ТРАНСФОРМАТОР ЧАСТОТЫ
FREQUENCY TRANSFORMER

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 совмещенная 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 известен девятикратный умножитель частоты [патент на полезную модель РФ №155108], в основу которого положен трансформатор с вращающимся магнитным полем, в пазы которого уложены рабочие первичная и вторичная обмотки. При этом первичная трехфазная обмотка выполняется однослойной концентрической с шагом 8/10/12, а вторичная обмотка состоит из установленных на зубцах катушек. Для получения непрерывной чередующейся последовательности полуволн повышенной частоты последовательно с вторичными катушками включены диоды, а катушки с диодами объединены параллельно в две группы взаимно обратной полярности, сами группы катушек соединяются параллельно. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.
К недостаткам такого решения можно отнести низкий коэффициент использования витков вторичной обмотки, что ведет к ухудшению массогабаритных показателей. Для коммутации полуволн в непрерывную последовательность используется коммутатор с большим числом силовых диодов, что увеличивает себестоимость изделия и снижает его надежность.
Раскрытие изобретения.
Ряд потребителей (например, гироскопы, установки индукционного нагрева, системы автоматики) требуют для своего питания повышенной частоты, получаемой разного рода преобразователями частоты. В настоящее время идет отказ от использования электромашинных преобразователей частоты, в целях улучшения эксплуатационных характеристик и повышения надежности работы. Тем не менее, практика показала, что отечественные статические преобразователи частоты не всегда имеют малые массогабариты и не обеспечивают заявленного уровня надежности при работе.
Известны различные конструкции специальных трансформаторов для преобразования параметров электрической энергии, к которым относятся ферромагнитные умножители частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях резонансных контуров.
Главным параметром подобных умножителей является коэффициент умножения частоты, который однозначно привязан к частоте питающей сети и прямо пропорционален ей. Наиболее известной и простой схемой умножения является трехкратный ферромагнитный умножитель частоты (фигура 1). Его отличает простота схемотехники, требуется использовать три однофазных трансформатора. Включение первичных обмоток однофазных трансформаторов по схеме типа "звезда" с питанием от трехфазной сети приводит к появлению третьей гармоники в составе магнитного потока. Вторичные обмотки трансформаторов включаются последовательно - таким образом, происходит выделение третьей гармоники магнитного потока за счет компенсации основной частоты (сумма ЭДС трехфазной системы всегда равна нулю) в симметричной системе.
Однако, несмотря на кажущуюся простоту решения, подобные умножители не нашли промышленного применения, хотя пути подобного внедрения рассматривались. Причина этого кроется не в коэффициенте умножения частоты, а в их низкой эффективности. Осциллограмма напряжений подобного ферромагнитного умножителя частоты представлена на фигуре 2. Напряжение на выходе трансформатора практически полностью определяется гармоническим составом магнитного потока, спектр выходной ЭДС показан на фигуре 3.
Очевидно, что использование компенсации напряжения в симметричной трехфазной схеме ведет к ухудшению соотношения числа витков на вольт. Подобную схему (симметричную самокомпенсацию) используют практически все ферромагнитные умножители частоты, что обусловило их низкую энергоэффективность и массогабариты. Разница между схемами только в способе возбуждения (увеличения) высших гармоник в магнитном потоке трансформатора и использовании трансформаторов пространственной конструкции.
Результаты испытаний трехкратного умножителя частоты, собранного по классической схеме, приведены в таблице 1. Следует учесть, что выходное напряжение основной гармоники каждого трансформатора составляло около 13 вольт, а в сумме их - 39 вольт.
Из таблицы 1 следует, что такой умножитель частоты характеризуется резко спадающей нагрузочной кривой. Мощность однофазных трансформаторов, которые были использованы в опыте, составляет 10 Вт каждый, или 30 Вт в сумме. В таком случае, можно ввести коэффициент использования мощности, который составил 0,0015 при нагрузке сопротивлением 10 кОм. Подобный опыт показывает, что эффективность ферромагнитных умножителей частоты имеет крайне низкое значение, что как минимум ведет к сильному увеличению массы и габаритов в случае силовых установок. Указанные недостатки умножителей частоты существенно ограничивают их промышленное применение.
Последние десятилетия ознаменовались увеличением числа работ по тематике трансформатора с вращающимся магнитным полем. Данный вид трансформаторов отличается сложной пространственной конструкцией магнитопровода, со свойственной ей дополнительной степенью свободы. Это означает, что в отличие от трансформаторов с пульсирующим полем в них происходит пространственное перемещение магнитного потока, аналогичного магнитному полю постоянного магнита, без изменения его абсолютного значения.
Опытные работы авторов показали, что в ряде случаев магнитный поток трансформатора с вращающимся полем распределяется по его зубцовой структуре в значительной мере нелинейно, и возможна концентрация поля в отдельно взятом зубце (фигура 4).
Процесс подобного перехода отличается скачкообразным характером, с крутыми фронтами - таким образом, что в любой отдельно взятый момент времени магнитный поток сконцентрирован только в одном текущем зубце. На протяжении интервала полупериода питающей сети магнитный поток проходит несколько зубцов, что определяет коэффициент умножения, пропорциональный уменьшению интервала полуволн.
Определенным образом, коммутируя полуволны, снятые с катушек, установленных на отдельных зубцах, можно получить синусоидальное выходное напряжение повышенной частоты. Проведенные опыты показывают, что возможно обеспечить чередование полуволн разной полярности путем последовательного соединения катушек в определенной полярности. Однако к такому решению относится такой недостаток, как спадающая нагрузочная характеристика - по причине взаимодействия всех катушек последовательности при протекании по ним общего тока.
Использование полностью управляемых ключей для коммутации полуволн в непрерывную последовательность лишает подобный умножитель частоты главного преимущества - отсутствия системы управления и разрыва кривой тока. Поэтому в решении, принятом за прототип, была использована идея диодного коммутатора. Принцип работы прост: формируются две цепочки последовательно соединенных катушек, одна из которых формирует отрицательную, а другая - положительную часть полуволн.
Безусловно, в таком случае будет наблюдаться некоторое ухудшение массогабаритных показателей умножителя, приблизительно пропорциональное коэффициенту умножения по частоте. Верхний предел целесообразности применения таких умножителей можно обозначить значением 500 Гц.
Дальнейшим развитием умножителей частоты на базе трансформатора с вращающимся полем может стать вариант "трансформатора частоты", в котором в каждой вторичной катушке наводится ЭДС повышенной частоты, представляющая непрерывную последовательность полуволн. В таком случае, катушки вторичной обмотки соединяются последовательно для получения требуемого уровня напряжения на выходе. Этот вариант требует особого включения первичной обмотки, с расщеплением магнитного потока полюса по зубцам, таким образом, что положительный и отрицательный полюсы магнитного потока непрерывно чередуются в каждом из них. Этого можно достичь за счет чередования полярности включения катушек в первичной концентрической обмотке. В этом случае произойдет чередование полярности магнитного потока по зубцам магнитопровода, и соответственно - формирование непрерывного переменного напряжения в катушках вторичной обмотки. Схема подобной первичной обмотки изображена на фигуре 5, где стрелками показано изменение полярности включения вложенных катушек в каждой катушечной группе.
Однако поле, формируемое такой первичной обмоткой, не будет равномерным по окружности магнитопровода. Значение амплитуды наводимого напряжения в катушках будет иметь биение с периодом, определяемым частотой питающей сети.
Устранить данный недостаток возможно с помощью многослойной первичной обмотки, состоящей из нескольких одинаковых концентрических обмоток, сдвинутых по окружности магнитопровода симметрично относительно друг друга (фигура 6). В этом случае произойдет выравнивание магнитных потоков в различных зубцах, и формирование равномерного непрерывного синусоидального напряжения в каждой катушке вторичной обмотки, без каких-либо существенных биений напряжения.
На фигуре 7 изображена осциллограмма выходного напряжения такого умножителя частоты с тройной первичной концентрической обмоткой. Необходимо учитывать, что качество выходного напряжения и форма полуволн будут определяться многими параметрами, в том числе формой пазов и зубцов магнитопровода, наличием воздушного зазора.
Отличие предлагаемого умножителя частоты от прототипа заключается в использовании  дополнительной степени свободы структуры трансформатора с вращающимся магнитным полем и создании непрерывного чередования полюсов магнитного потока в зубцах, что в результате обеспечивает эффективное умножение входной частоты без использования полупроводникового коммутатора.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим принципиальные отличия от прототипа:
- трансформатор с вращающимся магнитным полем имеет три первичных концентрических обмотки, симметрично сдвинутых относительно друг друга в пространстве и питаемых от трехфазной силовой сети с промышленной частотой;
- непрерывная последовательность выходного напряжения повышенной частоты снимается с катушек вторичной обмотки;
- катушки вторичной обмотки включаются последовательно-встречно относительного друг друга;
- не требуется полупроводниковый коммутатор для получения непрерывной последовательности полуволн чередующейся полярности выходного напряжения.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - увеличению надежности за счет отсутствия полупроводникового коммутатора, и как следствие, более высокой эффективности предложенного решения, в том числе улучшение массогабаритных показателей.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема трехкратного ферромагнитного умножителя частоты. На фиг. 2 изображена осциллограмма напряжения трехкратного ферромагнитного умножителя частоты. Здесь 1 - напряжение одной фазы, 2 - суммарное напряжение на выходе умножителя. На фиг. 3 изображен спектральный состав магнитного потока трехкратного ферромагнитного умножителя частоты. На фиг. 4 изображена осциллограмма напряжения катушки, установленной на одном из зубцов умножителя частоты с концентрической обмоткой при согласном включении концентрических катушек. На фиг. 5 изображена схема взаимно-встречного включения катушек в группах первичной концентрической многофазной обмотки с числом полюсов, равным шести. На фиг. 6 изображена схема взаимного расположения трех первичных концентрических обмоток по пазам магнитопровода. На фиг. 7 - осциллограмма выходного напряжения трансформатора частоты.