RU2592864C2 - Method for multiplication of frequency and device therefor - Google Patents
Method for multiplication of frequency and device therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2592864C2 RU2592864C2 RU2015109388/07A RU2015109388A RU2592864C2 RU 2592864 C2 RU2592864 C2 RU 2592864C2 RU 2015109388/07 A RU2015109388/07 A RU 2015109388/07A RU 2015109388 A RU2015109388 A RU 2015109388A RU 2592864 C2 RU2592864 C2 RU 2592864C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- multiplication
- coils
- winding
- output voltage
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Ac-Ac Conversion (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к силовой электротехнике и может быть использовано для питания систем автоматики и электродвигателей с повышенной частотой вращения, а также систем индукционного нагрева.The invention 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 техникиState of the art
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.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 ферромагнитное умножение 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]. В основу данного способа умножения частоты положено явление генерирования высших гармонических составляющих напряжения при питании цепей, содержащих нелинейные ферромагнитные сердечники, от источника синусоидального напряжения. Для выделения высшей гармоники индукции трансформатора с вращающимся магнитным полем задают число пар полюсов первичной обмотки (обычно p=1), выбирают обмоточные коэффициенты обмоток и число пар полюсов вторичной обмотки, таким образом, что пространственный период выделяемой высшей гармоники должен совпадать с удвоенным полюсным делением вторичной обмотки. Конструкция умножителя частоты, реализующего данный способ, и предназначенного 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 is ferromagnetic frequency multiplication 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 frequency multiplication method is based on the phenomenon of generating higher harmonic voltage components when powering circuits containing nonlinear ferromagnetic cores from a sinusoidal voltage source. To distinguish the higher harmonics of induction of a transformer with a rotating magnetic field, specify the number of pairs of poles of the primary winding (usually p = 1), choose the winding coefficients of the windings and the number of pairs of poles of the secondary winding, so that the spatial period of the emitted higher harmonics should coincide with the doubled pole division of the secondary windings. The design of a frequency multiplier that implements this method, and designed to convert a three-phase voltage of one 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: the 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 изобретенияDisclosure of invention
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 in a 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.
Тем не менее, потребность в простых конструктивно, надежных и не требующих обслуживания умножителях частоты объективно существует. Главным условием в данном случае становится эффективность и массогабаритные 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 образом.Nevertheless, the need for simple structurally, reliable and maintenance-free frequency multipliers objectively exists. The main condition in this case is the effectiveness and overall dimensions. 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 frequency multiplication method, 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 систему с одной степенью свободы (с точки зрения распределения магнитного потока): рабочий магнитный поток протекает в одной плоскости, не меняя своего положения; переменная составляющая тока первичной обмотки заключается в изменении (пульсировании) 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 of 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 system with one degree of freedom (from the point of view of the distribution of magnetic flux): the working magnetic flux flows in one plane without changing its position; the alternating component of the primary winding current consists in changing (pulsating) the induction value in the cores of the magnetic circuit.
Обратимся к эволюции математической модели обобщенной электрической машины, частным случаем которой является индуктивный преобразователь переменного тока (трансформатор). Простейшим состоянием электромагнитного поля является пульсирующее поле неподвижной одиночной катушки; следующая ступень - круговое поле однофазной электрической машины, при этом, если ее ротор неподвижен - конструкция соответствует катушке с броневой конструкцией магнитопровода; далее следует вращающееся магнитное поле - образованное m-фазной системой ЭДС. В основе всех этих вариаций лежит разное число степеней свободы.Let us turn to the evolution of the mathematical model of a generalized electric machine, a special case of which is an inductive AC converter (transformer). The simplest state of an electromagnetic field is the pulsating field of a stationary single coil; the next step is the circular field of a single-phase electric machine, and if its rotor is stationary, the structure corresponds to a coil with an armored magnetic circuit design; then follows a rotating magnetic field - formed by the m-phase EMF system. All of these variations are based on a different number of degrees of freedom.
Развитием конструкции трансформаторов 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.The development of the design of transformers was the emergence of transformers and reactors with a rotating magnetic field, with 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.
Последнее время было ознаменовано промышленным внедрением мощных трансформаторов ТВМП, в частности заводом «Электросила». Их использование было обусловлено как технологическими соображениями производства, так и возможностью конструктивного сдвига фаз напряжения на вторичных обмотках.Recently, it was marked by the industrial introduction of powerful transformers TVMP, in particular, the Electrosila plant. Their use was due to both technological considerations of production and the possibility of a constructive phase shift of the voltage on the secondary windings.
До сих пор существует недопонимание физической сущности трансформаторов ТВМП, а именно - наличия дополнительной степени свободы. Трансформатор ТВМП является аналогом многофазной электрической машиной с заторможенным ротором. Отсутствие механического перемещения приводит к снижению степеней свободы, и как следствие - к упрощению математической модели и уменьшению числа уравнений, описывающих систему. Тем не менее, число степеней свободы больше, чем в трансформаторах с пульсирующим магнитным полем, где нет пространственного перемещения магнитного потока, который описывается законами изменения во времени мгновенного значения индукции.There is still a misunderstanding of the physical nature of TVMP transformers, namely the presence of an additional degree of freedom. The TVMP transformer is an analog of a multiphase electric machine with a locked rotor. The absence of mechanical displacement leads to a decrease in the degrees of freedom, and as a result, to a simplification of the mathematical model and a decrease in the number of equations describing the system. Nevertheless, the number of degrees of freedom is greater than in transformers with a pulsating magnetic field, where there is no spatial movement of the magnetic flux, which is described by the laws of change in time of the instantaneous value of the induction.
Обратимся к физическому смыслу вращающегося магнитного поля. 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. Сохраняется аналогия с электромеханическими преобразователями электроэнергии и пространственное перемещение суммарного магнитного поля трехфазной первичной обмотки, на основании чего можно сделать вывод о возможности преобразования частоты ЭДС вторичной обмотки.Let us turn to the physical meaning of a rotating magnetic field. 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. The analogy with the electromechanical converters of electric power and the spatial displacement of the total magnetic field of the three-phase primary winding are preserved, on the basis of which it can be concluded that the frequency of the EMF frequency of the secondary winding can be converted.
При этом отсутствие изменения потокосцеплений контуров не позволяет плавно регулировать выходную частоту, как следствие снижения степени свободы системы. Тем не менее, очевидна теоретическая возможность умножения частоты выходного напряжения в фиксированное количество раз.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. Nevertheless, the theoretical possibility of multiplying the frequency of the output voltage by a fixed number of times is obvious.
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 способ умножения частоты на базе ТВМП 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 method of frequency multiplication based on TVMP distinguishes 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 близка синусоидальной.Thus, the duration of the pulses at the output of the coils is only a fraction of the period of the supply network and is repeated twice with different polarity along its length, and the shape of the pulses is close to sinusoidal.
Последовательность импульсов повторяется от одной катушки к другой со сдвигом, таким образом, что каждому интервалу времени соответствует определенная катушка, в которой в течение его наводится ЭДС (фигура 4). 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 интервалов всех 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 EMF is induced during it (figure 4). 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. It is obvious that the sum of the intervals of all half-waves in the coils of the secondary winding is equal to the period of the supply network.
Такой вариант соответствует варианту первичной обмотки с числом полюсов 2p=2, но нет никаких принципиальных отличий для случая с большим числом пар полюсов. Возможно увеличение числа полюсов при пропорциональном увеличении числа зубцов трансформатора, и количества катушек вторичной обмотки. Так же как и при двухполюсном варианте, будет наблюдаться чередование полуволн положительной и отрицательной полярности на выходе катушек вторичной обмотки, через промежутки, равные половине периода питающей сети.This option corresponds to the variant of the primary winding with the number of poles 2p = 2, but there are no fundamental differences for the case with a large number of pole pairs. Possible increase in the number of poles with a proportional increase in the number of teeth of the transformer, and the number of coils of the secondary winding. As with the bipolar version, alternating half waves of positive and negative polarity will be observed at the output of the secondary winding coils, at intervals equal to half 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, что и составляет суть заявляемого способа умножения частоты.Using half-waves of EMF of increased frequency at the output of the secondary winding coils, commuting them in sequential order, it is possible to form a continuous output voltage of increased frequency, which is the essence of the proposed method of frequency multiplication.
В ходе опытов был изготовлен образец умножителя частоты в шесть раз. В качестве магнитопровода по технологическим соображениям был выбран вариант с 36 зубцами, при этом число полюсов составило 2p=6, и каждой паре полюсов соответствует 12 зубцов и катушек вторичной обмотки, принципиальная схема обмотки представлена на фигуре 2. Каждая пара полюсов формирует последовательность из 6 полуволн положительной, и 6 полуволн отрицательной полярности, наводимых в катушках вторичной обмотки. Интервалы полуволн соответствует коэффициенту умножения в 6 раз (1,67 миллисекунд при частоте питающей сети 50 Гц). Циклическая последовательность формируется 12 катушками, установленными на 12 зубцах магнитопровода, при этом в каждой катушке за период питающей сети наводятся две полуволны - положительной и отрицательной полярности ЭДС. Таким образом, катушки разбиваются на пары, сдвинутые относительно друг друга на 6 зубцов, при этом их временные интервалы совпадают при обратной полярности полуволн. Данная последовательность наглядно представлена в таблице 1, где показаны временные интервалы катушек, и полярность наведенной ЭДС. Таблица отображает только первые 12 катушек вторичной обмотки, чередование катушек повторяется через 12 зубцов. В опытном образце при 2p=6 и 36 зубцах катушки, имеющие одинаковый временной интервал работы и полярность, соединяются последовательно для получения максимальной ЭДС на выходе.In the course of the experiments, a sample of the frequency multiplier was made six times. For technological reasons, the option with 36 teeth was chosen as the magnetic circuit, with the number of poles being 2p = 6, and each pair of poles corresponding to 12 teeth and coils of the secondary winding, the circuit diagram of the winding is shown in Figure 2. Each pair of poles forms a sequence of 6 half-waves positive, and 6 half-waves of negative polarity induced in the coils of the secondary winding. Half-wave intervals correspond to a factor of 6 times (1.67 milliseconds at a mains frequency of 50 Hz). A cyclic sequence is formed by 12 coils mounted on 12 teeth of the magnetic circuit, with two half-waves being induced in each coil during the supply network period, the positive and negative EMF polarity. Thus, the coils are divided into pairs, shifted relative to each other by 6 teeth, while their time intervals coincide with the opposite polarity of the half-waves. This sequence is graphically presented in table 1, which shows the time intervals of the coils, and the polarity of the induced emf. The table displays only the first 12 coils of the secondary winding, the alternation of the coils is repeated after 12 teeth. In a prototype with 2p = 6 and 36 teeth, coils having the same time interval of operation and polarity are connected in series to obtain the maximum emf at the output.
Функциональная схема умножителя частоты представлена на фигуре 3, а схема наводимой в двух смежных катушках вторичной обмотки ЭДС отображена на фигуре 4. Выходы катушек вторичной обмотки трансформатора подсоединяются к полупроводниковому коммутатору, обеспечивающему необходимую последовательность подключения катушек к выходу умножителя. При этом важное для практического применения значение имеет количество полупроводниковых ключей, задействованных в коммутаторе. В случае использования реверсивного коммутатора, обе полуволны каждой катушки будут использоваться для формирования последовательности выходного напряжения, но это потребует большего числа полупроводниковых ключей. С целью снижения числа ключей коммутатора от каждой катушки используется полуволна только одной полярности, положительной либо отрицательной. Это позволяет отказаться от реверсивности коммутатора, и упростить его.Functional diagram of the frequency multiplier is shown in figure 3, and the circuit induced in two adjacent coils of the secondary winding of the EMF is shown in figure 4. The outputs of the coils of the secondary winding of the transformer are connected to a semiconductor switch that provides the necessary sequence of connecting the coils to the output of the multiplier. At the same time, the number of semiconductor switches involved in the switch is important for practical application. In the case of using a reversible switch, both half-waves of each coil will be used to form a sequence of output voltage, but this will require a larger number of semiconductor switches. In order to reduce the number of switch keys from each coil, a half-wave of only one polarity is used, positive or negative. This allows you to abandon the reversibility of the switch, and simplify it.
Последовательность работы коммутатора наглядно представлена в таблице 2. Из нее следует, что 12 полуволнам выходного напряжения повышенной частоты (6 положительным и 6 отрицательным) соответствует 12 катушек вторичной обмотки, каждая из которых задействуется только один раз на периоде повторяемости.The sequence of operation of the switch is graphically presented in Table 2. From it it follows that 12 half-waves of the output voltage of increased frequency (6 positive and 6 negative) correspond to 12 coils of the secondary winding, each of which is activated only once during the repeatability period.
В таблице 2 серым цветом отображены неиспользуемые полуволны полярности, черным - используемые. Коммутация катушек производится коммутатором 2 по сигналам блока управления 3 (фигура 3), блок управления получает сигнал синхронизации с одной из вторичных обмоток трансформатора с вращающимся магнитным полем 1 для соответствия сигналов управления фазе питающей сети. Использование указанной в таблице 2 последовательности позволяет реализовать неуправляемый коммутатор на диодах, в таком случае все катушки соединяются одним выводом к первой общей точке, а второй вывод всех катушек подключается через диод (в полярности включения, соответствующей таблице 2) со второй общей точкой, две общие точки образуют выход умножителя частоты.In table 2, gray unused polarity half-waves are displayed in gray, and used ones in black. The coils are switched by the
Выход в случае управляемого коммутатора подключается к пассивному фильтру, реализующему защиту нагрузки от коммутационных выбросов напряжения и для дополнительного улучшения синусоидальности формы выходного напряжения. Опыты показали, что уровень искажения синусоидальности напряжения без фильтра составляет от 3% до 8%, что укладывается в нормы стандартов (менее 8%) но может потребовать коррекции при питании некоторых потребителей.The output in the case of a managed switch is connected to a passive filter that implements load protection from switching voltage surges and to further improve the sinusoidal shape of the output voltage. The experiments showed that the distortion level of the sinusoidal voltage without a filter is from 3% to 8%, which fits into the standards (less than 8%) but may require correction when feeding some consumers.
Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в использовании дополнительной степени свободы 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 of the proposed method from the prototype is to use an additional degree of freedom of the 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 taken 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:
- выходное напряжение повышенной частоты формируется за счет использования дополнительной степени свободы трансформатора с вращающимся полем, имеющего пространственную конструкцию с зубцами;- the output voltage of increased frequency is formed through the use of an additional degree of freedom of the transformer with a rotating field having a spatial structure with teeth;
- за счет первичной трехфазной обмотки достигается предельно нелинейная картина распределения магнитного поля по зубцам магнитопровода, с концентрированием магнитного потока в отдельных зубцах, благодаря чему практически весь магнитный поток первичной обмотки участвует в создании выходного напряжения повышенной частоты, что определяет высокую эффективность предлагаемого решения;- due to the primary three-phase winding, an extremely non-linear picture of the distribution of the magnetic field along the teeth of the magnetic circuit is achieved, with the magnetic flux being concentrated in individual teeth, due to which almost the entire magnetic flux of the primary winding is involved in creating an output voltage of increased frequency, which determines the high efficiency of the proposed solution;
- предлагаемый способ позволяет реализовать различные коэффициенты умножения частоты, вплоть до 10 раз, что позволяет получить частоту 400 Гц, востребованную в технике;- the proposed method allows you to implement various coefficients of frequency multiplication, up to 10 times, which allows you to get a frequency of 400 Hz, which is in demand in technology;
- каждая катушка вторичной обмотки задействована в течение только части периода питающего напряжения, длительность которого зависит от коэффициента умножения частоты, и в определенный момент времени, определяемый порядковым номером катушки в последовательности;- each secondary coil is engaged for only part of the supply voltage period, the duration of which depends on the frequency multiplier, and at a certain point in time, determined by the serial number of the coil in the sequence;
- полуволны напряжения повышенной частоты, имеющие положительную и отрицательную полярность, коммутируются таким образом, что образуют непрерывную последовательность повышенной частоты.- half-waves of voltage of high frequency having a positive and negative polarity are switched in such a way that they form a continuous sequence of high frequency.
Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - эффективному умножению частоты выходного напряжения, упрощению конструкции трансформатора, увеличению коэффициента полезного действия. 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 - effective multiplication of the frequency of the output voltage, simplifying the design of the transformer, increasing the efficiency. The design of the transformer is suitable for automatic winding, which allows us to talk about the high adaptability of the proposed solution.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фигуре 1 изображена осциллограмма напряжения катушки, установленной на одном из зубцов опытного образца умножителя частоты. На фигуре 2 изображена схема первичной трехфазной обмотки опытного образца умножителя частоты. На фигуре 3 изображена функциональная схема умножителя частоты. Здесь 1 - трансформатор с вращающимся магнитным полем, 2 - полупроводниковый коммутатор, 3 - блок управления полупроводниковым коммутатором, 4 - LC-фильтр выходного напряжения. На фигуре 4 изображен график ЭДС двух смежных катушек умножителя частоты. На фигуре 5 изображена осциллограмма выходного напряжения опытного образца умножителя частоты.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 diagram of the primary three-phase winding of a prototype frequency multiplier. The figure 3 shows a functional diagram of a frequency multiplier. Here 1 is a transformer with a rotating magnetic field, 2 is a semiconductor switch, 3 is a control unit for a semiconductor switch, 4 is an output voltage LC filter. The figure 4 shows a graph of the EMF of two adjacent coils of the frequency multiplier. The figure 5 shows the waveform of the output voltage of the prototype of the frequency multiplier.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015109388/07A RU2592864C2 (en) | 2015-03-17 | 2015-03-17 | Method for multiplication of frequency and device therefor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015109388/07A RU2592864C2 (en) | 2015-03-17 | 2015-03-17 | Method for multiplication of frequency and device therefor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015109388A RU2015109388A (en) | 2015-10-10 |
| RU2592864C2 true RU2592864C2 (en) | 2016-07-27 |
Family
ID=54289458
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015109388/07A RU2592864C2 (en) | 2015-03-17 | 2015-03-17 | Method for multiplication of frequency and device therefor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2592864C2 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4390941A (en) * | 1979-04-04 | 1983-06-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Static magnetic frequency multiplies |
| RU2305339C1 (en) * | 2005-11-17 | 2007-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Машиностроительное предприятие "Звездочка" | Multiphase transformer |
| RU2525298C2 (en) * | 2012-10-23 | 2014-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли | Transformer with three-phase and circular windings |
-
2015
- 2015-03-17 RU RU2015109388/07A patent/RU2592864C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4390941A (en) * | 1979-04-04 | 1983-06-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Static magnetic frequency multiplies |
| RU2305339C1 (en) * | 2005-11-17 | 2007-08-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Машиностроительное предприятие "Звездочка" | Multiphase transformer |
| RU2525298C2 (en) * | 2012-10-23 | 2014-08-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли | Transformer with three-phase and circular windings |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2015109388A (en) | 2015-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6833167B2 (en) | Axial magnetic field rotation generator, electronic circuit, power generation method, electricity, wind turbine, axial magnetic field rotation generator design method | |
| EP2320542A2 (en) | Brushless high-frequency alternator and excitation method for DC, single-phase and multi-phase AC power-frequency generation | |
| Liu et al. | A family of vernier permanent magnet machines utilizing an alternating rotor leakage flux blocking design | |
| CN102971944A (en) | Electrical machines | |
| JP2015509697A (en) | Synchronous electrical machine | |
| RU2437201C1 (en) | Non-contact electric machine with axial excitation | |
| RU2719685C1 (en) | Electric motor stator | |
| RU2407135C2 (en) | Contactless reducer electromagnetic machine | |
| RU2631832C1 (en) | Frequency transformer | |
| Kataoka et al. | Design of high torque PM vernier motor | |
| RU2592864C2 (en) | Method for multiplication of frequency and device therefor | |
| RU155108U1 (en) | NINE-FREQUENCY FREQUENCY FREQUENCY | |
| RU2700658C2 (en) | Frequency multiplier with rotating field | |
| RU2095923C1 (en) | Synchronous electric motor with integral multifunctional exciter without brushes | |
| RU185167U1 (en) | FREQUENCY FREQUENCY | |
| Kataoka et al. | Design of surface permanent magnet-type vernier motor using Halbach array magnet | |
| CN203445712U (en) | Transformer-type alternating-current generator | |
| RU2392723C1 (en) | Contactless reductor magnetoelectric machine with pole geared inductor | |
| RU175895U9 (en) | RING WINDING ANCHOR ELECTRIC MACHINE | |
| RU175549U1 (en) | High speed electromechanical energy converter | |
| JP5521430B2 (en) | Reactor arrangement structure of power converter | |
| RU84163U1 (en) | CONTROLLED CURRENT LIMITING REACTOR (OPTIONS) | |
| US5717586A (en) | Single winding power converter | |
| CN103326484A (en) | Transformer type alternating-current generator | |
| RU2436221C1 (en) | Contactless magnetoelectric machine with axial excitation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190318 |