СПОСОБ УМНОЖЕНИЯ ЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MULTIPLICATION OF FREQUENCY AND DEVICE THEREFOR

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано 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 ферромагнитное умножение 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]. В основу данного способа умножения частоты положено явление генерирования высших гармонических составляющих напряжения при питании цепей, содержащих нелинейные ферромагнитные сердечники, от источника синусоидального напряжения. Для выделения высшей гармоники индукции трансформатора с вращающимся магнитным полем задают число пар полюсов первичной обмотки (обычно p=1), выбирают обмоточные коэффициенты обмоток и число пар полюсов вторичной обмотки, таким образом, что пространственный период выделяемой высшей гармоники должен совпадать с удвоенным полюсным делением вторичной обмотки. Конструкция умножителя частоты, реализующего данный способ, и предназначенного 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 изобретения
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.
Тем не менее, потребность в простых конструктивно, надежных и не требующих обслуживания умножителях частоты объективно существует. Главным условием в данном случае становится эффективность и массогабаритные показатели. Потребителями таких умножителей могут быть устройства автоматики, электропривод с повышенной частотой вращения (например, гироскопы) и в ряде случаев, промышленные устройства индукционного нагрева. Существующие варианты умножителей частоты не удовлетворяют запросам промышленности в части эффективности и их массогабаритных показателей. Это обусловлено способом умножения частоты, который основан на выделении высших гармоник магнитного потока преобразовательного трансформатора тем или иным образом.
В широком смысле, трансформаторы, как и электромашинные преобразователями, можно считать разновидностью индуктивной электрической машины переменного тока. В настоящее время выпускаются трансформаторы напряжения самого различного назначения и широким диапазоном мощностей вплоть до 1 ГВ·А. Силовые трансформаторы с пульсирующим магнитным полем (ТПМП) можно рассматривать как систему с одной степенью свободы (с точки зрения распределения магнитного потока): рабочий магнитный поток протекает в одной плоскости, не меняя своего положения; переменная составляющая тока первичной обмотки заключается в изменении (пульсировании) значения индукции в стержнях магнитопровода.
Обратимся к эволюции математической модели обобщенной электрической машины, частным случаем которой является индуктивный преобразователь переменного тока (трансформатор). Простейшим состоянием электромагнитного поля является пульсирующее поле неподвижной одиночной катушки; следующая ступень - круговое поле однофазной электрической машины, при этом, если ее ротор неподвижен - конструкция соответствует катушке с броневой конструкцией магнитопровода; далее следует вращающееся магнитное поле - образованное m-фазной системой ЭДС. В основе всех этих вариаций лежит разное число степеней свободы.
Развитием конструкции трансформаторов стало появление трансформаторов и реакторов с вращающимся магнитным полем, обладающих симметричной магнитной системой и синусоидальным током, потребляемым из сети. Их конструкция в основном аналогична электрическим машинам переменного тока с заторможенным ротором и пространственно-распределенной трехфазной первичной обмоткой, обладающей круговой симметрией.
Последнее время было ознаменовано промышленным внедрением мощных трансформаторов ТВМП, в частности заводом «Электросила». Их использование было обусловлено как технологическими соображениями производства, так и возможностью конструктивного сдвига фаз напряжения на вторичных обмотках.
До сих пор существует недопонимание физической сущности трансформаторов ТВМП, а именно - наличия дополнительной степени свободы. Трансформатор ТВМП является аналогом многофазной электрической машиной с заторможенным ротором. Отсутствие механического перемещения приводит к снижению степеней свободы, и как следствие - к упрощению математической модели и уменьшению числа уравнений, описывающих систему. Тем не менее, число степеней свободы больше, чем в трансформаторах с пульсирующим магнитным полем, где нет пространственного перемещения магнитного потока, который описывается законами изменения во времени мгновенного значения индукции.
Обратимся к физическому смыслу вращающегося магнитного поля. Как известно, первичная трехфазная обмотка ТВМП создает вращающееся магнитное поле, так что закон изменения трехфазных токов в фазах обмотки определяет пространственное распределение во времени намагничивающих сил, при этом электромагнитное поле не пульсирует - а перемещается в пространстве, численное же его значение постоянно и является подобным постоянному магнитному полю. Сохраняется аналогия с электромеханическими преобразователями электроэнергии и пространственное перемещение суммарного магнитного поля трехфазной первичной обмотки, на основании чего можно сделать вывод о возможности преобразования частоты ЭДС вторичной обмотки.
При этом отсутствие изменения потокосцеплений контуров не позволяет плавно регулировать выходную частоту, как следствие снижения степени свободы системы. Тем не менее, очевидна теоретическая возможность умножения частоты выходного напряжения в фиксированное количество раз.
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 способ умножения частоты на базе ТВМП 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 близка синусоидальной.
Последовательность импульсов повторяется от одной катушки к другой со сдвигом, таким образом, что каждому интервалу времени соответствует определенная катушка, в которой в течение его наводится ЭДС (фигура 4). 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 интервалов всех полуволн в катушках вторичной обмотки равняется периоду питающей сети.
Такой вариант соответствует варианту первичной обмотки с числом полюсов 2p=2, но нет никаких принципиальных отличий для случая с большим числом пар полюсов. Возможно увеличение числа полюсов при пропорциональном увеличении числа зубцов трансформатора, и количества катушек вторичной обмотки. Так же как и при двухполюсном варианте, будет наблюдаться чередование полуволн положительной и отрицательной полярности на выходе катушек вторичной обмотки, через промежутки, равные половине периода питающей сети.
Используя полуволны ЭДС повышенной частоты на выходе катушек вторичной обмотки, коммутируя их в последовательной очередности, можно сформировать непрерывное выходное напряжение повышенной частоты, что и составляет суть заявляемого способа умножения частоты.
В ходе опытов был изготовлен образец умножителя частоты в шесть раз. В качестве магнитопровода по технологическим соображениям был выбран вариант с 36 зубцами, при этом число полюсов составило 2p=6, и каждой паре полюсов соответствует 12 зубцов и катушек вторичной обмотки, принципиальная схема обмотки представлена на фигуре 2. Каждая пара полюсов формирует последовательность из 6 полуволн положительной, и 6 полуволн отрицательной полярности, наводимых в катушках вторичной обмотки. Интервалы полуволн соответствует коэффициенту умножения в 6 раз (1,67 миллисекунд при частоте питающей сети 50 Гц). Циклическая последовательность формируется 12 катушками, установленными на 12 зубцах магнитопровода, при этом в каждой катушке за период питающей сети наводятся две полуволны - положительной и отрицательной полярности ЭДС. Таким образом, катушки разбиваются на пары, сдвинутые относительно друг друга на 6 зубцов, при этом их временные интервалы совпадают при обратной полярности полуволн. Данная последовательность наглядно представлена в таблице 1, где показаны временные интервалы катушек, и полярность наведенной ЭДС. Таблица отображает только первые 12 катушек вторичной обмотки, чередование катушек повторяется через 12 зубцов. В опытном образце при 2p=6 и 36 зубцах катушки, имеющие одинаковый временной интервал работы и полярность, соединяются последовательно для получения максимальной ЭДС на выходе.
Функциональная схема умножителя частоты представлена на фигуре 3, а схема наводимой в двух смежных катушках вторичной обмотки ЭДС отображена на фигуре 4. Выходы катушек вторичной обмотки трансформатора подсоединяются к полупроводниковому коммутатору, обеспечивающему необходимую последовательность подключения катушек к выходу умножителя. При этом важное для практического применения значение имеет количество полупроводниковых ключей, задействованных в коммутаторе. В случае использования реверсивного коммутатора, обе полуволны каждой катушки будут использоваться для формирования последовательности выходного напряжения, но это потребует большего числа полупроводниковых ключей. С целью снижения числа ключей коммутатора от каждой катушки используется полуволна только одной полярности, положительной либо отрицательной. Это позволяет отказаться от реверсивности коммутатора, и упростить его.
Последовательность работы коммутатора наглядно представлена в таблице 2. Из нее следует, что 12 полуволнам выходного напряжения повышенной частоты (6 положительным и 6 отрицательным) соответствует 12 катушек вторичной обмотки, каждая из которых задействуется только один раз на периоде повторяемости.
В таблице 2 серым цветом отображены неиспользуемые полуволны полярности, черным - используемые. Коммутация катушек производится коммутатором 2 по сигналам блока управления 3 (фигура 3), блок управления получает сигнал синхронизации с одной из вторичных обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем 1 для соответствия сигналов управления фазе питающей сети. Использование указанной в таблице 2 последовательности позволяет реализовать неуправляемый коммутатор на диодах, в таком случае все катушки соединяются одним выводом к первой общей точке, а второй вывод всех катушек подключается через диод (в полярности включения, соответствующей таблице 2) со второй общей точкой, две общие точки образуют выход умножителя частоты.
Выход в случае управляемого коммутатора подключается к пассивному фильтру, реализующему защиту нагрузки от коммутационных выбросов напряжения и для дополнительного улучшения синусоидальности формы выходного напряжения. Опыты показали, что уровень искажения синусоидальности напряжения без фильтра составляет от 3% до 8%, что укладывается в нормы стандартов (менее 8%) но может потребовать коррекции при питании некоторых потребителей.
Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в использовании дополнительной степени свободы 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:
- выходное напряжение повышенной частоты формируется за счет использования дополнительной степени свободы трансформатора с вращающимся полем, имеющего пространственную конструкцию с зубцами;
- за счет первичной трехфазной обмотки достигается предельно нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, с концентрированием магнитного потока в отдельных зубцах, благодаря чему практически весь магнитный поток первичной обмотки участвует в создании выходного напряжения повышенной частоты, что определяет высокую эффективность предлагаемого решения;
- предлагаемый способ позволяет реализовать различные коэффициенты умножения частоты, вплоть до 10 раз, что позволяет получить частоту 400 Гц, востребованную в технике;
- каждая катушка вторичной обмотки задействована в течение только части периода питающего напряжения, длительность которого зависит от коэффициента умножения частоты, и в определенный момент времени, определяемый порядковым номером катушки в последовательности;
- полуволны напряжения повышенной частоты, имеющие положительную и отрицательную полярность, коммутируются таким образом, что образуют непрерывную последовательность повышенной частоты.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - эффективному умножению частоты выходного напряжения, упрощению конструкции трансформатора, увеличению коэффициента полезного действия. 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 схема первичной трехфазной обмотки опытного образца умножителя частоты. На фигуре 3 изображена функциональная схема умножителя частоты. Здесь 1 - трансформатор с вращающимся магнитным полем, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - блок управления полупроводниковым коммутатором, 4 - LC-фильтр выходного напряжения. На фигуре 4 изображен график ЭДС двух смежных катушек умножителя частоты. На фигуре 5 изображена осциллограмма выходного напряжения опытного образца умножителя частоты.