ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 1994 года по МПК H01F35/00 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для уменьшения массы и габаритов; реактивных элементов вторичных источников питания (ВИП) и их потребителей.

Известны тороидальные, стержневые и броневые трансформаторы, статических преобразователей напряжения, основными элементами которых являются ленточный либо набранный из пластин магнитного материала магнитопровод и две обмотки - первичная для намагничивания и вторичная для подключения к нагрузке, которые гальванически не связаны друг с другом и послойно охватывают указанный магнитопровод.

Такие трансформаторы получили широкое применение в транзисторных и тиристорных инверторах и конверторах, где для уменьшения массы и габаритов реактивных элементов преобразователя и его потребителей увеличивают частоту переключения силовых ключей, что не всегда целесообразно из-за резкого увеличения динамических потерь в указанных ключах при передаче в нагрузку значительной энергии. Исходя из этого для отечественных преобразователей средней мощности (Р_н ≥ 1 кВт) частота преобразования, как правило, не превышает 5 кГц.

Однако в этих условиях имеется возможность уменьшения массы и габаритов преобразователей (не увеличивая частоту переключения ключей свыше 5 кГц) посредством умножения частоты в выходной обмотке трансформатора преобразователя. При этом в конверторах уменьшается масса и габариты выходных LC-фильтров, а в инверторах - как масса и габариты выходных фильтров, так и реактивных элементов потребителя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому трансформатору является тороидальный трансформатор, состоящий из тороидального магнитопровода, магнитный материал которого имеет прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ) и двух гальванически развязанных друг от друга обмоток - первичной и вторичной, каждая из которых охватывает указанный магнитопровод.

Указанный прототип, также как и аналоги используется в транзисторных и тиристорных преобразователях напряжения. При этом частота тока (напряжения) в первичной обмотке строго равна частоте тока (напряжения) во вторичной обмотке и определяется частотой переключения силовых ключей, т. е. возможность изменения частоты тока (напряжения) во вторичной обмотке относительно частоты тока (напряжения) в первичной обмотке отсутствует, что и является недостатком данного прототипа.

Цель изобретения - увеличение частоты напряжения на выходной обмотке трансформатора для уменьшения массы и габаритов статического преобразователя и потребителя.

Это достигается тем, что в преобразователе, содержащем магнитопровод из магнитного материала с ППГ, две гальванически не связанные друг с другом первичную и вторичную обмотки, причем первичная обмотка охватывает весь магнитопровод, а сам магнитопровод содержит n, где n = 2K+ 1; K = 1,2,3, . . . , сердечников с ППГ и разной магнитодвижущей силой (МДС) F_n, где F_n = 2F_n-K), вторичная обмотка трансформатора образована из последовательно-встречно включенных обмоток, каждая из которых схватывает только один сердечник.

Предлагаемый преобразователь дает возможность умножить в n раз частоту трансформируемого во вторичную обмотку напряжения и уменьшить массу и габариты реактивных элементов преобразователя (фильтров) и его потребителей электрической энергии посредством осуществления поочередного (без нарушения этой очередности) перемагничивания сердечников магнитопровода.

Это позволяет поочередно формировать во встречно-последовательно включаемых и охватывающих сердечники обмотках импульсы наведенных взаимно-ЭДС, равных по амплитуде, но противоположных по знаку.

Для проверки основных теоретических выкладов предлагаемого изготовлен опытный макет и сняты осциллограммы, подтверждающие достоверность результатов исследований.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - конструкция предлагаемого преобразователя; на фиг. 3 - кривые гистерезиса материала сердечников преобразователя; на фиг. 4 - схема замещения магнитной цепи и электрическая схема замещения преобразователя; на фиг. 5 - эпюры напряжения магнитного потока и тока в обмотках W₁, W_2.1,2.2,2.3.

В качестве примера рассмотрен тороидальный трансформатор.

Принципиальная электрическая схема трансформатора ТV состоит из намагничивающей первичной обмотки W₁, одновременно охватывающей магнитопровод указанного трансформатора и набранного на сердечниках 1,2, и 3 из магнитного материала с ППГ, отличающихся друг от друга по магнитодвижущей силе, причем вторичная обмотка W₂ трансформатора TV образована из последовательно-встречно включенных обмоток W_2.1, W_2.2, W_2.3, каждая из которых охватывает один из сердечников 1, 2 и 3.

На фиг. 3 обозначено:
В - индукция;
Н - напряженность магнитного поля;
Н_с1, Н_с2, Н_с3 - коэрцитивная сила магнитного материала соответствующего сердечника 1,2,3;
В_r - величина остаточной индукции в сердечнике соответствующая начальному состоянию магнитного материала магнитопровода трансформатора.

На фиг. 4 обозначено:
Φ - магнитный поток;
F₁ - магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки;
F₂ - МДС размагничивания вторичной (выходной) обмотки;
R_m - магнитное сопротивление сердечника;
i - полный ток в первичной обмотке;
i _x.x - ток холостого хода в первичной обмотке.

i_μ - составляющая i _x.x для намагничивания одного из сердечников;
i'_н - ток нагрузки, приведенный к первичной обмотке;
U₁, U_н - амплитудное значение входного и выходного напряжения;
z'_н - полное сопротивление нагрузки, приведенное первичной обмотке;
L_д - дифференциальная индуктивность;
SА - выключатель.

На фиг. 5 обозначено:
U₁ - амплитуда входного прямоугольного (меандра) напряжения;
Ф₁, Ф₂, Ф₃. Ф - магнитные потоки в сердечниках 1,2,3 и суммарный магнитный поток в магнитопроводе;
е_2.1, е_2.2, е_2.3 - электродвижущая сила (ЭДС) в обмотках и суммарная ЭДС, равная падению напряжения на полном сопротивлении нагрузки - U_н;
I_с1, I_c2, I_c3 - ток намагничивания в первичной обмотке трансформатора, соответствующий коэрцитивной силе магнитного материала сердечников 1,2,3;
t₁, t₂, t₃ - время перемагничивания сердечников 1,2,3;
i, i_x.x, i'_н - полный ток, ток холостого хода и ток нагрузки, приведенный к первичной обмотке.

На фиг. 5 обозначение t соответствует времени.

Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.

При подаче на обмотку W₁ трансформатора TV знакопеременного прямоугольного напряжения (меандра) U₁ с выхода инвертора преобразователя по обмотке W₁ начинает протекать ток и образуется магнитодвижущая сила (МДС), которая осуществляет поочередное намагничивание сердечников 1,2 и3 магнитопровода. При этом в каждом сердечнике магнитопровода появляется знакопеременный во времени магнитный поток, а во всех обмотках трансформатора возникает электродвижущая сила (ЭДС).

Для выяснения процесса поочередного перемагничивания сердечников и преобразования частоты напряжения в трансформаторе ТV рассмотрим два основных режима работы предлагаемого устройства: режим холостого хода (х. х) и режим нагрузки.

1. Режим холостого хода (z_н = ∞ , выключатель SA разомкнут). "Эффект" поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода трансформатора TV основан на использовании магнитных материалов, отличающихся друг от друга по коэрцитичной силе (см. фиг. 3). В этом случае при подключении к намагничивающей обмотке W₁ прямоугольного меандра с амплитудой U₁ возникающая в магнитопроводе МДС достигает величины, достаточной для перемагничивания сердечников.

Однако, вследствие того, что сердечники имеют материал с ППГ, например пермаллои разных марок, то первым начинает перемагничивание до его полного насыщения магнитный материал, а соответственно и сердечник, с меньшей коэрцитивной силой. Затем МДС скачком достигает величины, достаточной для перемагничивания второго сердечника и так далее до смены полярности входного напряжения. Далее процесс повторяется в той же последовательности но намагничивние происходит уже в обратном направлении (от +В_r K - B_r).

В процессе поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода в намагничивающей обмотке W₁ также поочередно наводятся противо-ЭДС, стремящиеся компенсировать приложенное к первичной обмотке W₁ входное напряжение U₁. В выходной обмотке W_2.1(W_2,2), (W_2.3) соответствующего сердечника 1, (2), (3) на время его перемагничивания наводится ЭДС е_2.1, (е_2.2), (е_2.3) с полярностью, зависящей от напряжения намотки обмотки W_2.1, (W_2.2. ), (W_2.3). При их последовательно-встречном включении на выходных клеммах вторичной обмотки W₂ образуется суммарная ЭДС, период которой в n = 2K+1, где К = = 1,2,3, . . . раз меньше периода меандра входного напряжения U₁.

Если не учитывать потери напряжения на рассеяние, то согласно электромагнитному закону для положительного полупериода работы инвертора электромагнитный процесс в трансформаторе TV может быть описан системой управлений
,
(1) где для обмотки W₁ L_д2= = W21

= W21 μ_д1 - дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 1; L_д2= = W21 = W21 μ_д2 - дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивния сердечника 2; ₌₌ - дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 3;
Ψ - потокосцепление;
μ_д= - дифференциальная проницаемость магнитного материла;
s - сечение сердечника;
l - длина сердечник;
i_μ - ток намагничивания.

Системе уравнений (1) соответствует схема замещения (см. фиг. 4б, выключатель SA - разомкнут), где i = i_х.х.

Из первого уравнения системы (1) получаем выражение для скорости изменения тока холостого хода во времени, т. е.

₌ (2)
Тогда с учетом (2) и изложенных пояснений выражения для определения составляющих противо-ЭДС в намагничивающей обмотке W₁ от перемагничивания сердечников 1,2,3 имеют вид
^U1⁼) ; (3)
^U1⁼) ; (4)
^U1⁼) . (5)
Если сердечники 1,2,3 равны по длине, т. е. l₁ = l₂ = l₃, то выражения (3 - 5) упрощаются
; (6)
; (7)
e*1

_.1= . (8) Зная величины е_1.1^*, е_1.2^*, е_1.3^*, в любой момент времени процесс трансформации не трудно определить и другие ЭДС обмоток трансформатора ТV. Примем в качестве аппроксимирующей кривой ППГ зависимость вида В = α ˙ arc tgβ (H-H_c), где α , β - коэффициенты аппроксимации;
Н - текущая напряженность поля под катушкой;
Н_с - коэрцитивная сила. Следовательно,
μ_д= = . (9)
Анализ (9) показывает, что если используется магнитный материал с ППГ (см. фи. 3), то справедливо условие
μ_g ≈ 0, при Н_с > Н > Н_с,
α ˙ β , при Н = Н_с, т. е. на горизонтальных участках ППГ μ_g ≈ 0, а на вертикальных μ_д ->> ∞ .

Рассмотрим процесс поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода более подробно.

Пусть исходное состояние магнитопровода трансформтора соответствует состоянию -B_r1, -В_r2, -B_r3 (см. фиг. 3). Тогда с появлением тока в намагничивающей обмотке W₁, амплитуда его скачком принимает значение, равное I_c1, (см. фиг. 5к). Скачок тока происходит вследствие того, что все сердечники имеют μ_g ≈ 0, т. е. их реактивное сопротивление отсутствует либо близко к нулю. По достижении i_х.х = I_с1начинает перемагничиваться сердечник 1, а на время его перемагничивания амплитуда i_х.х = I_с1= = соnst и не достаточна для перемагничивания сердечников 2 и 3. Происходит следующее:
а) Перемагничивание сердечника 1. Выражение (2) с учетом Н_с1 ≅ Н < Н_с2 < Н_с3, где μ_д1 > > μ_д2 > > μ_д3 имеет вид = = 0 (11)
Следовательно, после интегрирования (11) получаем
i_х.х= const= I_с1= . (12) Из (11) и (12) следует, что ток холостого хода i_х.х в обмотке W₁трансформатора TV на время перемагничивания сердечника 1 остается практически неизменным во времени (см. фиг. 5к). Однако последнее утверждение не противоречит электромагнитному закону применительно к сердечнику 1 или
U₁= -e*1

_.1= L_д1· , (13) так как противо-ЭДС е_1.1* в обмотке W₁ вырабатывается здесь в основном из-за резкого возрастания дифференциальной индуктивности L_д1 на вертикальном участке ППГ, где __→ ∞ .

Все другие противо-ЭДС е_1.2^* и е_1.3^* на время перемагничивания сердечника 1 равны нулю, а это время может быть определено согласно выражения
^t1⁼⁼ . (14) В выходной обмотке W_2.1, охватывающей сердечник 1, формируется прямоугольный импульс напряжения положительной полярности, равной по величине (см. фиг. 5е):
u_2.1= -e_2.1= e*1

, (15) где е₁^* = U₁
б) Перемагничивание сердечника 2. После насыщения магнитного материла сердечника 1 его дифференциальная индуктивность вновь становится практически равной нулю. При этом i_х.х вновь скачком принимает значение, уже равное I_с2, достаточное для намагничивания сердечника 2. Далее процесс намагничивания аналогичен рассмотренному.

На время перемагничивания сердечника 2
e^*_1.1 = 0, е^*1.2 = U₁, е^*_1.3 = 0, а само время равно
t₂= = . (16)
В выходной обмотке W_2.2, охватывающей сердечник 2, формируется прямоугольный импульс напряжения отрицательной полярности, равный по величине (см. фиг. 5ж)
u_2.2= -e_2.2= ·e*1

_.2 , (17) где е^*_1.2 = U₁.

в) Перемагничивание сердечника 3. Процесс перемагничивания аналогичен рассмотренному (см. фиг. 5и), где
е^*_1.1 = 0, е^*_1.2 = 0, е^*_1.3 = U₁,
t₃= = , (18)
, где е^*_1.3 = U₁.

При смене порядности входного напряжения U₁ процесс перемагничивания сердечников магнитопровода повторяется в той же последовательности, но перемагничивание происходит уже в обратном направлении (к исходному состоянию магнитного материала) - от +B_r к -B_r.

Во вторичной обмотке W₂ трансформатор TV формируется напряжение U_н с частотой следования импульсов
f₂ = f₁ ˙n, (19) где n = 2К+1, К = 1,2,3;
f₁ = частота входного напряжения U₁.

2. Режим нагрузки (Z_н = r_н, выключатель SA на фиг. 4б - замкнут).

Режиму нагруженного трансформатора соответствует схема замещения магнитной цепи с n контурным (n = 3) магнитопроводом (см. фиг. 4а) и его упрощенная электрическая схема (см. фиг. 4б), где F₁ - МДС намагничивания, создаваемая током i= i_х.х + i¹_н в обмотке W₁ или
F₁ = iW₁ = (i_x.x + i¹_н) ˙W₁; (20)
F₂ - МДС размагничивания, создаваемая током iн в каждой выходной обмотке W_2.1, W_2.2, W_2.3 или
F₂ = i_н ˙W_2.1 = i_н ˙W_2.2 = i_н ˙W_2.3 (21) Так как W₁ общая для всех сердечников, то можно записать условие равновесия МДС в установившемся режиме работы трансформатора ТV
F₁ = F_μ1 + F₂ = F_μ2 + F₂ = F_μ3+ F₂, (22) или
iW₁ = i_μ1 ˙ W₁ + i_нW_2.1= i_μ2 ˙W₁ + i _н W_2.2= = i_μ3 ˙W₁ + i_нW_2.3,
(23) где i_μ1 , i_μ2 , i_μ3 - составляющие i_х.х для намагничивания сердечников 1,2,3;
i_н= - ток нагрузки.

С учетом (20,21,23) электрическая схема замещения (см. фиг. 4б) может быть описана системой уравнений, соответствующей электромагнитному процессу нагруженного трансформатора ТV в полупериод работы преобразователя.

U₁= -(e*1

_.1+e*1_.2+e₁*.₃)= L + L +L_д3· ;
U_н= i_н·r_н= - e*1- e*1_.2+ e ;
i= i+ i_н= i+ i_н= i+ i_н .

(24)
Анализ уравнения (1) с учетом подстановки уравнения (23) системы (24) показывает, что при W_2.1 = W_2.2 = W_2.3 выражения
= = = i_х.х равны друг другу в любой момент изменения t. Следовательно "эффект" поочередного перемагничивания в режиме нагрузки не нарушается.

Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет осуществить преобразование входного напряжения с частотой f₁ в выходное напряжения с частотой f₂ = n ˙f₁, где n = 2К + 1 (К = 1,2,3). Это позволяет уменьшить массу и габариты реактивных элементов преобразователей и их потребителей без существенного увеличения частоты переключения силовых ключей. (56) Розенблат М. А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М. : Наука, 1966, 719. с. 224-226, рис. 6.30-6.32.

Моин В. С. и Лаптев Н. Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М. : Энергия, 1972, с. 512.

Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник Найвельт Г. С. , Мазель К. В. , Хусаинов Н. И. и др. , под ред. Г. С. Найвельта. М. : Радио и связь, 1985, с. 576.

Использование: относится к преобразовательной технике и может быть использовано в неуправляемых вторичных источниках переменного напряжения и их потребителей. Сущность: преобразователь содержит магнитопровод из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, две гальванически не связанные друг с другом первичную и вторичную обмотки, причем магнитопровод охвачен первичной обмоткой и состоит из n, где n = 2K + 1, K = 1, 2, 3, сердечников с разной магнитодвижущей силой перемагничивания F_n, где F_n=2F_n-K, а вторичная обмотка трансформатора образована из последовательно-встречно включенных обмоток, каждая из которых охватывает один из сердечников. Изобретение позволяет преобразовывать входное переменное напряжение с частотой f₁ в выходное напряжение с частотой f₂=n×f₁, где n = 2K + 1, K = 1, 2, 3, . . . , . 5 ил.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий магнитопровод из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, две гальванически не связанные одна с другой первичную и вторичную обмотки, причем магнитопровод охвачен первичной обмоткой, отличающийся тем, что, с целью увеличения частоты напряжения на выходной обмотке трансформатора для уменьшения массы и габаритов преобразователя, магнитопровод содержит n (где n = 2K + 1; K = 1, 2, 3, . . . ) сердечников с разной магнитодвижущей силой перемагничивания F_п (где F_п = 2F_п - K), причем вторичная обмотка трансформатора образована из последовательно встречно включенных обмоток, каждая из которых охватывает один из сердечников.