Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в шесть раз
Владельцы патента RU 2539353:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР) (RU)
Изобретение относится к преобразовательной технике, умножителям частоты и может быть использовано в качестве регулируемого источника питания электротехнологических установок - индукционного нагрева, для выпрямителей и т.п. Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в шесть раз выполнен на базе трехфазного трансформатора и шести двухобмоточных дросселей насыщения, соединенных по мостовой схеме, которые подключены одной диагональю к вторичным обмоткам трансформатора, а второй диагональю, соединенной в две звезды, к нагрузке, причем обмотки одной диагонали каждого дросселя насыщения и нагрузка зашунтированы однополупериодными ключами, связанными с блоком управления через ключ, шунтирующий нагрузку. Технический результат - повышение энергетических показателей, расширение диапазона симметричного регулирования выходного напряжения при активно-индуктивной нагрузке, улучшение массогабаритных показателей. 2 ил.
Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, умножителям частоты, и может быть использовано в качестве источников питания быстроходных двигателей, ручного электроинструмента, для выпрямителей, для регулируемых источников питания электротехнологических установок, например, индукционного нагрева и т.п.
Известен магнитно-полупроводниковый умножитель частоты, принятый в качестве аналога (авт. свид. №497695, БИ, №48, 1975), содержащий многообмоточный трансформатор с насыщенными сердечниками, обмотки подмагничивания постоянным током и обмотки самоподмагничивания с конденсаторами.
Недостатками аналога являются: большие масса и габариты, инерционность, зависимость амплитуд гармоник выходной частоты от уровня тока подмагничивания, низкие энергетические показатели.
Известен магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в четное число раз, принятый в качестве аналога (авт. свид. №782084, БИ, №43, 1980), содержащий трехфазный преобразователь числа фаз удвоенной кратности умножения и однополупериодные ключи, подключенные к вторичным обмоткам упомянутого преобразователя, и однофазный трансформатор.
Недостатками аналога являются: большие масса и габариты, низкие энергетические показатели вследствие применения фазового управления ключами по углу включения, ограниченный диапазон регулирования при активно-индуктивной нагрузке.
Известен магнитно-полупроводниковый умножитель частоты, принятый в качестве прототипа (авт. свид. №232364, БИ, №1, 1969, фиг.2), содержащий многообмоточный трансформатор, к вторичным обмоткам которого подсоединены ключи, дроссели, нагрузка, установленная между двух звезд, и блок управления ключами.
Недостатками аналога являются: низкие массогабаритные показатели, зависимость настройки частоты от параметров дросселей, невысокая надежность работы умножителя частоты.
Задачей изобретения является: повышение энергетических показателей, расширение диапазона регулирования выходного напряжения при активно -индуктивной нагрузке, улучшение массогабаритных показателей и упрощение конструкции.
Поставленная цель достигается тем, что в магнитно-полупроводниковом умножителе частоты в шесть раз, содержащем трехфазный двухобмоточный трансформатор и дроссели насыщения в каждой фазе сети, нагрузку и однополупериодные ключи, управляемые от блока управления, обмотки дросселей насыщения соединены по мостовой схеме, одни диагонали которых подключены к вторичным обмоткам указанного трансформатора, а вторые диагонали соединены в две звезды, между которыми подключена нагрузка, причем обмотки одной диагонали каждого дросселя насыщения и нагрузка зашунтированы однополупериодными ключами, связанными с блоком управления через ключ, шунтирующий нагрузку.
Сущность изобретения заключается в том, что замыкание шунтирующим ключом обмотки дросселя насыщения осуществляется в начале положительного полупериода на время α π/6, а с момента его размыкания сердечник дросселя насыщения перемагничивается и насыщается в момент βk=2π-αk, однозначно связанный с углом коммутации регулирующих ключей, где αk - длительность замкнутого состояния регулирующего ключа. На нагрузке формируется напряжение, в 6 раз превышающее частоту сети, а все другие гармоники ниже шестой при сложении взаимно компенсируются. При активно-индуктивной нагрузке с момента α=αk размыкания регулирующего ключа первичная обмотка трансформатора закорачивается нулевым ключом, обеспечивая протекание тока в прежнем направлении и свободный обмен энергией между сетью и нагрузкой.
На фиг.1 представлена схема магнитно-полупроводникового умножителя частоты, а на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип его работы.
Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в 6 раз содержит двухобмоточный трехфазный трансформатор 1, к вторичным обмоткам 2, 3, 4 которого подключены шесть дросселей 5-10 насыщения с двумя обмотками 11-16, 11а-16а на каждом дросселе, при этом обмотки 11-16 и 11а-16а соединены по мостовой схеме. Одни диагонали моста подключены к вторичным обмоткам 2, 3, 4 трансформатора 1, а вторые - соединены в две звезды к нагрузке 17. Обмотки 11-16 и нагрузка 17 зашунтированы однополупериодными ключами 18-24, которые получают сигналы управления от блока 25 управления через ключ 24, установленный параллельно нагрузке 17 и выполняющий функции нулевого вентиля для обеспечения контура сброса запасенной энергии.
На фиг.1 представлена схема умножителя частоты в 6 раз, а фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы при угле коммутации αk=π/6.
В начале полупериода с блока 25 управления замыкается ключ 18, шунтирующий обмотку 11 насыщенного в предыдущий полупериод напряжения фазы A дросселя 5. Образуется контур: обмотка 2 - ключ 18 - нагрузка 17 - обмотка 11а дросселя 1 - вторичная обмотка 2, и к нагрузке 17 прикладывается отрезок напряжения 26 (фиг.2, а). При угле коммутации α=αk=π/6 ключ 18 размыкается, и под действием напряжения фазы A дроссель 1 насыщения начинает перемагничиваться и насыщается в момент βk=2π-αk. Одновременно, под действием напряжения фазы C насыщается дроссель 10, а после изменения ее полярности замыкается ключ 23, при этом в интервале π/6 α π/2 ток протекает по цепи: вначале обмотка 4 - обмотка 16а - нагрузка 17 - обмотка 16 и обмотка 4, а затем 4-22-17-16а - фаза 4, и на нагрузке 17 формируются отрезки напряжения 27 и 28 разной полярности (фиг.2, б). В диапазоне π/2 α 5π/6 действует фаза B, вначале насыщается дроссель 7, а затем ключ 20 закорачивает обмотку 13. По контурам: 3-13а-17-13-3, а затем по 3-20-17-13а-3 протекает ток, и к нагрузке прикладываются напряжения 29 и 30 (фиг.2, в). В диапазоне 5π/6 α 7π/6 действует фаза A, при этом вначале ток протекает по контурам: 2-12-17-12а-2, а после замыкания ключа 19 по контуру 2-19-17-12а-2, и на нагрузке формируются напряжения 31 и 32 (фиг.2, г). Затем в действие вступает фаза C (фиг.2, д)). На интервале 7π/6 α 3π/2 процессы протекают в дросселе 9. Он вначале насыщается, а затем обмотка 15 шунтируется ключом 22, и к нагрузке прикладываются отрезки синусоид 33, 34.
На интервале 3π/2 α 11π/6 работает фаза B; вначале насыщается дроссель 8, а затем ключ 21 закорачивает обмотку 14 дросселя 8, формируя напряжения 35, 36 (фиг.2, е). На последнем интервале в момент βk=2π-αk насыщается дроссель 5 и по цепи: 2-11а-17-11-2 протекает ток, а к нагрузке 17 прикладывается отрезок синусоиды 37. В следующий период напряжения процессы повторяются.
Следовательно, за период напряжения фазы A к нагрузке 17 прикладывается синфазное напряжение с частотой, в 6 раз превышающей частоту напряжения сети.
При активно-индуктивной нагрузке 17 с углами регулирования αk π/6 с момента размыкания регулирующих ключей 18-23 с блока 25 управления ключами поступают прямоугольные ШИМ-импульсы на ключ 24, выполняющий функции нулевого вентиля, по которому на интервале αk α βk протекает ток в короткозамкнутом контуре нагрузки, спадая по экспоненте. Ключ 24 работает с частотой, в шесть раз большей, чем регулирующие ключи 18-23.
Для магнитопроводов дросселей насыщения следует использовать магнитные материалы с узкой, прямоугольной петлей гистерезиса, а в качестве ключей - транзисторы: биполярные, типа IGBT, MOSFET или тиристоры с конденсаторной коммутацией, либо GTO, IGCT и другие.
Таким образом, в предлагаемом умножителе частоты в 6 раз обеспечивается регулирование выходного напряжения в широком диапазоне без сдвига гармоник независимо от характера и параметров нагрузки, при этом повышаются массогабаритные показатели, надежность и энергетические показатели. Инерционность магнитно-полупроводникового регулирующего органа не превышает полупериода частоты сети.
Умножители частоты в 6 раз (300 Гц) могут быть изготовлены мощностью в несколько сотен киловатт.
Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты в шесть раз, содержащий двухобмоточный трехфазный трансформатор и дроссели насыщения в каждой фазе сети, нагрузку и однополупериодные ключи, управляемые с блока управления, отличающийся тем, что обмотки дросселей насыщения соединены по мостовой схеме, одни диагонали которых подключены к вторичным обмоткам трансформатора, а вторые - соединены в две звезды, между которыми подключена нагрузка, причем обмотки одной диагонали каждого дросселя насыщения и нагрузка зашунтированы однополупериодными ключами, связанными с блоком управления через ключ, шунтирующий нагрузку.
