Четырехфазный импульсный генератор
FOUR-PHASE PULSE GENERATOR

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники. Рассматривается импульсный генератор четырехфазного переменного напряжения. Работа генератора базируется на аппроксимации синусоидальных функций напряжений фаз периодической последовательностью импульсных функций описанной в работах [5, 6].
I.1 Уровень техники
В настоящее время одной из самых распространенных многофазных электрических систем является трехфазная система, включающая трехфазный генератор, трехфазную линию электропередачи и трехфазные двигатели. Вместе с тем, в отдельных областях техники эффективно используются многофазные электрические системы, отличные от трехфазных. К ним относятся многофазные электродвигатели для привода электромобилей [3], четырехфазные линии электропередачи [2, 4, 7, 8], четырехфазные двигатели [1]. Теоретических работ и работ по практическому применению многофазных электрических систем в настоящее время недостаточно для сопоставления их с трехфазными системами. Нет строго определения областей их эффективного применения. В работе рассматривается генератор четырехфазной системы напряжений, по форме приближающихся к синусоидальной форме, с использованием силовых импульсных схем. В качестве первичного источника энергии могут использоваться:
- аккумуляторные батареи:
- аккумуляторные батареи совместно с суперконденсаторами (ионисторами);
- однофазная или трехфазная электрическая сеть с последующим преобразованием энергии переменного однофазного или трехфазного напряжения в энергию постоянного тока (напряжения). Напряжение постоянного тока имеет несколько уровней, кратных по величине;
- дизель-генераторные установки, термоэлектрические генераторы и генераторы других типов, вырабатывающие энергию постоянного тока.
II.1 Цель изобретения.
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования четырехфазного периодического напряжения с использованием для этого импульсных ключевых схем. Генерирование осуществляется с использованием импульсной техники и ключей на полупроводниковых приборах. Характерным для предлагаемого генератора является использование коммутатора импульсов разной полярности с целью получения последовательности импульсов, аппроксимирующих синусоидальную функцию.
II.2. Изобретательский уровень
II.2.1 Запись четырехфазной системы ЭДС с прямой и обратной последовательностью фаз. ЭДС четырехфазной системы ЭДС для прямой последовательности фаз и начальной фазе равной ϕ для первой фазы можно записать в виде:
Для обратной последовательности фаз система ЭДС запишется:
II.2.2 Аппроксимация синусоидальных функций последовательностью импульсных функций
Синусоидальную функцию можно представить периодической последовательностью импульсов с периодом Т, равном периоду синусоидальной функции. Полуволна синусоиды с положительными значениями аппроксимируются последовательностью импульсов с положительными, кратными по величине, амплитудами. Полуволна синусоиды с отрицательными значениями аппроксимируются последовательностью импульсов с отрицательными, кратными по величине, амплитудами. Число импульсов на периоде равно n. Далее принимается число n=12.
Графики синусоидальных функций четырехфазной системы ЭДС и их аппроксимация последовательностью импульсных функций для прямой последовательности фаз при n=12 показаны на рисунке фиг. 1.
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальных функций при прямой последовательности фаз
Графики синусоидальных функций четырехфазной системы ЭДС и их аппроксимация последовательностью импульсных функций для обратной последовательности фаз при n=12 показаны на рисунке фиг. 2.
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальных функций при обратной последовательности фаз
В таблице 1 записаны значения амплитуд импульсов функций, аппроксимирующих синусоидальные напряжения фаз четырехфазной системы, для прямой последовательности фаз при числе импульсных функций n=12 на периоде Т, когда начальные фазы в выражениях (1) равны нулю, ϕ=0, в соответствии с рисунком фиг. 1.
k
Из таблицы 1 следует, что для каждого из 12 интервалов времени k=1…12 сумма амплитудных значений импульсов E(m) равна 0:
k
k
где m=1…4 - номер фазы, m=1 для фазы А, m=2 для фазы В, m=3 для - фазы С, m=4 для фазы D, k - номер импульса на периоде Т, k=1…12, E(m) - амплитудное значение импульса с номером k для фазы с номером m. Например, для импульса с номером 10 для фазы С амплитуда импульса E(m)=E3=3Е где Е - амплитуда первого импульса на рисунке фиг. 1 или фиг. 2.
Так, для k=1 имеем Е1-Е3-Е1+Е3=0. Аналогичные равенства справедливы и для других значений k.
k
Для многофазных симметричных систем с произвольным числом фаз (трехфазных, четырехфазных и т.д.) для любого момента времени t на периоде T сумма мгновенных значений напряжений (токов) равна 0. Для четырехфазной системы электродвижущих сил можно записать:
Выражение (4) справедливо для любой многофазной симметричной системы фаз, когда число фаз отлично от 4.
III. Раскрытие сущности изобретения
III.1 Структурная схема устройства
Структурная схема устройства для генерирования четырехфазной системы ЭДС для прямой последовательности фаз при n=12 показана на рисунке фиг. 3.
Фигура 3 Структурная схема устройства
1
2
1
12
1
6
2
3
1
4
На рисунке фиг. 3 показаны блоки Б1, Б2, Б3. На рисунке показаны входные и выходные полюсы этих блоков, при помощи которых блоки соединяются между собой и с внешними устройствами. Для блока Б1 это полюсы 6 и 6, полюсы 8…8, с использованием которых взаимодействуют блоки Б1 и Б2, полюсы 9…9, с использованием которых взаимодействуют блоки Б и Б, выходные полюсы устройства 10…10. На рисунке фиг. 3 показаны:
упр
1
12
1. Блок управления Б1. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов u. Управляющие импульсы с полюсов 8…8 поступают на управляющие электроды силовых ключей К11…К16 для фазы А, К21…К26 для фазы В, К31…К36 для фазы С, К41…К46 для фазы D.
1
4
2. Блок коммутации Б2. Блок состоит из модулей Б21, Б22, Б23, Б24. Блок обеспечивает формирование и передачу силовых импульсов на выходные полюсы устройства 10…10 при помощи модулей Б21, Б22, Б23, Б24. В каждом модуле расположены по шесть управляемых ключей. Число ключей в каждом модуле равно n/2, где n - число импульсов на периоде Т.
1
6
1
6
3. Блок питания Б3. Содержит шесть источников постоянного напряжения, включенных последовательно с выводом средней точки схемы. Средняя точка схемы заземлена и является общей для всего устройства. Каждый источник постоянного напряжения имеет одинаковое для всех значение, равное Е. В результате с полюсов 9…9 снимаются напряжения Е3=3Е, Е2=2Е, Е, -E, -Е2=-2Е, -Е3=-3Е. Выходные полюсы блока питания 9..9 соединены с одноименными полюсами блока коммутации. В блоке коммутации напряжения с этих полюсов поступают на одноименные полюсы силовых ключей К11…К16 для первой фазы (А), на одноименные полюсы силовых ключей К21…К26 для второй фазы (В), на одноименные полюсы силовых ключей К31…К36 для третьей фазы (С), на одноименные полюсы силовых ключей К41…К46 для четвертой фазы (D).
III.2 Блок управления
1
4
Блок управления Б1 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания периодической последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI=Т/n, где Т - период функции, n - количество тактовых импульсов на периоде Т. Рассматривается устройство с n=12. Генератор тактовых импульсов 1 формирует циклическую с периодом T последовательность импульсов. Величина T равна периоду синусоидальной функции, которая аппроксимируется последовательностью импульсных функций на выходе устройства. При помощи управляемых электронных ключей, расположенных в блоке коммутации силовых импульсов Б2, источник напряжения, расположенные в блоке Б3 подключается в заданные блоком управления моменты времени, к выходным полюсам блока коммутации 10…10. Коммутация осуществляется в открытом состоянии силового ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна 77. Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 5.
Фиг. 4 Принципиальная схема блока управления
1
12
1
1
12
Генерируемые боком Б1 импульсы снимаются с полюсов 8…8 дешифратора 7 и поступают на одноименные полюсы блока Б2. Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И2, счетчик 3 числа импульсов на периоде T периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с выходными полюсами 8…8n. Для n=12 это полюсы 8…8.
1
2
1
2
1
Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 6 осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 6 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8…8n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации.
1
12
Управляющие импульсы снимаются с полюсов 8…8 дешифратора 7 и поступают на вход блока коммутации Б2.
1
4
III.3 Блок коммутации Б2. Блок состоит из модулей Б21, Б22, Б23, Б24. Каждый модуль предназначен для формирования периодической последовательности импульсов, аппроксимирующей синусоидальное напряжение одной фазы. Модуль Б21 предназначен для формирования аппроксимирующих импульсов фазы А, модуль Б22 - фазы В, модуль Б23 - фазы С. модуль Б24 фазы D. - Блок обеспечивает формирование и передачу силовых импульсов на выходные полюсы устройства 10…10. Принципиальная схема блока коммутации Б2 показана на рисунке фиг. 5.
Фиг. 5 Принципиальная схема блока коммутации
1
1
6
1
2
3
4
Каждый модуль содержит шесть управляемых ключей. Число ключей в каждой группе равно n/2, где n - число импульсов на периоде Т. Последовательность импульсов, аппроксимирующая синусоидальную функцию ЭДС фазы А, формируется при помощи силовых ключей К11…К16. Амплитуды импульсов принимают для фазы А последовательно значения E, 2Е, 3Е, 3Е, 2Е, E, -Е, -2Е, -3Е, -3Е. -2Е, -Е. Напряжение, величиной Е, поступает посредством полюса 9 на вход ключа К11. Ключ открывается на время длительности TI первого или шестого управляющего импульса, которые поступают с полюсов 8 или 8, Это показано на рисунках фиг. 1 и фиг. 5 для фазы А. При открытом состоянии ключа напряжение с выхода силового ключа поступает на полюс 10, фаза А. Импульсы с отличными от E значениями амплитуды формируются для фазы А при помощи ключей К12, К13, К14, К15, К16. При помощи ключей К21…К26 формируется и поступает на полюс 10 последовательность импульсов, аппроксимирующая ЭДС фазы В. При помощи ключей К31…К36 формируется и поступает на полюс 10 последовательность импульсов, аппроксимирующая ЭДС фазы С.При помощи ключей К41…К46 формируется и поступает на полюс 10 последовательность импульсов, аппроксимирующая ЭДС фазы D.
III.4 Блок питания Б3.
III.4.1 Источник питания с использованием аккумуляторов. Схема блока питания на аккумуляторах показана на рисунке фиг. 6.
Фиг. 6 Схема блока питания от аккумуляторных батарей
2
3
4
5
6
На рисунке показано последовательное соединение шести аккумуляторов А1, А2, A3, А4, А5, А6. Средняя точка схемы 0 заземлена и является общей для всего устройства. Отрицательный полюс аккумуляторной батареи А1 соединяется с положительным полюсом батареи А4 и с полюсом О, положительный полюс батареи А1 соединяется с отрицательным полюсом батареи А2 и полюсом 9 и положительный полюс батареи А2 соединяется с отрицательным полюсом батареи A3 и полюсом 9, положительный полюс батареи A3 соединяется с полюсом 9, отрицательный полюс батареи А4 соединяется с положительным полюсом батареи А5 и полюсом 9, отрицательный полюс батареи А5 соединяется с положительным полюсом батареи А6 и полюсом 9, отрицательный полюс батареи А6 соединяется с полюсом 9;
1
3
4
6
1
6
Каждый источник постоянного напряжения имеет одинаковое для всех значение, равное Е. В результате с полюсов 9…9 снимаются напряжения Е1=Е, Е2=2Е, Е3=3Е, с полюсов 9…9 снимаются напряжения -E1=-Е, -Е2=-2Е, -Е3=-3Е. Выходные полюсы блока питания 9…9 соединены с одноименными полюсами блока коммутации.
III.4.2 Источник питания с использованием однофазной сети. Схема блока питания с использованием однофазной сети показана на рисунке фиг. 7.
Фиг. 7 Схема блока питания от сети
1
6
1
2
3
5
4
5
6
На рисунке показан трансформатор на ферромагнитном сердечнике 13, имеющий одну первичную катушку (14) и шесть одинаковых вторичных катушек 15…15. Каждая вторичная катушка подключается к схемам выпрямления D1…D6. Первая катушка к D1, вторая катушка к D2, третья катушка к D3, четвертая катушка к D4, пятая катушка к D5, шестая катушка к D6. Выходные полюсы схем выпрямления D1…D6 включаются последовательно. Средняя точка схемы 0 заземлена и является общей для всего устройства. Выход схемы D1 c отрицательным потенциалом (отрицательный выход) подключается к полюсу 0 и к положительному полюсу выпрямительной схемы D4. Положительный полюс схемы D1 подключается к отрицательному полюсу схемы D2 и к полюсу 9, положительный полюс схемы D2 подключается к отрицательному полюсу схемы D3 и полюсу 9, положительный полюс схемы D3 подключается к полюсу 9, отрицательный полюс схемы D4 подключается к положительному полюсу схемы D и к полюсу 9, отрицательный полюс схемы D5 подключается к положительному полюсу схемы D6 и полюсу 9, отрицательный полюс схемы D6 подключается к полюсу 9;
1
3
4
6
1
6
Каждый источник постоянного напряжения имеет одинаковое для всех значение, равное Е. В результате с полюсов 9…9 снимаются напряжения Е1=Е, Е2=2Е, Е3=3Е, с полюсов 9…9 снимаются напряжения -Е1=-Е, -Е2=-2Е, -Е3=-3Е. Выходные полюсы блока питания 9…9 соединены с одноименными полюсами блока коммутации
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальных ЭДС четырехфазной системы последовательностью импульсных функций для n=12 (прямая последовательность фаз)
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальных ЭДС четырехфазной системы последовательностью импульсных функций для n=12 (обратная последовательность фаз)
Фиг. 3 Структурная схема устройства
Фиг. 4 Принципиальная схема блока управления
Фиг. 5 Принципиальная схема блока коммутации
Фиг. 6 Схема блока питания от аккумуляторной батареи
Фиг. 7 Схема блока питания от сети
V. Осуществление изобретения
1
1
4
Устройство предназначено для генерирования четырехфазной системы ЭДС с использованием импульсной техники. Работа устройства начинается после подачи управляющего импульса по входу 6. Генерируемая блоком управления периодическая с периодом T последовательность импульсов поступает на управляющие электроды силовых ключей, расположенных в блоке коммутации. Управляющие импульсы в заданном алгоритмом порядке открывают на время длительности управляющего импульса силовые ключи. В блоке коммутации в каждой фазе А, В, С.D располагаются шесть силовых ключей. При помощи управляемых электронных ключей, расположенных в блоке коммутации Б2, источники напряжения, расположенные в блоке Б3 подключается в заданные блоком управления моменты времени, к выходным полюсам блока коммутации 10…10. Коммутация осуществляется в открытом состоянии силового ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна 77.
VII Литература
1. Четырехфазный двигатель, принцип работы https://avtika.ru/chetyrehfaznyy-dvigatel-printsip-raboty/
2. Бурянина Н., Королюк Ю, Лесных Е, Шеметов А. Четырехфазные линии электропередачи - больше мощность, меньше потери / Новости электротехники 2(128)-3(129) 2021, а также http://news.elteh.ru/arh/2005/31/13.php
3. Парадоксальные механизмы (Перпетум мобиле). Книга 2 / Book 2.head.htm, а также https://www.sites.google.com/site/naukaprirody/home/sajt-dla-tehnarej
4. Самородов Г.И. Электропередача переменного тока, Патент SU 1700682 А1 опубл. 1991.12.23.
5. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС, патент №2633662 от 16.10.2017.
6. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Патент 2671539 от 01.11.2018.
7. Бурянина Н.С., Королюк Ю.Ф., Бурянина Е.В., Олесова В.Л., Олесов Л.А.; Патент 2256273 РФ, опубл. 10.07.2005.
8. Григорьев С.Н., Сучков В.А.. Афонина Е. В., Филатов В.В., Солуянов Ю. И. Четырехфазный преобразователь числа фаз, Патент RU 2487456 C1, 2012.