Однофазный умножитель частоты в четное число раз

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 14.07.72 (21) 1806301/07 (51) М. Кл.о Н 02 М 5/16 с присоединением заявок № 1836644/07

1892886/07 (23) Приоритет

Государственный комитет

Совета Министров СССР по делам иаооретений и открытий (43) Опубликовано 25.02.77. Бюллетень № 7 (45) Дата опубликования описания 24.05.77 (5З) УДК 621.314.263 (088.8) (72) Автор изобретения

В. Л. Ковба (71) Заявитель (54) ОДНОФАЗНЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В ЧЕТНОЕ

ЧИСЛО РА3

Изобретение относится к умножителям частоты переменного тока с помощью статических преобразователей частоты и может использоваться для питания электрических машин, магнитных усилителей, а также в других электротехнических устройствах, где одновременно применяются переменный ток повышенной частоты и постоянный ток.

Известные ферромагнитные умножители частоты имеют большой вес их активных материалов из — за наличия сравнительно большого дросселя в цепи подмагничивания (1), (2).

Прототипом предлагаемого устройства является устройство, выполненное по мостовой схеме и содержащее в двух плечах моста первичные обмотки двух трансформаторов, а в двух других плечах конденсаторы, при этом подмагничивающие обмотки подключены к отдельному источнику постоянного тока через фильтр — пробку, состоящую из дросселя и конденсатора (2).

В этом мостовом удвоителе частоты в качестве основного преобразующего элемента используется нелинейная индуктивность, определяющая зависимость по фазе входных и выходных напряжений и токов, что снижает коэффициент мощности, а потребность в дополнительном источнике постоянного тока и наличие в его цепи фильтра — пробки усложняет конструкцию.

Цель изобретения — повышение коэффициента мощности и упрощение конструкции однофазного умножителя частоты в четное число раз.

Это достигается тем, что известная схема мостового конденсаторного умно жителя частоты, имеющая в своем составе по крайней мере один подмагничиваемый трансформатор с общим четным

1р числом первичных обмоток, соедлненных с конденсаторами и включенных в схему моста, причем конденсаторы включены в два смежных плеча и их общая точка подключена к одному входному зажиму, а обмотки подмагничивания включены последо1б вательно с дросселем, дополнена диодами, образующими два других смежных плеча моста, и их общая точка подключена к другому входному зажиму, а соответствующие первичные обмотки расположены с конденсаторами в одном плече, причем обмотки подмагничивания включены в выходную диагональ моста.

Дополнение мостовой конденсаторной схемы новыми элементами, а также выполнение отличительных связей между его элементами позволяет перенести основную преобразовательную функцию

547945 на нелинейные элементы в виде диодов и расширить преобразовательные и технические возможности однофазного умножителя частоты в четное число раз за счет: соединения его обмоток подмагничивания с выходными обмотками через вспомогательный конденсатор; размещения на одном стержне каждого трансформатора по одной первичной обмотке одной мостовой схемы; размещения на одном стержне каждого трансформатора по две первичных обмотки одной мостовой схемы; дополнения его еще одной аналогичной мостовой схемой, при этом сдвиг фаз между напряжениями, питающими мосты, равен 90 эл. град. первой гармоники.

На фиг. 1 изображена схема одномостового однофазного умножителя частоты в четное число раз, равное 2, выполненная на двух трансформаторах; на фиг. 2 — то же, на одном трансформаторе; на фиг. 3 — схема двухмостового однофазного умножителя частоты в четное число раз, равное 4, выполненная на одном Ш вЂ” образном сердечнике трансформатора и одном объединенном сердечнике дросселей; на фиг. 4 — график изменения напряже. ния и тока на выходе однофазного умножителя частоты; на фиг. 5 — график изменения тока в первичной и подмагничивающей обмотках одного из трансформаторов; на фиг. 6 — график изменения напряжений на первичной обмотке и конденсаторе, расположенных в одном плече схемы.

Однофазный умножитель частоты в четное число раз (см, фиг. 1) получает питание через зажимы

А — Х входной диагонали моста и содержит диоды 1 и 2, подключенные их общей точкой к входному зажиму А и образующие два смежных плеча, трансформаторы 3 и 4, первичную обмотку 5 с конденсатором 6 и конденсатор 7 с первичной обмоткой 8, образующие два других смежных плеча моста, подмагничивающие обмотки 9 и 10, совместно с дросселем 11 включенные на выходную диагональ моста а — б.

Вторичные выходные обмотки 12 и 13 соедине= ны через вспомогательный конденсатор 14 с обмотками подмагничивания. Первичные обмотки 5 и 8 включены в диагонале моста согласно.

Диодами 1 и 2 в первый полупериод переменного питающего напряжения к внешнему источнику подключаются элементы плеча а — Х, а во второй полупериод — элементы плеча Х вЂ” б. Цепь подмагничивающих обмоток 9 и 10 совместно с дросселем 11 подключается диодами 1 и 2 к внешнему источнику в оба полупериода согласно.

Характер изменения тока 1, проходящего через обмотку 5, а также тока 3, проходящего через обмотку 9, показан на графике, изображенном на фиг. 5.

Переменные ампервитки тока, создаваемые обмоткой 5, могут быть представлены в виде гармонического ряда, содержащего синус оиднутс функцию тока первой гармоники и сумму косинусных функций тока четырех гармоник.

Аналогичное изменение имеют ампервитки тока

55 оО обмотки 8, но со сдвигом по фазе на полупериод первой гармоники.

Так как вторичные обмотки 12 и 13 включены тоже согласно, то в них выделяется напряжение, пропорциональное удвоенной сумме ампервитков косинусных членов гармонических рядов четных гармоник тока обмоток 5 и 8. Наибольшей величиной этих рядов является амплитуда второй гарМоники, что и обеспечивает выделение во вторичной цепи напряжения второй гармоники. Обмотки 5 и 8 оказывают небольшое сопротивление току первой гармоники. Первая гармоника напряжения вьщеляется на конденсаторах 6, 7, что обеспечивает повышение коэффициента мощности всей схемы.

Цепь обмоток подмагничивания содержит дроссель 11, поэтому через обмотки подмагничивания проходит постоянный ток.

Обмотки подмагничивания 9 и 10 осуществляют выравнивание изменения магнитного потока в сердечниках трансформаторов 3 и 4 на одинаковую величину в обоих направлениях, что повышает использование ферромагнитного материала трансформаторов. В первый полупериод питающего напряжения работает трансформатор 3, трансформатор 4 в это время частично выполняет функции дросселя в цепи подмагничивающих обмоток.

Аналогично работают трансформаторы и во второй полупериод, что обеспечивает возможность уменьшения дросселя 11.

На диагонали моста а — б выделяется напряжение постоянной составляющей и переменное напряжение четных гармоник, вторая гармоника из которых имеет наибольшее значение, Это обеспечивает возможность съема второй гармоники напряжения с диагонали а — б моста во вторичную цепь через конденсатор 14 и одновременно электромагнитным путем через сердечники трансформаторов 3 и 4, При этом оба канала съема напряжения второй гармоники возможно включить последовательно или параллельно. На фиг. 1 показано последовательное включение каналов съема второй гармоники.

Ампервитками обмоток подмагничивания 9 и 10 возможно произвести полное симметрирование изменений магнитного потока в обоих направлениях сердечников трансформаторов 3 и 4 или неполное (частичное) симметрирование, что обеспечивает (с учетом насыщения ферромагнитного материала) улучшение формы кривой выходной второй гармоники однофазного умножителя частоты в четное число раз, На фиг, 2 показана одномостовая схема однофазного умножителя частоты в четное число раз, равное 2, выполненная на одном подмагничиваемом трансформаторе 15, содержащая диод 16, первичную обмотку 17 и конденсатор 18, подключенные к входной диагонали моста, вторичную обмотку 19, дроссель 20, нагрузку постоянного тока 21, включенные в выходную диагональ моста, диод 22, первичную обмотку 23. конденсатор 24, подключенные

547945

2В

35

45

55

60 к входной диагонали моста, вторичную обмотку 25.

Указанная схема работает аналогично схеме, показанной на фиг. 1.

Первичные обмотки 17 и 23 имеют сильную электромагнитную связь, так как они размещены на одном сердечнике трансформатора, в связи с чем ток первой гармоники в этих обмотках не встречает сопротивления даже при холостом ходе работы схемы, Ток первой гармоники полностью идет на зарядку конденсаторов 18 и 24, в связи с чем на выходной диагонали моста увеличивается постоянная составляющая напряжения, которая может быть использована нагрузкой постоянного тока 21, включенной последовательно с дросселем 20 в цепь обмотки 19 подмагничивания.

Для обеспечения симметрирования изменения магнитного потока в обоих направлениях сердечника трансформатора 15 подмагничивающая обмотка 19 включена согласно с первичными обмотками 17 и 23.

На фиг. 3 изображена схема однофазного умножителя частоты в четное число раз, равное 4, содержащая трансформатор 26, выполненный на трехстержневом сердечнике, и дросселе 27. Элементами первого моста являются диод 28, первичные обмотки 29 и 30, конденсатор 31, обмотка подмагничивания 32 и обмотка дросселя 33, диод 34, первичные обмотки 35 и 36, конденсатор 37, а элементами второго моста являются диод 38, первичные обмотки 39 и 40, конденсатор 41, обмотка подмагничивания 42 и обмотка дросселя 43, диод 44, первичные обмотки45 и46, конденсатор 47, вторичные обмотки 48 и 49.

Схема, приведенная на фиг. 3, содержит общее число мостовых схем, равное 2.

Каждое плечо каждой мостовой схемы дополнено нечетным числом первичных обмоток. В данном случае это дополнение равно 1, и общее число первичных обмоток является четным.

Число сердечников, на которых размещены первичные обмотки, равно числу первичных обмоток в одном плече одной мостовой схемы. В данном случае число первичных обмоток одного плеча одной мостовой схемы равно 2, на двух боковых сердечниках соотвеТственно размещены первичные обмотки. Все первичные обмотки одно фазного умножителя частоты в четное число раз размещены на трехстержневом трансформаторе, число таких трансформаторов равно половине числа первичных обмоток одного плеча одной мостовой схемы. В данном случае число первичных обмоток одного плеча одной мостовой схемы равно 2, на двух боковых сердечниках соответственно размещены первичные обмотки.

Обмотки подмагничивания 32 и 42 обоих мостовых схем расположены на центральном стержне трехстержневого трансформатора 26. Обе обмотки дросселей33 и43 обоих мостов размещены на одном сердечнике и включены встречно по магнитному потоку постоянной составляющей ампервитков тока, проходящего через эти обмотки, что улучшает работу дросселя.

Обе мостовые схемы однофазного умножителя частоты по схеме на фиг. 3 получают питание от двух фаз А — Х и С вЂ” В, имеющих сдвиг по начальной фазе на 90 эл. град. первой гармоники.

Переменные ампервитки пары первичных обмоток 29 и 35 имеют пульсирующий характер и содержат только ряды суммы косинусных функций четных гармоник.

Такой же характер изменения имеют ампервитки обмоток 30 и 36. Пары обмоток 39, 45 и 40, 46 второго моста имеют аналогичный характер изменения ампервитков.

Так как второй мост получает питание от второй фазы, имеющей сдвиг по отношению к первой фазе в 90эл. град. первой гармоники, то суммы косинусных функций четных гармоник ампервитков первичных обмоток обоих мостов отличаются только знаком перед нечетными членами составляющих косинусных рядов.

Косинусные функции ампервитков диода 2, конденсатора 6, обмотки 10 и других гармоник первичных обмоток обоих мостов имеют разные знаки перед функцией, а косинусные функции ампервитков трансформатора 4, обмоток 8, 12 и других гармоник имеют одинаковые знаки перед функциями.

Таким образом, сумма ампервитков первичных обмоток обоих мостов, размещенных на одном сердечнике согласно, взаимно исключает переменные ампервитки элементов 2, 6, 10 и друтих гармоник и удваивает ампервитки элементов 4,8, 12 и других гармоник.

Разность же указанных ампер витков при встречном включении первичных обмоток одного моста с аналогичными обмотками второго моста взаимно исключает переменные ампервитки элементов 4,8,12 и других гармоник и удваивает по амплитуде ампервитки элементов 2,6,10 и других гармоник.

На схеме фиг. 3 первичные обмотки обоих мостов на боковых стержнях включены встречно по магнитному потоку.

При таком включении первичных обмоток обоих мостовых схем, размещенных на одном стержне, исключаются также и постоянные составляющие ампервитков, создаваемые пульсирующим характером их изменения.

Симметрирования изменения магнитного потока в боковых стержнях в данном случае не требуется.

Таким образом, на.боковых стержнях общего магнитопровода всеми первичными обмотками обоих мостов выделяются переменные ампервитки элементов 2, 6, 10 и других гармоник, причем в обоих боковых стержнях они взаимно складываются, а в центральном сердечнике вычитаются.

При наложении подмагничивающих витков обмоток 32 и 42 на центральный стержень транс547945 форматора 26 боковые стержни магнитопровода поляризуются, что обеспечивает преобразование второй гармоники в четвертую известным способом.

При этом, если вторичные обмотки 48 и 49 включены взаимно последовательно и согласно, на выходе выделяется четвертая гармоника, а при последовательном и взаимно встречном их включении вьщеляется вторая гармоника улучшенного качества.

Первичные обмотки обоих мостовых схем размещенных на одном сердечнике по схеме на фиг. 3 возможно включить согласно по магнитному потоку.

В этом случае на боковых стержнях действуют гармоники переменных ампервитков элементов

4,8, 12 и другие гармоники, при этом постоянные составляющие пульсирующих ампервитков обоих мостов складываются, что приводит к асимметрии изменения магнитного потока. Для компенсации постоянной составляющей суммарных ампервитков в боковых стержнях в этом случае необходимо на них размещать обмотки подмагничивания (см. схемы на фиг. 1 и 2) .

Это обеспечивает симметричное изменение магнитного потока с частотой четвертой гармоники по общему контуру боковых стержней общего магнитопровода трансформатора 26.

Далее (и в этом случае) известным наложением на центральный сердечник трансформатора обмотки подмагничивания осуществляется магнитная поляризация боковых сердечников и выделение восьмой гармоники во вторичной общей обмотке.

При последовательном и встречном включении обмоток 48 и 49 в этом случае на выходе выделяется напряжение четвертой гармоники улучшенной формы кривой.

Таким образом, умножение частоты в четное число раз на одном трехстержневом сердечнике происходит сначала с помощью диодов, которые осуществляют первую ступень преобразования. Затем, используя несколько мостовых схем, по две обмотки которых размещены на одном стержне трансформатора, осуществляется выделение нулевой гармоники, общей для всех мостов. Сумми10

25

Зо

40 ких мостов на одном сердечнике осуществляется вторая ступень умножения. В качестве третьей ступени умножения используется магнитная поляризация сердечников, 50

Во всех случаях частота, получаемая на выходе, равна порядку нулевои гармоники, выделяемои суммарными переменными ампервитками всех обмоток всех мостов на одном сердечнике трансформатора и умноженной на два.

Используя приведенные принципы умножения частоты, возможно на одном трехстержневом сердечнике с помощью одной мостовой схемы получить на выходе преобразователя четвертую гармонику (на чертежах на показано) .

Для этого на каждом боковом стержне транс60 рованием ампервитков первичных обмоток несколь- 45 форматора размещаются по две первичных обмотки одной мостовой схемы и включаются согласно по создаваемому ими переменному потоку по общему контуру боковых сердечников.

Изменения магнитных потоков симг гетрируются в боковых стержнях трансформатора с помощьк обмоток подмагничивания. Этим самым производится выделение нулевой второй гармоники потока в боковых стержнях. Далее наложением обмоток подмагничивания на центральный стержень трансформатора произв одится вьщеление на выходе четвертой гармоники.

Все обмотки подмагничивания (обмотки симметрирования на боковых стержнях и обмотки поляризации на центральном стержне) включены последовательно в общую цепь с дросселем и подключены к выходной диагонали моста.

Возможно также дальнейшее развитие использования одномостовой схемы однофазного умножителя частоты при различном увеличении числа одновременно работающих на одном трансформаторе мостов.

В общем случае число мостовых схем не соответствует числу фаз m питающей фазной системы.

При этом важно то, что все используемые мосты получают питание от фаз со сдвигом начального напряжения 21Цm

При этом на стержне выделяется нулевая последовательность ампервитков всех мостовых схем, преобразованных диодами токов.

Например, при использовании m числа мостовых схем, получающих питание от m фаз с фазным сдвигом 21 т, возможно за счет размещения на одном сердечнике m первичных обмоток всех m мостов выделить переменные ампервитки нулевой удвоенной последовательности и еще раз их удвоить за счет магнитной поляризации стержней сердечника магнитопровода трансформатора по тому же принципу, как это выполнено по схеме на фиг. 3.

В этом случае на выходе трансформатора выделяются 2m гармоники улучшенной формы кривой

4m — и гармоники, кривая которой имеет характер, близкий к пульсирующему.

Возможно также использование выделяемой в этом случае удвоенной гармоники нулевой (2m) последовательности изменения магнитного потока непосредственно в самом сердечнике за счет индукционных потерь на нагрев.

При этом возможно предварительно использо. вать увеличение гармоники тока нулевой последовательности питающей сети эа счет включения нелинейных дросселей в цепь каждой фазы m фазной системы, осуществляющей питание m мостовых схем.

Возможны и другие варианты использования сложения ампервитков разных чисел мостов на одном или нескольких трансформаторах.

Сравнивая схему однофазного умножителя частоты в четное число раз, приведенную на фиг. 3. со схемой, привеценной в книге Бамдаса и др.

547945

io

Фиг. 1 (стр. 90, рис. 4 — 1,г), можно заключить, что предла гаемая схема содержит меньшее число ферромагнитных сердечников и обмоток трансформаторов.

Эта разница становится значительной при переходе к схемам, осуществляющим преобразование многофазных напряжений одной частоты в многофазные системы напряжения повышенной частоты.

Формула изобретения

1. Однофазный умножитель частоты в четное число раз, содержащий по крайней мере один подмагничиваемый трансформатор с общим четным числом первичных обмоток, соединенных с конден- 15 саторами и включенных с ними в схему моста, причем конденсаторы включены в два смежных плеча и их общая точка подключена к одному входному зажиму, а обмотки подмагничивания включены последовательно с дросселем, о т л и- 29 ч а ю шийся тем, что, с целью повышения коэффициента мощности и упрощения, он снабжен диодами, образующими два других смежных плеча моста, и их общая точка подключена к другому входному зажиму, а соответствующие первичные 25 обмотки расположены с конденсаторами в одном плече, причем обмотки подмагничивания включены в выходную диагональ моста

2. Умножитель по п. 1, отличающийся тем, что его обмотки подмагниивания соединены с выходными обмотками через вспомогательный конденсатор.

3. Умножитель по п. 1, от лича ющи и ся тем, что каждый из трансформаторов содержит на одном стержне одну первичную обмотку одной мостовой схемы.

4. Умножитель по п. 1, отличающийся тем, что каждый из трансформаторов содержит на одном стержне по две первичных обмотки одной мостовой схемы.

5. Умножитель по и. 1,отличающий ся тем, что, с целью улучшения формы напряжения промежуточной второй и выходной четвертой гармоник, он снабжен дополнительной аналогичной мостовой схемой, при этом сдвиг фаз между напряжениями, питающими мосты, равен 90 эл, град, первой гармоники.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1. Рожанский ЛЛ. Статические электромагнитные преобразователи частоты, "Госэнергоиэдат", 1959.

2. Бамдас А. М. и др. Ферромагнитные умножители частоты, М., 1968, стр. 33 (прототип) .

547945

Составитель В. Устинкина

Техред 3. Фанта

Корректор С. Шекмар редактор Т. Загребельная

Заказ 788/108

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,4

Тираж 902 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5