УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована 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 предлагаемой полезной моделе.
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 полезной модели.
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. Авторам 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 ГВ⋅А. Силовые трансформаторы с пульсирующим магнитным полем (ТПМП) 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 магнитным полем (ТВМП), как правило, используются наработки, разработанные в теории электромашинных преобразователей в части формирования первичной трехфазной (многофазной) сетевой обмотки.
Как известно, первичная трехфазная обмотка ТВМП создает вращающееся магнитное поле, так что закон изменения трехфазных токов в фазах обмотки определяет пространственное распределение во времени 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, предлагаемый умножитель частоты отличает лучшие габариты и энергетические параметры.
В известных из уровня техники решениях с однослойными концентрическими обмотками наблюдается крайне нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, таким образом, что практически весь магнитный поток сосредотачивается в очередном зубце. При этом ЭДС катушек вторичной обмотки, установленных на отдельных зубцах, имеет прерывистый циклический характер, как это реализовано в основном прототипе. 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 на его протяжении.
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.
На фиг. 1 изображена схема магнитопровода опытного образца трансформатора с пространственной конструкцией, состоящего из наружной (аналог статора) и внутренней части (ротор), собираемый в единую конструкцию. На фиг. 2 изображена схема наружной (статор) части магнитопровода опытного образца умножителя, на фиг. 3 изображена схема внутренней (ротор) части, вставляемой в статор. Все вместе, наружная и внутренняя часть образуют конструктив магнитопровода, в пазы которого укладывается первичная петлевая трехфазная обмотка, на зубцах внутренней части - катушки вторичной обмотки.
На фиг. 4 схематично изображена первичная обмотка заявляемого умножителя частоты, причем полярность включения катушек в катушечных группах является инверсной. На фиг. 5 изображена схема включения катушек вторичной обмотки, соединяемых последовательно и формирующих три фазы выходного напряжения.
Отличие предлагаемого решения от основного прототипа заключается в использовании двухслойной петлевой обмотки с инвертированием включения катушек, формирующей многополюсное магнитное поле. При этом выходное напряжение получается из последовательно включенных зубцовых катушек, что в совокупном результате обеспечивает симметричное трехфазное выходное напряжение повышенной частоты.
Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим принципиальные отличия от прототипа:
выходное напряжение повышенной частоты формируется расщеплением магнитного потока в каждом полюсном делении на разноименные полюса за счет встречного включения катушек в катушечных группах;
в отличие от прототипа, предлагаемое решение позволяет получить напряжение частотой 400 Гц при 50 Гц в питающей сети, то есть реализует четные коэффициенты умножения;
для формирования непрерывного выходного напряжения четной частоты не требуется полупроводниковый коммутатор;
возможно получение симметричного трехфазного выходного напряжения, поскольку последовательное соединение катушек в фазах вторичной обмотки компенсирует разность амплитуд напряжения в каждой из них.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - эффективному умножению частоты выходного напряжения в четное число раз, упрощению конструкции обмоток трансформатора, улучшению массы и габаритов, возможности получения симметричного трехфазного выходного напряжения.
Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображена схема магнитопровода опытного образца умножителя частоты в собранном виде. На фиг. 2 изображена схема внешней магнитопровода опытного образца умножителя частоты. На фиг. 3 изображена схема внутренней части магнитопровода опытного образца умножителя частоты. На фиг. 4 изображена схема соединения катушечных групп первичной обмотки. На фиг. 5 изображена схема включения катушек вторичной обмотки.