УДВОИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2006 года по МПК H02M5/16 

Изобретение относится к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, например удвоителям, и может быть использовано для питания высокоскоростных электроприводов деревообрабатывающей промышленности, безредукторных центрифуг, для индукционного нагрева больших металлических заготовок и т.д.

Известен умножитель частоты, содержащий трехфазный трансформатор и управляемые мостовые выпрямители [1], однако такой преобразователь имеет большой вес активных материалов и низкие энергетические показатели.

Известен трехфазный умножитель частоты [2], в котором с целью улучшения энергетических показателей используется начальная часть синусоиды питающего напряжения, однако данное устройство имеет большие массогабаритные показатели, содержит дополнительно в своей конструкции выпрямительный блок, за счет чего снижается общий КПД устройства в целом.

Прототипом предлагаемого устройства является трехфазный умножитель частоты [3], содержащий трансформатор, тиристоры и фазосдвигающий блок, в котором на каждом стержне трансформатора расположены четыре первичные обмотки, объединенные в две пары, каждая из которых замкнута на пару согласно включенных тиристоров.

Недостаток данного устройства следующий.

Использование конечной части синусоиды питающего напряжения для формирования результирующей ЭДС в обмотках трансформатора ухудшает коэффициент мощности устройства в целом, поскольку центр тяжести кривой тока смещается в сторону отставания по отношению к центру тяжести кривой питающего напряжения и, как результат, имеем низкий коэффициент мощности умножителя частоты [4].

Целью данного изобретения является улучшение коэффициента мощности удвоителя частоты.

Указанная цель достигается тем, на стержне трансформатора 1 (фиг.1) расположены четыре первичные обмотки 2-5, объединенные в две пары, каждая из которых замкнута на пару согласно включенных транзисторов 7-10, причем общие точки соединения транзисторов первой и второй пар и обмоток второй пары подключены в соответствии с прямой последовательностью чередования фаз к входным фазным зажимам, а общая точка соединения обмоток первой пары подключена к нулевому входному зажиму.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых элементов: силовых транзисторов, работающих в ключевом режиме.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что известно применение силовых транзисторов в качестве ключевых элементов [5].

Однако использование силового транзистора в ключевом режиме, включенного последовательно с первичными обмотками трансформатора, позволяет формировать в выходной обмотке трансформатора ЭДС удвоенной частоты, используя начальную часть синусоиды питающего напряжения, в результате чего центр тяжести кривой тока первичных обмоток смещается в сторону опережения по отношению к центру тяжести кривой питающего напряжения и в результате этого имеем емкостной характер cosϕ и общий коэффициент мощности устройства в целом повышается [4]. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена принципиальная схема одной фазы умножителя частоты. На фиг.2. приведены временные диаграммы напряжений для одной фазы трансформатора.

Удвоитель частоты (фиг.1) состоит из сердечника трансформатора 1 с намотанными на его стержнях обмотками 2-5, вторичной обмотки 6, транзисторов 6-10, управление которыми осуществляется от системы управления (не показана).

Принцип работы умножителя частоты поясняет диаграмма кривых, приведенная на фиг.2.

Рассмотрим работу удвоителя частоты. На первичные обмотки трансформатора (фиг.1) подаются фазное U_AN и линейное U_BC напряжения, сдвинутые относительно друг друга на угол π/2. Кривые изменения этих напряжений во времени показаны на фиг.2. В момент времени t₁ включается транзистор 7 и по обмотке 2 начинает протекать ток. В момент времени t₂ транзистор 7 выключается, и включается транзистор 9, и по обмотке 4 начинает протекать ток. Поскольку полярность подключения к напряжению источника питания обмотки 4 противоположна полярности подключения к напряжению источника питания обмотки 2, ток и, соответственно, наведенное напряжение, формируемое на выходной обмотке 6, имеют противоположный знак по отношению к току, протекающему по обмотке 2. Соответственно в момент времени t_з включается транзистор 8 и по обмотке 3 начинает протекать ток, но поскольку полярность подключения данной обмотки к источнику питания противоположна полярности подключения обмотки 2, то в данном случае напряжение, наведенное в выходной обмотке 6, имеет противоположный знак, по отношению к питающему напряжению U_AN, и в момент времени t₄, транзистор 8 выключается и включается транзистор 10. В дальнейшем процесс повторяется. В результате данной последовательности работы транзисторов в выходной обмотке трансформатора формируется ЭДС удвоенной частоты по отношению к частоте питающего напряжения.

Поскольку в процессе формирования ЭДС в обмотках трансформатора используется начальная часть синусоиды питающего напряжения, то центр тяжести кривой тока смещается в сторону опережения по отношению к центру тяжести кривой питающего напряжения и, как результат, имеем высокий коэффициент мощности устройства в целом [4].

Удвоитель частоты с трехфазным выходом состоит из трех удвоителей с однофазным выходом, при этом выходные обмотки удвоителя с трехфазным выходом могут быть соединены либо в звезду, либо в треугольник.

Экспериментальные исследования заявляемого удвоителя частоты показали, что по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототип) данное устройство имеет лучшие показатели коэффициента мощности.

Источники информации

1. А.с. СССР №1104624, кл. Н 02 М 5/16, 1984.

2. А.с. СССР №1513587, кл. Н 02 М 5/16, 1989.

3. А.с. СССР №549868, кл. Н 02 М 5/16, 1977.

4. Супронович Г. Улучшение коэффициента мощности преобразовательных установок. Пер. с польск. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - С.60-71,

5. Патент RU №2240595, Н 02 Н 5/27, 2004.

Изобретение относится к электротехнике, к преобразователям частоты, в частности к умножителям трансформаторного типа, например удвоителям, и может быть использовано для питания высокоскоростных электроприводов деревообрабатывающей промышленности, безредукторных центрифуг, для индукционного нагрева больших металлических заготовок и т.д. Технический результат состоит в улучшении коэффициента мощности за счет использования начальной части синусоиды питающего напряжения в процессе формирования ЭДС удвоенной частоты в обмотках трансформатора. Удвоитель частоты содержит трансформатор, на каждом стержне которого расположены четыре первичные обмотки, объединенные в две пары. Каждая пара первичных обмоток замкнута на пару согласно включенных транзисторов, работающих таким образом, что используется начальная часть синусоиды питающего напряжения. Общие точки соединения транзисторов первой и второй пар и обмоток второй пары подключены в соответствии с прямой последовательностью чередования фаз к входным фазным зажимам. Общая точка соединения обмоток первой пары подключена к нулевом входному зажиму. 2 ил.

Удвоитель частоты, содержащий транзисторы и трансформатор, на стержнях которого расположены четыре первичные и вторичные обмотки, отличающийся тем, что на каждом стержне трансформатора расположены четыре первичных обмотки, объединенные в две пары, каждая из которых замкнута на пару согласно включенных транзисторов, работающих таким образом, что используется начальная часть синусоиды питающего напряжения, причем общие точки соединения транзисторов первой и второй пар и обмоток второй пары подключены в соответствии с прямой последовательностью чередования фаз к входным фазным зажимам, а общая точка соединения обмоток первой пары подключена к нулевому входному зажиму.