BE OK TW Merelbeke INLEIDING TOT STATISCHE VERMOGENOMVORMERS

Transcriptie

1 BE OK W Merelbeke Nummer: FKR/OPL/OPL/002 Datum: 27/06/2001 Versie: 01 Paginanummer: 1/22 INLEIDING O SAISCHE VERMOGENOMVORMERS Functie Naam Datum Handtekening Opgesteld Nagezien Goedgekeurd Proceseigenaars Ing. S W FKR Ing. KC W FKR o/c Ir. W FKR Ing. Et W FKR B. Bliki F. Blondel D. Steyaert S. Martens E/ S W FKR R. Raes

2 De pagina is opzettelijk blank gelaten 2/22

3 3/22 Inhoudstafel 1. Algemeenheden ypes statische omvormers Groeperen van halfgeleiders Voorbeeld van gebruik van vermogenomvormers op de HLE De driefasige gelijkrichter in brugschakeling Schema Werking De hakker Algemene beschrijving Werkingsprincipe van een hakker Soorten sturingen Werking van een Ohms- inductief belaste hakker de tijdsconstante t << de hakkerperiode de tijdsconstante t >> de hakkerperiode De spanningsverlagende hakker Schema: Werking: De step-up hakker Principeschema: Werking: De spanningsondulator of faseninvertor Algemene beschrijving Werkingsprincipe Schema: Werking: Betrekking tussen momentele fase en lijnspanning Spanningsregeling pulsbreedtemodulatie: Werkingsprincipe met een inductieve belasting:... 22

4 1. Algemeenheden 1.1. ypes statische omvormers ype spanning /stroom aan ype spanning /stroom aan de Benaming van de omvormer de ingang uitgang Wisselspanning Wisselspanning Cyclo-omvormer Wisselspanning Gelijkspanning Gelijkrichter Gelijkspanning Wisselspanning Ondulator Gelijkspanning Gelijkspanning Hakker 1.2. Groeperen van halfgeleiders In de verschillende typen omvormers komt het dikwijls voor dat de halfgeleiders aan één van hun klemmen onderling verbonden zijn zoals in de onderstaande figuur: u1 u2 u3 u4 De werkingsregels voor diodes zijn de volgende: 1) De geleidende diode is deze waarvan de anode zich op de hoogste potentiaal bevindt. 2) De geleidende diode is deze waarvan de kathode zich op de laagste potentiaal bevindt. Voor thyristoren (IGB) gelden de volgende regels: 1) De geleidende thyristor is deze waarvan de basis onder spanning staat en waarvan de anode (collector) zich op de hoogste potentiaal bevindt. 2) De geleidende thyristor is deze waarvan de basis onder spanning staat en waarvan de kathode (emitter) zich op de laagste potentiaal bevindt.

5 1.3. Voorbeeld van gebruik van vermogenomvormers op de HLE13 Bovenleiding Panto 25kV Panto 3kV astinrichting QCA / QCC DJCA CC ransformator 25kV DJCC / KPF KCA: Voorlading KPFCA Ingangsspoel weefazige gelijkrichter Uitgangsfilter: * condensator * Filter 100 Hz Ingangsfilter: * ingangsspoel SE * 50Hz filter Hakker Uitgangsfilter CVS: Statische omvormer gekoppeld aan PRP 1 en PRP 3 Voeding hulpgroepen Rheostaat Ondulator M: 3-fasige asynchrone motoren QCA/QCC: DJCA: DJCC: CC: relais die aangetrokken worden naar gelang de aanwezige bovenleidingsspanning. scheidingsschakelaar 25 kv scheidingsschakelaar 3 kv omschakelaar aardingsmes

6 2. De driefasige gelijkrichter in brugschakeling 2.1. Schema i u u1 L1 D1 D3 D5 u2 L2 u12 u31 u u u3 L3 u23 R D4 D6 D2 FIG Werking De spanningen u1, u2 en u3 stemmen overeen met 3 sinusvormige wisselspanningen. ussen de drie lijndraden L1, L2 en L3 zijn er ook drie wisselspanningen aanwezig die elk 1/3 van de periode (=120 = 2.p/3) verschoven zijn t.o.v. elkaar. De volgorde van de voetletters bij u12 betekent dat u12 positief is indien de potentiaal of spanning op L1 hoger is dan de potentiaal op lijn L2. Is bijvoorbeeld u12 de grootste ogenblikkelijke spanning, dan zal er een stroom vloeien van L1, door D1, R en D6 naar L2. u31 u12 u23 u13 FIG. 2

7 u12= Um.sin(?.t) met? = 2.p.f u23= Um.sin (?.t 2. p /3)? = hoeksnelheid [rad /s] u31= Um.sin (?.t 4 p /3) f= frequentie [Hz] = periode [s] Op basis van de vermelde regels in paragraaf 1.2. kunnen we in functie van de tijd de volgende tabel opstellen: ijdsinterval Geleidende dioden Spanning over R 0 > /12 (0 > 30 ) 5 en 6 e3 e2 /12 > /4 (30 > 90 ) 1 en 6 e1 e2 /4 > 5./12 (90 > 150 ) 1 en 2 e1 e3 5./12 > 7./12 (150 > 210 ) 3 en 2 e2 e3 7./12 > 3./4 (210 > 270 ) 3 en 4 e2 e1 3./4 >11./12 (270 > 330 ) 5 en 4 e3 e1 11./12 > (330 > 360 ) 5 en 6 e3 e u12 u13 u23 u21 u31 u32 t1 t2 t3 D1 D3 D5 D1 D3 FIG. 3 D6 D2 D4 D6 D2 D4 Vanaf tijdstip t1 in de bovenstaande figuur wordt u12 de grootste ogenblikkelijke spanning van het driefasennet. D1 en D6 zijn in geleiding. Op het ogenblik t2 van de bovenstaande figuur wordt u13 de grootste spanning en zullen de dioden D1 en D2 geleiden. De diode D2 heeft het overgenomen van diode D6. De spanning u13 noemt men de drijvende spanning voor dioden D1 + D2. De tijdstippen waarop de dioden het van elkaar overnemen noemt men de natuurlijke overnamepunten. Deze punten staan bovenaan fig. 3 aangeduid. We zien dat telkens één diode uit de onderste brughelft en één diode uit de bovenste brughelft zal geleiden. De uitgangsspanning is dus een golfvorm zoals getekend in fig. 3.

8 We zien ook dat de uitgangsspanning een frequentie heeft die zes maal groter is dan de netfrequentie. De periode van de ingangsspanning bedraagt 360 of 2.p (p = radialen = 180 ) f 1 = De gemiddelde waarde van de gelijkgerichte spanning kan op de volgende manier berekend worden: U g 1 = 6 2 π + π / 6 u π / 6 max 3 u cosω t dω t = π max sin ω t + π / 6 π / 6 3 u = π max met u U max lijn = wordt 2 U g 3 = 2 U π lijn Rekenvoorbeeld Stel dat de lijnspanning 3 x 230 V is, bereken de gemiddelde uitgangsspanning van de bruggelijkrichter. Oplossing: 3 2 Ulijn U g = = = 310V π 3,1415 De gelijkgerichte spanning bezit nog steeds een rimpel. Om deze rimpel zo goed mogelijk weg te krijgen, wordt dikwijls een condensator C1 in parallel met de verbruiker geschakeld. De tijdsconstante t = R.C. wordt dan zodanig gekozen dat de condensator heel vlug oplaad en de spanning traag afgeeft tijdens het dalende gedeelte van de rimpelspanning.

9 3. De hakker 3.1. Algemene beschrijving Het doel van de hakker is een gelijkspanning om te zetten naar een lagere of hogere gelijkspanning. Wordt bijvoorbeeld 3 kv omgezet naar 2200 V, dan spreekt men over een spanningsverlagende hakker. Dit type hakker wordt gebruikt in de HLE13. Deze lagere spanning dient dan als ingangsspanning voor de ondulatoren (statische omvormers) van de motoren of van de hulpgroepen. Een hakker kan ook een lagere gelijkspanning gaan optransformeren. Dit noemt men de spanningsverhogende hakker of step-up hakker. Dit type hakker wordt gebruikt in de motorwagens reeks 44 en de HLD77. Een hakker is steeds opgebouwd uit een ingangsfilter, de hakkermodule met zijn stuurkring en een uitgangsfilter. Het doel van de ingangsfilter is: - zorgen voor een lage ingangsimpedantie aan de hakker - het wegnemen van de rimpelspanning komende van het 3kV-net - zorgen voor een voldoende grote impedantie voor de totaal filter van de locomotief Het doel van de uitgangsfilter is: - de spanningssprongen na de hakker wegfilteren om een uitgangsspanning te verkrijgen met een zo klein mogelijke rimpel - zorgen voor een voldoende lage ingangsimpedantie voor de volgende schakeling in ons geval de ondulatoren Werkingsprincipe van een hakker De onderstaande fig. 4 toont een opstelling van een hakker met een Ohmse belasting. De schakelaar kan een transistor of een thyristor zijn. S U u (V) 100 V U ugem (V) U i = R U u = 50 V 100 V 10 kω t ON t OFF FIG. 4 Door de schakelaar S achtereenvolgens open en dicht te sturen, krijgen we een pulserende gelijkspanning zoals in de bovenstaande figuur.

10 De gemiddelde uitgangsspanning vinden we door de oppervlakte van t ON uit te smeren over de tijd. De verhouding t ON = δ De gemiddelde uitgangsspanning is dus: noemen we de relatieve inschakelduur of ook de werkverhouding. U u = δ U gem i Rekenvoorbeeld Stel dat bij een hakker de ingangsspanning = 24V en de pulsfrequentie = 20kHZ. Als we een gemiddelde uitgangsspanning van 5 V willen bekomen, bereken dan de relatieve inschakelduur. Oplossing: U u gem U u = δ U i δ = U i gem 5 = = 0, = = = 5µ s f ton δ = ton = δ = 5 0,2083 = 10, 41µ s 3.3. Soorten sturingen Uit de formule worden: t ON = δ van de werkverhouding zien we dat deze op twee manieren kan gewijzigd 1) wordt de tijd t ON geregeld en blijft constant, noemt men dit pulsbreedtemodulatie (PBM) 2) wordt de tijd geregeld en blijft t ON constant, noemt men dit pulsfrequentiemodulatie (PFM) Een combinatie van PBM en PFM is eveneens mogelijk.

11 Pulsbreedtemodulatie (PBM) Pulsfrequentiemodulatie (PFM) U u (V) U ugem (V) U u (V) U ugem (50 V) 100 V 100 V 50 V 50 V t ON t ON U u (V) U ugem (V) U u (V) U ugem (33,3 V) 100 V 100 V 50 V 50 V t ON t ON Werking van een Ohms- inductief belaste hakker Een Ohms- inductief belaste hakker vinden we terug bij het sturen van gelijkstroommotoren. De wikkelingen van de motor vormen op dat moment de inductiviteit van de kring. i i i u i D R b u i u u D L b FIG. 5 In het schema van fig. 5 zijn er afhankelijk van de tijdsconstante t (=L b /R b ) en van de hakkerperiode twee praktische gevallen te onderscheiden: * de tijdsconstante t << de hakkerperiode * de tijdsconstante t >> de hakkerperiode

12 de tijdsconstante t << de hakkerperiode Indien de tijdsconstante <<, zal tijdens het geleiden van de thyristor de spoel magnetisch opladen..g.v. deze spoel zal de stroom geleidelijk beginnen vloeien en komt de spanning niet onmiddellijk over de belasting te staan. Bij het openen van de thyristor, zal de energie dewelke aanwezig is in de spoel, ontladen via de vrijloopdiode D. Na een periode van 5.t is deze energie weg en omgezet in warmte in de weerstand R u b. u (V) i i (A) i u (A) de tijdsconstante t >> de hakkerperiode Als de tijdsconstante groter is dan de periode, dan is er tijdens het sperren van de thryristor geen stroomleemte meer. Bij een gesperde thyristor, zal de stroom exponentieel gaan afnemen doorheen de diode D. Hierbij is i u = i D en u u = - u D = ± 0 V. In de onderstaan de tekening u ugem veronderstellen = δ. u i we dat de schakeling zich al een tijdje in u werkingstoestand i (V) bevindt. i i (A) i u (A) i D (A)

13 3.5. De spanningsverlagende hakker Schema: L1 µh U R3 750V R3 D1 4,7 kω Uin 3 kv U R4 1,5 kv D2 C1 mf U R6 R4 9,4 kω C3 & C4 2 x 2mF D3 U L2 1,5 mh C2 Ondulator + motor 750V R6 4,7 kω D4 2 x 2 mf U uit 2200V Werking: De spoel L1 en C1 doen dienst als LC-filter. Deze filter is nodig om rimpels op de 3kV spanning van het 3kV-net weg te filteren. De weerstanden R3, R4 en R6 vormen een spanningsdeler. De spanning over C3, C4 is dus steeds 1,5 kv als alle thyristoren open zijn.. Verder in de kring zien we 4 GO s en hun parralleldiodes D1 tot en met D4. De spoel L2 en de condensator C2 doen dienst als afvlakkring van het uitgangssignaal van de thyristoren. Op deze manier bekomen we een gestabiliseerde spanning van 2200V aan de uitgang van de hakker. De onsteking van de thyristoren gebeurt in de onderstaande volgorde: ijdstip h1 h2 h3 h4 0 t /4 Gesloten Gesloten Open Open /4 t /2 Gesloten Open Gesloten Open /2 t 3./4 Gesloten Gesloten Open Open 3./4 t Open Gesloten Open Gesloten De frequentie (f) voor het openen en sluiten van de hakker is 150Hz, of m.a.w. de periode =1/f = 1/ 150= 0,0016 seconden.

14 In onderstaande grafiek ziet men het signaal U na de thyristoren. Het openen en sluiten van de thyristoren maakt dat er of 1,5kVofwel 3kV als spanning U gegenereerd wordt. U 3 kv 1,5kV / 4 / 4 3. / 4 t [ms] Na het LC-filter bekomen we een gelijkspanning van 2200V, wat dus het gemiddelde is van de bovenstaande blokspanning, met een kleine resterende rimpel. U uit 2250 V / 4 / 4 3. / 4 t [ms]

15 3.6. De step-up hakker Principeschema: il U L L L D Ui S Uu R Werking: In de HLD77 voedt een gelijkrichter een hakker die als uitgangsspanning 670V levert. Beschouwen een spanningsbron, in serie met de spoel L, die een spanning U i levert. Als de schakelaar S wordt gesloten staat de bron in kortsluiting over de spoel. De spanning over de spoel stijgt geleidelijk volgens de onderstaande formule: U L d i = L d t wat wil zeggen dat de stroom in functie van de tijd stijgt. Bij het sluiten is U L =U i en U u =0. il U L L S Uu Wanneer men de schakelaar S opent kan de stroom i L niet onderbroken worden gezien de belangrijke inductiviteit van de kring. (Zie wet van Lenz) il U L L D Ui Uu R De belastingsbron is op dit moment niet meer kortgesloten. De stroom di/dt vermindert en wordt vervolgens negatief. Omdat U u = U i -U L met U L <0 verkrijgt men dus een uitgangsspanning U u die groter is dan U i.

16 De onderstaande figuur toont de evolutie van de spanningen U i en U u bij een zuiver Ohmse belasting. Uu il Ui In de praktijk wordt de belasting gevormd door een batterij condensatoren om de spanning Us te stabiliseren en wordt de schakelaar gevormd door een IGB. Daarenboven is op de HLD77 de spanningsbron gevormd door een alternator gevolgd door een driefasige gelijkrichter in brugschakeling. Voor een gegeven ingangsspanning is de gestabiliseerde spanning in functie van: de waarde van de inductantie L van de spoel de waarde van de stabilisatiecondensatoren de duur van de werkingsperiode van de IGB s de cyclische verhouding tussen de geleidingstijd en de totale duur van de werkingsperiode. Bij de HLD77 is de werkingsfrequentie eveneens vast en wordt de spanningsregeling bekomen door de verandering van de geleidingstijd van de IGB. t

17 4. De spanningsondulator of faseninvertor 4.1. Algemene beschrijving Het doel van de ondulator is een constante gelijkspanning om te zetten naar een blokvormige, trapeziumvormige of sinusoïdale wisselspanning. Ondulatoren worden gebruikt bij: frequentieregelaars voor het sturen of regelen van AC- motoren voeden van computers, meet- en regelapparaten bij het wegvallen van de netspanning (bv. ziekenhuizen) het omvormen van gelijkstroomenergie naar wisselstroomenergie om in het net te sturen (bv. zonnebatterijen) voedingen van caravans, schepen, enz Bij de HLE13 wordt bijvoorbeeld 2,2kV komende van de hakker omgezet naar wisselspanning met een variabele frequentie. Deze wisselspanning dient dan als voedingsspanning van de 3-fasige asynchrone inductiemotoren. De ondulator is steeds opgebouwd uit een ingangsfilter, de ondulatormodule met zijn stuurkring, paralleldiodes, snubberweerstanden en selfs Werkingsprincipe Schema: L 1 L 2 L 3 U in = GO 1 GO 3 GO 5 Va 1 V1 2 V2 3 Vab Vbc Vca Vb Vc M 3~ V3 GO 4 GO 6 GO 2

18 Werking: De schakelaars (GO s) 1 en 4 zijn afwisselend geopend en gesloten gedurende een halve periode van de gewenste wisselspanning. Bij een een driefasige ondulator is de werking van de verschillende takken verschoven over een derde van de periode (/3). Gesloten GO s Merk op dat er gelijktijdig drie schakelaars met een opeenvolgend nummer gesloten staan. Per brugtak mogen beide schakelaars niet gelijktijdig sluiten. Zou dit toch gebeuren, dan zouden ze de ingangsspanning gaan kortsluiten. Om kortsluiting te voorkomen wordt vaak een dode tijd ingevoerd tussen het openen van de ene en sluiten van de andere schakelaar in een halve brugtak. Bijvoorbeeld bij transistorschakelaars is de dode tijd 1 à 3 µs. De onderstaande figuur geeft de vorm van de spanningen op de verschillende knooppunten V1, V2, V3, Vab, Vbc en Vca weer, waarbij bijvoorbeeld Vab= V1-V2: 0 /6 2/6 /2 4/6 5/6 V1 V2 V3 Vab +U in -U in Vbc +U in -U in Vca +U in -U in De berekening van de spanningen aan ieder van de fasen van de belasting in stervorm bekomt men door het opsplitsen van de spanningen tussen de lijnen:

19 Betrekking tussen momentele fase en lijnspanning Stel het onderstaand schema: Va L 1 Bij een sterschakeling geldt: Vb Vab Vca Va + Vb + Vc =0 Vc Vbc L 2 Vab = Vbc = Vca = Uin L 3 Het verband tussen de fasespanning Vab en de lijnspanning Va kan als volgt gevonden worden: Vab = Va Vb Vb = Va Vab Vbc = Vb Vc Vc = Vb Vbc Va + Vb + Vc = nu is: 0 Hieruit volgt: Of m.a.w. Va = Vb Vc Va = Va + Vab Vb + Vbc Va = Va + Vab Va + Vab + Vbc 3 Va = 2 Vab + Vbc 2 1 Va = Vab + Vbc 3 3 Op analoge manier kan men Vb en Vc gaan berekenen. In de onderstaande tabel wordt de verhouding van de spanning op elk ogenblik van de periode weergegeven. ijdsinterval GO Equivalente schema s Va Vb Vc geleidend 0 > /6 1,5 en 6 Fase A en C aan + U in Uin/3-2.Uin/3 Uin/3 Fase B geaard /6 > 2/6 1,2 en 6 Fase A aan + u in 2.Uin/3 -Uin/3 -Uin/3 Fase B en C geaard 2/6 > /2 1, 2 en 3 Fase A en B aan + U in Uin/3 Uin/3-2.Uin/3 Fase C geaard /2 > 4/6 2,3 en 4 Fase A en C geaard -Uin/3 2.Uin/3 -Uin/3 Fase B aan + U in 4/6 > 5/6 3,4 en 5 Fase B en C aan + U in -2.Uin/3 Uin/3 Uin/3 Fase A geaard 5/6 > 4,5 en 6 Fase A en B geaard Fase C aan + U in -Uin/3 -Uin/3 2.Uin/3

20 Deze waarden Va, Vb en Vc uit de bovenstaande tabel kunnen als volgt berekend worden: Vab Vbc Va t1 t2 t3 t4 t5 t t1: Va = Uin Uin= Uin t2 : Va= Uin+ 0 Uin = Uin t3: Va = 0 Uin+ Uin= Uin t4 : Va= Uin+ Uin= Uin t5 : Va = Uin + 0 Uin= Uin t6 : Va = 0 Uin Uin = Uin 3 3 Men bekomt dus de volgende vorm voor de spanningen Va, Vb en Vc: 0 /6 2/6 /2 4/6 5/6 +2.U in / 3 Va Vb +2.U in / 3-2. U in / 3-2. U in / 3 Vc +2.U in / 3-2. U in / 3-2. U in / 3 Indien men de draaizin wil omdraaien dan moet men dit doen door de volgorde der fazen om te wisselen. Men zou bijvoorbeeld de volgorde van het geleiden en sperren van de GO 3 en GO6 kunnen omwisselen met de GO s 5 en 2.

21 Spanningsregeling pulsbreedtemodulatie: De aandrijfmotoren gebruikt op de HLE13 zijn van het type asynchrone inductiemotor met kooianker. Voordelen: de asynchrone motor heeft zeer steile karakteristiek kromme goede stabiliteit draaisnelheid bij een veranderende belasting Nadelen bij gebruik van spanning met vaste frequentie: klein aanzetkoppel belangrijke startstroom geen snelheidsregeling Wil men een asynchrone motor met veranderlijke snelheid laten werken dan dient men een spanningsbron met veranderlijk spanning en frequentie te gaan gebruiken. Dit kan perfect opgevangen worden met een ondulator. Om de frequentie te veranderen volstaat het de duur van de periode te gaan aanpassen. Om de spanning te gaan regelen heeft men twee mogelijkheden: een hakker toevoegen voor de ondulator die het spanningsniveau regelt. Werken met pulsbreedtemodulatie (PBM of PWM= Pulse width modulation) Pulsbreedtemodulatie bestaat er dus in onderbrekingen in de spanningsgolf te gaan veroorzaken zodat de gemiddelde waarde van de spanning verandert. In het onderstaande schema bijvoorbeeld zijn er twee extra onderbrekingen waardoor de spanning de vorm uit de onderstaande figuur aanneemt: V1 V2 V3 Vab Vbc Vca Pulsbreedtemodulatie laat dus toe de gemiddelde spanning te verminderen zelfs als men de top-tot-topspanning ongewijzigd laat.

22 Werkingsprincipe met een inductieve belasting: In de praktijk is de belasting van een ondulator niet zuiver Ohms maar inductief, d.w.z. dat de stroom in de belasting naijlend is t.o.v. de spanning. Aangezien de halfgeleiders maar in 1 richting doorlaten zijn we dus genoodzaakt een antiparalleldiode te plaatsen over iedere GO of IGB. De anti-paralleldiode komt in geleiding iedere keer de spanning wisselt van zin. 0 /6 2/6 /2 4/6 5/6 Va Ia I D1 I GO 1 I Bron Men stelt dus vast dat de bronstroom een belangrijke golfvorm vertoont. Het is dus noodzakelijk de bronimpedantie zo klein mogelijk te houden om overspanningen te vermijden.