RU187860U1

RU187860U1 - MULTI-PHASE FREQUENCY MULTIPLIER

Info

Publication number: RU187860U1
Application number: RU2019101322U
Authority: RU
Inventors: Евгений Николаевич Коптяев
Original assignee: Евгений Николаевич Коптяев
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2019-03-21

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для питания нагрузки переменным напряжением повышенной частоты, а также в системах автоматики.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), а также в составе специальных комплексов и систем, таких как гироскопы и блоки питания систем автоматизации и управления.В настоящее время для питания напряжением повышенной 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 решений является сложность, что требует использования большого количества электронных комплектующих. Это ведет к снижению надежности и повышению себестоимости.Предлагаемое решение направлено главным образом на существенное упрощение конструкции, отказ от сложных импортных комплектующих, что позволяет повысить продолжительность непрерывной безаварийной работы, упростить технологию изготовления и снизить себестоимость.Решение основано на использовании многофазных питающих обмоток, разделенных на две группы, причем результирующее напряжение в нагрузке определяется суммой обеих групп. Для разделения цепей протекания тока в фазах используются диоды при естественной коммутации тока в них, что обеспечивает высокую надежность и простоту предлагаемого решения.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to power a load with alternating voltage of high frequency, as well as in automation systems. Alternating current of high frequency is used in various industrial processes (for example, to power induction heating systems for welding structural materials and vulcanizing rubber sheets during installation on a metal surface), as well as as part of special complexes and systems, such as gyroscopes and power supplies for automation and control systems leniya.V Currently, semiconductor converters used to power high frequency voltage in the first place is a stand-alone inverters with DC link. To improve the quality of the output voltage, they use pulse-width modulation of the voltage, and the quality of the output voltage directly depends on the switching frequency of semiconductor switches (transistors). The main disadvantage of such solutions is complexity, which requires the use of a large number of electronic components. This leads to lower reliability and higher cost. The proposed solution is mainly aimed at significantly simplifying the design, eliminating complex imported components, which allows to increase the duration of continuous trouble-free operation, simplify manufacturing technology and reduce costs. The solution is based on the use of multiphase supply windings, divided into two groups, and the resulting voltage in the load is determined by the sum of both groups. To separate the current flow circuits in phases, diodes are used for natural switching of the current in them, which ensures high reliability and simplicity of the proposed solution.

Description

Название полезной модели. Многофазный умножитель частоты.The name of the utility model. Multiphase Frequency Multiplier.

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована для питания напряжением повышенной частоты, а также в системах автоматики.The technical field to which the utility model belongs. The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used to supply voltage with an increased frequency, as well as in automation systems.

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.The level of technology. Known three-phase static ferromagnetic frequency multiplier [USSR copyright certificate No. 1272424], which is a spatial symmetrical magnetic circuit with 9 rods, each of which is divided into two identical half-rods, and two end ring yokes. On each rod of the multiplier there are one or two coils of the primary winding of the fundamental frequency. On each half-rod there is a double frequency coil, as well as a triple frequency coil, electrically combined with a DC bias winding, while two pairs of coils of each phase of the double frequency secondary winding are connected in opposite directions and are located on the cores of the magnetic circuit shifted by 160 degrees. Two pairs of coils of each phase of the same winding, interconnected according to each other, are located on the rods of the magnetic circuit, mutually shifted by 40 degrees.

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.The disadvantages of this solution include the presence of DC bias, which leads to a complication of the design and saturation of the magnetic circuit. The annular shape of the end yoke of the magnetic circuit degrades the dimensions of the multiplier. Only doubling and tripling the frequency of the output voltage is possible, which limits the scope of this solution.

Также из уровня техники известен способ умножения частоты и устройство для его осуществления [патент РФ на изобретение №2592864], представляющее собой умножитель частоты, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, а также уложенные в его пазы рабочие обмотки. Первичная трехфазная обмотка упомянутого трансформатора выполняется по типу электрических машин однослойной концентрической с шагом 6/8, а вторичная обмотка состоит из отдельных катушек, которые подключены к полупроводниковому коммутатору.Also known from the prior art is a frequency multiplication method and a device for its implementation [RF patent for invention No. 2592864], which is a frequency multiplier containing a transformer with a rotating magnetic field, as well as working windings laid in its grooves. The primary three-phase winding of the said transformer is performed as a single-layer concentric electric machine with a step of 6/8, and the secondary winding consists of separate coils that are connected to a semiconductor switch.

К недостаткам решения можно отнести необходимость применения трансформатора с вращающимся полем, что ведет к усложнению технологии сборки и более высокой себестоимости умножителя в целом.The disadvantages of the solution include the need to use a transformer with a rotating field, which complicates the assembly technology and higher cost of the multiplier as a whole.

Данное техническое решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом.This technical solution is the closest prototype in its technical essence.

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.Disclosure of a utility model. Alternating current of increased frequency is used in various industrial processes - for example, to power induction heating systems for welding structural materials and vulcanizing rubber sheets when installed on a metal surface. There are also special complexes and systems, such as gyroscopes and power supplies for automation and control systems, which require high frequency voltage.

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. 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.At present, semiconductor converters are used to obtain an increased voltage frequency, primarily autonomous inverters with a DC link. To improve the quality of the output voltage, they use pulse-width modulation of the voltage, and the quality of the output voltage directly depends on the switching frequency of semiconductor switches (transistors). The main of several disadvantages of such solutions is complexity, which requires the use of a large number of electronic components. This leads to lower reliability and higher cost. Also disadvantages include the high switching speed of semiconductor switches, which leads to low electromagnetic compatibility with electrical equipment, and the emission of radio interference. In addition, during the switching process, additional thermal losses occur in the semiconductor switches.

Таким образом, эффективное преобразование частоты (в том числе умножение) это актуальная и востребованная в промышленности задача. Перейдем к описанию заявляемого решения.Thus, effective frequency conversion (including multiplication) is an urgent and popular task in industry. We proceed to the description of the proposed solution.

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.The simplest version of a multiphase AC network is the vector diagram of a three-phase system shown in Figure 1. It can be seen here that the angle between the phase stress vectors is 120 °, which gives a completely symmetric system of stresses [1]. Any phase is symmetrical with respect to the other two, while there is only one value of the phase shift between any of the phases.

Существуют многофазные электрические цепи, имеющие шестифазное напряжение, получаемых при использовании обмоток с дополнительным фазовым сдвигом, объединяемых в общую нейтраль [1, 2]. Технически реализуемо любое количество фаз в системе напряжений, имеющих любой заданный между собой угол, что достигается, например, применением фазосдвигающих обмоток типа зиг-заг. Таким образом, уровень техники позволяет получить любую многофазную систему напряжений. Системы напряжений с числом фаз более трех в настоящее время получаются использованием серии трансформаторов с обмотками звезда, треугольник и зиг-заг. Однако может быть использовано любое другое решение - например, трансформаторы с вращающимся полем, описанные в [2].There are multiphase electric circuits having a six-phase voltage, obtained using windings with an additional phase shift, combined into a common neutral [1, 2]. Technically, any number of phases in a voltage system having any angle specified between them can be realized, which is achieved, for example, by using phase-shifting windings of the zig-zag type. Thus, the prior art allows you to get any multiphase voltage system. Voltage systems with a phase number of more than three are currently obtained using a series of transformers with star, delta and zig-zag windings. However, any other solution can be used — for example, transformers with a rotating field described in [2].

На примере основного прототипа использующего трансформатор с вращающимся полем, главным отличием заявляемого решения является работа схемы при питании синусоидальными напряжениями, не имеющими искажений. Это и отличает наиболее сильно заявляемое решение от его прототипа, в котором использовался электромагнитный способ искажения напряжений вторичной обмотки трансформатора с вращающимся полем, и необходимого для его работы.For example, the main prototype using a transformer with a rotating field, the main difference of the proposed solution is the operation of the circuit when powered by sinusoidal voltages that do not have distortion. This distinguishes the most strongly claimed solution from its prototype, in which the electromagnetic method of distorting the voltage of the secondary winding of a transformer with a rotating field, and necessary for its operation, was used.

На фигуре 2 представлена функциональная схема, поясняющая работу предлагаемого решения. Из нее видно, что в схеме используются источники переменного напряжения, работающие на общий участок цепи, которым выступает электрическое сопротивление нагрузки. Для исключения сквозных токов между двумя источниками переменного напряжения, используются дополнительные сопротивления, соединяемые между собой последовательно. Сопротивление нагрузки, таким образом, включается между общей точкой диодов, и общей точкой дополнительных сопротивлений.The figure 2 presents a functional diagram explaining the work of the proposed solution. It can be seen from it that the circuit uses AC voltage sources operating on a common section of the circuit, which is the electrical resistance of the load. To eliminate through currents between two sources of alternating voltage, additional resistances are used, connected in series. The load resistance is thus included between the common point of the diodes and the common point of additional resistances.

Согласно законам Кирхгофа [1], результирующее воздействие будет определяться суммарным воздействием токов всех фаз, протекающих через нагрузку. Таким образом, представленная схема компенсирует (отбросит) постоянную составляющую суммарного напряжения всех фаз, и выделит переменную составляющую (то есть пульсации амплитуд полуволн) более высокой частоты, определяемых производным напряжением всех фаз.According to the laws of Kirchhoff [1], the resulting effect will be determined by the total effect of the currents of all phases flowing through the load. Thus, the presented circuit compensates (discards) the constant component of the total voltage of all phases, and selects a variable component (i.e., half-wave amplitude ripple) of a higher frequency, determined by the derivative voltage of all phases.

На фигуре 3 представлена принципиальная схема многофазного умножителя частоты, который может быть реализован наиболее просто на основе любого трехфазного стержневого трансформатора, для его реализации необходимо лишь наличие у трансформатора двух вторичных обмоток. Фазы упомянутых обмоток объединяются в два комплекта, подключаемых в общую точку, соединенную с нагрузкой. Для исключения уравнительных токов между фазами комплекта, последовательно в цепи каждой из фаз установлено по диоду, при взаимно обратной полярности фаз обмоток между комплектами и согласном включении диодов.Figure 3 presents a schematic diagram of a multiphase frequency multiplier, which can be implemented most simply on the basis of any three-phase rod transformer, for its implementation it is only necessary for the transformer to have two secondary windings. The phases of the mentioned windings are combined into two sets connected to a common point connected to the load. To eliminate equalizing currents between the phases of the set, a diode is installed sequentially in the circuit of each of the phases, with the phases of the windings between the sets being mutually inverse and the diodes turned on.

В первом комплекте фазы включены условно положительным концом обмотки к нейтрали (общей точке) вторичной обмотки, во втором комплекте фазы включены в общую точку также условно положительным концом.In the first set of phases, the conditionally positive end of the winding is connected to the neutral (common point) of the secondary winding, in the second set of phase, the phases are included in the common point also of the conditionally positive end.

На фигуре 4 представлен график напряжений на дополнительных сопротивлениях двух комплектов. Из графика видно, что протекающие токи, обуславливающие напряжения на дополнительных сопротивлениях, имеют взаимный фазовый сдвиг. Упомянутый фазовый сдвиг, после суммирования на сопротивлении нагрузки, вызывает на ней падение напряжения, имеющего представленную на фигуре 5 форму. Частота изображенного напряжения в три раза выше частоты питающей сети.The figure 4 presents a graph of voltages at the additional resistances of the two sets. The graph shows that the flowing currents, causing the voltage at additional resistances, have a mutual phase shift. Mentioned phase shift, after summing on the load resistance, causes a voltage drop on it, having the form shown in figure 5. The frequency of the displayed voltage is three times higher than the frequency of the mains.

Таким образом, решена задача умножения (преобразования) частоты питающей сети в выходное напряжение повышенной частоты, подаваемое на сопротивление нагрузки. Достоинством представленного решения является простота, и отсутствие активных электронных комплектующих, технический эффект достигается использованием только классических пассивных деталей. При этом, удалось достигнуть умножения частоты при использовании двух источников чистого синусоидального напряжения, без применения сложных и неэффективных фильтров, а также без применения искажений напряжения вторичных обмоток трансформатора - как это было реализовано в прототипе. Представленное решение является полностью оригинальным, и не описано нигде в известной автору литературе в данной области техники.Thus, the problem of multiplying (converting) the frequency of the supply network to the output voltage of an increased frequency supplied to the load resistance has been solved. The advantage of the presented solution is simplicity, and the absence of active electronic components, the technical effect is achieved using only classical passive parts. At the same time, it was possible to achieve frequency multiplication using two sources of pure sinusoidal voltage, without the use of complex and inefficient filters, and also without the use of voltage distortion of the secondary windings of the transformer - as was implemented in the prototype. The presented solution is completely original, and is not described anywhere in the literature known to the author in the art.

Отсутствие активных электронных комплектующих не только делает конструкцию проще и дешевле, но и решает проблему электромагнитной совместимости - поскольку все протекающие токи в схеме, работают только в режиме естественной коммутации между диодами, включенными с фазами последовательно.The absence of active electronic components not only makes the design easier and cheaper, but also solves the problem of electromagnetic compatibility - since all the flowing currents in the circuit work only in the natural switching mode between the diodes connected in series with the phases.

Полученное напряжение является в своей основе синусоидальным, и состоит из синусоидальных фрагментов с высокой крутизной фронтов - что дает приближение напряжения на сопротивлении нагрузки к треугольному. Однако это не является недостатком, и может быть использовано специально в различных схемах автоматики.The resulting voltage is basically sinusoidal, and consists of sinusoidal fragments with a high steepness of the fronts - which gives an approximation of the voltage on the load resistance to a triangular one. However, this is not a drawback, and can be used specifically in various automation schemes.

Предлагаемое решение направлено на упрощение конструкции умножителя частоты, что ведет к снижению себестоимости и упрощению технологии сборки. Существует принципиальное отличие от известных из уровня техники аналогов - данное решение использует для своей работы неискаженное, синусоидальное напряжение в фазах питания. Все другие решения - используют либо выделение (фильтрацию) высших гармоник в напряжении, либо создание (искажение) близких по своей форме к повышенной частоте полуволн и их последующее суммирование (основной прототип и его производные).The proposed solution is aimed at simplifying the design of the frequency multiplier, which leads to lower costs and simplification of assembly technology. There is a fundamental difference from analogues known from the prior art - this solution uses an undistorted, sinusoidal voltage in the supply phases for its operation. All other solutions use either the selection (filtering) of the higher harmonics in the voltage, or the creation (distortion) of half-waves close in shape to the increased half-wave frequency and their subsequent summation (the main prototype and its derivatives).

Заявляемая полезная модель является новым решением, имеющим следующие принципиальные отличия от прототипа:The inventive utility model is a new solution having the following fundamental differences from the prototype:

- используются вторичные обмотки трансформаторов, не имеющие искажений синусоидальности;- secondary windings of transformers are used that do not have sinusoidal distortions;

- каждый трансформатор содержит по два комплекта вторичных обмоток, при встречной полярности их включения;- each transformer contains two sets of secondary windings, with the opposite polarity of their inclusion;

- каждая из фаз оснащается включенным последовательно с ней диодом, причем все фазы в комплекте включаются параллельно, при согласном включении диодов из разных комплектов;- each of the phases is equipped with a diode connected in series with it, and all phases in the set are switched on in parallel, with the consent of the inclusion of diodes from different sets;

- к нейтралям вторичных обмоток подключено по сопротивлению, оба сопротивления объединяются вместе;- connected to the neutrals of the secondary windings by resistance, both resistances are combined together;

- нагрузка включается между общей точкой комплектов, и общей точкой сопротивлений.- the load is connected between the common point of the sets, and the common point of resistance.

Таким образом, вся совокупность существенных признаков решения приводит к новому техническому результату - упрощению конструкции.Thus, the entire set of essential features of the solution leads to a new technical result - a simplification of the design.

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. На фигуре 4 изображены напряжения на балластных сопротивлениях. На фигуре 5 изображено выходное напряжение многофазного умножителя частоты.A brief description of the drawings. The figure 1 shows a vector diagram of a three-phase voltage system. The figure 2 shows a functional diagram of a multiphase frequency multiplier. The figure 3 shows a schematic diagram of a multiphase frequency multiplier. The figure 4 shows the voltage at the ballast resistances. The figure 5 shows the output voltage of a multiphase frequency multiplier.

Список использованной литературы.List of used literature.

1. Фрумкин A.M. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 1982. - 407 с. 1. Frumkin A.M. Theoretical foundations of electrical engineering. - M.: Higher School, 1982. - 407 p.

2. Дмитриев Б.Ф., Рябенький В.М., Черевко А.И., Музыка М.М. Судовые полупроводниковые преобразователи: учебник. - Архангельск: Изд-во САФУ, 2015. - 556 с. 2. Dmitriev B.F., Ryabenky V.M., Cherevko A.I., Music M.M. Marine semiconductor converters: a textbook. - Arkhangelsk: Publishing House of NArFU, 2015 .-- 556 p.

3. Тихомиров П.М. Расчет трансформаторов. М.: Альянс, 2013. - 528 с. 3. Tikhomirov P.M. Calculation of transformers. M .: Alliance, 2013 .-- 528 p.

Claims

A frequency multiplier comprising a multiphase transformer with a primary and two secondary windings, and characterized in that the diodes connected in series with the phases of the secondary windings are divided into two sets connected in series and according to, in parallel, the taps of the said diodes from the same set are connected in parallel, and the phase polarity from different secondary windings is counter, to the neutral of each secondary winding is connected by resistance, both resistances are connected together to a common point to which the connection The load is on, the second load tap is connected to the common point of the sets.