SU974522A1 - Способ ферродиодного умножени частоты переменного тока и статический ферромагнитный преобразователь частоты - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротехнике, преимущественно к электромашиностроению, и может быть использовано при создании статических умножителей частоты, применяемых в качестве промышленных источников пи- 5 тания.

В современном электромашиностроении при создании статических умножителей частоты применяется способ, основанный на насыщении сердечников ^,с многообмоточных трансформаторов за счет намагничивания постоянным током. При этом намагничивание постоянным током осуществляют непрерывно в течение всего периода изменения основного потока, созданного входным напряжением^ 1J.

Однако при встречном направлении ИДС тока намагничивания с основным ₂₍ потоком происходит увеличение реактивной составляющей входного тока преобразователя частоты, что снижает его коэффициент полезного действия из-за дополнительных потерь в меди обмоточных проводов.

Устройство по этому способу Γΐ] из-за увеличения реактивного тока имеет завышение расхода обмоточного провода, что приводит к увеличению веса преобразователя частоты.

Наиболее близок к предлагаемому способ умножения частоты путем насыщения каждого из сердечников многообмоточных трансформаторов за счет однополупериодного намагничивания постоянным током, находящимся в фазе с основным потоком, созданным входным напряжением £ 2 J.

Величина МДС постоянного тока выбирается такой, что при согласном ее направлении с основным потоком, создаваемым питающим напряжением, сердечник насыщается. При изменении направления основного потока МДС постоянного тока становится равной нулю за счет отключения обмотки намагничивания от выпрямителя и сердечник з 97452 перемагничивается в противоположном направлении, не достигая насыщения.

Согласно известному способу умножения частоты для достижения насыщения сердечников энергии постоянного 5 тока расходуется в 3^_4 раза больше, чем это необходимо. В связи с этим снижается коэффициент полезного действия при умножении частоты.

Наиболее близок к предлагаемому преобразователь частоты, содержащий диоды и трансформаторы, на сердечниках которых расположены входные обмотки, соединенные между собой попарно, например последовательно-встречно, выходные обмотки, включенные между собой параллельно-встречно через конденсаторы, и обмотки намагничивания постоянным током [2].

В устройстве преобразователя частоты, изготовленного по этому способу, завышен расход провода на обмотку намагничивания, что приводит к увеличению веса преобразователя.

I

Целью изобретения является увеличение коэффициента полезного действия и улучшения массо-габаритных показателей устройства, реализующего данный способ.

Указанная цель достигается тем, что согласно способу феррс^иодного умножения частоты переменного тока путем насыщения каждого из сердечников многообмоточных трансформаторов за счет однополупериодного намагничивания постоянным током, находящимся в фазе с основным потоком, созданным входным напряжением, насыщение каждого сердечника осуществляют импульсом постоянного тока в течение времени, равного времени перехода сердечника в насыщенное состояние.

В предлагаемом статическом ферромагнитном преобразователе частоты каждая обмотка намагничивания постоянным током включена через диод параллельно-встречно входной обмотке, расположенной на том же сердечнике.

На фиг. 1 представлена электрическая схема статического ферромагнитного преобразователя частоты, где 1Ц -sinu/t, U^coswt - входное на, пряжение преобразователя;

- обмотки намагничивания постоянным током (обмотки управления), каждая из которых через соответствующий .диод СЦт 04 включена параллельнототы в где 'у (управпотока, напряже2 4 встречно одной из входных обмоток ;

W- выходные обмотки, включенные между собой параллельновстречно · через выходные кон денсаторы С^тС^;

1)^- выходное напряжение;

на фиг. 2 - кривые изменения неко торых параметров преобразователя час функции времени,

- входное напряжение;

- ток намагничивания ления) ;

В^ - индукция основного созданного входным нием;

- ЭДС, наводимая в выходной обмотке каждого сердечника;

на фиг. 3 - характеристика намаг20 ничивания магнитопровода в функции напояженности, где - индукция основного потока·, В₅ - индукция насыщения;

Н - напряженность магнитного поля;

на фиг. 4 - принцип формирования выходного напряжения из ЭДС каждого сердечника.

В статическом ферромагнитном пре30 образователе частоты, например учетверителе с трехфаэным выходом, вход ное трехфазное напряжение преобразуется в двенадцатифазное. Это преобразование осуществляют с помощью 35 входных обмоток многообмоточных трансформаторов, соединяемых в треугольник и звезду. В результате такого соединения к одной группе входных обмоток W прикладывается на· 40 пряжение Щ' sin u>t, а к другой группе - Щ' cos u)t.

На фиг. 1 для простоты представлена электрическая схема одной фазы рассматриваемого преобразователя 45 частоты, учитывая что все его фазы симметричны.

Многообмоточные трансформаторы объединены попарно за счет последовательного соединения их входных об₅Q моток . Обмотки намагничивания (управления) Wу обеспечивают поочередное насыщение сердечников.

В прототипе насыщение сердечников осуществляют однополупериодным по55 стоянным током намагничивания в течение времени, когда он совпадает по направлению с основным потоком в сердечнике.

Однако для достижения насыщения сердечников достаточно одного импульса постоянного тока в течение этого времени.

При этом амплитуда импульса не превышает амплитуду постоянного тока при. однополупериодном намагничивании .

Действительно, для создания амплитуды индукции насыщения В₅ необходима ^,0 опредленная амплитуда' тока намагничивания. После достижения насыщения поток в сердечнике практически не зависит от величины амплитуды тока намагничивания, если даже он достига- ¹⁵ ет нулевого значения (фиг. 3)· Поэтому для достижения насыщения достаточно одного импульса тока. Но зато переход от однополупериодного намагничивания к импульсному позволяет 20 в 34 раза сократить расход энергии постоянного тока.

Реализовать способ импульсного намагничивания сердечников позволяет параллельное включение через диод 25 обмотки намагничивания с входной обмоткой Wf (фиг. 1).

При условно положительном направлении входного напряжения 1)^ по обмотке управления с отставанием на зо четверть периода из-за индуктивности обмотки, как и по обмотке начинает протекать ток также в положительном направлении. При этом происходит сложение МДС этих обмоток, ре- 35 зультирующей амплитуде которых соответствует индукция потока в сердечнике.

При достаточной величине амплитуды тока намагничивания происходит на-jq сыщение сердечника. При наступлении насыщения индуктивное сопротивление обмотки начинает падать и стремиться к нулю. Это приводит к тому, что входное напряжение на этой обмот- 45 ке также стремится к нулю и начинает прикладываться к другой парной обмотке , где включение диода препятствует протеканию тока через параллельно-включенную обмотку Wy . Снятие входного напряжения с насыщающегося сердечника вызывает обесточивание обмотки намагничивания \Jy этого сердечника.

В результате ток намагничивания $$ приобретает импульсный характер, обеспечивающий насыщение сердечника. Процесс намагничивания сердечника иллюстрируется на фиг. 2. Здесь по974522 6 казан импульс тока намагничивания iy, создающий индукцию насыщения . В течение полупериода, пока ток входной обмотки не изменяет своего знЭ5 ка за счет входного напряжения, сердечник остается насыщенным (фиг. 3), и ЭДС выходной обмотки этого сердечника равна нулю (фиг. 2).

В следующий полупериод времени u? t изменение знака входного тока обмотки W4 вызывает перемагничивание сердечника в другом (отрицательном) направлении. Так как теперь уже по обмотке намагничивания из-за запертого состояния диода 0^ ток не протекает, то сердечник не достигает насыщения, а на вторичной обмотке находится ЭДС Е^. Эта ЭДС имеет крутой фронт нарастания и спадания, который характеризует время включения и выключения магнитного ключа, в режиме которого работает рассматриваемый многообмоточный трансформатор.

Суммирование вторичных ЭДС Е^ всех четырех сердечников позволяет получить выходное напряжение учетверенной частоты (фиг. 4). Это суммирование осуществляют за счет встречнопараллельного включения выходных обмоток каждого сердечника через конденсаторы С^ , С^, , С^. Конденсаторы С₄~Сд выбираются такими, чтобы по каждой обмотке Wj. протекал ток только частотой 50 Гц при минимальном уравнительном токе. Кроме то’го, эти конденсаторы должны осуществлять компенсацию реактивной составляющей тока нагрузки 3^, для повышения cos умножителя частоты.

Таким образом, намагничивание сердечников трансформаторов 'импульсом, постоянного тока, когда он находится в фазе с основным потоком, созданным входным напряжением, снижает расход энергии постоянного тока. Это увеличивает коэффициент полезного действия.

Устройство для осуществления данного способа позволяет сократить расход меди обмоточных проводов цепи намагничивания, что уменьшает вес преобразователя частоты.

Claims (2)

1. 3 перемагничиваетс  в противоположном нйправлении, не достига  насыщени , Согласно известному способу умножени  частоты дл  достижени  насы щени  сердечников энергии посто нно тока расходуетс  в раза больше, чем это необходимо. В св зи с этим снижаетс  коэффициент полезного дей ви  при умножении частоты. Наиболее близок к предлагаемому преобразователь частоты, содержащий диоды и трансформаторы, на сердечни ках которых расположены входные обмотки , соединенные между собой попа но, например последовательно-встреч но, выходные обмотки, включенные ме ду собой параллельно-встречно через конденсаторы, и обмотки намагничивани  посто нным током 2. В устройстве преобразовател  час тоты, изготовленного по этому спосо бу, завышен расход провода на обмот ку намагничивани , что приводит к увеличению веса преобразовател , I Целью изобретени   вл етс  увели чение коэффициента полезного действи  и улучшени  массо-габаритных по казателей устройства, реализующего данный способ. Указанна  цель достигаетс  тем, что согласно способу феррс иодного умножени  частоты переменного тока путем насыщени  каждого из сердечников многообмоточных трансформаторов за счет однополупериодного намагничивани  посто нным током, наход щимс  в фазе с основным потоком, создан ным входным напр жением, насыщение каждого сердечника осуществл ют импульсом посто нного тока в течение времени, равного времени перехода сердечника в насыщенное состо ние. В предлагаемом статическом ферромагнитном преобразователе частоты кажда  обмотка намагничивани  посто нным током включена через диод параллельно-встречно входной обмотке расположенной на том же сердечнике. На фиг. 1 представлена электричес ка  схема статического ферромагнитного преобразовател  частоты, где Uv-sinoft, U coswt - входное на1 пр жение преобразовател ; Wa обмотки намагничивани  посто нным током (обмотки управлени ), кажда  из которых через соответствующий.диод СЦт D включена параллельновстречно одной из входных обмоток J ; W- - выходные обмотки, включенные между собой параллельновстречно через выходные конденсаторы C/t-fC ; и, выходное напр жение; на фиг, 2 - кривые изменени  некоторых параметров преобразовател  частоты в функции времени, где и - входное напр жение; i - ток намагничивани  (управлени  ) ; QA - индукци  основного потока, созданного входным напр жением; Е - ЭДС, наводима  в выходной обмотке каждого сердечника; на фиг. 3 - характеристика намагничивани  магнитопровода в функции напр женности, где В - индукци  основного потока-, В - индукци  насыщени ; И - напр женность магнитного на фиг. А - принцип формировани  выходного напр жени  из ЭДС каждого сердечника. В статическом ферромагнитном преобразователе частоты, например учетверителе с трехфазным выходом, входное трехфазное напр жение преобразуетс  в двенадцатифазное. Это преобразование осуществл ют с помощью входных обмоток W многообмоточных трансформаторов, соедин емых в треугольник и звезду, В результате такого соединени  к одной группе входных обмоток У прикладываетс  напр жение и/, sin ujt, а к другой группе - Щ СО5 tot. На фиг. 1 дл  простоты представлена электрическа  схема одной фазы рассматриваемого преобразовател  частоты, учитыва  что все его фазы симметричны. Многообмоточные трансформаторы объединены попарно за счет последовательного соединени  их входных обмоток W.. Обмотки намагничивани  (управлени ) W обеспечивают поочередное насыщение сердечников, В прототипе насыщение сердечников осуществл ют однополупериодным посто нным током намагничивани  в течение времени, когда он совпадает по направлению с основным потоком в сердечнике. Однако дл  достижени  насыщени  сердечников достаточно одного импульса посто нного тока в течение этого времени. При этом амплитуда импульса не превышает амплитуду посто нного тока при. однополупериодном намагничива нии . Действительно, дл  создани  ампл туды индукции насыщени  Be необходим опредленна  амплитуда тока намагничивани . После достижени  насыщени  поток в сердечнике практически не за висит от величины амплитуды тока намагничивани , если даже он достигает нулевого значени  (фиг. 3). Поэтому дл  достижени  насыщени  достаточно одного импульса тока. Но за то переход от однополупериодного намагничивани  к импульсному позвол ет в 3- раза сократить расход энергии посто нного тока. Реализовать способ импульсного на магничивани  сердечников позвол ет параллельное включение через диод обмотки намагничивани  W с входной обмоткой W (фиг. 1). При условно положительном направлении входного напр жени  U по обмотке управлени  W с отставанием на четверть периода из-за индуктивности обмотки, как и по обмотке W, начинает протекать ток также в положительном направлении. При этом проис ходит сложение МДС этих обмоток, результирующей амплитуде которых соответствует индукци  потока в сердечни ке. При достаточной величине амплитуды тока намагничивани  происходит на сыщение сердечника. При наступлении насыщени  индуктивное сопротивление обмотки начинает падать и стремитьс  к нулю. Это приводит к тому, что входное напр жение U на этой обмотке также стремитс  к нулю и начинает прикладыватьс  к другой парной обмот ке W-t , где включение диода Dj, преп тствует протеканию тока через параллельно-включенную обмотку Wy . Сн тие входного напр жени  с насыщаю щегос  сердечника вызывает обесточивание обмотки намагничивани  W этого сердечника, В результате ток намагничивани  приобретает импульсный характер, обеспечивающий насыщение сердечника. Процесс намагничивани  сердечника иллюстрируетс  на фиг. 2. Здесь по9 2 казан импульс тока намагничивани  создающий индукцию насыщени  . В течение полупериода, пока ток входной обмотки не измен ет своего знйка за счет входного напр жени , сердечник остаетс  насыщенным (фиг. 3) и ЭДС выходной обмотки W этого сердечника равна нулю (фиг. 2). В следующий полупериод времени wt изменение знака входного тока обмотки W вызывает перемагничивание сердечника в другом (отрицательном) направлении . Так как теперь уже по обмотке намагничивани  t из-за запертого состо ни  диода 0 ток не протекает , то сердечник не достигает насыщени , а на вторичной обмотке находитс  ЭДС tj. Эта ЭДС имеет крутой фронт нарастани  и спадани , который характеризует врем  включени  и выключени  магнитного ключа, в режиме которого работает рассматриваемый многообмоточный трансформатор. Суммирование вторичных ЗДС Е всех четырех сердечников позвол ет получить выходное напр жение учетверенной частоты (фиг. k), Это суммирование осуществл ют за счет встречнопараллельного включени  выходных обмоток Wj каждого сердечника через конденсаторы С , С, С, Сл. Конденсаторы выбираютс  такими, чтобы по каждой обмотке Wj. протекал ток только частотой 50 Гц при минимальном уравнительном токе. Кроме то-го , эти конденсаторы должны осуществл ть компенсацию реактивной составл ющей тока на грузки Э. A повышени  cos (f умножител  частоты. Таким образом, намагничивание сердечников трансформаторов импульсом, посто нного тока, когда он находитс  в фазе с основным потоком, созданным входным напр жением, снижает расход энергии посто нного тока. Это увеличивает коэффициент полезного действи . Устройство дл  осуществлени  данного способа позвол ет сократить расход меди обмоточных проводов цепи намагничивани , что уменьшает вес преобразовател  частоты. Формула изобретени  1. Способ ферродиодного умножени  частоты переменного тока путем насыщени  каждого из сердечников много9 обмоточных трансформаторов за счет бднополупериодного намагничивани  посто нным током, наход щимс  в фазе с основным потоком, созданным входным напр жением, отличающийс  тем, что, с целью увеличени  КПД и улучшени  массо-габаритных показателей устройства, реализующего данный способ, насыщение каж дого сердечника осуществл ют импуль сом посто нного тока в течение времени , равного времени перехода сердечника в насыщенное состо ние. 2. Статический ферромагнитный пре образователь частоты, содержащий дио ды и трансформаторы, на сердечниках которых расположены входные обмотки, соединенные между собой попарно, например последовательно-встречно, вы8 ходные обмотки, включенные между собой параллельно-встречно через конденсаторы , и обмотки намагничивани  посто нным током, отличающийс  тем, -что, с целью увеличени  КПД и улучшени  массо-габаритных показателей, кажда  обмотка намагничивани  посто нным током включена через диод параллельно-встречно входной обмотке, расположенной на том же Сердечнике. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР tf 550072, кл. Н 02 М /16, 1977.
2. 2. Авторское свидетельство СССР по за вке № 2689911/07, кл. Н 02 М 5/16, 1978.

   0,Stn.6Jt tliCn u)t