is de toestand aange~ven, waarin de invertor

zich bevindt wanneer, na ontsteking van TBI en TB2, Tl, T4 en T5 zijn

gedoofd en de belastingsstroom juist door D2, D3 en D6 is overgenomen. Ter vereenvoudiging zijn niet direkt relevant. komponenten weggelaten. De potentialen van A en B zijn aangegeven.

Uit deze figuur blijkt, dat Tl, T4 en T5 een sperspanning ter grootte u

Cd kri,igen.

(38)

---_.-...

_.-.---_._----_._--

-_._-.. ---

---_._----Technische Hogeschool Eindhoven

blz.2.3 van

De vol~ende uitKangspunten worden gekozen:

De be1astingsstroom is verwaar100sbaar ten o~zichte van de stroom,

welke in de kring U , L1, Cd ~at v1oeien.

v

u

Cd is tijdens de kommutatie van de be1astingsstroom naar de diode

niet ~edaa1d.

De ver1iezen in de genoemde slingerkring worden verwaar1oosd. De voeding is een idea1e apanningsbron.

Nu wordt Cd omgeladen vo1gens een simusvormige slingering met

amplitude uCd + U_v •

Het s~anningsverloo~over T1, T4 en T5 ziet er dan a1s vo1Rt uit:

u r . t l l . , .

-Ten tijde t

3 wordt de spannin~

begrensd door het in ge1eiding

komen van de terug1everdiode

Dt

fi~. 2.4 doofl!~annin,;over T1.

-U_v U v arc. sin -= [J = 2~O V v -H_ed'" (1 +

ex.

).Uv • (1 + 0,4) 230 • 322 V

Voor de keuze van 0<. zie 2.1.5.

/"

.. 1,14

30

ps -

LICd • 7,89.10-1Os-2

1 =~

(39)

blz.2.4 van

rapport nr.

m

18-13

Tijdene de kommutatie wordt de duhbele belastin~estroomdoor Cd

over~nomen. Voor deze overname moet enige tijd worden genomen, daar

di/dt door de doofthyristoren tot een veilige waarde begrened dient te worden.

Kiezen wij: di/dt • 68 A/)1s en

de be]astin~estroomII

=

68 A,

dan neemt de direkte kommutatie 2

JS

in beslag.

fig. 2.5 verloop i_Cd bij begin

van kommutatie.

2J8 - t

Pas wanneer i

Cd • 2 II zijn de brugthyristoren stroomloos geworden

en wordt een begin ,goemaakt met de sperperiode t_d•

Van to tot t_l neemt de lading op Cd af met Q • 2 x 68 = 136 AJs.

Di t betekent een spanningeval van

~

V.

Cd kan ui t de bij EM aanwezige voorraad gekozen worden in

stappen van

5

yF.

Gekozen is 10

yF,

zodat de spanningsval tijdens het direkt

kommuteren 13,6 V bedraa~, hetgeen toelaatbaar is, omdat t_d dan

no~ vrj~wel p,e]j1k is aan de op page 2.3 berekende waarde.

Daar Cd '" 10 y.1i1 ditmen 1.1 en 1.2 18,9

yH

te bedragen, wegens

-10 -2 (

1.Cd = 1,89.10 s page 2.3) •

De over de voeding geplaatste afvlakkapaciteit moet groot zijn

ten opzichte van Cd en is 100

yF

gekozen.

F.r ~ nog extra voorwaarden gesteld worden bij het bepalen

van 11, 12 en Cd, zoals een minimale energie in de slingerkring of zo p:'Oedkoou mop:e] i .ike komponenten.

In die ,goevallen is bij de berekening het gebruik van een reken-machine noodzakelijk.

(40)

?1.' De kommutatietransformator.

biz. 2.5 van

rapport nr. F11 18-13

De ko~utatietransformator neemt een belangrijke nlaats in

in de ~ehele schakelin~: zijn zelfinduktie is mede bepalend voor

de beschikbare dooftijd van de thyristoren, de koppeling tussen beide hoofdwikkelingen moet beide thyristorbrughelften doen doyen en een terugleverwikke1ing moet aIle overtollige kommutatie

energie aan de voedinK terugleveren.

Wil de transformator deze taken goed verrichten, dan moet

aan de vol~ande eisen voldaan zijn:

1 De zelfinduktie van 11 en L2 moet ciroa

19 JUf

bedragen

£

De koppelfaktor k

1,2 tussen LIen 12 moet groter dan

0,96

zijn (13)

i

De koppelfaktor k₁₂

_,

t tussen 1.1,2 en I't moet zo ~oot mOR'eli.ik,

maar in ieder ~val groter dan

0,15

zijn, daar bij k₁₂

,3 .. 0,15

zeker 011voldoende rekuperatie van kommutatie energie zal

plaats-vinden (1,3).

Er was een transformator, vervaardigd door Nuijten, aanwezig,

welke echter nlet aan de eisen

1

en ..2. voldeed. Voor de eerste

proefnerningen is van deze transformator gebruik gemaakt. (zie hoofdstuk III, 1).

Door de te la~e zelfinduktie was de beschikbare dooftijd te klein,

de spreidinp; tussen I.l en 1,2 vertraaP;'de het kommuter.en van de

be-lastinp:sstroom nnar de terugleverdiodes en de spreiding tussen

11,2 en lIt deed u_ed tot een ontoelaatbaar ho~e waarde opslingeren.

Deze tpkoTtkornin~n maakten de konstruktie van een nieuwe transfor-rnA.tor noodzakeli .ik.

'l'oepassinp; VAn E'en transformatorkern met ho~e permeabiJ i tei t

iR een method~ om tot ho~ koppeJfaktoren te komen. Wordt een

der-p;elijke kern in de kommutatietransformator toe~paBt, dan doen zich

twee moeili.ikheden voor:

1

De ~ote kommutatiestromen veroorzaken al anal verzadiR'ing van

het kernmateriaal. Dit maakt het aanbren~nvan een luchtspleet

onvermi.ideli.ik.

Z

Magnetostriktieve effekten van hoogpermeabel kernmateriaal zijn

een bron van akoustische storing, welke door het aanbrengen van een luchtspleet noR' hevip;er wordt.

(41)

biz. 2.6 van

De

ri~~ Arnold levert ringkernen, bestaande uit

een

le~ering van 2

%

molybdeen, 81% nikkel en 17% ijzer, welke

homo~eenverdeeld is in een keramisch materiaal. Zodoende wordt een "verdeelde luchtspleet" verkregen, welke bi,i de

toe-R'p.-paste kern resulteert in Yr ..

14.

Voor nadere gegevens zie

A.4.*

F~en transformator welke opgebouwd is rond een dergeli.1ke

kern is kom-pakter dan een luchttoro!de en bovendien wordt er een

~rin~re spreiding verwacht. Het besohikbaar komen van deze nieuwe materialp.n is een extra motief om er een transformator mee tp. konstrueren en er zo erva:ring mee op te doen.

Voordat de wikkelgegevens be-paald kunnen worden, moeten de optredende s-panningen en stromen berekend worden. Allereerst de spanningen.

Aan het begin van een kommutatie hebben de wikkelin~

111teinden de volgoende potentialem Uy _...

_,...

_• _{-uCd A'}

r

1 11 fig. 2.6

-

,.

~~ +11- _{transformatorpotentialen bij}

-.:.(u,'

u~

L,

"

het hegin van een kommutatie

L₂

A 1\ 1\ _{vergelijk figuur 2.3}

•

u

y+ uCd B'

'russen de lli teinden v::m Ll en I,? staat dan een spanni~:

Tussen 1

t en 12 staat een 8pannin~van:

U_v +

1

(u + Ued) .. 230 + 2.5 (230 + 322) - 1610 v.

0( v

De isolatie zal deze spanningen ruimschoots moeten kunnen

rloorstaan.

*

De lezer zij attent bij hat gebruik van dezp gegevens,