Pierwszenstwo: 07.01.1972 (P. 152797) Zgloszenie ogloszono: 30.05.1973 Opis patentowy opublikowano: 15.03.1974 70018 KI. 21d2,12/03 MKP H02m7/52 CZYTELNIA1 Urzedu Potentowe^o fiku* tociiH^I ' l Twórcawynalazku: Eugeniusz Karas Uprawniony z patentu tymczasowego: Instytut Lotnictwa, Warszawa (Polska) Pólprzewodnikowa przetwornica trójfazowa o stabilizowanym sinusoidalnym napieciu wyjsciowym Przedmiotem wynalazku jest pólprzewodnikowa przetwornica trójfazowa o stabilizowanym sinusoidalnym napieciu wyjsciowym sluzaca do przetwarzania energii pradu stalego w energie pradu przemiennego.Znane dotychczas przetwornice trójfazowe o stabilizowanym sinusoidalnym napieciu wyjsciowym wykonane na tranzystorach przelaczajacych, posiadajace dwa kanaly fazowe oraz uklad przeksztalcajacy napiecie dwufa¬ zowe o przebiegu prostokatnym w napiecie trójfazowe o przebiegu sinusoidalnym, posiadaja generator drgan elektrycznych, cyfrowy uklad formowania sieci elektrycznej, modulatory szerokosci impulsów, odpowiednie wzmacniacze sygnalów prostokatnych o zmodulowanej szerokosci impulsów w kazdym kanale fazowym oraz czlony do automatycznej stabilizacji napiec wyjsciowych i kompensacji przesuniec fazowych.Podstawowe wady tego typu przetwornic polegaja na tym, ze posiadaja one rozbudowane, o duzej liczbie elementów czynnych i biernych, trudne do opanowania technologicznego — zwlaszcza w przetwornicach prze¬ znaczonych do pracy w szerokim przedziale temperatur otoczenia - uklady formowania, modulacji, wzmacnia¬ nia, stabilizacji napiecia i kompensacji przesuniec fazowych. W rezultacie obniza to ich niezawodnosc, powieksza mase i wymiary gabarytowe oraz; podwyzsza koszty wytwarzania takich urzadzen.Celem wynalazku jest urzeczywistnienie nowej pólprzewodnikowej przetwornicy trójfazowej do przetwa¬ rzania energii pradu stalego w energie trójfazowego pradu przemiennego o sinusoidalnym napieciu wyjsciowym, która pozbawiona bylaby wymienionych niedogodnosci. Cel ten osiagnieto przez wprowadzenie nowego rozwia¬ zania zagadnienia stabilizacji napiec wyjsciowych nie wymagajacego stosowania modulacji szerokosci impulsów prostokatnych i ukladów kompensacji przesuniec fazowych, polegajacego na przystosowaniu przetwornicy do wprowadzenia parametrycznej stabilizacji napiec wyjsciowych, na przyklad opartej na zjawisku ferrorezonansu pradowego, a w odmianie zastosowania specjalnego wysokosprawnego regulatora napiecia stalego, stanowiacego dodatkowe wyposazenie przetwornicy w celu zapewnienia jak najkorzystniejszych parametrów.Uklad przetwornicy oparty jest na zastosowaniu dwóch przelacznikowych wysokospiawnych wzmacniaczy mocy o sprzezeniu transformatorowym posiadajace kondensatory stabilizujace, wlaczone równolegle do obwo¬ dów baza - emiter kazdego tranzystora oraz filtry typu RC wlaczone równolegle do zacisków wyjsciowych wzmacniaczy mocy. Wzmacniacze te sa sterowane za posrednictwem transformatorów wyjsciowych z ukladu formowania i wzmacniania dwufazowej sieci elektrycznej, dzialajacego na zasadzie pierscienia przeliczajacego.2 70018 Uklad formowania i wzmacniania dwufazowej sieci elektrycznej jest zbudowany na dwóch przerzutnikach ze sprzezeniem magnetycznym ijest polaczony za posrednictwem transformatora o czterecji uzwojeniach wyjscio¬ wych z generatorem wytwarzajacym napiecie przemienne o przebiegu prostokatnym i czestotliwosci fG = 2fs, gdzie fs — wymagana czestotliwosc napiecia wyjsciowego przetwornicy.W odmianie pólprzewodnikowej przetwornicy trójfazowej, automatyczna stabilizacje napiec wyjsciowych zapewniono w ten sposób, ze do zasilania przelacznikowych wzmacniaczy mocy, napieciem regulowanym zasto¬ sowano regulator napiecia stalego, wlaczony jako czlon ujemnego sprzezenia zwrotnego miedzy trójfazowe wyjscie przetwornicy i obwody zasilania wzmacniaczy mocy, przy czym zasilanie stopnia mocy tego regulatora odbywa sie z nieregulowanego napiecia sieci pradu stalego.Przedstawiona pólprzewodnikowa przetwornica wedlug wynalazku kojarzy zalety przetwornic o automatycz¬ nie stabilizowanym napieciu metoda modulacji szerokosci impulsów z prostota rozwiazan przetwornic nie sto¬ sujacych takiej modulacji. Szczególnie korzystne cechy rozwiazania uwydatniaja sie zwlaszcza przy zastosowaniu w stopniu koncowym przedkladanej przetwornicy ukladu przeksztalcajacego napiecie dwufazowe o przebiegu prostokatnym w przemienne napiecie trójfazowe o przebiegu sinusoidalnym zbudowanego z wykorzystaniem zjawiska ferrorezonansu.Istota wynalazku jest szczególowo wyjasniona na przykladzie jego wykonania uwidocznionym na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy przetwornicy, fig. 2 - uproszczony ideowy schemat elektryczny przetwornicy, a fig. 3 — schemat blokowy odmiany przetwornicy i fig. 4 - uproszczony ideowy schemat elek¬ tryczny impulsowego regulatora napiecia stalego.Pólprzewodnikowa przetwornica trójfazowa do przetwarzania energii pradu stalego w energie trójfazowego pradu przemiennego o sinusoidalnym napieciu wyjsciowym sklada sie z generatora sterujacego 1 wytwarzajacego przemienne napiecie o symetrycznym przebiegu prostokatnym i czestotliwosci fG7^7=^G=2fs gdzie Tg—okres drgan generatora, a fs — wymagana czestotliwosc napiecia wyjsciowego przetwornicy, ukladu formowania 2 dwufazowej sieci elektrycznej, sterowanego z generatora 1, wzmacniaczy mocy 3 i 4 w kanalach A i B wzmac¬ niajacych synaly wyjsciowe z ukladu formowania 2, ukladu przeksztalcajacego 5 napiecie dwufazowe o prze¬ biegu prostokatnym w trójfazowe napiecie przemienne o przebiegu sinusoidalnym, zasilanego ze wzmacniaczy mocy 3 i 4 przetwarzajacych napiecie stale Uz (w odmianie przetwornicy Us) w przemienne napiecie dwufazowe o przebiegu prostokatnym oraz z polaczen doprowadzajacych stale napiecie zasilajace Uz do poszczególnych ukladów przetwornicy z wlaczonymi na wejsciu bezpiecznikiem 8 i dioda 9 zabezpieczajacymi przetwornice przed skutkami zwarc, przeciazen oraz przypadkowego podania na wejsciu napiecia Uz o niewlasciwej polary¬ zacji. Wyjscie przetwornicy stanowia zaciski R, S, T do których podlacza sie stosownie do potrzeb obciazenie 7.Niestabilizowane napiecie wejsciowe Uz podlegajace przetworzeniu w trójfazowe napiecie przemienne o prze¬ biegu sinusoidalnym przez zaciski 10 i 20 oraz bezpiecznik 8 i diode 9 doprowadzone jest do generatora steruja¬ cego 1, ukladu formowania dwufazowej sieci elektrycznej 2 oraz impulsowego regulatora napiecia stalego 6.Generator sterujacy 1 po wlaczeniu napiecia Uz generuje napiecie przemienne Uq o symetrycznym przebiegu prostokatnym i czestotliwosci dwukrotnie wyzszej od wymaganej czestotliwosci napiecia wyjsciowego przetwor¬ nicy. Napiecie generatora Ug przez zaciski 21 i 22 doprowadzone jest do uzwojenia pierwotnego Z20 transforma¬ tora wejsciowego TR20 ukladu formowania i wzmacniania dwufazowej sieci elektrycznej 2. Po stronie wtórnej transformator TR20 posiada cztery uzwojenia Z21, Z22, Z23, Z24, które dostarczaja czterech wzajemnie izolo¬ wanych galwanicznie sygnalów wyjsciowych o przebiegu prostokatnym i czestotliwosci f = 2fs p0tr ebnych de synchronizaqi przdaczania dwóch przerzutników P21 i P22 stanowiacych integralne czesci ukladu formowania i wzmacniania dwufazowej sieci elektrycznej 2, a dostarczajacych na wyjsciu dwóch napiec przemiennych o prze¬ biegu prostokatnym i przesunieciu fazowym 90°.Przerzutniki P21 i P22 z magnetycznym transformatorowym sprzezeniem zbudowane sa na tranzystorach krzemowych T21 iT22 oraz T23 iT24. Sa one sprzezone ze soba przez wspólny opornik emiterowy R29 zabocznikowany kondensatorem C20. Parametry stanu przewodzenia i stanu zatka lia poszczególnych tranzysto¬ rów przerzutników P21 iP22 ustalane sa za pomoca oporników R22, R24, R26 i R28 wlaczonych pomiedzy kolektorami C i bazami B przeciwleglych tranzystorów kazdego przerzutnika, oporników R21, R23, R25 i R27 wlaczonych pomiedzy bazy B odpowiednich tranzystorów T21, T22, T23 i T24, a biegun ujemny napiecia Uz zasilajacego przerzutniki P21 iP22 oraz wielkoscia przedpiecia na emiterach E tranzystorów T21, T2'\ T23 i T24, ustalonego za pomoca opornika R29 i kondensatora C20 wlaczonych szeregowo z obwodami emiterów E wszystkich czterech tranzystorów. Magnetyczne sprzezenie w przerzutnikach P21TP22 osiagnieto p*zez pola¬ czenie wyjsc kolektorowych C tranzstorów T21 iT22 oraz T23 iT24 z odpowiednimi uzwojeniami pierwot¬ nymi transformatorów TR30 i TR40 sprzegajacych uklad formowania i wzn icniania dwufazowej sieci elektrycz¬ nej ze wzmacniaczami 3 i 4 w kanalach fazowych A i B. Wymagana dla uformowania dwufazowej sieci elektrycz-3 70018 nej kolejnosc przelaczania tranzystorów T21 i T22 oraz T23 i T24 osiaga sie przez wlacznie kazdego z wtórnych uzwojen Z21, Z22, Z23 iZ24 transformatora TR20 za posrednictwem odpowiedniej diody D21, D22, D23 i 024 miedzy baze B zatykanego w dany moment czasowy tranzystora jednego przerzutnika i kolektor C prze¬ wodzacego tranzystora drugiego przerzutnika. Przelaczanie tranzystorów w takim ukladzie zachodzi w tym prze- rzutniku, w którym na baze B przewodzacego tranzystora poprzez diode i przewodzace zlacze kolektor — emiter C-E odpowiedniego tranzystora w drugim przerzutniku podaje sie z transformatora TR20 ujemne napiecie zatykajace.W ukladzie tym w takt kazdego okresu Tg napiecia Ug o czestotliwosci fc = 2fg generatora sterujacego 1 przelaczanie tranzystorów przerzutników P21 iP22odbywa sie cyklicznie w nastepujacej kolejnosci T21, T23, T22, T24, T21, której odpowiada uklad dwóch napiec wyjsciowych przemiennych o czestotliwosci fs przesunie¬ tych wzgledem siebie o 90°. Dla zapobiezenia jednoczesnemu przelaczaniu sie tranzystorów w obu pizeizut- nikach przewidziano rezystor ograniczajacy prad w uzwojeniu pierwotnym transformatora TR20, a wiec takze i prad w obwodach synchronizacji przerzutników P21 i P22.Sygnaly wyjsciowe ukladu formowania i wzmacniania dwufazowej sieci elektrycznej 2 indukowane na uzwo¬ jeniach wtórnych ze wspólnym punktem srodkowym kazdego z transformatorów TR30 i TR40, wlaczonych w obwody baza — emiter wysterowuja przelacznikowe wzmacniacze mocy 3 i 4, wykonane na tranzystorach krzemowych pracujacych w ukladzie o wspólnym emiterze. Przetwarzane napiecie stale Us doprowadzane jest do obwodów kolektorowych wzmacniaczy 3 i 4 przez zaciski 52 i 55, do których podlaczony jest dodatni biegun napiecia Uz /w odmianie przetwornicy Us/, przez uzwojenia transformatorów ukladu 5 przeksztalcajacego napie¬ cie dwufazowe na napiecie trójfazowe oraz przez zaciski 51, 53,54 i 56 ukladu 5, przy czym biegun ujemny Us podlaczony jest bezposrednio do emiterów kazdego z tranzystorów T31 i T32 oraz T41 i T42.Dla uzyskania stabilnej pracy wzmacniaczy mocy 3 i 4 w szerokim zakresie zmian temperatury do obwodów baza — emiter tych wzmacniaczy wlaczono równolegle kondensatory C31, C32 oraz C41 i C42. FiltryR31tC33, R32,C34 oraz R41, C43, i R42, C44 wlaczone równolegle do zacisków wyjsciowych wzmacniaczy 3 i 4 chronia tranzystory T31, T32, T41, iT42 przed szkodliwymi przepieciami w obwodach kolektorów oraz poprawiaja zbocza impulsów, co zmniejsza straty w tranzystorach i podwyzsza sprawnosc calej przetwornicy. W rezultacie dzialania generatora sterujacego 1, ukladu formowania i wzmacniania dwufazowej sieci elektrycznej 2 i przelacz¬ nikowych wzmacniaczy mocy 3 i 4 uzyskuje sie na wyjsciach tych ostatnich dwa napiecia przemienne Ua iUfi o przebiegu prostokatnym i czestotliwosci fs oraz wzajemnym przesunieciu fazowym 90°. Napiecia te zasilaja transformatory wejsciowe ukladu 5 przeksztalcajacego destabilizowane napiecie dwufazowe w symetryczny trójfazowy uklad stabilizowanych napiec o przebiegu sinusoidalnym. Na zaciskach wyjsciowych R, S, T tego ukladu otrzymuje sie wymagane napiecie trójfazowe wykorzystywane do zasilania obciazenia 7. Uklad przetwor¬ nicy przy zmianach napiecia Uz lub Us w przedziale ±10% dla normalnychwarunków eksploatacyjnych zapewnia stabilnosc trójfazowego napiecia wyjsciowego okolo ±3%. Dla ostrzejszych warunków eksploatacyjnych obejmu¬ jacych na przyklad prace przetwornicy na obciazenie o malym wspólczynniku mocy w przedziale temperatur otoczenia od —50° do +60°C stabilnosc napiecia w powyzszym ukladzie wyraznie sie pogarsza.W odmianie przetwornicy — w celu osiagniecia dla ostrzejszych warunków eksploatacyjnych stabilnosci napie¬ cia wyjsciowego w przedziale ±1-5-1,5% lub stabilnosci ±0,2-K),5% dla normalnych warunków eksploatacyjnych zastosowano dodatkowo wysokosprawny regulator napiecia stalego 6 wlaczony jako czlon ujemnego sprzezenia zwrotnego miedzy wyjscie ukladu przeksztalcajacego 5 i obwody zasilania wzmacniaczy mocy 3 i 4. Stopien mocy regulatora 6 zasilany jest nieregulowanym napieciem sieci pradu stalego Uz. Wysokosprawny regulator napiecia stalego 6 sklada sie z:trójfazowego prostownika PT60 podlaczonego do trójfazowego napiecia wyjscio¬ wego ukladu przeksztalcajacego 5, z ukladu porównujaco-wzmacniajacego UP60 zasilanego napieciem, z pros¬ townika PT60 oraz impulsowego regulatora mocy IR60 w postaci sterowanego napieciem z ukladu impulsowego.W rozwiazaniu uwidocznionym na fig. 4 impulsowy regulator mocy IR60 zrealizowano w postaci sterowanego z ukladu UP60 bloking-generatora opartego na dlawiku TR60 zaopatrzonym w dzielone uzwojenie pradowe Z62 i Z63 oraz jedno uzwojenie wtórne dodatniego sprzezenia zwrotnego Z61 oraz przelacznikowym tranzystorze mocy T64 wlaczonym równolegle do glównego obwodu pradowego regulatora IR60, który(z kolei zostal szere¬ gowo wlaczony w obwód nieregulowanego napiecia zasilajacego Uz. Moc przenoszona przez przelacznikowy tranzystor mocy T64 w takim ukladzie regulatora jest kilkakrotnie mniejsza od mocy wymaganej na wyjsciu regulatora, przy czym czas przewodzenia tranzystora przy przenoszeniu tej mocy stanowi niewielka czesc okresu impulsowania. Regulator taki z niewielkimi stratami energii szybko kompensuje wszelkie zmiany napiec wyjscio¬ wych przetwornicy przez odpowiednie zmiany napiecia Us zasilajacego wzmacniacze mocy 3 i 4.70018 PL