RU185167U1 - FREQUENCY FREQUENCY - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована для питания электросетей переменного тока повышенной частоты, бортовой сети воздушных судов.Из уровня техники известны различные конструкции ферромагнитных умножителей частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники основной частоты питающей сети с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях, резонансных контуров. Подобное выделение высших гармонических составляющих характеризуется низкой энергетической эффективностью, что ведет к большой массе и габаритам, а также низкому КПД.Предлагаемое решение использует многополюсное перераспределение электромагнитного поля в трансформаторе с пространственной конструкцией, а именно - разбиение основных пар полюсов на последовательность чередующихся разноименных полюсов. При этом обеспечивается многократное чередование полярности индуцированного напряжения в катушках вторичной обмотки за период питающей сети.Предлагаемое устройство реализует энергетически эффективное умножение частоты, и позволяет получить коэффициент умножения 8 раз, то есть при питании от промышленной сети с частотой 50 Гц сформировать выходное напряжение частотой 400 Гц. Конструкция умножителя является простой и технологичной и подходит для автоматизации изготовления.Достигаемым техническим результатом решения является эффективное умножение частоты выходного напряжения, увеличение коэффициента трансформации напряжения, упрощение конструкции первичной трехфазной обмотки в сравнении с основным прототипом.The utility model relates to power electrical engineering and can be used to power high-frequency alternating current electrical networks, aircraft on-board network. Various constructions of ferromagnetic frequency multipliers are known from the prior art, the principle of operation of which is based on the selection of the desired harmonic of the main frequency of the supply network using various kinds of combinations connections of secondary windings and, in some cases, resonant circuits. Such a separation of the higher harmonic components is characterized by low energy efficiency, which leads to large mass and dimensions, as well as low efficiency. The proposed solution uses a multi-pole redistribution of the electromagnetic field in a transformer with a spatial design, namely, the partition of the main pole pairs into a sequence of alternating opposite poles. This ensures multiple alternation of the polarity of the induced voltage in the coils of the secondary winding for the period of the supply network. The proposed device implements energy-efficient frequency multiplication, and allows you to obtain a multiplication factor of 8 times, that is, when powered from an industrial network with a frequency of 50 Hz to generate an output voltage with a frequency of 400 Hz . The design of the multiplier is simple and technologically advanced and is suitable for the automation of manufacturing. The achieved technical result of the solution is an effective multiplication of the frequency of the output voltage, an increase in the voltage transformation coefficient, and simplification of the design of the primary three-phase winding in comparison with the main prototype.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель.The technical field to which the utility model belongs.

Полезная модель относится к силовой электротехнике и может быть использована для питания электросетей переменного тока повышенной частоты, бортовой сети воздушных судов.The utility model relates to power electrical engineering and can be used to power high-frequency alternating current electric networks, aircraft on-board network.

Уровень техники. Известен девятикратный умножитель частоты [патент на полезную модель РФ №155108], в основу которого положен трансформатор с вращающимся магнитным полем, в пазы которого уложены рабочие первичная и вторичная обмотки. При этом первичная трехфазная обмотка выполняется однослойной концентрической с шагом 8/10/12, а вторичная обмотка состоит из установленных на зубцах катушек. Для получения непрерывной чередующейся последовательности полуволн повышенной частоты последовательно с вторичными катушками включены диоды, а катушки с диодами объединены параллельно в две группы взаимно обратной полярности, сами группы катушек соединяются параллельно.The level of technology. A nine-fold frequency multiplier is known [patent for utility model of the Russian Federation No. 155108], which is based on a transformer with a rotating magnetic field, in the grooves of which the working primary and secondary windings are laid. In this case, the primary three-phase winding is single-layer concentric with a step of 8/10/12, and the secondary winding consists of coils mounted on the teeth. To obtain a continuous alternating sequence of half-waves of increased frequency, diodes are connected in series with the secondary coils, and the coils with diodes are combined in parallel into two groups of mutually inverse polarity, the groups of coils themselves are connected in parallel.

К недостаткам такого решения можно отнести низкий коэффициент использования витков вторичной обмотки, что ведет к ухудшению массогабаритных показателей. Для коммутации полуволн в непрерывную последовательность используется коммутатор с большим числом силовых диодов, что увеличивает себестоимость изделия и снижает его надежность. Также недостатком является девятикратный коэффициент умножения частоты, что не позволяет получить частоту 400 Гц для использования в авиации, что сужает область применения.The disadvantages of this solution include the low utilization rate of the turns of the secondary winding, which leads to a deterioration in overall dimensions. For switching half-waves in a continuous sequence, a switch is used with a large number of power diodes, which increases the cost of the product and reduces its reliability. Another drawback is the ninefold frequency multiplication factor, which does not allow to obtain a frequency of 400 Hz for use in aviation, which narrows the scope.

Также известен предназначенный для умножения частоты трансформатор [патент РФ на изобретение №2631832], выполненный на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем и представляющий собой цилиндрический магнитопровод, в пазах которого уложены первичные концентрические и вторичная рабочие обмотки. Отличительным признаком данного решения является то, что упомянутые первичные обмотки симметрично смещены относительно друг друга, а в каждой вложенной катушечной группе первичных обмоток чередуется полярность включения катушек. Вторичная обмотка выполняется концентрированной катушечной, при этом катушки вторичной обмотки соединяются последовательно с чередующейся полярностью. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемой полезной моделе.A transformer designed for frequency multiplication is also known [RF patent for invention No. 2631832], made on the basis of a transformer with a rotating magnetic field and representing a cylindrical magnetic circuit, in the grooves of which are laid primary concentric and secondary working windings. A distinctive feature of this solution is that the mentioned primary windings are symmetrically offset relative to each other, and the polarity of the switching on of the coils alternates in each nested coil group of primary windings. The secondary winding is performed by a concentrated coil, while the secondary winding coils are connected in series with alternating polarity. This solution is the prototype closest in technical essence to the proposed utility model.

К недостаткам такого решения можно отнести наличие нескольких первичных концентрических обмоток, что приводит к увеличению объема обмоточного провода и ухудшению массы и габаритов. Также, укладывание нескольких первичных обмоток в общий паз ведет к усложнению технологию изготовления и конструкции паза. Увеличенная длина проводников первичной обмотки снижает эффективность решения в целом и ухудшает коэффициент полезного действия.The disadvantages of this solution include the presence of several primary concentric windings, which leads to an increase in the volume of the winding wire and the deterioration of mass and dimensions. Also, laying several primary windings in a common groove leads to a complication of the manufacturing technology and design of the groove. The increased length of the conductors of the primary winding reduces the efficiency of the solution as a whole and worsens the 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 такого решения составляет не более 10%, что предопределяет низкую эффективность преобразования частоты, и плохие массогабаритные показатели. Такое решение считается наиболее эффективным из известных, а варианты умножителей, выполненных на многостержневых трансформаторах, имеют худшие параметры. Наиболее известны схемы удвоения и утроения частоты, они же имеют наилучшие массогабаритные показатели и эффективность. Максимально достижимое умножение частоты в уже известных схемах составляет шесть раз.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 such a solution is not more than 10%, which determines the low frequency conversion efficiency, and poor overall dimensions. This solution is considered the most effective of the known ones, and the options of 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 achievable frequency multiplication in already known circuits is six times.

Перечисленные недостатки ферромагнитных умножителей частоты, существенно ограничивают их промышленное применение. Известны случаи использования умножителей частоты во вспомогательных устройствах автоматики. Авторам неизвестно о случаях использования ферромагнитных умножителей в области силовой энергетики и преобразовательной техники. Для питания промышленной нагрузки напряжением повышенной частоты до сих пор применяют машинные агрегаты и полупроводниковые статические преобразователи частоты.The listed disadvantages of ferromagnetic frequency multipliers significantly limit their industrial application. There are known cases of using frequency multipliers in auxiliary devices of automation. The authors are not aware of cases of using ferromagnetic multipliers in the field of power engineering and converting technology. To power an industrial load with high frequency voltage, machine aggregates and semiconductor static frequency converters are still used.

Тем не менее, потребность в простых конструктивно, надежных и не требующих обслуживания умножителях частоты объективно существует. Главным условием становится эффективность и габаритные показатели. Потребителями таких умножителей могут быть устройства автоматики, электропривод с повышенной частотой вращения (например, гироскопы) и в ряде случаев, промышленные устройства индукционного нагрева. Существующие варианты умножителей частоты не удовлетворяют запросам промышленности в части эффективности и их массогабаритных показателей. Это обусловлено способом умножения частоты, который основан на выделении высших гармоник магнитного потока преобразовательного трансформатора тем или иным способом.Nevertheless, the need for simple structurally, reliable and maintenance-free frequency multipliers objectively exists. The main condition is the effectiveness and overall performance. Consumers of such multipliers can be automation devices, an electric drive with an increased rotational speed (for example, gyroscopes) and, in some cases, industrial induction heating devices. Existing variants of frequency multipliers do not satisfy the demands of industry in terms of efficiency and their overall dimensions. This is due to the method of frequency multiplication, which is based on the allocation of higher harmonics of the magnetic flux of the transformer transformer in one way or another.

В широком смысле, трансформаторы, как и электромашинные преобразователями, можно считать разновидностью индуктивной электрической машины переменного тока. В настоящее время выпускаются трансформаторы напряжения самого различного назначения и широким диапазоном мощностей вплоть до 1 ГВ⋅А. Силовые трансформаторы с пульсирующим магнитным полем (ТПМП) можно рассматривать как одномерную систему, где рабочий магнитный поток протекает в одной плоскости, не меняя своего пространственного положения. Переменная составляющая тока первичной обмотки содержится в изменении значения индукции в стержнях магнитопровода.In a broad sense, transformers, like electrical machine converters, can be considered a kind of inductive electric AC machine. Currently, voltage transformers for various purposes and a wide range of capacities up to 1 GV⋅A are produced. Power transformers with a pulsating magnetic field (TPMP) can be considered as a one-dimensional system, where the working magnetic flux flows in the same plane, without changing its spatial position. The alternating current component of the primary winding is contained in the change in the induction value in the cores of the magnetic circuit.

Простейшей системой электромагнитного поля является пульсирующее поле неподвижной одиночной катушки; следующая ступень - круговое поле электромагнитное поле в магнитопроводе электрической машины, при этом, если ее ротор неподвижен - конструкция соответствует катушке с броневой конструкцией магнитопровода. В основе всех этих вариаций лежит разное число степеней свободы.The simplest electromagnetic field system is the pulsating field of a stationary single coil; the next step is a circular field, an electromagnetic field in the magnetic circuit of an electric machine, and if its rotor is stationary, the structure corresponds to a coil with an armored magnetic circuit design. All of these variations are based on a different number of degrees of freedom.

Развитием трансформаторов пространственной конструкции стало появление трансформаторов и реакторов с вращающимся магнитным полем, обладающих симметричной магнитной системой и синусоидальным током, потребляемым из сети. Их конструкция в основном аналогична электрическим машинам переменного тока с заторможенным ротором и пространственно-распределенной трехфазной первичной обмоткой, обладающей круговой симметрией. В трансформаторах с вращающимся магнитным полем (ТВМП), как правило, используются наработки, разработанные в теории электромашинных преобразователей в части формирования первичной трехфазной (многофазной) сетевой обмотки.The development of transformers of spatial design was the emergence of transformers and reactors with a rotating magnetic field, having a symmetrical magnetic system and sinusoidal current consumed from the network. Their design is basically similar to AC electric machines with a locked rotor and a spatially distributed three-phase primary winding with circular symmetry. In transformers with a rotating magnetic field (TVMP), as a rule, the developments developed in the theory of electrical machine converters regarding the formation of a primary three-phase (multiphase) network winding are used.

Как известно, первичная трехфазная обмотка ТВМП создает вращающееся магнитное поле, так что закон изменения трехфазных токов в фазах обмотки определяет пространственное распределение во времени намагничивающих сил, при этом электромагнитное поле не пульсирует - а перемещается в пространстве, численное же его значение постоянно и является подобным постоянному магнитному полю.As is known, the primary three-phase winding of the TWMP creates a rotating magnetic field, so that the law of change of three-phase currents in the phases of the winding determines the spatial distribution of magnetizing forces in time, while the electromagnetic field does not pulsate - it moves in space, its numerical value is constant and is similar to a constant magnetic field.

При этом отсутствие изменения потокосцеплений контуров не позволяет плавно регулировать выходную частоту, как следствие снижения степени свободы системы (заторможенный ротор).In this case, the absence of a change in the flux linkages of the circuits does not allow smoothly regulating the output frequency, as a result of reducing the degree of freedom of the system (a locked rotor).

В отличие от ферромагнитных умножителей частоты, где в пульсирующем магнитном потоке выделяются высшие (чаще всего третья) гармоники с крайне низкой эффективностью, предлагаемый умножитель частоты отличает лучшие габариты и энергетические параметры.Unlike 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 dimensions and energy parameters.

В известных из уровня техники решениях с однослойными концентрическими обмотками наблюдается крайне нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, таким образом, что практически весь магнитный поток сосредотачивается в очередном зубце. При этом ЭДС катушек вторичной обмотки, установленных на отдельных зубцах, имеет прерывистый циклический характер, как это реализовано в основном прототипе. Через отрезок времени, равный периоду частоты питающей сети (20 миллисекунд при 50 Гц), последовательность импульсов по зубцам повторяется. Таким образом, длительность импульсов на выходе катушек составляет только часть от периода питающей сети, и повторяется дважды с разной полярностью на его протяжении.In prior art solutions with single-layer concentric windings, an extremely non-linear 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 the next tooth. In this case, the EMF of the secondary winding coils mounted on individual teeth has an intermittent cyclic nature, as is realized in the main prototype. After a period of time equal to the period of the supply network frequency (20 milliseconds at 50 Hz), the pulse train along the teeth repeats. Thus, the pulse duration at the output of the coils is only part of the period of the supply network, and is repeated twice with different polarity along its length.

Последовательность импульсов повторяется от одной катушки к другой со сдвигом, таким образом, что каждому интервалу времени соответствует определенная катушка, в которой на данном интервале наводится ЭДС. Очевидно, что сумма всех интервалов полуволн обеих полярностей равняется периоду питающей сети. Используя полуволны ЭДС повышенной частоты на выходе катушек вторичной обмотки, коммутируя их в последовательной очередности, такие решения формируют непрерывное выходное напряжение повышенной частоты.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 EMF is induced in this interval. Obviously, the sum of all half-wave intervals of both polarities is equal to the period of the supply network. Using high-frequency emf half-waves at the output of the secondary winding coils, commuting them in sequential order, such solutions form a continuous high-frequency output voltage.

К недостаткам таких решений можно отнести низкий коэффициент использования катушек вторичной обмотки - возрастающий при увеличении коэффициента умножения. Это объясняется тем, что большую часть периода питающей сети любой из вторичных катушек отсутствует ЭДС. Кроме того, для снижения потерь от последовательного включения катушек, и их взаимодействия с первичной обмоткой, используется полупроводниковый коммутатор для формирования непрерывной последовательности полуволн напряжения на выходе.The disadvantages of such solutions include the low utilization rate of the secondary winding coils - increasing with increasing multiplication factor. This is because most of the period of the supply network of any of the secondary coils lacks EMF. In addition, to reduce losses from the series connection of the coils, and their interaction with the primary winding, a semiconductor switch is used to form a continuous sequence of half-waves of output voltage.

Решение, выбранное за основной прототип, позволяет сформировать непрерывную последовательность полуволн повышенной частоты, однако требует для своей реализации громоздкой трехслойной обмотки (три слоя концентрических многополюсных обмоток), и не позволяет сформировать трехфазное напряжение на выходе, что ограничивает область применения. Главным недостатком прототипа является невозможность реализации четных коэффициентов умножения частоты без применения полупроводникового коммутатора, а также громоздкая первичная обмотка, с большим уровнем вложенности катушек.The solution chosen for the main prototype allows us to form a continuous sequence of half-waves of increased frequency, but it requires a bulky three-layer winding (three layers of concentric multipolar windings) for its implementation, and it does not allow forming a three-phase output voltage, which limits the scope. The main disadvantage of the prototype is the inability to implement even frequency multiplication coefficients without the use of a semiconductor switch, as well as a cumbersome primary winding, with a high level of nesting coils.

На фиг. 1 изображена схема магнитопровода опытного образца трансформатора с пространственной конструкцией, состоящего из наружной (аналог статора) и внутренней части (ротор), собираемый в единую конструкцию. На фиг. 2 изображена схема наружной (статор) части магнитопровода опытного образца умножителя, на фиг. 3 изображена схема внутренней (ротор) части, вставляемой в статор. Все вместе, наружная и внутренняя часть образуют конструктив магнитопровода, в пазы которого укладывается первичная петлевая трехфазная обмотка, на зубцах внутренней части - катушки вторичной обмотки.In FIG. 1 shows a diagram of the magnetic circuit of a prototype transformer with a spatial structure, consisting of the outer (analogue of the stator) and inner part (rotor) assembled into a single structure. In FIG. 2 shows a diagram of the outer (stator) part of the magnetic circuit of the prototype of the multiplier, FIG. 3 shows a diagram of the inner (rotor) part inserted into the stator. All together, the outer and inner part form the magnetic circuit construct, in the grooves of which the primary loop three-phase winding is laid, on the teeth of the inner part - the secondary winding coil.

На фиг. 4 схематично изображена первичная обмотка заявляемого умножителя частоты, причем полярность включения катушек в катушечных группах является инверсной. На фиг. 5 изображена схема включения катушек вторичной обмотки, соединяемых последовательно и формирующих три фазы выходного напряжения.In FIG. 4 schematically shows the primary winding of the inventive frequency multiplier, and the polarity of the inclusion of coils in the coil groups is inverse. In FIG. 5 shows a diagram of the inclusion of secondary coils connected in series and forming three phases of the output voltage.

Отличие предлагаемого решения от основного прототипа заключается в использовании двухслойной петлевой обмотки с инвертированием включения катушек, формирующей многополюсное магнитное поле. При этом выходное напряжение получается из последовательно включенных зубцовых катушек, что в совокупном результате обеспечивает симметричное трехфазное выходное напряжение повышенной частоты.The difference between the proposed solution and the main prototype is the use of a two-layer loop winding with inverting the inclusion of coils, forming a multi-pole magnetic field. In this case, the output voltage is obtained from serially connected gear coils, which in the aggregate result provides a symmetrical three-phase output voltage of increased frequency.

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

выходное напряжение повышенной частоты формируется расщеплением магнитного потока в каждом полюсном делении на разноименные полюса за счет встречного включения катушек в катушечных группах;the output voltage of increased frequency is formed by splitting the magnetic flux in each pole division into opposite poles due to the counter inclusion of the coils in the coil groups;

в отличие от прототипа, предлагаемое решение позволяет получить напряжение частотой 400 Гц при 50 Гц в питающей сети, то есть реализует четные коэффициенты умножения;unlike the prototype, the proposed solution allows you to get a voltage of 400 Hz at 50 Hz in the supply network, that is, it implements even multiplication factors;

для формирования непрерывного выходного напряжения четной частоты не требуется полупроводниковый коммутатор;to form a continuous output voltage of even frequency, a semiconductor switch is not required;

возможно получение симметричного трехфазного выходного напряжения, поскольку последовательное соединение катушек в фазах вторичной обмотки компенсирует разность амплитуд напряжения в каждой из них.it is possible to obtain a symmetric three-phase output voltage, since the series connection of the coils in the phases of the secondary winding compensates for the difference in voltage amplitudes in each of them.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - эффективному умножению частоты выходного напряжения в четное число раз, упрощению конструкции обмоток трансформатора, улучшению массы и габаритов, возможности получения симметричного трехфазного выходного напряжения.Thus, the set of essential features of the invention leads to a new technical result - efficiently multiplying the frequency of the output voltage by an even number of times, simplifying the design of the transformer windings, improving the mass and dimensions, and the possibility of obtaining a symmetrical three-phase output voltage.

Краткое описание чертежей. На фиг. 1 изображена схема магнитопровода опытного образца умножителя частоты в собранном виде. На фиг. 2 изображена схема внешней магнитопровода опытного образца умножителя частоты. На фиг. 3 изображена схема внутренней части магнитопровода опытного образца умножителя частоты. На фиг. 4 изображена схема соединения катушечных групп первичной обмотки. На фиг. 5 изображена схема включения катушек вторичной обмотки.A brief description of the drawings. In FIG. 1 shows an assembled magnetic circuit of a prototype of a frequency multiplier. In FIG. 2 shows a diagram of an external magnetic circuit of a prototype frequency multiplier. In FIG. 3 shows a diagram of the inner part of the magnetic circuit of a prototype frequency multiplier. In FIG. 4 shows a connection diagram of the coil groups of the primary winding. In FIG. 5 shows a diagram of the inclusion of coils of the secondary winding.

Claims (1)

Умножитель частоты на базе трансформатора с пространственной конструкцией, представляющий собой цилиндрический магнитопровод по типу статора электрической машины, в пазах которого уложены рабочие обмотки, и отличающийся тем, что первичная петлевая обмотка выполняется двухслойной, с чередованием полярности включения катушек, а вторичная обмотка выполняется концентрированной катушечной, при этом катушки упомянутой вторичной обмотки соединяются последовательно с чередующейся полярностью включения.A frequency multiplier based on a transformer with a spatial design, which is a cylindrical magnetic circuit similar to the stator of an electric machine, in the grooves of which the working windings are laid, and characterized in that the primary loop winding is double-layer, alternating the polarity of the switching on of the coils, and the secondary winding is performed by a concentrated coil, wherein the coils of said secondary winding are connected in series with alternating switching polarity.

Images