RU155108U1 - NINE-FREQUENCY FREQUENCY FREQUENCY - Google Patents

Abstract

Умножитель частоты в девять раз, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, уложенные в его пазы рабочие обмотки, отличающийся тем, что первичная трехфазная обмотка выполняется однослойной концентрической с шагом 8/10/12, а вторичная обмотка состоит из установленных на зубцах катушек, катушки подключены к диодному коммутатору, выход коммутатора соединяется с нагрузкой.A frequency multiplier of nine times, containing a transformer with a rotating magnetic field, working windings laid in its grooves, characterized in that the primary three-phase winding is single-layer concentric in increments of 8/10/12, and the secondary winding consists of coils mounted on the teeth, the coils are connected to the diode switch, the switch output is connected to the load.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель. Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована для питания систем автоматики и электродвигателей с повышенной частотой вращения, а также систем индукционного нагрева.The technical field to which the utility model belongs. The utility model relates to power electrical engineering and can be used to power automation systems and electric motors with high speed, as well as induction heating systems.

Уровень техники. Известен трехфазный статический ферромагнитный умножитель частоты [авторское свидетельство СССР №1272424], представляющий собой пространственный симметричный магнитопровод с 9 стержнями, каждый из которых разделен на два одинаковых полустержня, и двух торцевых кольцевых ярм. На каждом стержне умножителя расположены одна или две катушки первичной обмотки основной частоты. На каждом полустержне расположена катушка удвоенной частоты, а также катушка утроенной частоты, электрически совмещенной с обмоткой подмагничивания постоянным током, при этом две пары катушек каждой фазы вторичной обмотки удвоенной частоты соединены встречно и располагаются на стержнях магнитопровода, сдвинутых на 160 градусов. Две пары катушек каждой фазы этой же обмотки, соединенные между собой согласно, расположены на стержнях магнитопровода, взаимно сдвинутых на 40 градусов.The level of technology. Known three-phase static ferromagnetic frequency multiplier [USSR copyright certificate No. 1272424], which is a spatial symmetrical magnetic circuit with 9 rods, each of which is divided into two identical half-rods, and two end ring yokes. On each rod of the multiplier there are one or two coils of the primary winding of the fundamental frequency. On each half-rod there is a double frequency coil, as well as a triple frequency coil, electrically combined with a DC bias winding, while two pairs of coils of each phase of the double frequency secondary winding are connected in opposite directions and are located on the cores of the magnetic circuit shifted by 160 degrees. Two pairs of coils of each phase of the same winding, interconnected according to each other, are located on the rods of the magnetic circuit, mutually shifted by 40 degrees.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие подмагничивания постоянным током, что приводит к усложнению конструкции и насыщению магнитопровода. Кольцевая форма торцевого ярма магнитопровода ухудшает габариты умножителя. Возможно только удвоение и утроение частоты выходного напряжения, что ограничивает область применения данного решения.The disadvantages of this solution include the presence of DC bias, which leads to a complication of the design and saturation of the magnetic circuit. The annular shape of the end yoke of the magnetic circuit degrades the dimensions of the multiplier. Only doubling and tripling the frequency of the output voltage is possible, which limits the scope of this solution.

Также известно ферромагнитные умножители частоты на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем [Загрядцкий В.И., Кобыляцкий Н.И., Недзельский А.П. Ферромагнитные умножители частоты с вращающимся магнитным полем. - Кишинев: «Картя Молдовеняскэ», 1973]. Данное решение, предназначенное для преобразования трехфазного напряжения одной частоты в трехфазное напряжение утроенной частоты, содержит наружный магнитопровод с пазами по типу магнитопровода асинхронной машины - наружный сердечник, внутренний неподвижный магнитопровод - внутренний сердечник, а также две трехфазные обмотки: первичную и вторичную, лежащие в общих пазах. Внутренний сердечник набирается из колец электротехнической стали, при этом геометрия магнитной системы такова, что спинки магнитопровода насыщены, а зубцы - нет. Первичная трехфазная обмотка выполняется на одну пару полюсов с укороченным шагом и соединяется в звезду, а вторичная обмотка имеет три пары полюсов и также соединяется в звезду. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.Also known are ferromagnetic frequency multipliers based on transformers with a rotating magnetic field [Zagryadtsky V.I., Kobylyatsky N.I., Nedzelsky A.P. Ferromagnetic frequency multipliers with a rotating magnetic field. - Chisinau: “Cartya Moldovenienasca”, 1973]. This solution, designed to convert a three-phase voltage of a single frequency into a three-phase voltage of a triple frequency, contains an external magnetic circuit with grooves as the magnetic circuit of an asynchronous machine - an external core, an internal fixed magnetic circuit - an internal core, and two three-phase windings: primary and secondary, lying in common grooves. The inner core is drawn from rings of electrical steel, while the geometry of the magnetic system is such that the backs of the magnetic core are saturated, but the teeth are not. The primary three-phase winding is performed on one pair of poles with a shortened pitch and connects to a star, and the secondary winding has three pairs of poles and also connects to a star. This solution is the closest in its technical essence to the prototype of the invention.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие насыщения части магнитопровода, что приводит к повышенным потерям. Использование высших гармоник магнитного потока, составляющих только часть от него, ухудшает массогабаритные показатели и КПД.The disadvantages of this solution include the presence of saturation of the magnetic circuit, which leads to increased losses. The use of higher harmonics of the magnetic flux, which make up only a part of it, worsens the overall dimensions and efficiency.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

Из уровня техники известны различные конструкции ферромагнитных умножителей частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях, резонансных контуров.The prior art various constructions of ferromagnetic frequency multipliers, the principle of which is based on the selection of the desired harmonic using various kinds of combinations of secondary windings and, in some cases, resonant circuits.

Наиболее распространенной конструкцией является соединение первичных обмоток трех однофазных трансформаторов в звезду без нулевого провода, при этом в магнитном потоке трансформаторов возникает составляющая третьей гармоники. При соединении вторичных однофазных обмоток трансформаторов в разомкнутый треугольник, первая гармоника напряжения в сумме равняется нулю, и на выходе остается третья гармоника с частотой, равной утроенной частоте питающей сети. Однако содержание третьей гармоники в магнитном потоке сердечника такого решения составляет не более 10%, что предопределяет низкую эффективность преобразования частоты, и невысокие массогабаритные показатели. Соединение первичных обмоток по схеме звезды с нулевым проводом приводит к снижению уровня напряжения утроенной частоты. Включение вторичных обмоток по схеме замкнутого треугольника, приводит к возникновению тока третьей гармоники, снижающему уровень напряжения утроенной частоты. Эти особенности ограничивают возможность модернизации подобных умножителей частоты.The most common design is the connection of the primary windings of three single-phase transformers into a star without a neutral wire, while a component of the third harmonic appears in the magnetic flux of the transformers. When connecting the secondary single-phase transformer windings into an open triangle, the first harmonic of the voltage is equal to zero in total, and the third harmonic remains at the output with a frequency equal to three times the frequency of the supply network. However, the content of the third harmonic in the magnetic flux of the core of such a solution is not more than 10%, which determines the low efficiency of the frequency conversion, and low weight and size indicators. The connection of the primary windings according to the star circuit with a zero wire leads to a decrease in the voltage level of a triple frequency. The inclusion of secondary windings according to the closed triangle circuit, leads to the appearance of a third harmonic current, which reduces the voltage level of a triple frequency. These features limit the ability to upgrade such frequency multipliers.

Приведенное решение считается наиболее эффективным из известных, а варианты умножителей, выполненные на многостержневых трансформаторах, имеют худшие параметры. Наиболее известны схемы удвоения и утроения частоты, они же имеют наилучшие массогабаритные показатели и эффективность. Максимально возможный коэффициент умножения частоты в уже известных схемах составляет шесть раз.The given solution is considered the most effective of the known ones, and the options of the multipliers made on multi-rod transformers have the worst parameters. Frequency doubling and tripling schemes are best known; they also have the best overall dimensions and efficiency. The maximum possible frequency multiplication factor in already known circuits is six times.

Указанные недостатки умножителей частоты, существенно ограничивают их промышленное применение. Известны случаи использования умножителей частоты только во вспомогательных устройствах автоматики. Автору неизвестно о случаях использования ферромагнитных умножителей в области промышленной энергетики и силовой преобразовательной техники. Для питания промышленной нагрузки напряжением повышенной частоты применяют электромашинные преобразователи (все реже из-за известных недостатков) и полупроводниковые статические преобразователи частоты.These disadvantages of frequency multipliers significantly limit their industrial application. There are known cases of using frequency multipliers only in auxiliary devices of automation. The author is not aware of the cases of using ferromagnetic multipliers in the field of industrial energy and power converting equipment. To power an industrial load with high frequency voltage, electric machine converters are used (less and less due to known shortcomings) and semiconductor static frequency converters.

В отличие от трансформаторов для преобразования частоты (иначе - ферромагнитные умножители частоты), где в пульсирующем магнитном потоке выделяются высшие (чаще всего третья) гармоники с крайне низкой эффективностью, предлагаемый умножитель частоты отличает лучшие масса, габариты и энергетические параметры.Unlike transformers for frequency conversion (in other words, ferromagnetic frequency multipliers), where higher (most often third) harmonics with extremely low efficiency are emitted in a pulsating magnetic flux, the proposed frequency multiplier features the best mass, dimensions and energy parameters.

Опытным путем было установлено, что при использовании однослойных концентрических обмоток наблюдается крайне нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, таким образом, что практически весь магнитный поток сосредотачивается в отдельном зубце. При этом ЭДС катушек вторичной обмотки, установленных на отдельных зубцах, имеет прерывистый циклический характер (фигура 1). В течение некоторого время поле концентрируется в текущем зубце, при этом ЭДС катушки имеет квазисинусоидальный характер, после чего поле резко переходит на следующий зубец. При смене полярности магнитного потока в зубце возникает импульс ЭДС противоположной полярности. Через отрезок времени, равный периоду частоты питающей сети (20 миллисекунд при 50 Гц), последовательность импульсов повторяется, а интервал между импульсами положительной и отрицательной полярности составляет половину периода.It was experimentally established that when using single-layer concentric windings, an extremely nonlinear picture of the distribution of the magnetic field along the teeth of the magnetic circuit is observed, so that almost the entire magnetic flux is concentrated in a separate tooth. In this case, the EMF of the secondary winding coils mounted on individual teeth has an intermittent cyclic nature (figure 1). For some time, the field is concentrated in the current tooth, while the EMF of the coil is quasi-sinusoidal, after which the field abruptly switches to the next tooth. When the polarity of the magnetic flux changes in the tooth, an EMF pulse of opposite polarity arises. After a period of time equal to the period of the supply network frequency (20 milliseconds at 50 Hz), the pulse sequence is repeated, and the interval between pulses of positive and negative polarity is half the period.

Таким образом, длительность импульсов на выходе катушек составляет только часть от периода питающей сети, и повторяется дважды с разной полярностью на его протяжении, а форма импульсов может быть близка синусоидальной.Thus, the duration of the pulses at the output of the coils is only part of the period of the supply network, and is repeated twice with different polarity along it, and the shape of the pulses can be close to sinusoidal.

Последовательность импульсов повторяется от одной катушки к другой со сдвигом, таким образом, что каждому интервалу времени соответствует определенная катушка, в которой наводится ЭДС. Полуволны наводимой в катушках вторичной обмотки ЭДС имеют частоту, повышенную по отношению к частоте питающей сети, что определяется меньшей в целое число раз (кратное коэффициенту умножения частоты) длительностью полуволн. Очевидно, что сумма всех интервалов полуволн в катушках вторичной обмотки равняется периоду питающей сети.The sequence of pulses is repeated from one coil to another with a shift, so that each time interval corresponds to a specific coil in which the EMF is induced. The half-waves induced in the coils of the secondary winding of the EMF have a frequency increased in relation to the frequency of the supply network, which is determined to be less than an integer number of times (multiple of the frequency multiplier) by the half-wave duration. Obviously, the sum of all half-wave intervals in the coils of the secondary winding is equal to the period of the supply network.

Используя полуволны ЭДС повышенной частоты на выходе катушек вторичной обмотки, коммутируя их в последовательной очередности, можно сформировать непрерывное выходное напряжение повышенной частоты.Using half-waves of EMF of increased frequency at the output of the secondary winding coils, switching them in sequential order, it is possible to form a continuous output voltage of increased frequency.

При этом длительность полуволн ЭДС, а соответственно и коэффициент умножения частоты определяются соотношениемIn this case, the half-wavelength of the EMF, and, accordingly, the frequency multiplier, are determined by

где k - коэффициент умножения, Z - число зубцов магнитопровода, p - число полюсов питающей обмотки.where k is the multiplication coefficient, Z is the number of teeth of the magnetic circuit, p is the number of poles of the supply winding.

Форма ЭДС, наводимой в катушках вторичной обмотки, зависит главным образом от типа первичной обмотки трансформатора с вращающимся полем, а также от формы пазов и ряда других факторов.The shape of the EMF induced in the coils of the secondary winding depends mainly on the type of the primary winding of the transformer with a rotating field, as well as on the shape of the grooves and a number of other factors.

Принципиальная схема первичной трехфазной обмотки заявляемого девятикратного умножителя частоты представлена на фигуре 2, а схема наводимой в двух смежных катушках вторичной обмотки ЭДС отображена на фигуре 4. Число зубцов магнитопровода составляет 36 для формирования симметричной первичной трехфазной концентрической обмотки с требуемым шагом 8/10/12. Первичная обмотка имеет число полюсов 2p=4 для получения необходимого соотношения числа зубцов на полюс и требуемого коэффициента умножения.Schematic diagram of the primary three-phase winding of the inventive nine-fold frequency multiplier is shown in figure 2, and the circuit induced in two adjacent coils of the secondary winding of the EMF is shown in figure 4. The number of teeth of the magnetic circuit is 36 to form a symmetrical primary three-phase concentric winding with the required pitch of 8/10/12. The primary winding has a number of poles 2p = 4 to obtain the required ratio of the number of teeth per pole and the required multiplication factor.

Последовательность полуволн ЭДС, наводимой в катушках вторичной обмотки девятикратного умножителя частоты приведена в таблице 1, здесь номер катушки соответствует номеру зубца магнитопровода.The sequence of half-waves of the EMF induced in the coils of the secondary winding of the nine-fold frequency multiplier is shown in Table 1, here the number of the coil corresponds to the number of the tooth of the magnetic circuit.

Катушки вторичной обмотки установлены на зубцах трансформатора и подсоединяются к полупроводниковому диодному коммутатору, обеспечивающему необходимую последовательность работы катушек таким образом, что полуволны повышенной частоты разной полярности на выходе умножителя чередуются и образуют непрерывную последовательность. Последовательность работы катушек реализована таким образом, что каждая катушка работает на нагрузку на протяжении интервала только одной полуволны наведенной в ней ЭДС, полуволна другой полярности используется для компенсации встречной ЭДС.The secondary winding coils are mounted on the teeth of the transformer and connected to a semiconductor diode switch, which provides the necessary sequence of coils in such a way that the high-frequency half-waves of different polarity at the output of the multiplier alternate and form a continuous sequence. The sequence of operation of the coils is implemented in such a way that each coil operates on a load during the interval of only one half-wave induced by the EMF, a half-wave of a different polarity is used to compensate for the oncoming EMF.

Использование диодного коммутатора позволяет упростить конструкцию, отказаться от блока управления, и использовать только неуправляемые диоды. Для этого соединяются в пары катушки, смещенные относительно друг друга на 18 зубцов (например, 1 и 19 катушки), с включением последовательно согласно. Напряжения катушек в парах имеет одинаковую полярность и суммируется. Пары катушек разделяются на две группы (анодную и катодную), одна из которых дает в нагрузку только положительные полуволны выходного напряжения, другая - отрицательные. Последовательно с каждой парой катушек в группе включается два диода, а параллельно - шунтирующий диод в той же полярности. Пары катушек в группах соединяются последовательно, а группы между собой - параллельно с обратной полярностью.Using a diode switch allows you to simplify the design, abandon the control unit, and use only uncontrolled diodes. For this, coils are connected in pairs, displaced relative to each other by 18 teeth (for example, 1 and 19 coils), with the inclusion in series according to. The voltage of the coils in pairs has the same polarity and is summed. The pairs of coils are divided into two groups (anode and cathode), one of which gives only positive half-waves of the output voltage to the load, and the other negative ones. In series with each pair of coils in the group, two diodes are connected, and in parallel - a shunt diode in the same polarity. The pairs of coils in the groups are connected in series, and the groups are interconnected in parallel with the reverse polarity.

Такое включение обеспечивает формирование полуволн отрицательной и положительной полярности на выходе умножителя, одна группа катушек дает положительные полуволны, а вторая - только отрицательные. Наличие ЭДС противоположной полярности в неактивной катушечной группе позволяет избежать уравнительных токов между группами. Принципиальная схема соединения приведена на фигуре 3.This inclusion ensures the formation of half-waves of negative and positive polarity at the output of the multiplier, one group of coils gives positive half-waves, and the second only negative ones. The presence of an EMF of opposite polarity in an inactive coil group allows avoiding surge currents between the groups. Schematic diagram of the connection shown in figure 3.

Требуемую последовательность полуволн ЭДС во вторичной обмотке обеспечивает первичная трехфазная обмотка, выполненная по типу однослойной концентрической, выполненной с шагом 8/10/12. Название обмотки объясняется тем, что каждый из пазов занят полностью одной стороной катушки, а катушки, составляющие одну катушечную группу обмотки, имеют разную ширину и расположены так, что охватывают как бы концентрически одна другую.The required sequence of EMF half-waves in the secondary winding is provided by the primary three-phase winding, made as a single-layer concentric winding, performed in increments of 8/10/12. The name of the winding is explained by the fact that each of the grooves is completely occupied by one side of the coil, and the coils that make up one coil group of the winding have different widths and are arranged so as to encompass one another concentrically.

Форма и степень синусоидальности наводимых полуволн ЭДС зависит от ряда частных конструктивных особенностей - например, формы пазов и индукции в зубцах магнитопровода, при сохранении общего принципа.The shape and degree of sinusoidality of the induced EMF half-waves depends on a number of particular design features - for example, the shape of the grooves and induction in the teeth of the magnetic circuit, while maintaining the general principle.

Отличие предлагаемого решения от прототипа заключается в использовании зубчатой структуры трансформатора с вращающимся магнитным полем, и за счет нелинейного распределения создаваемого первичной трехфазной обмоткой магнитного потока. При этом способе, реализовать который возможно только на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, выходное напряжение формируется из отдельных полуволн, снимаемых с катушек вторичной обмотки, и коммутируемых в заданной последовательности, что в результате обеспечивает умножение частоты выходного напряжения.The difference between the proposed solution and the prototype is to use the gear structure of the transformer with a rotating magnetic field, and due to the non-linear distribution of the magnetic flux generated by the primary three-phase winding. With this method, which is possible only on the basis of a transformer with a rotating magnetic field, the output voltage is formed from individual half-waves removed from the secondary winding coils and switched in a predetermined sequence, which as a result provides a multiplication of the frequency of the output voltage.

Предлагаемое техническое решение является новым, имеющим принципиальные отличия от прототипа:The proposed technical solution is new, having fundamental differences from the prototype:

- за счет первичной трехфазной обмотки достигается предельно нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, с концентрированием магнитного потока в отдельных зубцах, что определяет высокую эффективность предлагаемого решения;- due to the primary three-phase winding, an extremely nonlinear picture of the distribution of the magnetic field along the teeth of the magnetic circuit is achieved, with the concentration of the magnetic flux in individual teeth, which determines the high efficiency of the proposed solution;

- предлагаемый способ позволяет реализовать большой коэффициент умножения частоты в 9 раз;- the proposed method allows to realize a large frequency multiplier by 9 times;

- полуволны напряжения повышенной частоты, имеющие положительную и отрицательную полярность, коммутируются таким образом, что образуют непрерывную последовательность повышенной частоты;- high-frequency voltage half-waves having positive and negative polarity are switched in such a way that they form a continuous sequence of high frequency;

- для коммутации катушек вторичной обмотки использован неуправляемый диодный коммутатор, что значительно упрощает конструкцию и повышает надежность решения.- for switching the coils of the secondary winding, an uncontrolled diode switch is used, which greatly simplifies the design and increases the reliability of the solution.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - эффективному умножению частоты выходного напряжения в девять раз, упрощению конструкции, увеличению коэффициента полезного действия и повышению надежности. Конструкция трансформатора подходит для автоматической намотки, что позволяет говорить о высокой технологичности предложенного решения.Thus, the set of essential features of the invention leads to a new technical result - an effective multiplication of the frequency of the output voltage by nine times, simplifying the design, increasing the efficiency and increasing reliability. The design of the transformer is suitable for automatic winding, which allows us to talk about the high technology of the proposed solution.

Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображена осциллограмма напряжения катушки, установленной на одном из зубцов опытного образца умножителя частоты. На фигуре 2 изображена принципиальная схема первичной трехфазной обмотки умножителя частоты. На фигуре 3 изображена принципиальная схема соединения катушек вторичной обмотки. На фигуре 4 изображен график ЭДС двух смежных вторичных катушек.A brief description of the drawings. The figure 1 shows the waveform of the voltage of the coil mounted on one of the teeth of the prototype of the frequency multiplier. The figure 2 shows a schematic diagram of the primary three-phase winding of the frequency multiplier. The figure 3 shows a schematic diagram of the connection of the coils of the secondary winding. The figure 4 shows a graph of the EMF of two adjacent secondary coils.

Claims (1)

Умножитель частоты в девять раз, содержащий трансформатор с вращающимся магнитным полем, уложенные в его пазы рабочие обмотки, отличающийся тем, что первичная трехфазная обмотка выполняется однослойной концентрической с шагом 8/10/12, а вторичная обмотка состоит из установленных на зубцах катушек, катушки подключены к диодному коммутатору, выход коммутатора соединяется с нагрузкой.

A frequency multiplier of nine times, containing a transformer with a rotating magnetic field, working windings laid in its grooves, characterized in that the primary three-phase winding is single-layer concentric in increments of 8/10/12, and the secondary winding consists of coils mounted on the teeth, the coils are connected to the diode switch, the switch output is connected to the load.

Images