преобразователь частоты
Классы МПК: | H02M5/16 для преобразования частоты H01F38/02 для нелинейного режима работы |
Автор(ы): | Холин Сергей Николаевич, Афанасьев Станислав Николаевич, Козлов Алексей Николаевич |
Патентообладатель(и): | Холин Сергей Николаевич, Афанасьев Станислав Николаевич, Козлов Алексей Николаевич |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-10-11 публикация патента:
10.04.1997 |
Использование: устройство относится к электротехнике. Сущность изобретения: устройство содержит трансформатор, магнитопровод которого состоит из N=2k+1, где k 1,2,3... сердечников, выполненных из одного и того же магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, где каждый сердечник по отдельности встречно-последовательно охвачен разным числом витков первичной обмотки W1k, где k - номер сердечника, согласно выражению SkW1k=Sk+1
W1k+1, где Sk - сечение k-го сердечника; W1k - число витков первичной обмотки, охватывающей k-й сердечник, каждый сердечник по отдельности согласно-последовательно охвачен разным числом витков вторичной обмотки W2k согласно выражению: Sk
W2k=Sk+1
W2k+1 каждый сердечник (кроме последнего) охвачен двумя обмотками развязки, выходные концы которых через базовые сопротивления подключены к эмиттер-базовым переходам развязывающих транзисторов и образующих ключ с двухсторонней проводимостью, включенных между собой так, что эмиттер каждого транзистора через анод-катод диода подключен к коллектору другого транзистора, а коллекторы обоих транзисторов одновременно подключены к выходным концам выходной обмотки соответствующего k+1 сердечника. Это позволяет как в режиме холостого хода, так и в режиме нагрузки осуществить последовательное (друг за другом) перемагничивание однотипных сердечников магнитопровода с наперед заданной очередностью и сформировать в выходных обмотках импульсы напряжения равных по амплитуде, противоположных по знаку и сдвинутых относительно друг друга на угол
k+1 = k![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
/N, где N - общее число сердечников в магнитоводе. 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077028/981.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077032/960.gif)
Формула изобретения
Преобразователь частоты, содержащий трансформатор с составным магнитопроводом из N (где N 2k + 1, k 1, 2, 3) сердечников из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), с первичной и вторичной обмотками, отличающийся тем, что все сердечники магнитопровода выполнены из одного и того же магнитного материала с одинаковой петлей гистерезиса, где каждый сердечник последовательно-встречно охвачен разным числом витков первичной обмотки согласно выражения:SkW1k Sk+1
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
где Sk сечение k-го сердечника;
W1k число витков первичной обмотки, охватывающих k-й сердечник так, что в витках четных сердечников образуются противо-ЭДС одного знака, а в витках нечетных сердечников противоположного знака, каждый сердечник последовательно согласно охвачен разным числом витков вторичной обмотки согласно выражению
SkW2k Sk+1
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
где W2k число витков вторичной обмотки, охватывающих k-й сердечник, каждый k-й сердечник (кроме последнего) охвачен двумя обмотками развязки, выходные концы которых через базовые сопротивления подключены к эмиттер-базовым переходам двух развязывающих транзисторов, и образующих (k + 1)-й ключ с двусторонней проводимостью для шунтирования выходной обмотки (k + 1)-го сердечника, причем включенных между собой так, что эмиттер каждого транзистора через анод катод диода подключен к коллектору другого транзистора, а коллекторы обоих транзисторов одновременно подключены к выходным концам выходной обмотки соответствующего (k + 1)-го сердечника.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к преобразовательной технике и трансформаторостроению, и может быть использовано в высокочастотных источниках вторичного электропитания для уменьшения их массы и габаритов. Широко известны преобразователи частоты на полупроводниковых элементах (транзисторах и тиристорах), которые можно квалифицировать на преобразователи: а) с промежуточным звеном постоянного тока; б) с непосредственной связью питающей сети и цепей нагрузки; в) с искусственной коммутацией транзисторов и тиристоров (1). Однако такие преобразователи имеют недостатки: низкие удельные показатели у преобразователей с промежуточным звеном постоянного тока, и, так как здесь необходимо вначале выпрямлять напряжение, затем это напряжение преобразовывать с помощью инвертора до нужной частоты, преобразователи с непосредственной связью могут использоваться только для получения напряжений более низкой частоты, чем частота питающей сети, преобразователи с искусственной коммутацией полупроводниковых ключей имеют сложную систему управления и сравнительно низкое качество выходного напряжения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является "Преобразователь частоты" (патент N 2006088 от 15.01.1994 г.), содержащий трансформатор, магнитопровод которого набран из N=2k+1, (где k=1,2,3,) сердечников с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса, отличающихся друг от друга по коэрцитивной силе, первичную обмотку, которая одновременно охватывает все сердечники, вторичную обмотку, которая последовательно-встречно охватывает каждый из сердечников с равным числом витков и подключена на нагрузочное сопротивление. Данное устройство позволяет осуществить преобразование входного напряжения с частотой f1 в выходное напряжение с частотой f2=п![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
SkW1k=Sk+1
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
где Sk сечение k-го сердечника;
W1k число витков первичной обмотки, охватывающих k-й сердечник, так, что в витках четных сердечников образуются противо-ЭДС одного знака, а в витках нечетных сердечников противоположного знака. Каждый сердечник последовательно-согласно охвачен разным числом витков вторичной обмотки согласно выражению:
SkW2k=Sk+1
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
где W2k число витков вторичной обмотки, охватывающих k-й сердечник, каждый сердечник, кроме последнего, охвачен двумя обмотками развязки
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-2t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-3t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-4t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-5t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077028/981.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077032/960.gif)
где N общее число сердечников, k=1,2,3. равных по амплитуде, но противоположных по знаку. Для исключения нарушения установленной очередности перемагничивания сердечников магнитопровода и повышения нагрузочной способности преобразователя при перемагничивании четного сердечника в его обмотках развязки формируется управляющий импульс наведенной ЭДС открывающий один из транзисторов ключа с двухсторонней проводимостью и шунтирующего выходную обмотку последующего нечетного сердечника, и, наоборот, при перемагничивании нечетного сердечника шунтируется выходная обмотка последующего четного сердечника. Таким образом, в предложенном преобразователе возможна реализация способа преобразования частоты входного напряжения в повышенную частоту выходного напряжения согласно выражению:
fвых=п
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
на однотипных сердечниках и повышение нагрузочной способности и работоспособности преобразователя посредством развязки электромагнитных процессов в сердечниках по времени. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя частоты; на фиг. 2 конструктивный чертеж трансформатора преобразователя частоты; на фиг. 3 кривые магнитного гистерезиса сердечников составного магнитопровода трансформатора и дифференциальной индуктивности намагничивающей обмотки каждого сердечника в функции тока намагничивания; на фиг. 4 эпюры входного напряжения, изменения магнитного потока в сердечниках магнитопровода для случая N=3, где N общее число сердечников в магнитопроводе, противо-ЭДС в намагничивающих обмотках по каждому сердечнику, выходного напряжения повышенной частоты и тока в нагрузке, а также тока намагничивания по каждому из сердечников в функции времени. Принципиальная электрическая схема преобразователя частоты состоит из трансформатора с составным магнитопроводом из N=2k+1, (где k=1,2,3,) сердечников из магнитного материала с прямоугольной петлей магнитного гистерезиса (ППГ) с первичной и вторичной обмотками, все сердечники выполнены из одного и того же магнитного материала, где каждый сердечник последовательно-встречно охвачен разным числом витков первичной обмотки согласно выражению: Sk
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077008/183.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-6t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-7t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-8t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-9t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077005/8776.gif)
TVк трансформатор напряжения;
N=2k+1; k=1,2,3. число последовательно включенных по входу и выходу трансформаторов напряжения;
W1k намагничивающая обмотка k-го трансформатора напряжения;
W2k выходная обмотка k-го трансформатора;
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-10t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-11t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-12t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-13t.gif)
1,2,k,N номер сердечника;
Bи индукция,
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-14t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077028/936.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
F
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
Fc=Hclк МДС коэрцитивная; lk длина сердечника;
Lgk дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания k-го сердечника;
Uп напряжение на нагрузочном сопротивлении rп;
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/934.gif)
t время; Т период Uвх;
l*1k - противо-ЭДС в обмотке W1k от перемагничивания к-го сердечника;
iп ток нагрузки. Предлагаемое устройство работает следующим образом: При подаче на первичную обмотку знакопеременного, например, прямоугольного напряжения Uвх=+U, по ней начинает протекать ток намагничивания i
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/934.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/934.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/934.gif)
а) противо-ЭДС в обмотках W1k - e*1k от перемагничивания соответствующего k-го сердечника. Причем указанные импульсы ЭДС сдвинуты относительно друг друга по фазе на угол
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077028/981.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077032/960.gif)
б) взаимо-ЭДС в обмотках
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-15t.gif)
в) взаимо-ЭДС в обмотках развязки
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-16t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-17t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-18t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-19t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-20t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-21t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-22t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077046/8734.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-23t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-24t.gif)
т.е. S1W11=S2W12=S3W13 (4)
где S сечение сердечника;
Um амплитуда входного напряжения;
W1k число витков первичной обмотки, охватывающих k-й сердечник, k=1,2,3,
tпk время перемагничивания k-го сердечника от магнитного состояния
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-25t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-26t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-27t.gif)
где
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-28t.gif)
т.е. S1W21=S2W22= S3W23,
где W21, W22, W23 число витков выходной обмотки, охватывающих соответственно 1,2,3 сердечники. Тогда согласно закону полного тока в сердечниках трансформатора TV, охваченных витками W11, W12, W13, по которым протекает общий входной ток Iвх, возникают напряженности электромагнитного поля согласно выражению:
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-29t.gif)
Первым начнет перемагничиваться тот сердечник, у которого напряженность H1k
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077028/8805.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077028/8805.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-30t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-31t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-32t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-33t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-34t.gif)
Последние выражения показывают, что при перемагничивании первого сердечника условия для перемагничивания второго и третьего сердечников в режиме ХХ еще не созданы. Это происходит по той причине, что ток Iвх, достигнув значения Iвх=Ic= const, практически остается величиной неизменной на все время перемагничивания первого сердечника. Однако это не противоречит закону электромагнитной индукции. Происходит резкое увеличение дифференциальной индуктивности
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077001/945.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-35t.gif)
где
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-36t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-37t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/956.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-38t.gif)
На время перемагничивания первого сердечника
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-39t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-40t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-41t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-42t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-43t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-44t.gif)
где Т период входного напряжения,
и амплитудой
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-45t.gif)
противоположного знака относительно импульса взаимо-ЭДС от перемагничивания первого сердечника. В обмотках развязки
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-46t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-47t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-48t.gif)
и амплитудой
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-49t.gif)
противоположного знака относительно импульса взаимо-ЭДС l*22 от перемагничивания второго сердечника. После перемагничивания третьего сердечника процесс преобразования полупериода входного напряжения с частотой fвх в частоту fвых=пfвх
где п=2k+1, k=1 заканчивается. При смене полярности входного напряжения Uвх=-Um процесс поочередного перемагничивания сердечников повторяется в той же последовательности, но уже в обратную сторону то магнитного состояния (+Вs) к состоянию (-Вs). В выходных обмотках W21, W22, W23 формируются импульсы взаимо-ЭДС с частотой fвых, т. е. происходит преобразование частоты fвх отрицательного полупериода входного напряжения в частоту fвых=пfвых, где п=2k+1, k=1. Если не учитывать потери напряжения на рассеяние, потери напряжения на омическом сопротивлении обмотки и потери напряжения на п/п элементах в прямом направлении, то согласно закону электромагнитной индукции для любого полупериода входного напряжения для преобразователя частоты справедлива система уравнений в режиме ХХ (математическая модель преобразования частоты в режиме ХХ):
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-50t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-51t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-52t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-53t.gif)
где Н напряженность;
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077001/945.gif)
iвх входной ток;
l длина сердечника;
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-54t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077028/936.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-55t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-56t.gif)
Тогда выражения для определения составляющих противо-ЭДС в первичной обмотке W11, W12, W13 от перемагничивания идентичных сердечников 1,2,3, будет иметь вид:
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-57t.gif)
где
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-58t.gif)
k номер сердечника. Зная величины l*11, l*12, l*13 в любой момент времени процесса трансформации, не трудно определить все другие ЭДС в обмотках трансформатора в виде:
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-59t.gif)
2. Режим нагрузки (Zн
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077035/8800.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077046/8734.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-60t.gif)
Однако, если бы все первичные W11, W12, W13 и все вторичные W21, W22, W23 обмотки были бы включены между собой согласно-последовательно, то ток нагрузки не вызвал бы нарушения очередности перемагничивания сначала первого, затем второго, затем третьего. Это происходило бы по той причине, что на время перемагничивания первого сердечника все другие сердечники не перемагничивались даже без использования развязывающих ключей. В последнем случае из-за встречного включения намагничивающей первичной обмотки каждого нечетного сердечника и каждого четного сердечника ток нагрузки вызывает их одновременное перемагничивание. Эксперимент показывает, что, чем больше ток нагрузки, тем больше проявляется "эффект" одновременного перемагничивания двух сердечников, первичные обмотки или вторичные обмотки которых включены встречно, а вторичные обмотки нагружены на сопротивление (активное, емкостное, индуктивное, смешанные). Следовательно, на экране осциллографа можно увидеть, что импульсы взаимо-ЭДС от перемагничивания первого и второго сердечников чем больше ток нагрузки, тем больше по длительности взаимокомпенсируются (так как имеют разную полярность). Однако импульс взаимо-ЭДС с выходной обмотки W23 находится строго на своем месте согласно теории (изложенной выше) и сдвинут по фазе относительно начала любого полупериода на угол:
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-61t.gif)
Поэтому с целью исключения нарушения процесса поочередного перемагничивания сердечников под нагрузкой предлагается на время перемагничивания нечетного сердечника, например, первого, закорачивать выходную обмотку (шунтировать) W22 четного второго сердечника. Это реализуется открытием одного из транзисторов
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-62t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-63t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-64t.gif)
где
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-65t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-66t.gif)
Uн напряжение на нагрузочном сопротивлении. После перемагничивания первого сердечника его индуктивное сопротивление исчезнет (так как
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-67t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-68t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-69t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-70t.gif)
где
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-71t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-72t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-73t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-74t.gif)
где
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-75t.gif)
![преобразователь частоты, патент № 2077110](/images/patents/395/2077110/2077110-76t.gif)
Класс H02M5/16 для преобразования частоты
Класс H01F38/02 для нелинейного режима работы