МНОГОФАЗНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Название полезной модели. Многофазный умножитель частоты.
Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для питания напряжением повышенной частоты, а также в системах автоматики.
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 из уровня техники известен способ умножения частоты и устройство для его осуществления [патент РФ на изобретение №2592864], представляющее собой умножитель частоты, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, а также уложенные в его пазы рабочие обмотки. Первичная трехфазная обмотка упомянутого трансформатора выполняется по типу электрических машин однослойной концентрической с шагом 6/8, а вторичная обмотка состоит из отдельных катушек, которые подключены к полупроводниковому коммутатору.
К недостаткам решения можно отнести необходимость применения трансформатора с вращающимся полем, что ведет к усложнению технологии сборки и более высокой себестоимости умножителя в целом.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Переменный ток повышенной частоты используется в различного рода промышленных процессах - например, для питания систем индукционного нагрева для сварки конструкционных материалов и вулканизации листов резины при установке на металлическую поверхность. Также существуют специальные комплексы и системы, такие как гироскопы и блоки питания систем автоматизации и управления, для которых требуется напряжение повышенной частоты.
В настоящее время для получения повышенной частоты напряжения используются полупроводниковые преобразователи, в первую очередь это автономные инверторы со звеном постоянного тока. Для повышения качества выходного напряжения в них используется широтно-импульсная модуляция напряжения, а качество выходного напряжения напрямую зависит от частоты коммутации полупроводниковых ключей (транзисторов). Основным из ряда недостатков таких решения является сложность, что требует использования большого количества электронных комплектующих. Это ведет к снижению надежности и повышению себестоимости. Также к недостаткам можно отнести высокую скорость коммутации полупроводниковых ключей, что ведет к низкой электромагнитной совместимости с электрооборудованием, и излучению радиопомех. Кроме того, в процессе коммутации возникают дополнительные тепловые потери в полупроводниковых ключах.
Таким образом, эффективное преобразование частоты (в том числе умножение) это актуальная и востребованная в промышленности задача. Перейдем к описанию заявляемого решения.
Простейшим вариантом многофазной сети переменного тока является представленная на фигуре 1 векторная диаграмма трехфазной системы. Здесь видно, что угол между векторами напряжений фаз составляет 120°, что дает полностью симметричную систему напряжений [1]. Любая фаза симметрична относительно двух остальных, при этом существует только одно значение фазового сдвига между любой из фаз.
Существуют многофазные электрические цепи, имеющие шестифазное напряжение, получаемых при использовании обмоток с дополнительным фазовым сдвигом, объединяемых в общую нейтраль [1, 2]. Технически реализуемо любое количество фаз в системе напряжений, имеющих любой заданный между собой угол, что достигается, например, применением фазосдвигающих обмоток типа зиг-заг. Таким образом, уровень техники позволяет получить любую многофазную систему напряжений. Системы напряжений с числом фаз более трех в настоящее время получаются использованием серии трансформаторов с обмотками звезда, треугольник и зиг-заг. Однако может быть использовано любое другое решение - например, трансформаторы с вращающимся полем, описанные в [2].
На примере основного прототипа использующего трансформатор с вращающимся полем, главным отличием заявляемого решения является работа схемы при питании синусоидальными напряжениями, не имеющими искажений. Это и отличает наиболее сильно заявляемое решение от его прототипа, в котором использовался электромагнитный способ искажения напряжений вторичной обмотки трансформатора с вращающимся полем, и необходимого для его работы.
На фигуре 2 представлена функциональная схема, поясняющая работу предлагаемого решения. Из нее видно, что в схеме используются источники переменного напряжения, работающие на общий участок цепи, которым выступает электрическое сопротивление нагрузки. Для исключения сквозных токов между двумя источниками переменного напряжения, используются дополнительные сопротивления, соединяемые между собой последовательно. Сопротивление нагрузки, таким образом, включается между общей точкой диодов, и общей точкой дополнительных сопротивлений.
Согласно законам Кирхгофа [1], результирующее воздействие будет определяться суммарным воздействием токов всех фаз, протекающих через нагрузку. Таким образом, представленная схема компенсирует (отбросит) постоянную составляющую суммарного напряжения всех фаз, и выделит переменную составляющую (то есть пульсации амплитуд полуволн) более высокой частоты, определяемых производным напряжением всех фаз.
На фигуре 3 представлена принципиальная схема многофазного умножителя частоты, который может быть реализован наиболее просто на основе любого трехфазного стержневого трансформатора, для его реализации необходимо лишь наличие у трансформатора двух вторичных обмоток. Фазы упомянутых обмоток объединяются в два комплекта, подключаемых в общую точку, соединенную с нагрузкой. Для исключения уравнительных токов между фазами комплекта, последовательно в цепи каждой из фаз установлено по диоду, при взаимно обратной полярности фаз обмоток между комплектами и согласном включении диодов.
В первом комплекте фазы включены условно положительным концом обмотки к нейтрали (общей точке) вторичной обмотки, во втором комплекте фазы включены в общую точку также условно положительным концом.
На фигуре 4 представлен график напряжений на дополнительных сопротивлениях двух комплектов. Из графика видно, что протекающие токи, обуславливающие напряжения на дополнительных сопротивлениях, имеют взаимный фазовый сдвиг. Упомянутый фазовый сдвиг, после суммирования на сопротивлении нагрузки, вызывает на ней падение напряжения, имеющего представленную на фигуре 5 форму. Частота изображенного напряжения в три раза выше частоты питающей сети.
Таким образом, решена задача умножения (преобразования) частоты питающей сети в выходное напряжение повышенной частоты, подаваемое на сопротивление нагрузки. Достоинством представленного решения является простота, и отсутствие активных электронных комплектующих, технический эффект достигается использованием только классических пассивных деталей. При этом, удалось достигнуть умножения частоты при использовании двух источников чистого синусоидального напряжения, без применения сложных и неэффективных фильтров, а также без применения искажений напряжения вторичных обмоток трансформатора - как это было реализовано в прототипе. Представленное решение является полностью оригинальным, и не описано нигде в известной автору литературе в данной области техники.
Отсутствие активных электронных комплектующих не только делает конструкцию проще и дешевле, но и решает проблему электромагнитной совместимости - поскольку все протекающие токи в схеме, работают только в режиме естественной коммутации между диодами, включенными с фазами последовательно.
Полученное напряжение является в своей основе синусоидальным, и состоит из синусоидальных фрагментов с высокой крутизной фронтов - что дает приближение напряжения на сопротивлении нагрузки к треугольному. Однако это не является недостатком, и может быть использовано специально в различных схемах автоматики.
Предлагаемое решение направлено на упрощение конструкции умножителя частоты, что ведет к снижению себестоимости и упрощению технологии сборки. Существует принципиальное отличие от известных из уровня техники аналогов - данное решение использует для своей работы неискаженное, синусоидальное напряжение в фазах питания. Все другие решения - используют либо выделение (фильтрацию) высших гармоник в напряжении, либо создание (искажение) близких по своей форме к повышенной частоте полуволн и их последующее суммирование (основной прототип и его производные).
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- используются вторичные обмотки трансформаторов, не имеющие искажений синусоидальности;
- каждый трансформатор содержит по два комплекта вторичных обмоток, при встречной полярности их включения;
- каждая из фаз оснащается включенным последовательно с ней диодом, причем все фазы в комплекте включаются параллельно, при согласном включении диодов из разных комплектов;
- к нейтралям вторичных обмоток подключено по сопротивлению, оба сопротивления объединяются вместе;
- нагрузка включается между общей точкой комплектов, и общей точкой сопротивлений.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - упрощению конструкции.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена векторная диаграмма трехфазной системы напряжений. На фигуре 2 изображена функциональная схема многофазного умножителя частоты. На фигуре 3 изображена принципиальная схема многофазного умножителя частоты. На фигуре 4 изображены напряжения на балластных сопротивлениях. На фигуре 5 изображено выходное напряжение многофазного умножителя частоты.
Список использованной литературы.
1. Фрумкин A.M. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с.
2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с.
3. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Альянс, 2013. - 528 с.