МНОГОФАЗНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для питания различного рода потребителей переменного тока повышенной частоты, а также в электронных схемах в качестве источника опорного напряжения повышенной частоты.
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 многофазный умножитель частоты [патент РФ на полезную модель №187860], представляющий собой умножитель частоты, содержащий многофазный трансформатор с первичной и двумя вторичными обмотками. Включенные последовательно с фазами вторичных обмоток диоды делятся на два комплекта, соединяемых между собой последовательно и согласно, при параллельном соединении отводов упомянутых диодов из одного комплекта. Полярность фаз двух вторичных обмоток является встречной, а к нейтрали каждой вторичной обмотки подключено по сопротивлению, причем оба сопротивления соединяются в общую точку, к которой подключается нагрузка. Второй отвод нагрузки соединяется с общей точкой комплектов.
К недостаткам решения можно отнести необходимость применения балластных резисторов, что снижает эффективность.
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.
Применяется повышенная частота и в различных по назначению блоках реле и автоматики, в качестве опорного (тактового) сигнала.
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 [2]. 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.
В устройствах автоматики, не требующих значительной мощности, для получения опорной частоты приходится использовать специальные схемы генерации, которые имеют зачастую невысокую стабильность получаемой частоты. Опыт эксплуатации промышленных сетей в целом говорит о том, что стабильность поддержания частоты в существующих генерирующих станциях довольно высока, и не зависит от температурного режима работы систем автоматики, где может использоваться в качестве опорного сигнала для синхронизации работы всей электронной схемы.
Таким образом, преобразование частоты (в том числе умножение) это актуальная задача [1, 2]. 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 [3].
Существуют различного рода схемы для получения повышенной частоты, главным образом путем ее преобразования [1, 2]. В том числе, из уровня техники известен многофазный умножитель частоты, выполненный на основе трехфазного трансформатора [4]. Отличительной особенностью его является включение общих точек диодов комплектов трехфазных вторичных обмоток встречно. Это означает, что для смены полярности напряжения на нагрузке в таком решении используется согласное включение упомянутых диодов - что необходимо для формирования разнополярного переменного напряжения на нагрузке. При этом возникает кольцевой ток, протекающий через диодные группы и фазы обмоток. Значение этого тока ограничивается амплитудой выходного напряжения, но потребовало введения резисторов для ограничения его уровня. Такую схему можно назвать "параллельной", тогда заявляемое автором решение представляет собой "последовательную" схему умножения частоты.
На фигуре 2 представлена электрическая схема, поясняющая работу заявляемого решения. Из нее видно, что в схеме используются источники переменного напряжения, работающие на общую нагрузку, причем диоды в цепи каждого источника переменного напряжения подключены к нагрузке одноименным электродом. Это отличает заявляемое решение от основного прототипа, и необходимо для получения разнополярного напряжения на нагрузке. Поскольку упомянутые диоды подключаются к различным отводам нагрузки, подача пульсаций выпрямленного ими напряжение в одинаковой полярности включения диодов означает разную полярность выделяемых на нагрузке пульсаций.
Согласно законам Кирхгофа [1], результирующее воздействие будет определяться суммарным воздействием напряжений всех источников ЭДС, подключенных к нагрузке.
Таким образом, представленная схема компенсирует (отбросит) постоянную составляющую суммарного напряжения источников, подключенных к разным отводам нагрузки, и выделит на ней переменную составляющую (то есть пульсации выпрямленного диодами напряжения) более высокой частоты.
На фигуре 3 представлена принципиальная электрическая схема заявляемого трехфазного умножителя частоты, реализованного на основе трехфазного стержневого трансформатора, для его чего необходимо лишь наличие у упомянутого трансформатора двух трехфазных вторичных обмоток, не имеющих фазового сдвига между собой.
Вторичные обмотки трансформатора объединяются в два комплекта, и оснащаются диодами, подключаемыми к отводам нагрузки, как это показано на фигуре 3. Диоды в цепи каждой фазы установлены для исключения уравнительных токов между фазами одного комплекта, причем полярность обмоток относительно диодов является взаимно обратной между двумя комплектами.
В первом комплекте обмотки подключены условно положительным концом обмотки к общей точке комплекта, во втором комплекте обмотки подключены в общую точку условно отрицательным концом.
Общие точки комплектов подключаются к выводам диодов другого комплекта для создания контура для протекания тока через нагрузку.
В электрической цепи каждого комплекта включен последовательно балластный резистор для ограничения взаимных кольцевых токов между упомянутыми комплектами.
Диоды в каждом комплекте объединены в общую точку одноименным электродом (анодом или катодом), но подключаются к различным выводам нагрузки - как это и показано на фигуре 3. Это необходимо для получения разнополярного переменного напряжения на нагрузке.
На фигуре 4 представлен график падения напряжения на балластных резисторах, изображенных на фигуре 3. Виден взаимный симметричный сдвиг в пульсациях, что объясняется особенностями работы такой схемы выпрямления, подробно описанной в литературе [2]. Выделение пульсаций этого напряжения на нагрузке и обеспечивает предлагаемое решение, причем постоянная составляющая токов двух комплектов взаимно компенсируется и не вызывает потерь мощности.
На фигуре 5 представлен график выходного напряжения трехфазного умножителя частоты, изображенного на фигуре 3. Оно имеет некоторый уровень искажений, однако пригодно для питания нагрузки разного рода и использования в качестве задающего сигнала систем автоматики.
Коэффициент полезного действия будет определяться соотношением сопротивления нагрузки и балластных резисторов, достигая уровня 50-60%, чего достаточно для работы многих видов нагрузки.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от основного прототипа:
- все фазы из одного комплекта вторичных обмоток включены параллельно и оснащены включенным последовательно диодом, причем полярность подключения диодов к нагрузке совпадает;
- выводы диодов разных комплектов подключены к различным выводам нагрузки.
Таким образом, совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - умножению частоты.
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. Здесь 1 - балластное сопротивление, 2 -нагрузка. На фигуре 4 изображены графики напряжений на балластных сопротивлениях. На фигуре 5 изображен график выходного напряжения 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.
4. Коптяев Е.Н. Многофазный умножитель частоты. Патент на полезную модель РФ №187860. Бюл. №9 от 21.03.2019.