Однофазный умножитель частоты в четное число раз

Оп ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 14.07.72 (21) 1806301/071836644/07 1892886/07 ием заяв с присоедине (23) Приорит Государственный комитет Совета Министров СССР по делам иаооретений и открытий) Дата опублико ия описания 24.05.7 2) Автор изобрет овб итель МНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ В ЧЕТН СЛО РАЗ(54) ОДНОФАЗНЫЙ ного 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 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 последовательно 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 элементамиперенести основную преобразовательную О позволяет функцию 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, 2Прототипом предлагаемого устройства является устройство, выяолненное по мостовой схеме и содержащее в двух плечах моста первичные обмотух трансформаторов, а в двух других плечахнд саторы, 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 постоян(51) М. Кл,о Н 02 М 5/16на нелинейные элементы в виде диодов и расширитьпреобразовательные и технические возможностиоднофазного умножителя частоты в четное число разза счет: соединения его обмоток подмагничивания свыходными обмотками через вспомогательньйконденсатор; размещения на одном стержне каждого трансформатора по одной первичной обмоткеодной мостовой схемы; размещения на одномстержне каждого трансформатора по две первичныхобмотки одной мостовой схемы; дополнения егоеще одной аналогичной мостовой схемой, при этомсдвиг фаз между напряжениями, питающими мосты,равен 90 эл. град. первой гармоники,На фиг. 1 изображена схема одномостовогооднофазного умножителя частоты в четное числораз, равное 2, выполненная на двух трансформаторах; на фиг. 2 - то же, на одном трансформаторе;на фиг, 3 - схема двухмостового однофазногоумножителя частоты в четное число раз, равное 4,выполненная на одном Ш - образном сердечникетрансформатора и одном объединенном сердечникедросселей; на фиг. 4 - график изменения напряжения и тока на выходе однофазного умножителячастоты; на фиг. 5 - график изменения тока впервичной и подмагничивающей обмотках одногоиз трансформаторов; на фиг. 6 - график изменениянапряжений на первичной обмотке и конденсаторе,расположенных в одном плече схемы.Однофазный умножитель частоты в четное число раз (см, фиг. 1) получает питание через зажимыА - Х входной диагонали моста и содержит диоды 1и 2, подключенные их общей точкой к входномузажиму 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 дрос.селем 11 включенные на выходную диагональ мостаа - б.Вторичные выходные обмотки 12 и 13 соедине-.ны через вспомогательный конденсатор 14 с обмотками подмагничивания. Первичные обмотки 5 и 8включены в диагонале моста согласно.Диодами 1 и 2 в первый полупериод переменного питающего напряжения к внешнему источникуподключаются элементы плеча а - Х, а во второйполупериод - элементы плеча Х - б. Цепь подмагни.чивающих обмоток 9 и 10 совместно с дросселем 11подключается диодами 1 и 2 к внешнему источникув оба полупериода согласно,Характер изменения тока 1, проходящего черезобмотку 5, а также тока 3, проходящего черезобмотку 9, показан на графике, изображенном нафиг. 5.Переменные ампервитки тока, создаваемыеобмоткой 5, могут быть представлены в виде гармонического ряда, содержащего синус оиднутсфункцию тока первой гармоники и сумму косинусных функций тока четырех гармоник.Аналогичное изменение имеют ампервитки тока 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 оО обмотки 8, но со сдвигом по фазе на полупериодпервой гармоники.Так как вторичные обмотки 12 и 13 включенытоже согласно, то в них выделяется напряжение,пропорциональное удвоенной сумме ампервитковкосинусных членов гармонических рядов четныхгармоник тока обмоток 5 и 8. Наибольшей величиной этих рядов является амплитуда второй гармоники, что и обеспечивает выделение во вторичнойцепи напряжения второй гармоники, Обмотки 5 и 8оказывают небольшое сопротивление току первойгармоники. Первая гармоника напряжения вьщеляется на конденсаторах 6, 7, что обеспечивает повышение коэффициента мощности всей схемы.Цепь обмоток подмагничивания содержит дроссель 11, поэтому через обмотки подмагничиванияпроходит постоянный ток,Обмотки подмагничивания 9 и 10 осуществляют выравнивание изменения магнитного потокав сердечниках трансформаторов 3 и 4 на одинаковую величину в обоих направлениях, что повышаетиспользование ферромагнитного материала трансформаторов. В первьй полупериод питающего напряжения работает трансформатор 3, трансформатор 4 в это время частично выполняет функциидросселя в цепи подмагничивающих обмоток.Аналогично работают трансформаторы и во второй полупериод, что обеспечивает возможностьуменьшения дросселя 11.На диагонали моста а - б выделяется напряжениепостоянной составляющей и переменное напряжение четных гармоник, вторая гармоника из кото.рых имеет наибольшее значение, Это обеспечиваетвозможность съема второй гармоники напряженияс диагонали а - б моста во вторичную цепь черезконденсатор 14 и одновременно электромагнитнымпутем через сердечники трансформаторов 3 и 4,При этом оба канала съема напряжения второйгармоники возможно включить последовательноили параллельно. На фиг. 1 показано последовательное включение каналов съема второй гармоники.Ампервитками обмоток подмагничивания 9и 10 возможно произвести полное симметрированиеизменений 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 второйгармоники 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 подмагничиваемомтрансформаторе 15, содержащая диод 16, первичную обмотку 17 и конденсатор 18, подключенные квходной диагонали моста, вторичную обмотку 19,дроссель 20, нагрузку постоянного тока 21, включенные в выходную диагональ моста, диод 22, первичную обмотку 23, конденсатор 24, подключенныек входной диагонали моста, вторичную обмотку 25.Указанная схема работает аналогично схеме, показанной на фиг. 1.Первичные обмотки 17 и 23 имеют сильнуюэлектромагнитную связь, так как они размещенына одном сердечнике трансформатора, в связи с чемток первой гармоники в этих обмотках не встречаетсопротивления даже при холостом ходе работысхемы,Ток первой гармоники полностью идет на зарядку конденсаторов 18 и 24, в связи с чем навыходной диагонали моста увеличивается постоянная составляющая напряжения, которая может бытьиспользована нагрузкой постоянного тока 21,включенной последовательно с дросселем 20 в цепьобмотки 19 подмагничивания.Для обеспечения симметрирования изменениямагнитного потока в обоих направлениях сердечника трансформатора 15 подмагничивающая обмотка 19 включена согласно с первичными обмотка.ми 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, Элементамипервого моста являются диод 28, первичные обмотки 29 и 30, конденсатор 31, обмотка подмагничивания 32 и обмотка дросселя 33, диод 34, первичныеобмотки 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 обмотки 45 и 46, конденсатор 47, вторичныеобмотки 48 и 49.Схема, приведенная на фиг, 3, содержит общеечисло мостовых схем, равное 2.Каждое плечо каждой мостовой схемы дополнено нечетным числом первичных обмоток, В данномслучае это дополнение равно 1, и общее числопервичных обмоток является четным.Число сердечников, на которых размещеныпервичные обмотки, равно числу первичных обмоток в одном плече одной мостовой схемы. В данномслучае число первичных обмоток одного плечаодной мостовой схемы равно 2, на двух боковыхсердечниках соотвеТственно размещены первичныеобмотки. Все первичные обмотки однофазногоумножителя частоты в четное число раз размещенына трехстержневом трансформаторе, число такихтрансформаторов равно половине числа первичныхобмоток одного плеча одной мостовой схемы. Вданном случае число первичных обмоток одногоплеча одной мостовой схемы равно 2, на двухбоковых сердечниках соответственно размещеныпервичные обмотки.Обмотки подмагничивания 32 и 42 обоих мостовых схем расположены на центральном стержнетрехстержневого трансформатора 26. Обе обмоткидросселей 33 и 43 обоих мостов размещены наодном сердечнике и включены встречно по магнит 1 О 15 2 В 25 35 40 45 50 55 60 ному 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 - 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 90 эл. 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 маг. нитному 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 транс 547945форматора 26 боковые стержни магнитопроводаполяризуются, что обеспечивает преобразованиевторой гармоники в четвертую известным способом.При этом, если вторичные обмотки 48 и 49включены взаимно последовательно и согласно, навыходе выделяется четвертая гармоника, а припоследовательном и взаимно встречном их включении вьщеляется вторая гармоника улучшенногокачества,Первичные обмотки обоих мостовых схем размещенных на одном сердечнике по схеме на фиг. 3возможно включить согласно по магнитному потоку,В этом случае на боковых стержнях действуютгармоники переменных ампервитков элементов4,8, 12 и другие гармоники, при этом постоянныесоставляющие пульсирующих ампервитков обоихмостов складываются, что приводит к асимметрииизменения магнитного потока. Для компенсациипостоянной составляющей суммарных ампервитковв боковых стержнях в этом случае необходимо наних размещать обмотки подмагничивания (см. схемы на фиг. 1 и 2) .Это обеспечивает симметричное изменениемагнитного потока с частотой четвертой гармоникипо общему контуру боковых стержней общегомагнитопровода трансформатора 26.Далее (и в этом случае) известным наложениемна центральный сердечник трансформатора обмоткиподмагничивания осуществляется магнитная поляризация боковых сердечников и выделение восьмойгармоники во вторичной общей обмотке,При последовательном и встречном включенииобмоток 48 и 49 в этом случае на выходе выде.ляется напряжение четвертой гармоники улучшенной формы кривой.Таким образом, умножение частоты в четноечисло раз на одном трехстержневом сердечникепроисходит сначала с помощью диодов, которыеосуществляют первую ступень преобразования. Затем, используя несколько мостовых схем, по двеобмотки которых размещены на одном стержнетрансформатора, осуществляется выделение нулевой гармоники, общей для всех мостов. Сумми 15 25 Зо 35 40 ких мостов на одном сердечнике осуществляется вторая ступень умножения. В качестве третьей ступени умножения используется магнитная поляризация сердечников,Во всех случаях частота, получаемая на выходе,50 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 транс 60 рованием ампервитков первичных обмоток несколь форматора размещаются по две первичных обмоткиодной мостовой схемы и включаются согласно посоздаваемому ими переменному потоку по общемуконтуру боковых сердечников,Изменения магнитных потоков симг гетрируютсяв боковых стержнях трансформатора с помощькобмоток подмагничивания. Этим самым производится выделение нулевой второй гармоники потокав боковых стержнях. Далее наложением обмотокподмагничивания на центральный стержень трансформатора производится вьщеление на выходечетвертой гармоники.Все обмотки подмагничивания (обмотки симметрирования на боковых стержнях и обмоткиполяризации на центральном стержне) включеныпоследовательно в общую цепь с дросселем и подключены к выходной диагонали моста.Возможно также дальнейшее развитие использования одномостовой схемы однофазного умножителя частоты при различном увеличении числаодновременно работающих на одном трансформаторе мостов.В общем случае число мостовых схем не соответствует числу фаз п питающей фазной системы.При этом важно то, что все используемые мостыполучают питание от фаз со сдвигом начальногонапряжения 2 Ятп,При этом на стержне выделяется нулевая последовательность ампервитков всех мостовых схем,преобразованных диодами токов.Например, при использовании т числа мостовых схем, получающих питание от гп фаз с фазнымсдвигом 2 Вт, возможно за счет размещения наодном сердечнике а первичных обмоток всех пмостов выделить переменные ампервитки нулевойудвоенной последовательности и еще раз их удвоитьза счет магнитной поляризации стержней сердечникамагнитопровода трансформатора по тому же принципу, как это выполнено по схеме на фиг. 3.В этом случае на выходе трансформатора выделяются 2 а гармоники улучшенной формы кривой4 в - й гармоники, кривая которой имеет характер,близкий к пульсирующему.Возможно также использование выделяемой вэтом случае удвоенной гармоники нулевой (2 в)последовательности изменения магнитного потоканепосредственно в самом сердечнике за счет индукционных потерь на нагрев.При этом возможно предварительно использовать увеличение гармоники тока нулевой последо.вательности питающей сети эа счет включения нелинейных дросселей в цепь каждой фазы е фазнойсистемы, осуществляющей питание в мостовыхсхем.Возможны и другие варианты использованиясложения ампервитков разных чисел мостов наодном или нескольких трансформаторах.Сравнивая схему однофазного умножителячастоты в четное число раз, приведенную на фиг. 3.со схемой, привеценной в книге Бамдаса и др.(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 много. 5 фазных напряжений одной частоты в многофазные системы напряжения повышенной частоты.формула изобретения1. Однофазный умножитель частоты в четное число раз, содержащий по крайней мере один подмагничиваемый трансформатор с общим четным числом первичных обмоток, соединенных с конден 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, отли ч а ю щ и й с я 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что его обмотки подмагниивания соединены с выходными обмотками через вспомогательный конденсатор,3. Умножитель по п. 1, отличающийся 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,отличающийся 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, первои гармоники.Источники информации, принятые во вниманиепри экспертизе:1. Рожанский ЛЛ. Статические электромагнитные преобразователи частоты, Тосэнергоиздат", 1959,2. Бамдас А. М. и др. ферромагнитные умножители частоты, М., 1968, стр. 33 (прототип) .547945 Фиг. о Составитель В. УстинкинаТехред 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 - 35, Раушская наб., д. 4/5