RU2631832C1 - Frequency transformer - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: output voltage is created by a continuous alternation of magnetic flux poles in the teeth and is removed from the counter-series coils of the secondary winding. The frequency of the output voltage is multiplied by repeatedly alternating the poles of the magnetic flux during the half-wave period of the supply network.

EFFECT: increase in the efficiency due to the use of an additional freedom degree of the transformer structure with a rotating magnetic field and due to the sharply nonlinear distribution created by the primary three-phase winding of the magnetic flux.

7 dwg, 1 tbl

Description

Область техники, к которой относится изобретение. The technical field to which the invention relates.

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 техники. The level of technology.

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 совмещенная 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 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. Данное решение является наиболее близким по своей технической сущности прототипом к предлагаемому изобретению.Also known is a nine-fold frequency multiplier [patent for a 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. This solution is the closest in its technical essence to the prototype of the invention.

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.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.

Раскрытие изобретения.Disclosure of the invention.

Ряд потребителей (например, гироскопы, установки индукционного нагрева, системы автоматики) требуют для своего питания повышенной частоты, получаемой разного рода преобразователями частоты. В настоящее время идет отказ от использования электромашинных преобразователей частоты, в целях улучшения эксплуатационных характеристик и повышения надежности работы. Тем не менее, практика показала, что отечественные статические преобразователи частоты не всегда имеют малые массогабариты и не обеспечивают заявленного уровня надежности при работе.A number of consumers (for example, gyroscopes, induction heating installations, automation systems) require high frequency for their power supply, obtained by various frequency converters. Currently, there is a refusal to use electric machine frequency converters in order to improve operational characteristics and increase reliability. Nevertheless, practice has shown that domestic static frequency converters do not always have small mass dimensions and do not provide the declared level of reliability during operation.

Известны различные конструкции специальных трансформаторов для преобразования параметров электрической энергии, к которым относятся ферромагнитные умножители частоты, принцип действия которых основан на выделении нужной гармоники с помощью различного рода комбинаций соединения вторичных обмоток и в некоторых случаях резонансных контуров.There are various designs of special transformers for converting electrical energy parameters, which include ferromagnetic frequency multipliers, the principle of operation 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.

Главным параметром подобных умножителей является коэффициент умножения частоты, который однозначно привязан к частоте питающей сети и прямо пропорционален ей. Наиболее известной и простой схемой умножения является трехкратный ферромагнитный умножитель частоты (фигура 1). Его отличает простота схемотехники, требуется использовать три однофазных трансформатора. Включение первичных обмоток однофазных трансформаторов по схеме типа "звезда" с питанием от трехфазной сети приводит к появлению третьей гармоники в составе магнитного потока. Вторичные обмотки трансформаторов включаются последовательно - таким образом, происходит выделение третьей гармоники магнитного потока за счет компенсации основной частоты (сумма ЭДС трехфазной системы всегда равна нулю) в симметричной системе.The main parameter of such multipliers is the frequency multiplier, which is uniquely tied to the frequency of the mains and is directly proportional to it. The most famous and simplest multiplication scheme is a triple ferromagnetic frequency multiplier (figure 1). It is distinguished by the simplicity of circuitry, it is required to use three single-phase transformers. The inclusion of the primary windings of single-phase transformers according to a star-type circuit powered by a three-phase network leads to the appearance of a third harmonic in the composition of the magnetic flux. The secondary windings of the transformers are connected in series - thus, the third harmonic of the magnetic flux is extracted due to compensation of the fundamental frequency (the sum of the EMF of a three-phase system is always zero) in a symmetric system.

Однако, несмотря на кажущуюся простоту решения, подобные умножители не нашли промышленного применения, хотя пути подобного внедрения рассматривались. Причина этого кроется не в коэффициенте умножения частоты, а в их низкой эффективности. Осциллограмма напряжений подобного ферромагнитного умножителя частоты представлена на фигуре 2. Напряжение на выходе трансформатора практически полностью определяется гармоническим составом магнитного потока, спектр выходной ЭДС показан на фигуре 3.However, despite the apparent simplicity of the solution, such multipliers did not find industrial application, although the ways of such implementation were considered. The reason for this lies not in the frequency multiplier, but in their low efficiency. The voltage waveform of such a ferromagnetic frequency multiplier is shown in figure 2. The voltage at the transformer output is almost completely determined by the harmonic composition of the magnetic flux, the spectrum of the output emf is shown in figure 3.

Очевидно, что использование компенсации напряжения в симметричной трехфазной схеме ведет к ухудшению соотношения числа витков на вольт. Подобную схему (симметричную самокомпенсацию) используют практически все ферромагнитные умножители частоты, что обусловило их низкую энергоэффективность и массогабариты. Разница между схемами только в способе возбуждения (увеличения) высших гармоник в магнитном потоке трансформатора и использовании трансформаторов пространственной конструкции.Obviously, the use of voltage compensation in a symmetric three-phase circuit leads to a deterioration in the ratio of the number of turns per volt. A similar scheme (symmetric self-compensation) is used by almost all ferromagnetic frequency multipliers, which led to their low energy efficiency and mass dimensions. The difference between the circuits is only in the method of excitation (increase) of higher harmonics in the magnetic flux of the transformer and the use of transformers of spatial design.

Результаты испытаний трехкратного умножителя частоты, собранного по классической схеме, приведены в таблице 1. Следует учесть, что выходное напряжение основной гармоники каждого трансформатора составляло около 13 вольт, а в сумме их - 39 вольт.The test results of a triple frequency multiplier assembled according to the classical scheme are shown in Table 1. It should be noted that the output voltage of the main harmonic of each transformer was about 13 volts, and a total of 39 volts.

Из таблицы 1 следует, что такой умножитель частоты характеризуется резко спадающей нагрузочной кривой. Мощность однофазных трансформаторов, которые были использованы в опыте, составляет 10 Вт каждый, или 30 Вт в сумме. В таком случае, можно ввести коэффициент использования мощности, который составил 0,0015 при нагрузке сопротивлением 10 кОм. Подобный опыт показывает, что эффективность ферромагнитных умножителей частоты имеет крайне низкое значение, что как минимум ведет к сильному увеличению массы и габаритов в случае силовых установок. Указанные недостатки умножителей частоты существенно ограничивают их промышленное применение.From table 1 it follows that such a frequency multiplier is characterized by a sharply falling load curve. The power of single-phase transformers that were used in the experiment is 10 W each, or 30 W in total. In this case, you can enter the power utilization factor, which amounted to 0.0015 with a load resistance of 10 kOhm. Such experience shows that the efficiency of ferromagnetic frequency multipliers is extremely low, which at least leads to a strong increase in mass and dimensions in the case of power plants. These disadvantages of frequency multipliers significantly limit their industrial application.

Последние десятилетия ознаменовались увеличением числа работ по тематике трансформатора с вращающимся магнитным полем. Данный вид трансформаторов отличается сложной пространственной конструкцией магнитопровода, со свойственной ей дополнительной степенью свободы. Это означает, что в отличие от трансформаторов с пульсирующим полем в них происходит пространственное перемещение магнитного потока, аналогичного магнитному полю постоянного магнита, без изменения его абсолютного значения.Recent decades have been marked by an increase in the number of works on the subject of a transformer with a rotating magnetic field. This type of transformer is characterized by a complex spatial design of the magnetic circuit, with an additional degree of freedom inherent in it. This means that, unlike transformers with a pulsating field, spatial movement of the magnetic flux similar to the magnetic field of a permanent magnet occurs in them without changing its absolute value.

Опытные работы авторов показали, что в ряде случаев магнитный поток трансформатора с вращающимся полем распределяется по его зубцовой структуре в значительной мере нелинейно, и возможна концентрация поля в отдельно взятом зубце (фигура 4).The experimental work of the authors showed that in some cases the magnetic flux of a transformer with a rotating field is distributed non-linearly along its tooth structure, and field concentration in a single tooth is possible (figure 4).

Процесс подобного перехода отличается скачкообразным характером, с крутыми фронтами - таким образом, что в любой отдельно взятый момент времени магнитный поток сконцентрирован только в одном текущем зубце. На протяжении интервала полупериода питающей сети магнитный поток проходит несколько зубцов, что определяет коэффициент умножения, пропорциональный уменьшению интервала полуволн.The process of such a transition is characterized by a spasmodic character, with steep fronts - in such a way that at any given moment in time the magnetic flux is concentrated in only one current tooth. Over the interval of the half-period of the supply network, the magnetic flux passes through several teeth, which determines the multiplication factor proportional to the decrease in the half-wave interval.

Определенным образом, коммутируя полуволны, снятые с катушек, установленных на отдельных зубцах, можно получить синусоидальное выходное напряжение повышенной частоты. Проведенные опыты показывают, что возможно обеспечить чередование полуволн разной полярности путем последовательного соединения катушек в определенной полярности. Однако к такому решению относится такой недостаток, как спадающая нагрузочная характеристика - по причине взаимодействия всех катушек последовательности при протекании по ним общего тока.In a certain way, switching half-waves taken from coils mounted on separate teeth, you can get a sinusoidal output voltage of high frequency. Our experiments show that it is possible to provide alternation of half-waves of different polarity by connecting the coils in a certain polarity in series. However, such a disadvantage as a falling load characteristic relates to such a solution because of the interaction of all the coils of the sequence when the total current flows through them.

Использование полностью управляемых ключей для коммутации полуволн в непрерывную последовательность лишает подобный умножитель частоты главного преимущества - отсутствия системы управления и разрыва кривой тока. Поэтому в решении, принятом за прототип, была использована идея диодного коммутатора. Принцип работы прост: формируются две цепочки последовательно соединенных катушек, одна из которых формирует отрицательную, а другая - положительную часть полуволн.The use of fully controllable keys for switching half-waves in a continuous sequence deprives such a frequency multiplier of its main advantage - the absence of a control system and a break in the current curve. Therefore, in the decision adopted as a prototype, the idea of a diode switch was used. The principle of operation is simple: two chains of serially connected coils are formed, one of which forms the negative, and the other forms the positive part of the half-waves.

Безусловно, в таком случае будет наблюдаться некоторое ухудшение массогабаритных показателей умножителя, приблизительно пропорциональное коэффициенту умножения по частоте. Верхний предел целесообразности применения таких умножителей можно обозначить значением 500 Гц.Of course, in this case, there will be some deterioration in the overall dimensions of the multiplier, approximately proportional to the frequency multiplication coefficient. The upper limit of the feasibility of using such multipliers can be indicated by a value of 500 Hz.

Дальнейшим развитием умножителей частоты на базе трансформатора с вращающимся полем может стать вариант "трансформатора частоты", в котором в каждой вторичной катушке наводится ЭДС повышенной частоты, представляющая непрерывную последовательность полуволн. В таком случае, катушки вторичной обмотки соединяются последовательно для получения требуемого уровня напряжения на выходе. Этот вариант требует особого включения первичной обмотки, с расщеплением магнитного потока полюса по зубцам, таким образом, что положительный и отрицательный полюсы магнитного потока непрерывно чередуются в каждом из них. Этого можно достичь за счет чередования полярности включения катушек в первичной концентрической обмотке. В этом случае произойдет чередование полярности магнитного потока по зубцам магнитопровода, и соответственно - формирование непрерывного переменного напряжения в катушках вторичной обмотки. Схема подобной первичной обмотки изображена на фигуре 5, где стрелками показано изменение полярности включения вложенных катушек в каждой катушечной группе.A further development of frequency multipliers based on a transformer with a rotating field may be the option of a "frequency transformer", in which a high-frequency emf representing a continuous sequence of half-waves is induced in each secondary coil. In this case, the coils of the secondary winding are connected in series to obtain the desired output voltage level. This option requires a special inclusion of the primary winding, with the splitting of the magnetic flux of the pole along the teeth, so that the positive and negative poles of the magnetic flux continuously alternate in each of them. This can be achieved by alternating the polarity of the inclusion of coils in the primary concentric winding. In this case, there will be an alternation of the polarity of the magnetic flux along the teeth of the magnetic circuit, and, accordingly, the formation of a continuous alternating voltage in the coils of the secondary winding. A diagram of such a primary winding is shown in figure 5, where the arrows show the change in the polarity of the inclusion of nested coils in each coil group.

Однако поле, формируемое такой первичной обмоткой, не будет равномерным по окружности магнитопровода. Значение амплитуды наводимого напряжения в катушках будет иметь биение с периодом, определяемым частотой питающей сети.However, the field formed by such a primary winding will not be uniform around the circumference of the magnetic circuit. The amplitude value of the induced voltage in the coils will have a runout with a period determined by the frequency of the supply network.

Устранить данный недостаток возможно с помощью многослойной первичной обмотки, состоящей из нескольких одинаковых концентрических обмоток, сдвинутых по окружности магнитопровода симметрично относительно друг друга (фигура 6). В этом случае произойдет выравнивание магнитных потоков в различных зубцах, и формирование равномерного непрерывного синусоидального напряжения в каждой катушке вторичной обмотки, без каких-либо существенных биений напряжения.This drawback can be eliminated with the help of a multilayer primary winding, consisting of several identical concentric windings, shifted around the circumference of the magnetic circuit symmetrically relative to each other (figure 6). In this case, the alignment of magnetic fluxes in various teeth will occur, and the formation of a uniform continuous sinusoidal voltage in each coil of the secondary winding, without any significant beating voltage.

На фигуре 7 изображена осциллограмма выходного напряжения такого умножителя частоты с тройной первичной концентрической обмоткой. Необходимо учитывать, что качество выходного напряжения и форма полуволн будут определяться многими параметрами, в том числе формой пазов и зубцов магнитопровода, наличием воздушного зазора.The figure 7 shows the waveform of the output voltage of such a frequency multiplier with a triple primary concentric winding. It should be borne in mind that the quality of the output voltage and the shape of the half-waves will be determined by many parameters, including the shape of the grooves and teeth of the magnetic circuit, the presence of an air gap.

Отличие предлагаемого умножителя частоты от прототипа заключается в использовании дополнительной степени свободы структуры трансформатора с вращающимся магнитным полем и создании непрерывного чередования полюсов магнитного потока в зубцах, что в результате обеспечивает эффективное умножение входной частоты без использования полупроводникового коммутатора.The difference between the proposed frequency multiplier and the prototype is to use an additional degree of freedom in the structure of the transformer with a rotating magnetic field and to create a continuous alternation of the poles of the magnetic flux in the teeth, which as a result provides effective multiplication of the input frequency without using a semiconductor switch.

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

- трансформатор с вращающимся магнитным полем имеет три первичных концентрических обмотки, симметрично сдвинутых относительно друг друга в пространстве и питаемых от трехфазной силовой сети с промышленной частотой;- a transformer with a rotating magnetic field has three primary concentric windings symmetrically shifted relative to each other in space and powered by a three-phase power network with an industrial frequency;

- непрерывная последовательность выходного напряжения повышенной частоты снимается с катушек вторичной обмотки;- a continuous sequence of output voltage of high frequency is removed from the coils of the secondary winding;

- катушки вторичной обмотки включаются последовательно-встречно относительного друг друга;- coils of the secondary winding are connected sequentially counter-relative to each other;

- не требуется полупроводниковый коммутатор для получения непрерывной последовательности полуволн чередующейся полярности выходного напряжения.- no semiconductor switch is required to obtain a continuous sequence of half-waves of alternating polarity of the output voltage.

Таким образом, совокупность существенных признаков изобретения приводит к новому техническому результату - увеличению надежности за счет отсутствия полупроводникового коммутатора, и как следствие, более высокой эффективности предложенного решения, в том числе улучшение массогабаритных показателей.Thus, the set of essential features of the invention leads to a new technical result - an increase in reliability due to the lack of a semiconductor switch, and as a result, higher efficiency of the proposed solution, including the improvement of overall dimensions.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема трехкратного ферромагнитного умножителя частоты. На фиг. 2 изображена осциллограмма напряжения трехкратного ферромагнитного умножителя частоты. Здесь 1 - напряжение одной фазы, 2 - суммарное напряжение на выходе умножителя. На фиг. 3 изображен спектральный состав магнитного потока трехкратного ферромагнитного умножителя частоты. На фиг. 4 изображена осциллограмма напряжения катушки, установленной на одном из зубцов умножителя частоты с концентрической обмоткой при согласном включении концентрических катушек. На фиг. 5 изображена схема взаимно-встречного включения катушек в группах первичной концентрической многофазной обмотки с числом полюсов, равным шести. На фиг. 6 изображена схема взаимного расположения трех первичных концентрических обмоток по пазам магнитопровода. На фиг. 7 - осциллограмма выходного напряжения трансформатора частоты.In FIG. 1 shows a schematic diagram of a triple ferromagnetic frequency multiplier. In FIG. 2 shows a voltage waveform of a triple ferromagnetic frequency multiplier. Here 1 is the voltage of one phase, 2 is the total voltage at the output of the multiplier. In FIG. 3 shows the spectral composition of the magnetic flux of a triple ferromagnetic frequency multiplier. In FIG. 4 shows a waveform of the voltage of the coil mounted on one of the teeth of the frequency multiplier with a concentric winding with the consent of the inclusion of concentric coils. In FIG. 5 shows a diagram of reciprocal switching on of coils in groups of a primary concentric multiphase winding with a number of poles equal to six. In FIG. 6 shows a diagram of the mutual arrangement of the three primary concentric windings along the grooves of the magnetic circuit. In FIG. 7 - waveform of the output voltage of the frequency transformer.

Claims (1)

Умножитель частоты на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем, представляющий собой цилиндрический магнитопровод, в пазах которого уложены первичные концентрические и вторичная рабочие обмотки, отличающийся тем, что упомянутые первичные обмотки симметрично смещены относительно друг друга, в каждой вложенной катушечной группе упомянутых концентрических обмоток чередуется полярность включения катушек, а вторичная обмотка выполняется концентрированной катушечной, при этом катушки упомянутой вторичной обмотки соединяются последовательно с чередующейся полярностью.A frequency multiplier based on a transformer with a rotating magnetic field, which is a cylindrical magnetic circuit, in the grooves of which the primary concentric and secondary working windings are stacked, characterized in that the said primary windings are symmetrically offset relative to each other, the switching polarity is alternated in each nested coil group of the said concentric windings coils, and the secondary winding is performed by a concentrated coil, while the coils of said secondary winding are connected sequentially with alternating polarity.

Images