МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В ЧЕТЫРЕ РАЗА
FOUR-TIME MAGNETIC SEMICONDUCTOR FREQUENCY MULTIPLIER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, умножителям частоты, и может быть использовано в качестве статического регулируемого источника питания электротехнологических установок индукционного нагрева, быстроходных двигателей, ручного электроинструмента и т.п.
Известен магнитно-тиристорный умножитель частоты в четное число раз, выбранный в качестве аналога (см. SU 782084, БИ №43, 1980), содержащий ферромагнитный преобразователь числа фаз с трехфазным входом и нулевым проводом, к выходным зажимам которого в каждой фазе включены дроссели насыщения и тиристорные ключи, управляемые от блока управления.
Основными недостатками аналога является то, что при естественной коммутации полупроводниковых ключей происходит дополнительное потребление реактивной мощности самим регулирующим органом, и ограничен диапазон регулирования при активно-индуктивной нагрузке, что снижает энергетические показатели.
Известен статический регулируемый источник напряжения с трехфазным входом и однофазным выходом, выбранный в качестве аналога (см. SU 570964, БИ №32, 1977), выполненный на четырех сердечниках с расположенными на них первичными и вторичными обмотками, а также обмотками подмагничивания постоянным током, самоподмагничивания током четвертой гармоники, который также включает тиристоры с блоком управления.
Недостатком аналога являются инерционность, большие габариты и масса, а также низкие энергетические показатели.
Известен магнитно-полупроводниковый учетверитель частоты, выбранный в качестве прототипа (см. SU 577624, БИ №39, 1977), содержащий тиристорные ключи, управляемые от блока управления, и магнитопроводы с рабочими обмотками и обмотками подмагничивания постоянным током с дросселем фильтра, подсоединенные к трехфазной сети с нулевым проводом, к тиристорным ключам и однофазной нагрузке.
Недостатком прототипа являются низкие энергетические показатели, инерционность и большие габариты и масса, потребление регулирующим органом дополнительной реактивной мощности.
Задачей изобретения является повышение коэффициента мощности, снижение инерционности, массы и габаритов.
Поставленная задача достигается тем, что в магнитно-полупроводниковом умножителе частоты, содержащем трехфазный трансформатор с искусственным нулем в первичной обмотке, к вторичным обмоткам которого подключены по две секции обмоток четырех дросселей насыщения, однополупериодные ключи и блок управления ими, а также нагрузку, секции обмоток дросселей насыщения включены по мостовой схеме, одни диагонали которых объединены между собой и нагрузкой, а одна из секций обмоток каждого дросселя насыщения и нагрузка зашунтированы ключами, причем шунтирующие ключи связаны с ключом нагрузки и с блоком управления.
На фиг.1 приведена электрическая принципиальная схема магнитно-полупроводникового умножителя частоты в четыре раза, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
m
m
Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты содержит трехфазный трансформатор 1 с тремя первичными обмотками, состоящими из двух частей с искусственной средней точкой, обмоткой 2, и обмотками 3-1 и 3-2, соединенными по схеме питания напряжением Usinωt и Ucosωt, и с вторичными обмотками 4 и 5, согласованными по уровням напряжения. К вторичным обмоткам 4 и 5 подключены четыре дросселя насыщения 6, 7, 8 и 9, каждый с двумя секциями обмоток 10, 11 и 12, 13. Секции 10, 11 и 12, 13 обмоток дросселей насыщения 6, 7 и 8, 9 соединены по мостовой схеме, одни диагонали которых подключены к вторичным обмоткам 4 и 5 трансформатора 1, а вторые диагонали моста обмоток 10, 11 и 12, 13 соединены между собой и с активно-индуктивной нагрузкой 14, при этом параллельно одной секции обмоток каждого дросселя насыщения и нагрузке 14 установлены однополупериодные ключи 15… 19, причем ключ 19 связан с шунтирующими ключами 16… 18 через блок 20 управления.
Силовой трансформатор 1 предназначен для питания вторичных обмоток: 4 - фазным напряжением 21 и 5 - линейным напряжением 22, при этом между фазным и линейным напряжением обеспечен сдвиг в 90°, а уровень напряжений обмоток 4 и 5 выполнен одинаковым.
Принцип работы магнитно-полупроводникового умножителя частоты заключается в следующем.
к
k
k
В начале положительного периода напряжения импульсом управления с блока 20 на интервале 0 α π/4 45° замыкается ключ 15 (фиг.2, б), и образуется короткозамкнутый контур обмотки 10 дросселя 6. Последний с предыдущего полупериода остается насыщенным. По цепи: обмотка 4 - ключ 15 - нагрузка 14 - обмотки 6 и 4 потечет ток, и к нагрузке 19 прикладывается напряжение 23 (фиг.2, б). С момента размыкания ключа 15 под действием напряжения с обмотки 4 трансформатора 1 сердечник 6 начинает размагничиваться, а после смены полярности напряжения при α=ωt=π намагничивается и насыщается в момент, однозначно связанный с углом коммутации β=2π-α.
Аналогично происходит и с магнитопроводами дросселей насыщения 7, 8, 9 на интервалах 3π/4 α 9π/4, 5π/4 α 11π/4 и 7π/4 α 13π/4; они перемагничиваются под действием линейного 22 и фазного 21 напряжений.
К моменту размыкания ключа 15 насыщается магнитопровод 8, и на нагрузке формируется отрицательная полуволна напряжения 24. В момент α=π/2 замыкается ключ 17 и на интервале π/2 α 3π/4 к нагрузке прикладывается положительная полуволна напряжения 25 с обмотки 3-1 трансформатора 1.
k
k
В последний момент α=3π/4 насыщается дроссель 8, при этом в диапазоне β=3π/4 α π формируется отрицательная полуволна напряжения 26 (фиг.2, в). При α=π замыкается ключ 16 и через него, нагрузку 14, обмотку 11 дросселя насыщения 7 и обмотку 4 на интервале π α 5π/4 протекает ток и к нагрузке 14 прикладывается напряжение 27. Одновременно в момент α=β=5π/4 насыщается магнитопровод дросселя 9, и к нагрузке прикладывается напряжение 28 с обмотки 5 трансформатора 1. При α=3π/2 замыкается ключ 18, и по нагрузке 14 потечет ток по цепи: обмотка 5 - ключ 18 - нагрузка 14 - обмотка 13 - обмотка 5, при этом к нагрузке 14 прикладывается напряжение 29. Одновременно в момент α=β=7π/4 насыщается дроссель 6, при этом образуется контур: обмотка 4 - обмотка 6 - нагрузка 14 - обмотка 6 - обмотка 4, по которому протекает ток и в диапазоне 7π/4 α 2π формируется отрицательная полуволна напряжения 30.
Следовательно, в течение периода напряжения сети к нагрузке прикладывается напряжение 31 учетверенной частоты - 200 Гц.
k
При реактивной нагрузке и промежуточных углах коммутации α<45° ключей 15-17 в момент их размыкания замыкается ключ 19, т.е. последний работает с частотой в 4 раза большей, чем замыкаются ключи 15-18, шунтирующие секции обмоток дросселей 6-9 насыщения.
На интервалах перемагничивания сердечников дросселей насыщения образуется короткозамкнутый контур нагрузки 14, по которому в прежнем направлении протекает ток за счет ЭДС самоиндукции, спадая по экспоненте.
c(1)
Выходное напряжение регулируется синфазно, без сдвига гармоник, вследствие чего коэффициент мощности зависит только от коэффициента искажения тока, поскольку коэффициент сдвига первой гармоники тока сети cosφ=1,0.
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>г</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>P</mi><mi>н</mi></mrow><mrow><msqrt><mi>π</mi></msqrt></mrow></mfrac><msqrt><mrow><msub><mi>α</mi><mi>k</mi></msub><mo>−</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mi>sin</mi><mn>2</mn><msub><mi>α</mi><mi>k</mi></msub><mo>,</mo></mrow></msqrt></mrow>
Габаритная мощность одного дросселя насыщения зависит от угла коммутации и рассчитывается по формуле
н
где Р - мощность нагрузки.
Запаздывание не превышает четверти полупериода, поскольку при любом характере реактивной нагрузки всегда обеспечивается контур свободного обмена энергией между питающей сетью и нагрузкой.
Масса и габариты учетверителя частоты на четырех дросселях насыщения существенно меньше, чем у прототипа.
Трехфазные магнитно-полупроводниковые умножители частоты выполняются на основе однофазных со сдвигом напряжений сети на 120 эл.градусов.
Их мощность может достигать несколько сотен киловатт.