УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ С ВРАЩАЮЩИМСЯ ПОЛЕМ
FREQUENCY MULTIPLIER WITH ROTATING FIELD

Область техники, к которой относится изобретение. Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано для питания электросетей переменного тока повышенной частоты, бортовой сети воздушных судов.
Уровень техники. 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.
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. Также недостатком является девятикратный коэффициент умножения частоты, что не позволяет получить частоту 400 Гц для использования в авиации, что сужает область применения.
Также известен предназначенный для умножения частоты трансформатор [патент РФ на изобретение №2631832], выполненный на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем и представляющий собой цилиндрический магнитопровод, в пазах которого уложены первичные концентрические и вторичная рабочие обмотки. Отличительным признаком данного решения является то, что упомянутые первичные обмотки симметрично смещены относительно друг друга, а в каждой вложенной катушечной группе первичных обмоток чередуется полярность включения катушек. Вторичная обмотка выполняется концентрированной катушечной, при этом катушки вторичной обмотки соединяются последовательно с чередующейся полярностью. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.
К недостаткам такого решения можно отнести наличие нескольких первичных концентрических обмоток, что приводит к увеличению объема обмоточного провода и ухудшению массы и габаритов. Также, укладывание нескольких первичных обмоток в общий паз ведет к усложнению технологию изготовления и конструкции паза. Увеличенная длина проводников первичной обмотки снижает эффективность решения в целом и ухудшает коэффициент полезного действия.
Раскрытие изобретения. Из уровня техники известны различные конструкции ферромагнитных умножителей частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях, резонансных контуров.
Наиболее распространенной конструкцией является соединение первичных обмоток трех однофазных трансформаторов в звезду без нулевого провода, при этом в магнитном потоке трансформаторов возникает составляющая третьей гармоники. При соединении вторичных однофазных обмоток трансформаторов в разомкнутый треугольник, первая гармоника напряжения в сумме равняется нулю, и на выходе остается третья гармоника с частотой, равной утроенной частоте питающей сети. Однако содержание третьей гармоники в магнитном потоке такого решения составляет не более 10%, что предопределяет низкую эффективность преобразования частоты, и плохие массогабаритные показатели. Такое решение считается наиболее эффективным из известных, а варианты умножителей, выполненных на многостержневых трансформаторах, имеют худшие параметры. Наиболее известны схемы удвоения и утроения частоты, они же имеют наилучшие массогабаритные показатели и эффективность. Максимально достижимое умножение частоты в уже известных схемах составляет шесть раз.
Перечисленные недостатки ферромагнитных умножителей частоты, существенно ограничивают их промышленное применение. Известны случаи использования умножителей частоты во вспомогательных устройствах автоматики. Автору неизвестно о случаях использования ферромагнитных умножителей в области силовой энергетики и преобразовательной техники. Для питания промышленной нагрузки напряжением повышенной частоты до сих пор применяют машинные агрегаты и полупроводниковые статические преобразователи частоты.
Тем не менее, потребность в простых конструктивно, надежных и не требующих обслуживания умножителях частоты объективно существует. Главным условием становится эффективность и габаритные показатели. Потребителями таких умножителей могут быть устройства автоматики, электропривод с повышенной частотой вращения (например, гироскопы) и в ряде случаев, промышленные устройства индукционного нагрева. Существующие варианты умножителей частоты не удовлетворяют запросам промышленности в части эффективности и их массогабаритных показателей. Это обусловлено способом умножения частоты, который основан на выделении высших гармоник магнитного потока преобразовательного трансформатора тем или иным способом.
В широком смысле, трансформаторы, как и электромашинные преобразователями, можно считать разновидностью индуктивной электрической машины переменного тока. В настоящее время выпускаются трансформаторы напряжения самого различного назначения и широким диапазоном мощностей вплоть до 1 ГВА. Силовые трансформаторы с пульсирующим магнитным полем можно рассматривать как одномерную систему, где рабочий магнитный поток протекает в одной плоскости, не меняя своего пространственного положения. Переменная составляющая тока первичной обмотки содержится в изменении значения индукции в стержнях магнитопровода.
Простейшей системой электромагнитного поля является пульсирующее поле неподвижной одиночной катушки; следующая ступень - круговое поле электромагнитное поле в магнитопроводе электрической машины, при этом, если ее ротор неподвижен - конструкция соответствует катушке с броневой конструкцией магнитопровода. В основе всех этих вариаций лежит разное число степеней свободы.
Развитием трансформаторов пространственной конструкции стало появление трансформаторов и реакторов с вращающимся магнитным полем, обладающих симметричной магнитной системой и синусоидальным током, потребляемым из сети. Их конструкция в основном аналогична электрическим машинам переменного тока с заторможенным ротором и пространственно-распределенной трехфазной первичной обмоткой, обладающей круговой симметрией. В трансформаторах с вращающимся полем, как правило, используются наработки, разработанные в теории электромашинных преобразователей в части формирования первичной трехфазной (многофазной) сетевой обмотки.
Как известно, первичная трехфазная обмотка трансформаторов с вращающимся полем создает вращающееся магнитное поле, так что закон изменения трехфазных токов в фазах обмотки определяет пространственное распределение намагничивающих сил, при этом электромагнитное поле не пульсирует - а перемещается в пространстве, численное же его значение постоянно и является подобным постоянному магнитному полю.
При этом отсутствие изменения потокосцеплений контуров не позволяет плавно регулировать выходную частоту, как следствие снижения степени свободы системы (заторможенный ротор).
В отличие от ферромагнитных умножителей частоты, где в пульсирующем магнитном потоке выделяются высшие (чаще всего третья) гармоники с крайне низкой эффективностью, управление пространственной картиной распределения поля позволяет повысить высокую эффективность преобразования частоты.
В прототипе [патент на полезную модель РФ №155108] используются однослойные концентрические обмотки с крайне нелинейной картиной распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода. При этом ЭДС катушек вторичной обмотки, установленных на отдельных зубцах, имеет прерывистый циклический характер. Через отрезок времени, равный периоду частоты питающей сети (20 миллисекунд при 50 Гц), последовательность импульсов по зубцам повторяется. Таким образом, длительность импульсов на выходе катушек составляет только часть от периода питающей сети, и повторяется дважды с разной полярностью.
Последовательность импульсов повторяется от одной катушки к другой со сдвигом, таким образом, что каждому интервалу времени соответствует определенная катушка, в которой на данном интервале наводится ЭДС. Очевидно, что сумма всех интервалов полуволн обеих полярностей равняется периоду питающей сети. Используя полуволны ЭДС повышенной частоты на выходе катушек вторичной обмотки, коммутируя их в последовательной очередности, такие решения формируют непрерывное выходное напряжение повышенной частоты.
К недостаткам таких решений можно отнести низкий коэффициент использования катушек вторичной обмотки - возрастающий при увеличении коэффициента умножения. Это объясняется тем, что большую часть периода питающей сети любой из вторичных катушек отсутствует ЭДС. Кроме того, для снижения потерь от последовательного включения катушек, и их взаимодействия с первичной обмоткой, используется полупроводниковый коммутатор для формирования непрерывной последовательности полуволн напряжения на выходе.
Решение, выбранное за основной прототип, позволяет сформировать непрерывную последовательность полуволн повышенной частоты, однако требует для своей реализации громоздкой трехслойной обмотки (три слоя концентрических многополюсных обмоток), и не позволяет сформировать трехфазное напряжение на выходе, что ограничивает область применения. Главным недостатком прототипа является невозможность реализации четных коэффициентов умножения частоты без применения полупроводникового коммутатора, а также громоздкая первичная обмотка, с большим уровнем вложенности катушек.
Как известно, число полюсов трехфазных обмоток [1] электрических машин может быть различным и определяется шагом катушек по зубцам, а также электрической схемой соединений катушечных групп. Минимально возможным числом полюсов является 2р = 2, как это показано на фигуре 1. В таком случае полюсное деление занимает 180° от окружности магнитопровода. Полюса обмотки перемещаются (вращаются), с периодичностью - равной периоду питающей сети. За этот промежуток времени каждый полюс совершает полный оборот по окружности магнитопровода.
Также возможны другие варианты количества полюсов - однако их число всегда кратно двум (число "северных" и "южных" полюсов равно). На фигуре 2 показано распределение полюсов для случая 2р = 8, то есть четырех пар магнитных полюсов. Из рисунка становится видно, что увеличение числа полюсов ведет к сокращению длины полюсного деления, которое занимает в данном случае 45° от окружности магнитопровода. Однако, увеличение числа полюсов одновременно сокращает и сектор окружности, проходимый одним полюсом за период питающей сети - таким образом, в любой вторичной обмотке при этом наводится частота, в точности равная частоте питающей промышленной сети.
Однако, в показанной на фигуре 3 конфигурации возможно нарушение закономерности соответствия числа полюсов и периодичности изменения полярности магнитного поля. В таком случае, в качестве первичной обмотки трансформатора с вращающимся полем возможно применение двух обмоток с разным числом полюсов и разной длиной полюсного деления. Одна из обмоток, имеющая большую длину полюсного деления (и соответственно, меньшее число полюсов) выступает в качестве ведущей, а вторая обмотка с меньшей длиной полюсного деления (и соответственно, большее число полюсов) является модулирующей.
С учетом взаимной симметрии магнитных систем, в любой момент времени равное количество зубцов будет иметь совпадение магнитных потоков между двумя потоками, и такое же количество зубцов будет иметь разную полярность между потоками первичных обмоток.
С учетом взаимного перемещения магнитных потоков, это приводит к модуляции магнитного потока основной обмотки полюсами второй обмотки, имеющей меньшую длину полюсного деления.
Таким образом, за период питающей сети происходит многократное периодическое чередование полярности максимумов суммарного магнитного потока, в зависимости от нарастающего взаимного фазового сдвига обмоток - что в свою очередь приводит к возникновению ЭДС повышенной частоты во вторичной обмотке трансформатора. Коэффициент преобразования частоты будет зависеть от соотношения числа полюсов двух обмоток, зависимость является прямо пропорциональной - чем больше число полюсов модулирующей обмотки при неизменном числе полюсов основной обмотки, тем выше будет коэффициент преобразования.
На фигуре 4 изображена принципиальная схема первичных обмоток заявляемого умножителя частоты, причем одна из обмоток имеет число полюсов равное двум, другая имеет число полюсов равное восьми.
На фигуре 5 показана схема соединения катушек вторичной обмотки. Катушки обмотки устанавливаются на зубцах, и включены последовательно с чередованием по группам из трех фаз, их соединение по схеме звезда обеспечивает получение симметричной трехфазной системы на выходе.
Отличие предлагаемого решения от основного прототипа заключается в использовании модулирующей первичной обмотки с большим числом полюсов. Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим принципиальное отличие от прототипа:
- напряжение повышенной частоты формируется модуляцией магнитного потока в каждом полюсном делении за счет наличия модулирующей первичной обмотки с большим числом полюсов;
- коэффициент умножения частоты определяется соотношением числа полюсов двух первичных обмоток.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - эффективному умножению частоты выходного напряжения в произвольное число раз, определяемому соотношением числа полюсов двух первичных обмоток.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена схема распределения магнитного поля по окружности магнитопровода при числе полюсов равном двум. На фигуре 2 изображена схема распределения магнитного поля по окружности магнитопровода при числе полюсов равном восьми. На фигуре 3 изображена схема распределения магнитных полюсов совмещенной двойной обмотки с двумя и восьмью полюсами. На фигуре 4 изображена принципиальная схема первичной совмещенной двойной обмотки с двумя и восьмью полюсами для случая двадцати четырех пазов. На фигуре 5 изображена схема соединений катушек вторичной обмотки для случая двадцати четырех пазов.
Список использованной литературы
1. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015.-556 с.