МНОГОФАЗНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для питания напряжением пониженной частоты, а также в системах автоматики.
Уровень техники. Известен делитель частоты [Патент на полезную модель РФ №110573], содержащий двоичный счетчик из N счетных триггеров, выходы которых являются выходами счетчика и устройства, при этом выход каждого предыдущего счетного триггера подключен к С-входу каждого последующего счетного триггера. С-вход первого счетного триггера подключен к шине тактовой частоты, J- и К-входы всех счетных триггеров подключены к шине логической единицы, причем N-й выход двоичного счетчика подключен через дифференцирующую схему к таймеру, выход которого подключен к С-входу D-триггера, выход которого подключен к индикатору, а S-вход подключен к шине сброса. Второй D-триггер, выход которого подключен к D-входу первого D-триггера, выход дифференцирующей схемы подключен к R-входу второго D-триггера, выход таймера подключен к С-входу второго D-триггера, при этом D-вход второго D-триггера подключен к шине логической единицы.
К недостаткам такого решения можно отнести слабую нагрузочную способность используемых логических элементов, что не позволяет питать промышленную нагрузку большой мощности.
Также из уровня техники известен преобразователь частоты [Патент на полезную модель РФ №103254], содержащий генерирующий узел в виде двух одинаковых согласно последовательно соединенных М-фазных обмоток генератора или трансформатора, где М≥2 - целое число, точки соединения которых образуют выходные выводы преобразователя частоты, два управляемых М-цепевых короткозамыкателя, каждый в виде М-фазного диодного моста с управляемым основным ключом, включенным между выводами его постоянного тока, М выводов переменного тока каждого диодного моста подключены к концам одной из М-фазных обмоток, а также блок ограничения импульсных перенапряжений и блок управления, включающий в себя генератор импульсов прямоугольной формы с парафазными выходами, каждый из которых подключен к управляющему входу одного из основных ключей. Блок ограничения импульсных перенапряжений, выполнен в виде четырех диодов, буферной цепочки из последовательно включенных дополнительного управляемого ключа и накопительного конденсатора, зашунтированного разрядным узлом, компаратора с управляемым уровнем гистерезиса, выходом подключенного к управляющему входу дополнительного ключа, и задатчика уровня ограничения импульсных перенапряжений, выходом подключенного к опорному входу компаратора. Разделительные диоды подключены к соответствующим выводам постоянного тока М-фазных диодных мостов таким образом, что образуют дополнительный выпрямитель, к выводам постоянного тока которого подключены упомянутая буферная цепочка и измерительный вход компаратора.
К недостаткам решения можно отнести большое число элементов схемы, что ведет к усложнению и высокой себестоимости в целом.
Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.
Раскрытие полезной модели. Переменный ток пониженной частоты используется в различного рода промышленных процессах - например, для питания систем обогрева нефтяных скважин и их депарафинизации, а также подобных им, для исключения электролиза жидких сред. Выделение газов происходит в случае питания постоянным током, в таком случае переменный ток низкой частоты является заменой постоянному току - обеспечивая низкие потери в кабельных линиях, без электролиза рабочей среды, а также без электрохимической коррозии.
Также пониженная частота может применяться в электроприводе механизмов различного назначения. Поскольку номенклатура выпускаемых электродвигателей ограничена, во многих случаях используют частотное регулирование его скорости вращения, причем не только для изменения производительности механизма, но и снижения его скорости вращения.
Существуют специальные комплексы и системы, такие как системы автоматики и управления, для которых требуется задающее напряжение частоты, отличной от частоты питающей сети. В таком случае также может быть использовано предлагаемое решение.
В настоящее время для преобразования частоты 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 [1, 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.
Таким образом, эффективное понижение частоты это актуальная и востребованная задача. Перейдем к описанию заявляемого решения.
Простейшим вариантом многофазной сети переменного тока является трехфазной системы. Она характеризуется тем, 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.
Однако возможно формирование и несимметричной системы трех фаз напряжений. Используемый в предлагаемом решении вариант такой системы напряжений представлен на фигуре 1, где изображена векторная диаграмма трехфазной системы напряжений. Из векторной диаграммы видно, что фазы отличаются между собой и амплитудой, и фазовым сдвигом. Фаза А имеет наибольшую амплитуду напряжения, а фазы В и С сдвинуты относительно нее на угол +90 электрических градусов и -90 электрических градусов соответственно, и находятся в противофазе между собой. Такие значения фазового сдвига необходимы для формирования перехода напряжения через ноль вольт, как это показано на фигуре 2, на которой представлено выходное напряжение трехфазного однополупериодного выпрямителя [2], при питании его системой напряжений как на фигуре 1.
Из фигуры 2 очевидно, что напряжение фазы А обеспечивает размах полуволн пульсирующего напряжения, а меньшие по фазе напряжения фаз В и С формируют фронты пульсаций пониженной частоты. Однако, полярность выходного напряжения при использовании известного из уровня техники однополупериодного трехфазного выпрямителя остается неизменной, причем период питающей сети 20 миллисекунд (при 50 Гц) является периодом для повторения формируемых полуволн, и с использованием пассивных цепей получение полуволн другой полярности невозможно.
На фигуре 3 представлена функциональная схема для предлагаемого решения, из которой очевидно, что для изменения полярности полуволн выходного напряжения применяется коммутатор, который подключает схему к нагрузке и формирует непрерывное чередование полуволн разноименной полярности. В таком случае, напряжение питающих трехфазных обмоток, имеющих описанный выше несимметричный фазовый сдвиг, подключается к комплекту диодов, обеспечивающих получение пульсаций напряжения с пониженной частотой и одной полярностью, далее они образуют переменное напряжение с полуволнами полярности на выходе коммутатора.
В качестве упомянутого коммутатора можно использовать однофазный мост, хорошо известный из уровня техники и учебной литературы [1, 2]. Он должен быть выполнен на полностью управляемых полупроводниковых ключах, для которых возможно не только открытие, но и закрытие в любой произвольный момент времени. Таки ключи выпускаются промышленностью и хорошо известны из литературы [2].
На фигуре 4 представлена принципиальная схема предлагаемого решения. Из нее следует, что две из трех фаз питающей обмотки включены по схеме зигзаг для получения взаимного фазового сдвига, отличного от питающей сети. Такие обмотки хорошо описаны в литературе [3], однако их применение только для двух фаз в трехфазной системе напряжений ранее неизвестно. Формируемые изображенной на фигуре 4 обмоткой напряжения соответствуют векторной диаграмме на фигуре 1, что необходимо для работы предлагаемого решения. Выходы фаз подключены к диодам, имеющим между собой одинаковую полярность включения, и представляющих вместе с питающей обмоткой схему однополупериодного выпрямления напряжения, формируемую относительно нейтрали питающей обмотки. Выходы диодов объединяются, и подключены к первому входу однофазного коммутатора [2], второй вход которого подключен к нейтрали питающей обмотки.
Однофазный коммутатор [2] обеспечивает смену полярности полуволн выходного напряжения, переключая их в моменты перехода напряжения через ноль. Напряжение на выходе однофазного коммутатора представлено на фигуре 5, и имеет вид переменного напряжения пониженной частоты.
Предлагаемое решение направлено на упрощение конструкции, что ведет к снижению себестоимости. Существует принципиальное отличие -предлагаемое решение использует трехфазное напряжение, с несимметрией фазового сдвига и амплитуды напряжения фаз, что ранее не было известно из уровня техники. Упомянутая несимметрия достигается путем включения двух из трех фаз питающей обмотки по схеме зигзаг, что обеспечивает их фазовый сдвиг относительно третьей обмотки.
Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:
- используется питающая обмотка, в которой две фазы включены по схеме зигзаг;
- сдвиг между напряжениями фаз, включенных по схеме зигзаг имеет значение 180 электрических градусов;
- сдвиг между напряжениями фаз, включенных по схеме зигзаг, и третьей фазы, имеет значение +90 электрических градусов и -90 электрических градусов соответственно;
- амплитуда напряжения фаз, включенных по схеме зигзаг меньше амплитуды напряжения третьей фазы;
- к выходу комплекта диодов подключен однофазный коммутатор.
Таким образом, вся совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - упрощению конструкции.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена векторная диаграмма предлагаемого делителя частоты. На фигуре 2 изображено выходное напряжение однополупериодного выпрямителя. На фигуре 3 изображена функциональная схема предлагаемого делителя частоты. Здесь 1 - трансформатор, 2 - диоды, 3 - коммутатор, 4 - нагрузка. На фигуре 4 изображена принципиальная схема предлагаемого делителя частоты. На фигуре 5 изображено выходное напряжение предлагаемого делителя 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.