ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ 50/400 Гц
50/400 Hz FREQUENCY CONVERTER

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к преобразователям частоты, в частности к умножителям частоты трансформаторного типа, и может быть использовано в качестве источника питания потребителей тока 400 Гц.
Уровень техники
Известен удвоитель частоты (см. Удвоитель частоты / Патент на изобретение РФ №2279177, МПК Н02М 5/16, приоритет 09.03.2005. Опубликовано 27.06.2006, Бюл. №18), содержащий трансформатор, на каждом стержне которого расположены четыре первичные обмотки, объединенные в две пары, каждая из которых замкнута на пару согласно включенных транзисторов. Недостатком этого удвоителя является несинусоидальность выходного напряжения, при которой коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения близок к предельно допустимому значению, что значительно сокращает область применения данной разработки.
Известен также трехфазный умножитель частоты (см. трехфазный умножитель частоты / Патент на изобретение РФ №2280309, МПК Н02М 5/297, приоритет 09.03.2005. Опубликовано 20.07.2006, Бюл. №20). Недостатком этого трехфазного умножителя частоты является то, что при формировании результирующей ЭДС в выходной обмотке трансформатора при наложении на ЭДС основной фазы дополнительных ЭДС, наведенных от других фаз трансформатора, для получения кривой результирующего напряжения близкой к синусоиде необходим определенный угол включения транзисторов, что ограничивает возможности стабилизации выходного напряжения при изменении нагрузки.
Прототипом предлагаемого устройства является статический преобразователь частоты (см. статический преобразователь частоты / Патент на изобретение РФ №2358378, МПК Н02М 5/297, приоритет 24.03.2008. Опубликовано 10.06.2009, Бюл. №16). Недостатком этого преобразователя частоты является то, что при формировании выходного напряжения амплитудные значения кривых напряжений, полученных при работе транзисторов в периоды от  отличаются от амплитудных значений кривых напряжений, полученных в периоды от
(где n=0, 1, 2, 3, 4, …), что приводит к значительному искажению кривой выходного напряжения преобразователя частоты и, соответственно, наличию высших гармоник.
Раскрытие изобретения
Технический результат изобретения - улучшение качества выходного напряжения преобразователя частоты.
Указанная цель достигается тем, что в статическом преобразователе частоты, являющимся прототипом (см. статический преобразователь частоты / Патент на изобретение РФ №2358378, МПК Н02М 5/297, приоритет 24.03.2008. Опубликовано 10.06.2009 Бюл. №16), от каждой первичной обмотки трансформатора сделан отвод, присоединенный через пару встречно-параллельно соединенных транзисторов к точке присоединения транзисторов соответствующей обмотки к фазе источника питания. Задание системой управления определенных режимов работы транзисторов позволяет формировать из питающего напряжения кривые выходного напряжения частотой 400 Гц и с одинаковыми амплитудами за счет равномерного распределения напряжения по виткам первичных обмоток.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена принципиальная схема одной фазы преобразователя частоты 50/400 Гц. На фиг.2 приведены изменения кривых фазного и линейного напряжений, наведенных в обмотках трансформатора, при получении выходной частоты 400 Гц при условии, что ЭДС самоиндукции отсутствует, и преобразователь работает без нагрузки.
Преобразователь частоты 50/400 Гц (фиг.1) состоит из силового трансформатора (1) и силовых транзисторов (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22). На каждом стрежне трансформатора расположены четыре первичные обмотки (2, 3, 4, 5), объединенные в две пары. Обмотки каждой пары между собой соединены последовательно. К свободным концам каждой пары обмоток подключены встречно-параллельно соединенные транзисторы, и от каждой первичной обмотки трансформатора сделан отвод, присоединенный также через пару встречно-параллельно соединенных транзисторов к общей точке присоединения транзисторов к источнику питания. Общая точка соединения обмоток и общая точка соединения встречно-параллельно соединенных транзисторов подключены к зажимам источника питания. Причем первая пара обмоток подключена к фазным зажимам источника питания, а вторая пара обмоток подключена к линейным зажимам источника питания. Сдвиг фаз между фазным напряжением, приложенным к первой паре обмоток, и линейным напряжением, приложенным ко второй паре обмоток, составляет угол π/2.
AN
BC
0
1
2
AN
3
Рассмотрим работу преобразователя частоты 50/400 Гц. На первичные обмотки трансформатора (2, 3, 4, 5) подаются через встречно-параллельно включенные транзисторы (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22) фазное U и линейное U напряжения, сдвинутые относительно друг друга на угол π/2. Кривые изменения этих напряжений во времени показаны на фиг.2. В момент времени t включается транзистор 16 и по обмотке 4 начинает протекать ток. В момент времени t транзистор 16 выключается, включается транзистор 22, и по обмотке 5 начинает протекать ток. Поскольку полярность подключения к напряжению источника питания обмотки 5 противоположна полярности подключения к напряжению источника питания обмотки 4, ток и, соответственно, наведенное напряжение, формируемое в выходной обмотке 6, имеют противоположный знак по отношению к току, протекающему по обмотке 4. Соответственно в момент времени t включается транзистор 13 и по обмотке 3 начинает протекать ток, но поскольку полярность подключения данной обмотки к источнику питания противоположна полярности подключения обмотки 2, то в данном случае напряжение, наведенное в выходной обмотке 6, имеет противоположную полярность по отношению к питающему напряжению U, в момент времени t транзистор 13 выключается и включается транзистор 7. Дальнейший порядок включения показан в табл.1.
Таблица 1 - Порядок включения транзисторов
В результате данной последовательности работы транзисторов в выходной обмотке трансформатора формируется ЭДС в 8 раз большей частоты, чем питающее напряжение и с равными амплитудными значениями для каждого участка кривой, сформированной из питающего напряжения.
вых
На фиг.2 приведены кривые напряжений на первичных обмотках трансформатора: (а) - подключенных к фазному напряжению источника питания, (б) - подключенных к линейному напряжению источника питания. На фиг.2 (с) показано результирующее напряжение U на вторичной обмотке трансформатора.
Экспериментальные исследования заявляемого преобразователя частоты показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) данное устройство позволяет получить выходное напряжение с лучшим гармоническим составом за счет исключения четвертой гармоники и уменьшения амплитуды двенадцатой гармоники на 30%.