Умножитель частоты Советский патент 1984 года по МПК H02M5/16 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к умножителям частоты, и может быть применено в установках индукционного нагрева или для питания высокоскоростных электро двигателей . Известен умножитель частоты в п раз, содержащий п-фазный вход с нейт ральным входным выводом источника пи тания, насыщенные магнитные элементы (у которых, когда п-четное число, необходимо подмагничивание сердечников постоянным током), а также имеющий фильтровой блок, состоящий из последовательно соединенных дросселя, Korfденсатора и первичной обмотки выходного трансформатора, включенных между упомянутым нейтральным входным вьшодом и общим выводом обмоток упомя нутых насьпценньгх магнитных элементов C1 J. . Недостаток известного устройства состоит в том, что у него относительно малая величина выходной гармоники амплитуда которой значительно меньше . гармоники. Наиболее близким к предлагаемому является умножитель частоты, содержащий магнитный усилитель с двумя обмот ками смещения, соединенными последовательно и подключенными к источнику постоянного тока, обмотками подмагничивания и двумя рабочими o6MotKaMH, соединенными последовательно, причем их общая точка соединения образует один из входных выводов и каждая из них соединена с входом диодного выпря мителя, первый выход которого через конденсатор соединен с первым выводом одной из двух первичных обмоток выходного (Трансформатора, а через цепоч ку, состоящую из последовательно соединенных указанных обмоток подмагничивания магнитного усилителя, регулировочного резистора и дросселя, - с вторым выводом указанной первичной выходного трансформатора, вторичная обмотка которого образует выходные выводы Г22. Недостаток известного устройства амплитуда его выходной гармоники мала по сравнению с постоянной составляющей выпрямленного тока, из-за чего относительно мал КПД, несмотря на полезное применение части постоянной составляющей для подмагничивания магнитного усилителя. Цель изобретения - увеличение амплитуды выходного нап1)яжения h повышение КПД. Поставленная цель достигается тем, что в умножителе частоты, содер1жащем магнитный усилитель с двумя обмотками смещения, соединенными последовательно и подключенными к источнику постоянного тока, обмбтками подмагничивания и двумя рабочиким обмотками, соединенными последовательно, причем их общая точка соединения образует один из входных выводов и каждая Из них соединена с входом диодНого выпрямителя, перэьй выход которого через конденсатор соединен с первым вьюодом одной из двух рервичной обмоток выходного трансформатора, а через цепочку, состоящую из последовательно соединенных указанных обмоток подмагничивания магнитного усилителя, регулировочного резистора и дросселя, - с вторым выводом указанной первичной обмотки выходного трансформатора, вторичная обмотка которого образует выходные выводы, второй входной вывод образован вторым выходом выпрямителя, соединенным с вторым выводом указанной первичной обмотки выходного трансформатора. При этом, каждай из выпрямителей выполнен однополупериодным. Кроме того, при работе умножителя частоты от трехфазного источника питающего напряжения в каждую дополнительную фазу введены дополнительные аналогично соединенные обмотки смещения магнитного усилителя и две соединенные последовательно и подключенные общей точкой к соответствующему входНому выводу рабочие обмотки, каждая из которых соединена с входом дополнительного выпрямителя, один выход которого соединен с вторым входным выводом, а другой - с общей точкой соединений первого выхода соответйтвукнцего основного выпрямителя, обмоток подмагничивания магнитного усилителя и конденсатора. На фиг. 1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства с трехфазным входом при использовании в качестве утроителя частоты; на фиг. 2 - графики входных токов выходного трансформатора, когда устройство выполнено по схеме, данной на фиг. 1; на фиг. 3 защтрихованы графики входных токов выходного трансформатора, когда устройство выполнено как однофазный удвоитель частоты.

Умножитель частоты (фиг. 1) состоит из магнитного усилителя 1, с соединенными последовательно рабочими обмотками 2 и 3, общая точка А соединения которых образует первый входной фазный вывод 5. Рабочие обмотки 2 и 3 подключены к выпрямителям, образованным парами встречно-лучевых вентилей (диодов) 6, 7 и 8, 9. Свободные выводы вентилей 7 и 9 подключены к нейтральному (второму) входному выводу 10. Свободные выводы вентилей 8 и 6, подкл оченн1 1е через кондеисатор 11, соединены соответственно с первыми выводами первичных обмоток 12 и 13 выходного трансформагора 14 и через последовательную цепочку, состоящую из обмоток 15 подмагничивания, регулировочного резистора 16 и дросселя 17 - с вторыми выводами обмоток 12 и 13 соответственно и с нейтральным входным выводом 10. Вторичная обмотка 18 выходного трансформатора 1А образует выходные выводы 19 и 20. Обмотки 15 подмагничивания, регулировочньй резистор 16, дроссель 17 и кон-, денсатор 11 образуют промежуточный блок 21 и 22 - переключатель режима (в показанном положении переключателя постоянная составляющая не проходит через соответствующую первичную обмотку выходного трансформатора). Обмотки 23 смещения магнитного усилителя соединены последовательно и подключены к источнику постоянного тока. Пр использовании трехфазного источника питающего напряжения в каждую фазу введены дополнительные аналогичные обмотки смещения и рабочие обмотки 24 и 25 магнитного усилителя. Дополнительные рабочие обмотки образуют входные выводы 26 и 27, их свободные выводы через соответствующие вентили (диоды) 28 - 35 подключены к пёрвич.ным обмоткам 12 и 13 выходного трансформатора. Через вентили 28, 32,-30, 34 соответствующие дополнительные рабочие обмотки соединены с соответствующими общими точками соединения вентиля 6, обмоток 15 и конденсатора 11 одного промежуточного блока 21 и с общими точками соединения вентиля 8 обмоток 15 и конденсатора 11 другого промежуточного блока, и через венти ли 31, 29,33, 35 дополнительные рабочие обмотки соединены с входным

выводом 10. Обмотки смещения 23 могут также использоваться для регулирования подмагничивания. В блоках 21 параллельно цепи подмагничивания может быть подсоединена одинаковая или общая нагрузка постоянного тока, что дополнительно увеличивает КПД устройства.

Устройство, схема которого дана на фиг. 1, работает следующим образом.

Выпрямляя несинусоидальные токи, проходящие в рабочих обмотках магнитного усилителя, лучевые вентили 6 и 8 в первой фазе пропускают через блоки 21 и первичные обмотки выходного трансформатора 14 только острые полуволны (с узким основанием), графики которых на фиг. 2 и обозначены соответственно 36 и 37. При этом лу«чевые вентили 7 и 9 пропускают полуволны с широким основанием (более полупериода) только помимо блоков 21 и первичных обмоток выходного трансформатора. Аналогичные лучевые вентили в двух других фазах пропускают через те же блоки 21 и первичные обмотки выходного трансформатора 14 только острые полуволны, обозначенные на фиг. 2 соответственно 38 и 39 а также 40 и 41. Первичные обмотки 12 и 13 выходного трансформатора 14 выполнены так, что происходит вычитание ампервитков, созданньЬс протекающими в них токами. В результате на зажимах вторичной обмотки 18 выхоного трансформатора 14 появляется напряжение третьей гармоники, пропорциональное заштрихованной кривой на фиг. 2. Получают утроитель частоты с трехфазным входом и однофазным выходом. При этом величина сопротивления в цепи подмагничивания, определяемая главным образом резистором 16, и велчина сопротивления в цепи конденсатора 1t должны быть в таком соотношении, чтобы как можно меньше искажалась форма полуволн, показанных на фиг. 2. При случайном обрыве цепи подмагничивания происходит .заряд соответствующего конденсатора 11 до максимально возможного напряжения, что вызывает прекращения тока через соответствующие лучевые .вентили.

Оптимальные условия работы умножителя частоты (фиг. 1) возможны при таком подмагничивании, когда на фиг. 2 нет незаштрихованных частей 51 входных полуволн. Если при оптимальных условиях к потерям энергии отнес ти только затрачиваемузо в цепях подмагничивания и выбратьактивное сопротивление нагрузки (для третьей гармоники)., равным приведенному активному сопротивлению в цепях под.магничивания, то устройство (фиг. 1) будет иметь КПД равным 0,556, причем на фиг. 2амплитуда третьей гармоники будет в 1,57 раза превьппать постоянную составляющую тока, которая Л-акже протекает в цепях подмагничивания. Графики полуволн на фиг. 2 . построены в предположении, что в рабочей обмотке магнитного усилителя ток имеет только первую, вторую и третью гармоники, амплитуды которых находятся в отношении 1:0,75:0,5. Возможно также исйолнение предлагаемого устройства в качестве однофазного удвоителя частоты. Для этого В схеме, данной на фиг. , оставляют ся только элементы, относящиеся к первой фазе, причем: в каждом блоке 21 должны быть две обмотки подмагничивания, из которых одна, индуктивно связана с рабочей обмоткой 2, а другая - с рабочей обмоткой 3; перви ные обмотки 12 и 13 выходного трансформатора 14 надо переключить так, чтоб у них ампервитки складывались. Для однофазного удвоителя частоты график входных токов у, вькодного трансформатора 14 показаны заштрихованньвчи на фиг. 3, откуда видно, что однофаз ный удвоитель работает очень близко к оптимальным условиям, когда КПД также раёен 0,556, а амплитуда тока второй гармоники в 1,57 раза превьша ет постоянную составляющую. Возможно еще исполнение предлагае мого устройства в качестве трехфазно го удвоителя частоты, для чего следу ет в трех фазах повторить описанную вьше схему однофазного удвоителя частоты. Возможно также исполнение предлагаемого устройства в качестве учетверителя частоты с двухфазным входом и однофазным выводом. Для этого в схеме,данной на фиг. 1, оставляются только элементы, относящиеся к первой и второй фазе, причем: входные напря жения первой и второй фаз должны быт сдвинуты по фазе на 90°; в каждом блоке 21 должны быть четыре обмотки подмагничивания, из которых каждая 92 индуктивно связана только с одной из четырех рабочих обмоток, оставшихся в устройстве; первичные обмотки 12 и 13выходного трансформатора 14 надо переключить так, чтобы у них ампервитки складывались. Для предлагаемого учетверителя частоты графики входных токов у выходного трансформатора 14изображены на фиг. 3, если учитывать и заштрихованные, и пунктирные графики. На фиг. 3 видно, что учетверитель частоты при взятом подмагничивании работает далеко от оптимальных условий, так как его КПД меньше 0,308, причем амплитуда четвертой гармоники меньше 67% .от постоянной составляющей тока. Для приближения к оптимальным условиям работы учетверителя частоты можно применить следующие два способа. Первый способ: увеличить подмагничивание магнитных усилителей и этим сделать более острой отбираемую полуволну тока в рабочей обмотке. Второй способ : перевести режимные переключатели 22 в другое положение и этим в каждом блоке 21 подсоединить цепь подмагничивания параллельно только конденсатору 11; увеличить емкость конденсаторов 11, а также увеличить активное сопротивление цепей подмагничивания так, чтобы на |Каждом блоке 21 образовалось почти постоянное напряжение U2-, (пунктирная прямая на фиг. 3), которое станет пропускать ток в первичные обмотки 12 и 13 выходного трансформатора 14 только в моменты, когда напряжение, подаваемое через вентили 6, И, 28, 30 превышает напряжение U- (фиг. 3). Возможно еще исполнение предлагаемого устройства в качестве ушестерителя частоты с трехфазным входом и однофа ньм выходом, для чего в схеме, данной на фиг. 1, следует первичные обмотки .12 и 13 выходного трансформатора 14 переключить так, чтобы у них ампервитки складывались. При этом приближения к оптимальным условиям работы ушестерителя частоты потребуется применить оба вьшеуказанных способа.: Таким образом, особенности предлагаемого умножителя частоты в отличие от прототипа позволяют получить оптиальные КПД и относительную величину выходной гармоники при следующих исполнениях: удвоитель, утроитель, учет.71100692; 8

веритель и ушестеритель частоты. При лагаемый умножитель частоты позволяэтом оптимальный режим относительно ет получить более значительную велилегко и результативно достигается в чину приведенного тока выходной гарудвоителе и утроителе частоты. Пред- моники.

1. УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий магнитный усилитель с двумя обмотками смещения, соединенными последовательно и подключенными к источнику постоянного тока, обмотками подмагничивания и двумя рабочими обмотками, соединенными последовательно причем их общая точка соединения об- . разует один из входных вьгоодов и 1саждая из них соединена с входом диодного выпрямителя, первый выход которого через конденсатор соединен с первым выводом лдной из двух первичных обмоток выходного трансформатора, a через цепочку, состоящую из последовательно соединенных указанных обмоток подмагничивания магнитного усилителя, регулировочного ре зистора и дросселя, - с вторым выводом указанной первичной обмотки.выходного трансформатора, вторичная обмотка которого образует выходные выводы, отличающийся тем, что, с целью увеличения амплитуды выходного напряжения и повышения КПД второй входной вывод образован вторым выходом выпрямителя, соединенным с вторым выводом указанной первичной обмотки выходного трансформатора о 2.Умножитель по п.1, о т л и чающийся тем, что каждый из выпрямителей выполнен однополупериодным. 3.Умножитель частоты по п.1, отличающийся тем, что, g с целью обеспечения работы от трехфазного источника питающего напряСП жения, в каждую дополнительную фазу введены дополнительные аналогично соединенные обмотки смещения магнитного усилителя и две соединенные последоу вательно и подключенные общей точкой к соответствующему вх4)дному выводу рабочие обмотки, каждая из которых соединена с входом дополнительного выпрямителя, один выход которого соеа динен с вторым входным выводом, a другой - с общей точкой соединения со |чд первого выхода соответствукидего основного выпрямителя, обмоток подмагнитшвания магнитного усилителя л конденсатора.

6

Us