Ферромагнитный делитель частоты на два Советский патент 1983 года по МПК H02M5/16 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника электропитания потребителей переменного тока пониженной частоты, требующих стабилизации подводимого напряжения, например рельсовых цепей систем железнодорожной автоматики.

Известна, конструкция ферромагнитного делителя частоты на два, содержащая магнитопровод, две.первичных и одну вторичную обмотки, резистор, вентиль и конденсатор возбуждения, причем магнитопровод выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с четырьмя сквозными окнами, соединяющими две параллельные плоскости противоположных граней параллелепипеда и расположенными на диагоналях граней симметрично относительно оси симметрии магнитопровода, проходящей перпендикулярно к упомянутым граням, а обмотки размещены в окнах плоскости первичных и вторичных обмоток совпадают с диагоналями магнитопровода и расположены крест-накрест друг относительно друга, одна из первичных обмоток выполнена с возможностью подсоединения к источнику переменного тока, другая подсоединена к резистору через вентиль а вторичная обмотка присоединена к конденсатору возбуждения 1.

Недостатками этого устройства являются пониженная надежность работы и искаженная форма кривой выходного напряжения обусловленные малой шириной зоны устойчивой генерации частоты, что в условиях колебания входного напряжения питания приводит к срыву генерации частоты и сбоям в работе, а также тем, что в области максимальных значений питающего напряжения коэффициент гармоник достигает сравнительно больщого значения.

Кроме того, в спектре выходного напряжения появляется значительная по уровню вторая гармоника, которая затрудняет применение этого прибора в качестве источника питания фазочувствительных рельсовых цепей частотой 25 Гц в системах железнодорожной автоматики при электрической тяге на переменном токе.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция ферромагнитного делителя частоты на два, содержащая основной магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, вентиль и конденсатор возбуждения, причем основной магнитопровод выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с четырьмя сквозными окнами, соединяющими две параллельные плоскости противоположных граней параллелепипеда и расположенными на диагоналях граней симметрично от носительно оси симметрии магнитопровода, проходящей перпендикулярно к упомянутым граням, а обмоткл размещены в окнах, их плоскости совпадают с диагоналями магнитопровода и расположены крест-накрест

друг относительно друга, последовательно первичной обмотке включен вентиль, а параллельно вторичной - конденсатор возбуждения 2.

Недостатком ее также являются пониженная надежность работы и искаженная форма кривой выходного напряжения, обусловленные усложнением за счет использования дополнительного источника постоянного тока

„ и отдельной обмотки подмагничивания, а также тем, что в области максимальных значений питающего напряжения коэффициент гармоник достигает сравнительно большого значения.

с Целью изобретения является повыщение надежности .в работе и улучшение формы выходного напряжения.

Цель достигается тем, что ферромагнитный делитель частоты на два, содержащий основной магнитопровод, первичную и вто0 ричную обмотки, вентиль и конденсатор возбуждения, причем основной мдгнитопровод выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с четырьмя сквозными окнами, соединяющими две параллельные плоскости противоположных граней параллелепипеда и расположенными на диагоналях граней симметрично относительно оси симметрии магнитопровода, проходящей перпендикулярно к упомянутым граням, а обмотки размещены в окнах, их плоскости совпадают

Q с диагоналями магнитопровода и расположены крест-накрест друг относительно друга, последовательно первичной обмоткевключен вентиль, а параллельно вторичной - конденсатор возбуждения, снабжен дополнительными магнитопроводами С-образной ,

формы с, окнами и с немагнитными зазорами, размещенными вдоль одной из диагоналей плашмя на грани основного магнитопровода, причем окна основного и дополнительных магнитопроводов совпадают друг с другом.

На фиг. 1 изображен ферромагнитный делитель частоты на два, общий вид; на фиг. 2 диаграмма зависимости зоны устойчивой генерации половинной частоты в контуре делителя частоты предлагаемой конструкции. Ферромагнитный делитель частоты на два содержит основной магнитопровод 1, первичную 2 и вторичную 3 обмотки вентиль 4 и конденсатор 5 возбуждения, причем основной магнитопровод 1 выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда с че0 тырьмя сквозными окнами, соединяющими две параллельные плоскости противоположных граней параллелепипеда и расположенными на диагоналях граней симметрично относительно оси симметрии магнитопровода, проходящей перпендикулярно к упомя5 нутым граням, а обмотки 2 и 3 размещены в окнах, их плоскости совпадают с диагоналями магнитопровода 1 и расположены крест-накрест друг относительно друга, последовательно первичной обмотке 2 включён вентиль 4, а параллельно вторичной 3- конденсатор 5 возбуждения.

Кроме того, устройство снабжено .дополнительными магнитопроводами 6 С-образной формы с окнами и с немагнитными зазорами, размещенными вдоль одной из диагоналей плашмя на грани основного магни.топровода 1, причем она основного и дополнительных магнитопроводов совпадают друг с другом.

Устройство работает следующим образом.

Принцип работы ферромагнитного делителя частоты основан на явлении параметрического резонанса, обусловленного периодическим изменением индуктивности вторичной обмотки. При подключении входной цепи к питающей сети и определенных параметрах схемы -: величина емкости конденсатора 5, число витков обмоток 2 и 3, объем стали магнитопровода I, напряжение питания и др., на выходе делителя частоты возникают и устойчиво поддерживаются субгармонические колебания с частотой, кратной частоте питающей сети. Индуктивность вторичной обмотки изменяется вследствие периодического изменения магнитного состояния средней части магнитопровода 1, выпол некого щихтованным из листов электротехнической стали. В силу упомянутого расположения обмоток, напряжение с частотой питающей сети во вторичной обмотке не наводится, поскольку потоки обмоток расположены взаимно перпендикулярно. Наиболее легко получить режим деления частоты на два, при этом, однако, необходимо первичную обмотку подключить к сети через вентиль, либо обеспечить подмагничивание сердечников постоянным током пб отдельной обмотке.

На приведенной диаграмме (фиг. 2) зона устойчивой генерации частоты (рабочая зона) ограничена кривыми 7 и 8, причем кривая 7 характеризует начало генерации в режиме номинальной нагрузки;- а кривая 8 - возбуждение колебаний после короткого замыкания в режиме холостого хода (наихудщий случай в смысле щирины зоны). В этой зоне устойчивые колебания половинной частоты после их срыва, вызванного, например, изменением параметров схемы или коротким замыканием, самопроизвольно восстанавливаются, если парамет,р вновь примет первоначальное значение.

В практических условиях важно, чтоб) возможный диапазон изменения напряжения питающей сети находился внутри зоны устойчивой генерации. Вместе с тем, при консольном энергоснабжении устройств автоматической блокировки на железнодорожном транспорте, где щироко применяются делители частоты, напряжение питающей сети может достигать ±20% от номинального напряжения, что сопровождается отказами

делителей частоты, поскольку при кратковременных отключениях сети и преде. значениях напряжения сети генерация частоты становится невозможной.

Зона, ограниченная кривыми 9, 7 (зона 5 жесткого режима возбуждения колебаний), характерна тем, что колебания на выходе счщеСтвуют в ней устойчиво, но после их срыва по любой причине они не восстанавливаются.

Q Зона, расположенная между кривыми 10. 8 называется зоной перевозбуждения. В этой зоне колебания, если они по каким-либо причинам г.рекратились, также не возникают. Положение зон зависит от величины и характера нагрузки делителей частоты.

5 Введение дополнительных магнитопрово. дов 6 с зазором, охватывающих выходную обмотку, существенно расщиряет рабочую зону. Установлено, что эффект расширения рабочей зоны зависит от величины индуктивности вторичной обмотки, создаваемой до полнительными магнитопроводами. Если за критерий выбора параметров (сечения, величины зазора и др.) этих магнитопроводов принять с запасом (согласно ГОСТу, пределы изменения питающего напряжения ус5 тановлены +10°/о-5% UHOM) ширину рабочей зоны, ограниченную пределами изменения питающего напряжения ±1,2 UHOM , тогда индуктивность вторичной обмотки, создаваемой только с учетом магнитопроводов 6, должна составить не менее 0,06-0,12

0 от индуктивности этой обмотки с учетом только основного магнитопровода, причем последняя определяется в режиме деления частоты. При этом дополнительные магнитопроводы должны иметь площадь сечения не менее 0,25 q и зазор не менее 0,003 „

5 где Qo- площадь сечения основного магнитопровода, 1д - средняя длина силовой линии дополнительных магнитопроводов.

Эффект расширения зоны устойчивой ге0 нерации достигается также и в случае, когда дополнительные магнитопроводы устанавливаются на две другие секции с окнами, в которых расположена входная обмотка делителя частоты.

Механизм расширения рабочей зоны можно пояснить кратко следующим образом. Ширина рабочей зоны делителя частоты определяется степенью нелинейности характеристики намагничивания стали магнитопроводов. Опыты показывают, что в пределах

рабочей зоны для стали марки Э 42 изменение индукции входной обмотки мало и не превышает 0,20-0,25ч Тд. Поэтому одним из путей расширения рабочей зоны является уменьшение степени нелинейности характеристики намагничивания стали. В пред5 лагаемом устройстве эта задача решена путем .применения дополнительных магнитопроводов 6, что эквивалентно введению в контур неизменной,по величине индуктивности.

В результате этого, изменение индуктивности первичной обмотки в пределах рабочей зо ны увеличено до 0,,6 Т. При этом, в заданном диапазоне входного напряжения снижается степень изменения глубины модуляции индуктивности контура и, как следствие этого, ослабляется действие расстроечного механизма (расстройка контура по частоте) срыва колебаний половинной частоты.

Наряду с Эффектом расширения рабочей зоны делителя частоты при введении дополнительных магнитопроводоБ 6, наблюдается резкое улучшение формы выходного напряжения, особенно в области повышенного питаюшего напряжения (вблизи кривой 8 на фиг. 2). При этом в спектре выходного напряжения полностью исчезают четные гармоники и в сильной степени снижается уровень нечетных гармоник. Последнее обстоятельство особенно ценно при использовании делителей частоты в-качестве источника опорного сигнала фазачувствительных схем или реле индукционного типа.

Преимуществом,предлагаемого устройства является возможность применения для магнитопроводов холоднокатаной стали вместо горячекатаной, с более крутой характеристикой намагничивания.

Коэффициент полезного действия и другие характеристики делителя частоты сохраняются на прежнем уровне или становятся предпочтительнее в сравнении с такими же характеристиками существующих делителей частоты.

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ . ДЕЛИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ НА ДВА, содержащий основной магнитопровод, первичную и вторичную обмотки, вентиль и конденсатор возбуждения, причем основной магнитопровод выполнен в виде прямоугольного параллеле - 1 пипеда с четырьмя сквозными окнами, соединяющими две параллельные плоркости противоположных граней параллелепипеда и расположенными на диагоналях граней симметрично относительно оси симметрии магнитопровода, проходящей перпендикулярно к упомянутым граням, а обмотки размеще11Ы в окнах, их плоскости совпадают с диагояалями магнитопровода и расположены крестнакрест друг относительно друга, последовательно первичной обмотке включен вентиль, а параллельно вторичной - конденсатор возбуждения, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности в работе и улучщения формы выходного напряжения, он снабжен дополнительными магнитопроводами С.-образной формы с окнами и с i немагнитными зазорами, размещенными вдоль одной из диагоналей плашмя на гра(Л ни основного магнитопровода, причем окна основного и дополнительных магнитопроводов совпадают друг с другом. ,

О 0,4 Фиг.2 V.(9//7/7 //V UHOU