ДЕВЯТИКРАТНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована для питания систем автоматики и электродвигателей с повышенной частотой вращения, а также систем индукционного нагрева.
Уровень техники. Известен трехфазный статический ферромагнитный умножитель частоты [авторское свидетельство СССР №1272424], представляющий собой пространственный симметричный магнитопровод с 9 стержнями, каждый из которых разделен на два одинаковых полустержня, и двух торцевых кольцевых ярм. На каждом стержне умножителя расположены одна или две катушки первичной обмотки основной частоты. На каждом полустержне расположена катушка удвоенной частоты, а также катушка утроенной частоты, электрически совмещенной с обмоткой подмагничивания постоянным током, при этом две пары катушек каждой фазы вторичной обмотки удвоенной частоты соединены встречно и располагаются на стержнях магнитопровода, сдвинутых на 160 градусов. Две пары катушек каждой фазы этой же обмотки, соединенные между собой согласно, расположены на стержнях магнитопровода, взаимно сдвинутых на 40 градусов.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие подмагничивания постоянным током, что приводит к усложнению конструкции и насыщению магнитопровода. Кольцевая форма торцевого ярма магнитопровода ухудшает габариты умножителя. Возможно только удвоение и утроение частоты выходного напряжения, что ограничивает область применения данного решения.
Также известно ферромагнитные умножители частоты на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем [Загрядцкий В.И., Кобыляцкий Н.И., Недзельский А.П. Ферромагнитные умножители частоты с вращающимся магнитным полем. - Кишинев: «Картя Молдовеняскэ», 1973]. Данное решение, предназначенное для преобразования трехфазного напряжения одной частоты в трехфазное напряжение утроенной частоты, содержит наружный магнитопровод с пазами по типу магнитопровода асинхронной машины - наружный сердечник, внутренний неподвижный магнитопровод - внутренний сердечник, а также две трехфазные обмотки: первичную и вторичную, лежащие в общих пазах. Внутренний сердечник набирается из колец электротехнической стали, при этом геометрия магнитной системы такова, что спинки магнитопровода насыщены, а зубцы - нет. Первичная трехфазная обмотка выполняется на одну пару полюсов с укороченным шагом и соединяется в звезду, а вторичная обмотка имеет три пары полюсов и также соединяется в звезду. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие насыщения части магнитопровода, что приводит к повышенным потерям. Использование высших гармоник магнитного потока, составляющих только часть от него, ухудшает массогабаритные показатели и КПД.
Раскрытие полезной модели.
Из уровня техники известны различные конструкции ферромагнитных умножителей частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях, резонансных контуров.
Наиболее распространенной конструкцией является соединение первичных обмоток трех однофазных трансформаторов в звезду без нулевого провода, при этом в магнитном потоке трансформаторов возникает составляющая третьей гармоники. При соединении вторичных однофазных обмоток трансформаторов в разомкнутый треугольник, первая гармоника напряжения в сумме равняется нулю, и на выходе остается третья гармоника с частотой, равной утроенной частоте питающей сети. Однако содержание третьей гармоники в магнитном потоке сердечника такого решения составляет не более 10%, что предопределяет низкую эффективность преобразования частоты, и невысокие массогабаритные показатели. Соединение первичных обмоток по схеме звезды с нулевым проводом приводит к снижению уровня напряжения утроенной частоты. Включение вторичных обмоток по схеме замкнутого треугольника, приводит к возникновению тока третьей гармоники, снижающему уровень напряжения утроенной частоты. Эти особенности ограничивают возможность модернизации подобных умножителей частоты.
Приведенное решение считается наиболее эффективным из известных, а варианты умножителей, выполненные на многостержневых трансформаторах, имеют худшие параметры. Наиболее известны схемы удвоения и утроения частоты, они же имеют наилучшие массогабаритные показатели и эффективность. Максимально возможный коэффициент умножения частоты в уже известных схемах составляет шесть раз.
Указанные недостатки умножителей частоты, существенно ограничивают их промышленное применение. Известны случаи использования умножителей частоты только во вспомогательных устройствах автоматики. Автору неизвестно о случаях использования ферромагнитных умножителей в области промышленной энергетики и силовой преобразовательной техники. Для питания промышленной нагрузки напряжением повышенной частоты применяют электромашинные преобразователи (все реже из-за известных недостатков) и полупроводниковые статические преобразователи частоты.
В отличие от трансформаторов для преобразования частоты (иначе - ферромагнитные умножители частоты), где в пульсирующем магнитном потоке выделяются высшие (чаще всего третья) гармоники с крайне низкой эффективностью, предлагаемый умножитель частоты отличает лучшие масса, габариты и энергетические параметры.
Опытным путем было установлено, что при использовании однослойных концентрических обмоток наблюдается крайне нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, таким образом, что практически весь магнитный поток сосредотачивается в отдельном зубце. При этом ЭДС катушек вторичной обмотки, установленных на отдельных зубцах, имеет прерывистый циклический характер (фигура 1). В течение некоторого время поле концентрируется в текущем зубце, при этом ЭДС катушки имеет квазисинусоидальный характер, после чего поле резко переходит на следующий зубец. При смене полярности магнитного потока в зубце возникает импульс ЭДС противоположной полярности. Через отрезок времени, равный периоду частоты питающей сети (20 миллисекунд при 50 Гц), последовательность импульсов повторяется, а интервал между импульсами положительной и отрицательной полярности составляет половину периода.
Таким образом, длительность импульсов на выходе катушек составляет только часть от периода питающей сети, и повторяется дважды с разной полярностью на его протяжении, а форма импульсов может быть близка синусоидальной.
Последовательность импульсов повторяется от одной катушки к другой со сдвигом, таким образом, что каждому интервалу времени соответствует определенная катушка, в которой наводится ЭДС. Полуволны наводимой в катушках вторичной обмотки ЭДС имеют частоту, повышенную по отношению к частоте питающей сети, что определяется меньшей в целое число раз (кратное коэффициенту умножения частоты) длительностью полуволн. Очевидно, что сумма всех интервалов полуволн в катушках вторичной обмотки равняется периоду питающей сети.
Используя полуволны ЭДС повышенной частоты на выходе катушек вторичной обмотки, коммутируя их в последовательной очередности, можно сформировать непрерывное выходное напряжение повышенной частоты.
При этом длительность полуволн ЭДС, а соответственно и коэффициент умножения частоты определяются соотношением
где k - коэффициент умножения, Z - число зубцов магнитопровода, p - число полюсов питающей обмотки.
Форма ЭДС, наводимой в катушках вторичной обмотки, зависит главным образом от типа первичной обмотки трансформатора с вращающимся полем, а также от формы пазов и ряда других факторов.
Принципиальная схема первичной трехфазной обмотки заявляемого девятикратного умножителя частоты представлена на фигуре 2, а схема наводимой в двух смежных катушках вторичной обмотки ЭДС отображена на фигуре 4. Число зубцов магнитопровода составляет 36 для формирования симметричной первичной трехфазной концентрической обмотки с требуемым шагом 8/10/12. Первичная обмотка имеет число полюсов 2p=4 для получения необходимого соотношения числа зубцов на полюс и требуемого коэффициента умножения.
Последовательность полуволн ЭДС, наводимой в катушках вторичной обмотки девятикратного умножителя частоты приведена в таблице 1, здесь номер катушки соответствует номеру зубца магнитопровода.
Катушки вторичной обмотки установлены на зубцах трансформатора и подсоединяются к полупроводниковому диодному коммутатору, обеспечивающему необходимую последовательность работы катушек таким образом, что полуволны повышенной частоты разной полярности на выходе умножителя чередуются и образуют непрерывную последовательность. Последовательность работы катушек реализована таким образом, что каждая катушка работает на нагрузку на протяжении интервала только одной полуволны наведенной в ней ЭДС, полуволна другой полярности используется для компенсации встречной ЭДС.
Использование диодного коммутатора позволяет упростить конструкцию, отказаться от блока управления, и использовать только неуправляемые диоды. Для этого соединяются в пары катушки, смещенные относительно друг друга на 18 зубцов (например, 1 и 19 катушки), с включением последовательно согласно. Напряжения катушек в парах имеет одинаковую полярность и суммируется. Пары катушек разделяются на две группы (анодную и катодную), одна из которых дает в нагрузку только положительные полуволны выходного напряжения, другая - отрицательные. Последовательно с каждой парой катушек в группе включается два диода, а параллельно - шунтирующий диод в той же полярности. Пары катушек в группах соединяются последовательно, а группы между собой - параллельно с обратной полярностью.
Такое включение обеспечивает формирование полуволн отрицательной и положительной полярности на выходе умножителя, одна группа катушек дает положительные полуволны, а вторая - только отрицательные. Наличие ЭДС противоположной полярности в неактивной катушечной группе позволяет избежать уравнительных токов между группами. Принципиальная схема соединения приведена на фигуре 3.
Требуемую последовательность полуволн ЭДС во вторичной обмотке обеспечивает первичная трехфазная обмотка, выполненная по типу однослойной концентрической, выполненной с шагом 8/10/12. Название обмотки объясняется тем, что каждый из пазов занят полностью одной стороной катушки, а катушки, составляющие одну катушечную группу обмотки, имеют разную ширину и расположены так, что охватывают как бы концентрически одна другую.
Форма и степень синусоидальности наводимых полуволн ЭДС зависит от ряда частных конструктивных особенностей - например, формы пазов и индукции в зубцах магнитопровода, при сохранении общего принципа.
Отличие предлагаемого решения от прототипа заключается в использовании зубчатой структуры трансформатора с вращающимся магнитным полем, и за счет нелинейного распределения создаваемого первичной трехфазной обмоткой магнитного потока. При этом способе, реализовать который возможно только на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, выходное напряжение формируется из отдельных полуволн, снимаемых с катушек вторичной обмотки, и коммутируемых в заданной последовательности, что в результате обеспечивает умножение частоты выходного напряжения.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим принципиальные отличия от прототипа:
- за счет первичной трехфазной обмотки достигается предельно нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, с концентрированием магнитного потока в отдельных зубцах, что определяет высокую эффективность предлагаемого решения;
- предлагаемый способ позволяет реализовать большой коэффициент умножения частоты в 9 раз;
- полуволны напряжения повышенной частоты, имеющие положительную и отрицательную полярность, коммутируются таким образом, что образуют непрерывную последовательность повышенной частоты;
- для коммутации катушек вторичной обмотки использован неуправляемый диодный коммутатор, что значительно упрощает конструкцию и повышает надежность решения.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - эффективному умножению частоты выходного напряжения в девять раз, упрощению конструкции, увеличению коэффициента полезного действия и повышению надежности. Конструкция трансформатора подходит для автоматической намотки, что позволяет говорить о высокой технологичности предложенного решения.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена осциллограмма напряжения катушки, установленной на одном из зубцов опытного образца умножителя частоты. На фигуре 2 изображена принципиальная схема первичной трехфазной обмотки умножителя частоты. На фигуре 3 изображена принципиальная схема соединения катушек вторичной обмотки. На фигуре 4 изображен график ЭДС двух смежных вторичных катушек.