Удвоитель частоты Советский патент 1976 года по МПК H02M5/16 

1

Изобретение относится к области электротехники, в частности к регуляторам переменного напряжения, умножителям частоты и числа фаз.

Известен удвоитель частоты, выполненньш по мостовой схеме и содержащий нелинейньш дроссель, обмотки которого расположены на двух сердечниках, и цепь нагрузки.

Предлагаемое устройство отличается от известного тем, что параллельно каждой из указанных обмоток, а также цепи нагрузки включен управляемый ключ.

Это позволяет повысить быстродействие устройства, энергетические показатели, исключить перенапряжения на элементах удвойтеля и упростить устройство.

На фиг. 1 приведена функциональная схема двухсердечникового мостового удвоителя частоты; на фиг. 2, 3, 4 даны временные диаграммы.

Удвоитель частоты (фиг. 1) содержит два ферромагнитных сердечника 1 и 2, на каждом из которых расположены обмотки 3, 4 и 5, 6 соответственно, соединенные согласно по мостовой схеме. Параллельно обмоткам 3 и 5 включены ключи 7 и 8. В диагональ моста включена нагрузка 9, а параллельно ей - ключ 10.

В качестве ключей могут быть применены любые коммутационные элементы, например реле, транзисторы, тиристоры и т. д.

В исходном состоянии, когда обмотки 3, 5 не закорочены, сердечники 1, 2 не поляризованы и постоянное магнитное поле в них отсутствует. Индукция в сердечниках изменяется по закону, представленному кривой 11 (фиг. 2), а поскольку мост симметричен, то напряжение на нагрузке 9 равно нулю. При поочередном закорачивании обмоток 3 (например, в момент 2яп) и 5 (в момент я(2/г+ +1) изменение индукции в сердечниках задерживается и на время закороченного состояния она равна индукции насыщения ( - для сердечника 1 и -BS - для сердечника 2). После снятия закоротки с обмоток 3 или 5, сердечники перемагничиваются по прежнему закону и насыщаются в моменты, однозначно связанные с длительностью закороченного состояния обмоток 3 или 5. На фиг. 2, кривая 12 иллюстрирует изменение индукции в сердечнике 1, а кривая 13 - в сердечнике 2, при этом относительно исходной кривой 11 кривая 12 смещена на величину постоянной составляющей 5oi, а кривая 13 - на величину БОЗ. Если интервалы закороченного состояния обмоток одинаковы, то Soi 5o2. Таким образом, создается эффект поляризации сердечников 1, 2 без применения посторонних источников подмагничивания.

В интервалах, когда сердечники 1, 2 насыщены, либо закорочены обмотки 3, 5, к нагрузке 9 прикладывается напряжение (кривая 14), мгновенное значение которого равно напряжению сети (кривая 15). Интервалы насыщения одного сердечника и закороченного состояния обмотки другого сердечника не должны перекрываться, в связи с чем обмотки закорачиваются на время не более четверти периода. Пунктирная кривая 14 (фиг. 2) обозначает напряжение на нагрузке при .оаботе удвоителя в режиме максимальное отдачи. С целью исключения перенапряжений на элементах удвоителя частоты в каждый момент снятия закоротки с обмоток пропускают ток по короткозамкнутому контуру нагрузки и прерывают его при насыщении одного из сердечников 1 или 2. Так как к моменту насыщения сердечников ток нагрузки не успевает достичь нуля, то закорачиванием обмотки насыщающегося сердечника образуется контур возврата избыточной реактивной энергип нагрузки в сеть. Устройство работает следующим образом. При переходе напряжения сети (кривая 15) через нуль (фиг. 3) и установления в момент полярности, указанной на фиг. 1 без скобок, устройством управления замыкается ключ 7, который закорачивает обмотку 3 на сердечнике 1. В предыдущий полупериод сердечник 1 был насыщен и при смене нолярности папряжения сети должен бы размагничиваться, но поскольку в момент ключ 7 закорачивает обмотку 3, то индукция в сердечнике 1 практически не меняется и он попрежнему остается насыщенным. Падение напряжения на обмотках 3, 4 равно нулю (кривая 16), а к нагрузке 9 (кривая 14) и к обмоткам 5, 6 (кривая 17), расположенным на сердечнике 2, прикладывается напряжение сети. В момент принудительно размыкается ключ 7, при этом напряжение на нагрузке 9 становится равным нулю, а на обмотках 3, 4 и 5, 6 - равным половине нанряження сети (кривые 16 и 17 фиг. 3). Сердечник 1 начинает размагничиваться (кривая 18), а сердечник 2 продолжает намагничиваться и насыщается при (кривая 19). В этом случае напряжение на обмотках 5, 6 (кривая 17) становится равным нулю, а на нагрузке 9 (кривая 14) и на обмотках 3, 4 (кривая 16) напряжению сети. Естественно, что полярность напряжения на нагрузке 9 меняется, хотя полярность напряжения сети остается неизменной в течение этого полупериода. Во второй полупериод, т. е. в момент , устройством управления замыкается ключ 8, который закорачивает обмотку 5 на сердечнике 2. Процессы, происходящие в сердечнике 2, аналогичны процессам в сердечнике 1. Таким образом происходит удвоение частоты. Пунктиром на фиг. 3 показаны диаграммы, иллюстрирующие работу удвоителя в режиме максимальной отдачи, когда угол коммутации ключей 7 и 8 равен а . 6 В случае активно-индуктивной нагрузки 9 ироцессы, нроисходящие до размыкания ключей 7 и 8 в моменты a a., не изменяются. При размыкании же ключей 7 и 8, в зависимости от полярности напряжения сети, на элементах удвоителя частоты возникают опасные перенапряжения, обусловленные э. д. с. самоиндукции индуктивности нагрузки. Здесь удвоитель частоты работает следующим образом. В начале полупериода (на фиг. 1 полярность показана без скобок) замыкается ключ 7 и начинает проводить ток (кривая 20 на фиг. 4) при угле когда ток (кривая 21) нагрузки 9 становится равным нулю и меняет свое направлепие. В некоторый момент ключ 7 принудительно размыкается, а синхронно замыкается ключ 10 и ток (кривая 21), поддерживаемый в нрежнем направлении за счет э.д. с. самонндукции индуктивности нагрузки, замыкается по его цепи (кривая 22 на фиг. 4). Напряжение нагрузки 9 становится равным нулю, а процессы перемагничивания сердечников 1 и 2 протекают аналогично описанным при активной нагрузке. При насыщается сердечник 2, ключ 10 размыкается, а дополнительно замыкается ключ 8, по которому протекает ток (кривая 23). Напряжение на нагрузке меняет знак на противоположный, а ток (кривая 21) нагрузки при этом замыкается но цепи; нагрузка 9-ключ 8-сеть-обмотка 6-нагрузка 9 и спадает до нуля в момент . Ключ 8 переходит в непроводящее состояние, ток (кривая 21) изменяет свое направление и, поскольку сердечник 2 насыП1,ен, протекает по обмоткам 5 и 6 (кривая 24 на фиг. 4). В начале следующего полупериода (на фиг. 1 полярность напряжения приведена в скобках) устройством управления замыкается ключ 8, который начинает проводить с момента и далее процессы повторяются, но только функции ключа 7 выполняет ключ 8, а обмоток 3, 4 на сердечнике 1-обмотки 5, 6 на сердечнике 2. Этот период тока (кривая 21) нагрузки 9 складывается из следующих составляющих: тока (кривая 25) через ключ 8, тока (кривая 26) через ключ 10, тока (кривая 27) через ключ 7 при его повторном замыкании и тока (кривая 28) через обмо1ки 3, 4 при насыщении сердечника 1. Такая последовательность работы ключей 7, 8, 10 и сердечников 1 и 2 с обмотками 3, 4, 5, 6 обеспечивает независимость формы напряжения удвоенной частоты на нагрузке 9 от ее характера. Поскольку в любой момент времени обеспечен контур протекания тока нагрузки, то принципиально исключаются перенапряжения на элементах удвоителя частоты, Кроме того, процессы перемагничивания сердечников 1 и 2 протекают независимо от нагрузки. Углы насыщения р1 и Рз сердечников 1 и 2 однозначно определяются углами регулирования ai и 02, а выходное напряжение синфазно с сетевым. . Ф о р м л а изобретения Удвоитель частоты, выполненный но мостовой схеме и содержащий нелинейный дроссель, обмотки которого расположены на двух 5 сердечниках, и цепь нагрузки, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия, энергетических показателей, исключения перенапряжений на элементах удвоителя и упрощения, параллельно каждой из обмоток, а также цеии нагрузки включен управляемый ключ.

.15

/2л гх

5Л

я

i-Bs О

Vx

AS

-BS

v

LdU

/I x

1/ V

7

SZZ5

7-7

BOI

802

N /

ЛиИ

е

:з &