МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В ВОСЕМЬ РАЗ
EIGHT-TIME MAGNETIC SEMICONDUCTOR FREQUENCY MULTIPLIER

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, умножителям частоты, и может быть использовано в качестве регулируемого источника питания электротехнологических установок - для индукционного нагрева, для питания быстроходных двигателей, ручного электроинструмента и т.п.
Известен магнитно-полупроводниковый умножитель частоты, принятый в качестве аналога (авт.свид. №762108, Б.И., №33, 1980), содержащий ферромагнитный преобразователь числа фаз, к выходным зажимам которого подключены тиристоры, нагрузку, включенную между нулем преобразователя числа фаз и общей точкой тиристоров. Для управления тиристорами предусмотрен блок управления на основе широтно-импульсного модулятора.
Недостатками аналога являются большие масса и габариты, низкие энергетические показатели, ограниченный диапазон регулирования напряжения.
Известен магнитно-полупроводниковый умножитель частоты, принятый в качестве аналога (авт.свид. №782084, БИ №43, 1980), содержащий трансформаторный преобразователь числа фаз, выходной трансформатор, к вторичной обмотке которого подсоединена нагрузка и ключи - тиристоры.
Недостатками этого аналога являются значительные масса и габариты трансформаторного преобразователя числа фаз, ограниченный диапазон регулирования напряжения, дополнительное потребление реактивной мощности ключами.
Известен магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в восемь раз, принятый в качестве прототипа (авт.свид. №964909, БИ №37, 1982) содержащий трансформатор, на каждом стержне которого расположены четыре обмотки, дроссель с обмотками подмагничивания в цепи постоянного тока, блок фазового управления ключами - тиристорами.
Недостатками прототипа являются значительные масса и габариты, а также сложность трансформаторного преобразователя числа фаз, инерционность за счет дросселя с подмагничивания постоянным током, ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения и низкие энергетические показатели.
Задачей изобретения является: повышение энергетических показателей за счет расширения диапазона регулирования выходного напряжения при активно-индуктивной нагрузке с одновременным улучшением массогабаритных показателей и упрощением конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что в магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в восемь раз, содержащий четырехпроводную сеть, четыре двухобмоточных дросселя насыщения, подключенных попарно к сети на фазное и линейное напряжение, нагрузку, однополупериодные управляемые ключи и блок управления ключами, введены четыре двухобмоточных трансформатора и четыре дополнительных двухобмоточных дросселя насыщения, при этом обмотки всех дросселей насыщения соединены по мостовой схеме, одна диагональ которых подключена к зажимам питающей сети, а вторая - к первичным обмоткам трансформаторов, а их вторичные обмотки соединены согласно-последовательно между собой и с нагрузкой, причем одна обмотка каждого дросселя насыщения и первичные обмотки трансформаторов зашунтированы однополупериодными управляемыми ключами, связанными между собой через блок управления, а дополнительные дроссели насыщения подключены также попарно к сети с опережением относительно прямой последовательности фаз на угол α=±π/4.
k
k
k
k
Сущность изобретения заключается в том, что замыкание шунтирующим ключом обмотки дросселя насыщения осуществляется в начале положительного полупериода на время α π/8, с момента его размыкания сердечник дросселя насыщения перемагничивается и насыщается в момент β=2π-α, где α - длительность замкнутого состояния регулирующего ключа. На нагрузке формируется напряжение в 8 раз превышающее частоту сети, а все другие гармоники выше восьмой при сложении взаимно компенсируются. При активно-индуктивной нагрузке с момента α=α размыкания регулирующего ключа первичная обмотка трансформатора закорачивается нулевым ключом, обеспечивая протекание тока в прежнем направлении и свободный обмен энергией между сетью и нагрузкой.
На фиг.1 представлена схема магнитно-полупроводникового умножителя частоты в восемь раз, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в 8 раз содержит две четырехпроводные сети, сдвинутые одна относительно другой на угол ±π/4, восемь двухобмоточных дросселей насыщения 1-8, четыре трансформатора 9-12 с вторичными обмотками 13-16, соединенными согласно-параллельно, образующими зажимы нагрузки. Обмотки всех дросселей насыщения соединены по мостовой схеме, одна диагональ которых подсоединена к зажимам питающей сети A, B, C, 0, а вторая - к первичным обмоткам 17-20 трансформаторов 9-12. Параллельно первичным обмоткам 17-20 трансформаторов 9-12 подключены ключи 29 - 32 (нулевые вентили), а одна из обмоток 21-28 каждого дросселя 1-8 зашунтирована полностью управляемыми регулирующими ключами 33-40, которые через блок управления 41 связаны с ключами 29-32. Нагрузка 42 подключена к вторичным обмоткам 13-16.
k
Рассмотрим принцип действия умножителя частоты в 8 раз при максимальном угле коммутации α α π/8.
k
k
k
В начале положительного полупериода фазы АО регулирующим ключом 33 закорачивается обмотка 21, насыщенный в предыдущий полупериод сердечник дросселя 1 остается насыщенным до момента α=α размыкания ключа 33, через трансформатор 9 к нагрузке 42 прикладывается положительный отрезок полуволны фазы АО напряжения 43 (фиг.2, б). С момента размыкания ключа 33 дроссель 1 перемагничивается до момента его насыщения при P=5π-α. На интервале времени π/8 α 3π/8 под действием напряжения АС одновременно насыщается сердечник дросселя 8 и замыкается ключ 39. По цепи: сначала фаза С - верхняя и нижняя обмотка 27 - обмотка 20 - фаза А, затем фаза А - ключ 39 - обмотка 20 - верхняя часть обмотки 27 - фаза С, и через трансформатор 12 с обмотки 16 к нагрузке 42 прикладываются полуволны напряжения 44 и 45 (фиг.2, г). Дроссель 7 перемагничивается до момента его насыщения при α=2π.
Под действием напряжения ВС на интервале 3π/8 α 5π/8 сначала насыщается дроссель 4, а затем ключом 35 шунтируется обмотка 23, при этом ток протекает по контуру: фаза С - обмотка 24 - обмотка 18 - верхняя обмотка 24 -фаза В, а после смены полярности - от фазы В - ключ 35 - обмотка18 - обмотка 18 - верхняя обмотка 23 - фаза С. К нагрузке 42 прикладывается 1/8 часть периода напряжения сети - напряжение 46, 47 (фиг.2, в).
В интервале 5π/8 α 7π/8 насыщается дроссель 6, а после изменения полярности напряжения фазы В0 замыкается ключ 37, шунтируя обмотку 25, и к нагрузке 42 прикладывается положительное и отрицательное напряжения 48 и 49 (фиг.2, д). Аналогично формируется напряжение в диапазоне 7π/8 α 9π/8 под действием напряжения А0 - насыщается дроссель 2 и замыкается ключ 34 - к нагрузке прикладывается напряжение 50 и 51 (фиг.2, е). На интервале 9π/8 α 11π/8 - под действием напряжения фаз АС насыщается дроссель 8, и ключ 40 шунтирует обмотку 28 дросселя 8, при этом через трансформатор 12 на нагрузку 42 передается напряжение 52 и 53(фиг.2, ж). В следующем диапазоне 11π/8 α 13π/8 под действием напряжения ВС насыщается дроссель 4 и ключом 36 закорачивается обмотка 24, при этом к нагрузке 42 через трансформатор 10 прикладывается напряжение 54, 55(фиг.2, з). При напряжении фазы В0 в интервале 13π/8 α 15π/8 в действие вступают дроссель 6 и ключ 36, который закорачивает обмотку 24, и на выходе формируется напряжение 56, 57 (фиг.2, и). В конце периода напряжения А0 в диапазоне 15π/8 α 2π насыщается дроссель 1, образуется контур: фаза А - обмотка 21- вторая обмотка 21 дросселя 1-0, и на нагрузку 42 трансформируется напряжение 58 (фиг.2, б).
В следующий период напряжения сети процессы в умножителе частоты повторяются.
Следовательно, за период напряжения А0 сети на нагрузке 42 формируется синфазное напряжение 59, превышающее частоту сети в восемь раз.
Габаритная мощность дросселя насыщения определяется по формуле
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>Г</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>2</mn><mrow><msqrt><mi>π</mi></msqrt></mrow></mfrac><mtext> </mtext><msub><mi>P</mi><mi>H</mi></msub><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></mrow></msqrt></mrow>
k
При активно-индуктивной нагрузке с углами регулирования απ/8 в момент размыкания регулирующих ключей 33-40 с блока 41 поступают прямоугольные ШИМ - импульсы на ключи 29-32, шунтирующие первичные обмотки 17-20 трансформаторов 9-12, выполняющие функции нулевых вентилей, обеспечивая при этом короткозамкнутые контуры для рассеивания электромагнитной энергии и свободного обмена между нагрузкой и сетью. Ключи 29, 30, 31 и 32 работают с удвоенной частотой. Блок 41 управления ключами 29…40 выполнен на основе широтно-импульсного модулятора.
Магнитопроводы дросселей насыщения должны иметь узкую, прямоугольную петлю гистерезиса и могут быть выполнены, например, из пермаллоя или из аморфных сплавов типа 5БДСР или типа ГМ. В качестве ключей можно использовать биполярные транзисторы или типа IGBT, bkb типа MOSFET.
Таким образом, в предлагаемом магнитно-полупроводниковом умножителе частоты в 8 раз обеспечивается регулирование выходного напряжения в широком диапазоне независимо от параметров активно-индуктивной нагрузки, без сдвига гармоник; повышается коэффициент мощности на 8-12% (по сравнению с прототипом); уменьшаются масса и габаритная мощность дросселей насыщения и трансформаторов, работающих не более четверти периода напряжения сети; повышается кпд.
Мощность умножителя частоты в восемь раз может быть изготовлена в несколько сотен киловатт.