203433. lajstromszámú szabadalom • Kapcsolási elrendezés félvezető kapcsolóelemek védelmére, előnyösen hálózati inverterekhez
1 HU 203 433 B 2 A találmány tárgya kapcsolási elrendezés félvezető kapcsolóelemek védelmére, előnyösen hálózati inverterekhcz. Ismeretes, hogy a frekvenciaátalakítók rendelkeznek különböző védelmi áramkörökkel. Ezeknek a védelmi áramköröknek a feladata az, hogy a frekvenciaátalakítókat megvédjék az üzemi körülményektől eltérő külső, vagy belső hatásoktól. Ilyen hatás például a tápláló hálózati feszültség megváltozása - lecsökkenése, vagy időszakos, esetleg impulzusszerű megnövekedése - amit a háromfázisú invertereknek lehetőleg károsodás nélkül el kell viselniük. Másik, minden ismert készülékben alkalmazott védelmi áramkör a háromfázisú inverterek maximális kimeneti áramának korlátozását szolgálja. Ezekre csak úgy, mint az előzőekben ismertetettekre azért van szükség, mivel az ismert készülékek végfokozataiban alkalmazott félvezető elemek igen kényes alkatrészek, túláram, vagy túlfeszültség hatására igen könnyen és gyorsan tönkremennek. Az igen széles körben elterjedten alkalmazott ismert biztosítóelemek megszólalási ideje általában hosszabb, minthogy a félvezető elemeket megvédhetnék a tönkremeneteltől. Egyes speciális gyorsbiztosítófajták, amelyeket kifejezetten erre a célra fejlesztettek ki, alkalmasak ugyan ezen feladat ellátására, de ezek beszerzése igen nehézkes és beszerzési ára pedig olyan magas, amely megegyezik a védeni kívánt félvezető árával. A gyorsbiztosítók további hátránya még az, hogy megszólalásuk után karbantartóra van szükség, aki kicseréli ezeket az elemeket Az elemek kicserélésig pedig a hajtott gép egy ideig nem működik, ami termeléskiesést eredményez. Ismeretesek továbbá elektronikus áramkorlátozások is, amelyek lényege, hogyha a terhelés a megengedettnél nagyobb áramot venne fel az inverterből, akkor az inverterek áramgenerátoros üzemmódba kapcsolnak át, ami azt jelenti, hogy az inverter a megengedettnél nagyobb áramfelvétel esetén vagy ki-bekapcsolja a terhelésre jutó feszültséget, vagy csak akkora feszültséget kapcsol a terhelésre, aminek hatására még nem lép fel a megengedettnél nagyobb áramerősség. Mindkét ismert működési módnak tehát az a lényege, hogy a terhelésre kapcsolt feszültség effektiv értékét csökkentik le oly módon, hogy azon csak az in verteire megengedhető áram jöjjön létre. Eddig nem említettük még azt a tényt, hogy a frekvenciaátalakítókkal rövidrezárt forgórészű, háromfázisú, aszinkron motorokat üzemeltetünk, amely villamos motorok működésük során meghatározott technológia elemeként hasznos munkát végeznek. A technológia részéről pedig a hajtás szempontjából legfontosabb műszaki paraméter a fordulatszám-nyomalék igény, illetve a hajtás indítónyomaték igénye. A villamos gépet ezen szempontok alapján választják ki a tervezés során. A háromfázisú inverlerekről táplált motorok fordulatszámnyomaték jelleggörbéjét az inverter kimenő jelének alakja, a megfelelő feszültség-frekvencia összefüggés beállítása, valamint az áramkorlátozás módja határozza meg. Ismeretes, hogy a kimenő jelalaknak minél jobban célszerű megközelítenie a szinuszos jelalakot, amely például a motor járásának egyenletessége cs rezgésmentessége szempontjából is igen lényeges. A megfelelő feszültség-frekvencia összefüggés beállításával elérlteíő, hogy a motorban kialakuló mágneses tér fluxusa széles frekvenciatartományban állandó legyen. Ezáltal a motor által leadható maximális nyomaték értéke a fordulatszám szabályozási tartományban állandó értékű. Ha valamilyen okból á motorra az adott tápláló frekvenciához tartozó feszültségnél nagyobb feszültség jut, akkor a motor túlgerjesztéses üzembe kerül, ami a rázkódás megnövekedését, illetve melegedést okoz, hiszen a motor veszteségei megnőnek. Ha valamilyen okból a motorra a tápláló frekvenciához tartozó feszültségnél kisebb feszültség jut, akkor a motor alulgerjesztett üzemmódba kerül és csökken a mote tengelyéről levehető maximális nyomaték mértéke. Az előzőekben leírtakat azért emeltük ki ilyen részletesen, mivel az ismert áramkorlátozások működésük során a motorra jutó feszültség mértékét korlátozzák le azáltal, hogy vagy eleve lecsökkentek a motorra jutó feszültség mértékét, vagy az áramgenerátoros üzem során történő kibekapcsolással érik el ugyanezt a hatást. Ezáltal pedig a feszültség csökkentésével lecsökkenték a motorról levehető nyomatékot is. Kapcsoló üzemű tápegységekhez kifejlesztett integrált áramkörökben találhatók ismert áramkorlátozó áramkörök. Ezen ismert megoldások közül egyeseket kifejezetten motorhajtás vezérlőkörénél történő felhasználásra is ajánlják. Az ismert áramkörök azonban lágy indítással indulnak, ami a félvezetőket védi ugyan a motor indítási áramlökésétől, de egy csökkentett indítónyomatékot okoznak. Túláram érzékelése esetén az ismert megoldások kikapcsolják a motorra jutó feszültséget, majd az áram megszűntével, lágy indítással, indulnak újra. Ha a.motor csökkentett nyomatéka nem elég a hajtás elindításához, akkor az áramkörök újra korlátoznak, majd újból megkísérlik az indítást Ekkor azonban a motor indítónyomatékának csökkenésén túl általában gyakorlati tapasztalat, hogyha egy adott technológián belül egy motor leáll, vagy nem indul el, és a motor a kezelőszemélyzet számára hozzáférhető helyen van, akkor a kezelők általában megpróbálják azt kézzel, vagy valamilyen szerszámmal megforgatni. Ha ez éppen egybeesik a lágy indítással, akkor ebből igen komoly baleset származik. Ismert megoldás a Siemens-cég kapcsoló üzemű tápegységek vezérléséhez kifejlesztett TDA4700 típusjelű integrált áramköre, amely igen gyors, kb. 250 ns feléledési idejű áramkorlátozó kört tartalmaz, amely blokkolja a kimenő impulzust egy bistabil jellegű áramkör átbillentésével. A megoldásnál a szinkronizáló impulzus a hálózati feszültség következő átmeneténél visszabillenti a bistabil áramkört, ily módon a terhelésre újból feszültség kerül, majd az újból megszűnik, ha a kimenet túlterhelése még fennáll. Ez az ismert megoldás egy áramgenerátoros újrainduló áramkorlátozást eredményez, amely a csökkenő nyomaték miatt nem előnyös megoldás. Hasonló korlátozás után lágy indítással újrainduló áramkört tartalmaz a 170 851 és a 182 634 lajstromszámú HU szabadalmi leírás szerinti ismert megoldás is. A 186 543 lajstromszámú HU szabadalmi leírás olyan megoldást javasol, amely az áramkör túláram létrejötte esetén saját maga a kimenetét rövidrezárja, hogy ezzel a terhelő áramköröket megvédje a meghibásodástól. A 184 216 lajstromszámú HU szabadalmi leírásban ismertetett megoldás úgy érzékeli a félvezető túlterhelését, hogy méri a saturációs feszültségüket és ha az 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
