МАГНИТНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2015 года по МПК H02M5/22 H02M5/14 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в качестве статического регулируемого источника питания электротехнологических установок.

Известен статический регулируемый источник напряжения с трехфазным входом и однофазным выходом, выбранный в качестве аналога (Бамдас A.M. Ферромагнитные умножители частоты. - М.: Энергия, 1968, рис.3.4,6, с.64), содержащий три броневых сердечника с первичными и вторичными обмотками на средних стержнях, соединенных согласно, и обмотками подмагничивания, включенных встречно и размещенных на крайних стержнях.

Недостатками являются большая масса и габариты, инерционность, наличие четных гармоник потока, зависимость частоты от величины тока подмагничивания, вплоть до «опрокидывания фазы» выходного напряжения.

Известен магнитно-тиристорный умножитель частоты в нечетное число раз с непосредственной связью, выбранный в качестве аналога (авт. св. №819908, БИ №13, 1981), содержащий трансформатор с первичными обмотками, подключенными к трехфазной сети, и биполярные тиристоры, подсоединенные к вторичным обмоткам с нулем, причем между нулем и общей точкой тиристоров установлена нагрузка.

Недостатками аналога являются низкие энергетические показатели, свойственные преобразователям с естественной коммутацией тиристоров, ограниченный диапазон регулирования при активно-индуктивной нагрузке.

Известен m-фазный магнитно-тиристорный умножитель частоты, выбранный в качестве прототипа (авт. св. №587574, БИ №1, 1978), содержащий в каждой фазе пару биполярных ключей, например, тиристоров, образующих m-лучевую звезду, и односердечниковые дроссели насыщения, подключенные параллельно с биполярными ключами.

Недостатками прототипа являются низкие энергетические показатели, свойственные преобразователям с естественной коммутацией - дополнительное потребление реактивной мощности, ограниченный диапазон регулирования при активно-индуктивной нагрузке.

Задачей изобретения является повышение коэффициента мощности, обеспечение независимости диапазона регулирования от характера нагрузки, снижение массы и габаритов.

Поставленная задача достигается тем, что в каждую фазу магнитно-полупроводникового умножителя частоты, содержащего трехфазную сеть, к каждой фазе которой подключен односердечниковый дроссель насыщения с обмоткой, зашунтированный однополупериодным регулирующим ключом, и однофазную нагрузку, введены двухобмоточный трансформатор, первичные обмотки которого соединены с соответствующими дросселями насыщения, а вторичные обмотки соединены в открытый треугольник и подключены к нагрузке, и однополупериодные нулевые ключи, соединенные параллельно первичным обмоткам трансформатора, и включенные встречно шунтирующим ключам, а также блок управления ключами на базе широтно-импульсного модулятора, причем входы всех упомянутых ключей подключены к блоку управления.

При питании от трехпроводной сети первичные обмотки трансформатора соединяются по схеме звезда с нулевой точкой или по схеме треугольник.

Сущность изобретения заключается в том, что замыкание шунтирующего ключа обмотки дросселя насыщения осуществляется в начале положительного полупериода каждой фазы сети на время α π/3, а с момента его размыкания сердечник дросселя насыщения перемагничивается и насыщается в момент β_k=2π-α_k, где α_k - длительность замкнутого состояния регулирующего ключа. На выходе открытого треугольника формируется напряжение из кратных трем гармоник ЭДС отдельных вторичных обмоток фаз, а все другие гармоники при сложении взаимно компенсируются, и к нагрузке прикладывается напряжение утроенной частоты.

При активно-индуктивной нагрузке с момента α=α_k размыкания регулирующего ключа первичная обмотка трансформатора закорачивается нулевым ключом, обеспечивая протекание тока нагрузки в прежнем направлении, при этом происходит свободный обмен энергией между сетью и нагрузкой.

На фиг.1 представлена схема магнитно-полупроводникового умножителя частоты в три раза с подключением первичных обмоток трансформатора по схеме звезда с нулем, на фиг.2 - схема с соединением первичных обмоток трансформатора в треугольник, а на фиг.3 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип работы утроителя частоты при активно-индуктивной нагрузке.

Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты содержит односердечниковые дроссели насыщения 1, 2, 3, обмотки которых зашунтированы однополупериодными регулирующими ключами 4, 5, 6 с управлением от блока 7 управления с широтно-импульсной модуляцией, и трехфазный трансформатор 8, первичные обмотки 9 которого подключены к обмоткам дросселей насыщения 1, 2, 3, а его вторичные обмотки 10, 11, 12 соединены открытым треугольником. Параллельно первичным обмоткам 9 трансформатора 8 установлены однополупериодные нулевые ключи 13, 14, 15, которые, как и ключи 4, 5, 6, получают сигналы переключения от широтно-импульсного модулятора, входящего в блок управления 7. Нагрузка 16 подключена к вторичным обмоткам 10-12 трансформатора 8.

Фазы напряжения сети А-17, В-18, С-19 сдвинуты между собой на угол 120° (фиг.3,a).

Вначале рассмотрим принцип работы магнитно-полупроводникового умножителя частоты в три раза по фиг.1 при максимальном угле α_k=π/3=60°.

Суть работы заключается в следующем. В начале полупериода фазы 17 в момент α=0 замыкается регулирующий ключ 4, при этом сердечник 1 дросселя насыщения остается насыщенным с индукцией - B_s (фиг.3,в). Через регулирующий ключ 4 потечет ток; к обмоткам 9, 10 трансформатора 8 и к нагрузке 16 прикладывается напряжение 20 (фиг.3,б). В момент α=α=π/3 размыкается регулирующий ключ 4, сердечник дросселя насыщения 1 начинает размагничиваться по кривой 21 на величину ΔB и одновременно в момент β_k=2π-α_k насыщается сердечник дросселя насыщения 2 фазы 18, формируя в обмотках 10, 16 трансформатора 8 отрицательную полуволну напряжения 22 (фиг.3,г). При α=2π/3 замыкается регулирующий ключ 5 фазы 18, сердечник дросселя насыщения 2 начинает размагничиваться на величину индукции ΔB, и одновременно насыщается сердечник дросселя насыщения 3 фазы 19 (фиг.3,д), формируя отрицательную полуволну напряжения 24. В момент α=4Δπ/3 замыкается регулирующий ключ 6 фазы 19, и к нагрузке 16 через трансформатор 8 прикладывается полуволна напряжения 25 (фиг.3,д). В момент α=5π/3 насыщается сердечник дросселя насыщения 1 фазы 17, который намагничивался с момента α=π, и на интервале α 5π/3-2π к нагрузке 16 прикладывается отрицательная полуволна напряжения 26 (фиг.3,б).

Следовательно, за период напряжения, например, фазы 17 на нагрузке 16 формируется напряжение 27 утроенной частоты (фиг.3,е).

При регулировании напряжения в активно-индуктивной нагрузке с углом коммутации α_k<π/3 (эти углы показаны тонкой линией) в противофазе с регулирующим ключом 4 замыкается нулевой ключ 13, шунтируя первичную обмотку 9 трансформатора 8, и по ее короткозамкнутому контуру продолжает протекать ток 30, спадая до нуля. Ток 31 нагрузки 16, как следует из фиг.3, состоит из тока 29, протекающего по регулирующему ключу 4, тока 30, протекающего по нулевому ключу 13, и тока 28 через обмотку дросселя насыщения 1. Процессы, протекающие по элементам других фаз однофазной сети с нулем, аналогичны, но по времени сдвинуты на 120° и 240°. Аналогично протекают процессы и в утроителе частоты на фиг.2, с той лишь разницей, что к элементам утроителя частоты прикладывается линейное напряжение.

В качестве ключей можно использовать тиристоры типов GTO, IGCT или транзисторы IGBT с отсекающими диодами, а для дросселей насыщения - магнитопроводы с прямоугольной петлей гистерезиса - нанокристаллические сплавы 5БДСР типа П, Т или «Гаммамет» ГМ 32 ДС и др.

Таким образом, в предлагаемом магнитно-полупроводниковом умножителе частоты: обеспечивается регулирование выходного напряжения в широком диапазоне независимо от параметров активно-индуктивной нагрузки, без сдвига гармоник; повышается коэффициент мощности на 8-12% (по сравнению с прототипом); уменьшаются масса и габаритная мощность трансформатора; повышается КПД.

Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты относится к преобразовательной технике и может быть использован в качестве статического регулируемого источника питания электротехнологических установок. Задачей изобретения является повышение коэффициента мощности, обеспечение независимости диапазона регулирования от характера нагрузки, снижение массы и габаритов. Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты содержит в каждой фазе трехфазной сети (17, 18, 19) последовательно соединенные обмотку дросселя насыщения (1, 2. 3) и первичную обмотку трансформатора (9), параллельно которым установлены однополупериодные регулирующий (4, 5, 6) и нулевой (13, 14, 15) ключи, при этом вторичные обмотки трансформатора (10, 11, 12) соединены в открытый треугольник, подключенный к однофазной нагрузке (16). Блок управления (7) выполнен на базе широтно-импульсного модулятора, сигналы управления с которого поданы на встречно соединенные упомянутые ключи. Регулирование выходного напряжения осуществляется симметрично середине каждого полупериода напряжения сети, решая поставленную задачу и обеспечивая технический результат: повышение энергетических показателей - коэффициента мощности и КПД, снижение массы и габаритов, обеспечивая независимость диапазона регулирования от характера параметров нагрузки. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты, содержащий трехфазную сеть, к каждой фазе которой подключен односердечниковый дроссель насыщения с обмоткой, зашунтированный однополупериодным регулирующим ключом, и однофазную нагрузку, отличающийся тем, что в каждую фазу введены двухобмоточный трансформатор, первичные обмотки которого соединены с соответствующими дросселями насыщения, а вторичные обмотки соединены в открытый треугольник и подключены к нагрузке, и однополупериодные нулевые ключи, соединенные параллельно первичным обмоткам трансформатора, и включенные встречно шунтирующим ключам, а также блок управления ключами на базе широтно-импульсного модулятора, причем входы всех упомянутых ключей подключены к блоку управления.

2. Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты по п.1, отличающийся тем, что первичные обмотки трансформатора соединены по схеме звезда с нулевой точкой.

3. Магнитно-полупроводниковый умножитель частоты по п.1, отличающийся тем, что первичные обмотки трансформатора соединены по схеме треугольник.