преобразователь напряжения

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий магнитопровод, выполненный из двух сердечников с различной магнитной проницаемостью, на которых расположена первичная обмотка, вторичную обмотку, отличающийся тем, что один из сердечников выполнен из ненасыщающегося материала с линейной кривой намагничивания, другой из ненасыщающегося материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса, вторичная обмотка выполнена из двух скеций, соединенных согласно последовательно и расположенных на разных сердечниках.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и в частности к трансформаторостроению и может быть использовано для получения квазисинусоидальной формы выходного напряжения и уменьшению массы и габаритов, а также упрощения конструкции инверторов постоянного напряжения с трансформаторным выходом.

Широко известны транзисторные и тиристорные инверторы напряжения с трансформаторным выходом, предназначенные для преобразования постоянного напряжения в переменное и питания микродвигателей систем управления и навигации, средств связи и ЭВМ, требующих синусоидальное входное напряжение, либо близкое по форме квазисинусоидальное.

Для этой цели существуют различные устройства синтезирования многоступенчатого напряжения, например, на основе параллельного включения нескольких инверторных ячеек, работающих с разной частотой преобразования [1] а также пассивные фильтры для выделения первой (основной) гармоники ряда Фурье из прямоугольного выходного напряжения инвертора.

Однако рассмотренные выше аналоги, наряду с их достоинствами, имеют и некоторые недостатки, связанные с их низкими удельными показателями, сложностью организации и реализации системы управления параллельной работой инверторов, сравнительно низкой надежностью; введением избыточности по установленной массе комплектующих элементов и несущих конструкций.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является трансформатор [2] содержащий магнитопровод, выполненный из двух сердечников с разной магнитной проницаемостью, на которых расположена первичная обмотка, вторичная обмотка.

Однако указанный прототип не позволяет преобразовать прямоугольное входное напряжение с выхода полупроводникового инвертора в желаемое многоступенчатое (квазисинусоидальное) выходное напряжение, что является его существенным недостатком, ограничивающим область его применения.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов инверторов постоянного напряжения посредством преобразования их прямоугольного выходного напряжения в многоступенчатое (квазисинусоидальное) с помощью преобразователя напряжения.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователе напряжения, содержащим магнитопровод, который выполнен из двух сердечников с различной магнитной проницаемостью, на которых расположена первичная обмотка, вторичная обмотка, один из сердечников выполнен из ненасыщающегося материала с линейной кривой намагничивания, а другой из насыщающегося материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса, вторичная обмотка выполнена из двух секций, соединенных согласно-последовательно и расположенных на разных сердечниках.

Это позволяет при подаче на первичную обмотку преобразователя знакопеременного напряжения инвертора прямоугольной формы осуществить в любой его полупериод последовательное (поочередное друг за другом) перемагничивание сердечников составного магнитопровода и получить в разных секциях выходной обмотки импульсы взаимо-ЭДС разного уровня и сдвинутых относительно друг друга по фазе так, что на концах выходной обмотки преобразователя образуется многоступенчатое (квазисинусоидальное) напряжение.

Процесс поочередного перемагничивания сердечников составного магнитопровода происходит здесь в силу нелинейных (релейных) свойств используемого магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса для одного сердечника и линейных свойств магнитного материала для другого сердечника.

Выбранные магнитные материалы в предложенном устройстве широко известны и используются в трансформаторах преобразовательных устройств-пермаллоевые сплавы и аморфные магнитные материалы с ППГ, а также альсиферы, некоторые ферриты с линейной, либо близко к линейной средней кривой намагничивания.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя напряжения; на фиг. 2 конструктивный чертеж преобразователя напряжения; на фиг. 3 кривые намагничивания сердечников составного магнитопровода преобразователя напряжения; на фиг. 4 эпюры напряжений и магнитных потоков в сердечниках составного магнитопровода преобразователя напряжения.

Принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя напряжения (см. фиг. 1) состоит из магнитопровода, выполненного из двух сердечников с различной магнитной проницаемостью ненасыщающегося 1 из материала с линейной кривой намагничивания и насыщающегося 2 из материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса, на которых расположена первичная обмотка 3, вторичная обмотка 4, которая выполнена из двух секций 5 и 6, соединенных согласно последовательно и расположенных на разных сердечниках.

На фиг. 2 обозначено:

1 торроидальный замкнутый сердечник из ненасыщающегося материала с линейной кривой намагничивания;

2 торроидальный замкнутый сердечник из насыщающегося материала с прямоугольной петлей гистерезиса;

3 первичная намагничивающая обмотка преобразователя напряжения, охватывающая одновременно оба сердечника составного магнитопровода;

4 вторичная обмотка преобразователя напряжения, состоящая из двух секций;

5 секция выходной обмотки 4, расположенная на сердечнике 1;

6 секция выходной обмотки 4, расположенная на сердечнике 2.

На фиг. 3 обозначено:

В индукция;

Н напряженность;

1 линейная кривая намагничивания материала сердечника 1;

2 прямоугольная петля магнитного гистерезиса материала сердечника 2.

На фиг. 4 обозначено:

U_вх входное знакопеременное напряжение прямоугольной формы;

Ф, Ф₁, Ф₂ магнитный поток, магнитный поток, соответственно, в сердечнике 1 и сердечнике 2;

е₅, е₆ взаимо-ЭДС, соответственно, в обмотке 5 и обмотке 6;

U₄ выходное многоступенчатое (квазисинусоидальное) напряжение на концах вторичной обмотки 4;

t текущая фаза.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подаче на первичную обмотку 3 W₃ (см. фиг. 1) знакопеременного прямоугольного напряжения U_вх= U с выхода инвертора (см. фиг. 4,а) по обмотке 3 протекает ток i₃, образующий магнитодвижущую силу МДС F₃=i₃W₃, которая начинает поочередно намагничивать сердечники 1 и 2 составного магнитопровода преобразователя напряжения из исходного магнитного состояния, например, из -В_s в +В_s или наоборот.

Первым, в силу линейности кривой намагничивания КН начинает перемагничиваться материал сердечника 1. В нем образуется магнитный поток Ф₁ (см. фиг. 4, б), а в обмотке 5 W₅, охватывающей данный сердечник наводится взаимо-ЭДС е₅ (см. фиг. 4,в). Сердечник 1 перемагничивается частично до тех пор, пока напряженность результирующего магнитного поля в магнитопроводе Н_рез. не сравняется по величине с коэpцитивной силой Н_с2 материала сердечника 2 с ППГ, имеющей на вертикальных участках _диф2>> _диф1, где _диф дифференциальная магнитная проницаемость материала.

Следовательно, при Н_рез=Н_с2, сердечник 1 мгновенно прекращает свое дальнейшее перемагничивание и начинается процесс перемагничивания сердечника 2. В сердечнике 2 образуется магнитный поток Ф₂ (см. фиг. 4,б), а в обмотке 6 W₆, охватывающей данный сердечник, наводится взаимо-ЭДС е₆ (см. фиг. 4,г) сдвинутая по фазе от начала оси ординат на заданный угол. Сердечник 2 перемагничивается полностью и с началом его насыщения, вновь начинается процесс дальнейшего намагничивания сердечника 1. В обмотке 5 W₅ вновь появляется импульс наведенной ЭДС е₅, однако, сдвинутый по фазе от предыдущего на заданный угол. В результате, на концах выходной обмотки 4 формируется положительный полупериод многоступенчатого (квазисинусоидального) напряжения, где уровень каждой ступеньки определяется коэффициентом трансформации по каждому сердечнику (соотношением числа витков между обмотками 3, 5 (6)), а длительность импульса геометрическими, витковыми, магнитными параметрами сердечников (сечением, КН, числом витков первичной обмотки).

Тогда, если варьировать параметрами сердечников (витковыми, геометрическими, магнитными, нагрузочными), числом сердечников можно получить наилучшее качество напряжения и максимальную степень приближения синтезируемой кривой к синусоиде (см. фиг. 4,д).

При смене полярности входного напряжения U_вх процесс поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода повторяется и на концах вторичной обмотки 4 формируется отрицательный полупериод квазисинусоидального напряжения.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет преобразовать прямоугольное входное напряжение в многоступенчатое (квазисинусоидальное) и может быть использовано в источниках вторичного электропитания для уменьшения их массы и габаритов.