Kolmitasoinen pienjänniteinvertteri oikosulkumoottorikäytössä: ominaisuudet ja pääpiiritopologiat

Abstract

Pienjännitteisten oikosulkumoottoreiden pyörimisnopeuden säätämiseen on perinteisesti käytetty jännitevälipiirillistä taajuusmuuttajaa, jonka vaihtosuuntaaja eli invertteri on kaksitasoinen. Tasojen lukumäärä kertoo kuinka moneen jännitepotentiaaliin moottorivaihe voidaan kytkeä. Kaksitasoinen invertteri on todettu toimivaksi ja luotettavaksi pienjännitekäytöissä. Useampitasoiset invertteritopologiat ovat yleisesti käytössä keskijännitteellä, jossa puolijohteiden jännitekestoisuus rajoittaa kaksitasoisen rakenteen käyttöä. Vaikka pienjännitteellä jännitekestoisuus ei ole ongelma, voidaan kolmitasoisella invertterillä saavuttaa merkittäviä etuja kaksitasoiseen verrattuna, mikä johtuu kolmitasoisen pienemmästä vaihejännitteen askeleesta ja yhteismuotoisesta jännitteestä. Tässä tutkielmassa selvitettiin kolmitasoisen invertterin ominaisuudet, joista osa todennettiin laboratoriomittauksin vertaamalla kaksitasoista ja kolmitasoista taajuusmuuttajaa. Tuloksista voidaan todeta, että kolmitasoisella syötöllä oikosulkumoottorin laakerit ja eristykset ovat pienemmällä rasituksella, suodatuksen tarve on vähäisempi, moottori käy hiljaisemmin ja vuotovirtaa esiintyy vähemmän. Kolmitasoinen invertteri on kuitenkin suuremman komponenttimäärän vuoksi kalliimpi ja samasta syystä se saattaa olla myös epäluotettavampi kuin kaksitasoinen. Toisena tavoitteena tutkielmassa oli esitellä ja vertailla kolmitasoisia invertteritopologioita, jotka voisivat soveltua pienjännitekäyttöön. Tutkielmassa esitellään kolme yksinkertaista kolmitasoista topologiaa, joiden toimintaa vertailtiin myös simuloimalla. Vertailupohjana oli kaksitasoinen invertteri. Kaikkien kolmen topologian todettiin soveltuvan oikosulkumoottorikäyttöön. Neutraalipisteen jännitetasapainon hallinta on kaikissa kolmitasotopologioissa lisähaaste verrattuna kaksitasoiseen topologiaan. Tutkituista topologioista FLC:n käyttökelpoisuutta rajoittaa suurten ja kalliiden kondensaattoreiden tarve. Kolmitasoisten invertterien hyötysuhteet ovat parempia verrattuna kaksitasoiseen toimittaessa suurilla kytkentätaajuuksilla.