Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Использование: относится к преобразовательной технике и может быть использовано в неуправляемых вторичных источниках переменного напряжения и их потребителей. Сущность: преобразователь содержит магнитопровод из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, две гальванически не связанные друг с другом первичную и вторичную обмотки, причем магнитопровод охвачен первичной обмоткой и состоит из n, где n = 2K + 1, K = 1, 2, 3, сердечников с разной магнитодвижущей силой перемагничивания Fn, где Fn=2Fn-K, а вторичная обмотка трансформатора образована из последовательно-встречно включенных обмоток, каждая из которых охватывает один из сердечников. Изобретение позволяет преобразовывать входное переменное напряжение с частотой f1 в выходное напряжение с частотой f2=n×f1, где n = 2K + 1, K = 1, 2, 3, . . . , . 5 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2006088
Класс(ы) патента: H01F35/00
Номер заявки: 5018327/07
Дата подачи заявки: 18.12.1991
Дата публикации: 15.01.1994
Заявитель(и): Холин Сергей Николаевич
Автор(ы): Холин Сергей Николаевич
Патентообладатель(и): Холин Сергей Николаевич
Описание изобретения: Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для уменьшения массы и габаритов; реактивных элементов вторичных источников питания (ВИП) и их потребителей.
Известны тороидальные, стержневые и броневые трансформаторы, статических преобразователей напряжения, основными элементами которых являются ленточный либо набранный из пластин магнитного материала магнитопровод и две обмотки - первичная для намагничивания и вторичная для подключения к нагрузке, которые гальванически не связаны друг с другом и послойно охватывают указанный магнитопровод.
Такие трансформаторы получили широкое применение в транзисторных и тиристорных инверторах и конверторах, где для уменьшения массы и габаритов реактивных элементов преобразователя и его потребителей увеличивают частоту переключения силовых ключей, что не всегда целесообразно из-за резкого увеличения динамических потерь в указанных ключах при передаче в нагрузку значительной энергии. Исходя из этого для отечественных преобразователей средней мощности (Рн ≥ 1 кВт) частота преобразования, как правило, не превышает 5 кГц.
Однако в этих условиях имеется возможность уменьшения массы и габаритов преобразователей (не увеличивая частоту переключения ключей свыше 5 кГц) посредством умножения частоты в выходной обмотке трансформатора преобразователя. При этом в конверторах уменьшается масса и габариты выходных LC-фильтров, а в инверторах - как масса и габариты выходных фильтров, так и реактивных элементов потребителя.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому трансформатору является тороидальный трансформатор, состоящий из тороидального магнитопровода, магнитный материал которого имеет прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ) и двух гальванически развязанных друг от друга обмоток - первичной и вторичной, каждая из которых охватывает указанный магнитопровод.
Указанный прототип, также как и аналоги используется в транзисторных и тиристорных преобразователях напряжения. При этом частота тока (напряжения) в первичной обмотке строго равна частоте тока (напряжения) во вторичной обмотке и определяется частотой переключения силовых ключей, т. е. возможность изменения частоты тока (напряжения) во вторичной обмотке относительно частоты тока (напряжения) в первичной обмотке отсутствует, что и является недостатком данного прототипа.
Цель изобретения - увеличение частоты напряжения на выходной обмотке трансформатора для уменьшения массы и габаритов статического преобразователя и потребителя.
Это достигается тем, что в преобразователе, содержащем магнитопровод из магнитного материала с ППГ, две гальванически не связанные друг с другом первичную и вторичную обмотки, причем первичная обмотка охватывает весь магнитопровод, а сам магнитопровод содержит n, где n = 2K+ 1; K = 1,2,3, . . . , сердечников с ППГ и разной магнитодвижущей силой (МДС) Fn, где Fn = 2Fn-K), вторичная обмотка трансформатора образована из последовательно-встречно включенных обмоток, каждая из которых схватывает только один сердечник.
Предлагаемый преобразователь дает возможность умножить в n раз частоту трансформируемого во вторичную обмотку напряжения и уменьшить массу и габариты реактивных элементов преобразователя (фильтров) и его потребителей электрической энергии посредством осуществления поочередного (без нарушения этой очередности) перемагничивания сердечников магнитопровода.
Это позволяет поочередно формировать во встречно-последовательно включаемых и охватывающих сердечники обмотках импульсы наведенных взаимно-ЭДС, равных по амплитуде, но противоположных по знаку.
Для проверки основных теоретических выкладов предлагаемого изготовлен опытный макет и сняты осциллограммы, подтверждающие достоверность результатов исследований.
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - конструкция предлагаемого преобразователя; на фиг. 3 - кривые гистерезиса материала сердечников преобразователя; на фиг. 4 - схема замещения магнитной цепи и электрическая схема замещения преобразователя; на фиг. 5 - эпюры напряжения магнитного потока и тока в обмотках W1, W2.1, 2.2,2.3.
В качестве примера рассмотрен тороидальный трансформатор.
Принципиальная электрическая схема трансформатора ТV состоит из намагничивающей первичной обмотки W1, одновременно охватывающей магнитопровод указанного трансформатора и набранного на сердечниках 1,2, и 3 из магнитного материала с ППГ, отличающихся друг от друга по магнитодвижущей силе, причем вторичная обмотка W2 трансформатора TV образована из последовательно-встречно включенных обмоток W2.1, W2.2, W2.3, каждая из которых охватывает один из сердечников 1, 2 и 3.
На фиг. 3 обозначено:
В - индукция;
Н - напряженность магнитного поля;
Нс1, Нс2, Нс3 - коэрцитивная сила магнитного материала соответствующего сердечника 1,2,3;
Вr - величина остаточной индукции в сердечнике соответствующая начальному состоянию магнитного материала магнитопровода трансформатора.
На фиг. 4 обозначено:
Φ - магнитный поток;
F1 - магнитодвижущая сила (МДС) первичной обмотки;
F2 - МДС размагничивания вторичной (выходной) обмотки;
Rm - магнитное сопротивление сердечника;
i - полный ток в первичной обмотке;
i x.x - ток холостого хода в первичной обмотке.
iμ - составляющая i x.x для намагничивания одного из сердечников;
i'н - ток нагрузки, приведенный к первичной обмотке;
U1, Uн - амплитудное значение входного и выходного напряжения;
z'н - полное сопротивление нагрузки, приведенное первичной обмотке;
Lд - дифференциальная индуктивность;
SА - выключатель.
На фиг. 5 обозначено:
U1 - амплитуда входного прямоугольного (меандра) напряжения;
Ф1, Ф2, Ф3. Ф - магнитные потоки в сердечниках 1,2,3 и суммарный магнитный поток в магнитопроводе;
е2.1, е2.2, е2.3 - электродвижущая сила (ЭДС) в обмотках и суммарная ЭДС, равная падению напряжения на полном сопротивлении нагрузки - Uн;
Iс1, Ic2, Ic3 - ток намагничивания в первичной обмотке трансформатора, соответствующий коэрцитивной силе магнитного материала сердечников 1,2,3;
t1, t2, t3 - время перемагничивания сердечников 1,2,3;
i, ix.x, i'н - полный ток, ток холостого хода и ток нагрузки, приведенный к первичной обмотке.
На фиг. 5 обозначение t соответствует времени.
Предлагаемый преобразователь работает следующим образом.
При подаче на обмотку W1 трансформатора TV знакопеременного прямоугольного напряжения (меандра) U1 с выхода инвертора преобразователя по обмотке W1 начинает протекать ток и образуется магнитодвижущая сила (МДС), которая осуществляет поочередное намагничивание сердечников 1,2 и3 магнитопровода. При этом в каждом сердечнике магнитопровода появляется знакопеременный во времени магнитный поток, а во всех обмотках трансформатора возникает электродвижущая сила (ЭДС).
Для выяснения процесса поочередного перемагничивания сердечников и преобразования частоты напряжения в трансформаторе ТV рассмотрим два основных режима работы предлагаемого устройства: режим холостого хода (х. х) и режим нагрузки.
1. Режим холостого хода (zн = ∞ , выключатель SA разомкнут). "Эффект" поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода трансформатора TV основан на использовании магнитных материалов, отличающихся друг от друга по коэрцитичной силе (см. фиг. 3). В этом случае при подключении к намагничивающей обмотке W1 прямоугольного меандра с амплитудой U1 возникающая в магнитопроводе МДС достигает величины, достаточной для перемагничивания сердечников.
Однако, вследствие того, что сердечники имеют материал с ППГ, например пермаллои разных марок, то первым начинает перемагничивание до его полного насыщения магнитный материал, а соответственно и сердечник, с меньшей коэрцитивной силой. Затем МДС скачком достигает величины, достаточной для перемагничивания второго сердечника и так далее до смены полярности входного напряжения. Далее процесс повторяется в той же последовательности но намагничивние происходит уже в обратном направлении (от +Вr K - Br).
В процессе поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода в намагничивающей обмотке W1 также поочередно наводятся противо-ЭДС, стремящиеся компенсировать приложенное к первичной обмотке W1 входное напряжение U1. В выходной обмотке W2.1(W2,2), (W2.3) соответствующего сердечника 1, (2), (3) на время его перемагничивания наводится ЭДС е2.1, (е2.2), (е2.3) с полярностью, зависящей от напряжения намотки обмотки W2.1, (W2.2. ), (W2.3). При их последовательно-встречном включении на выходных клеммах вторичной обмотки W2 образуется суммарная ЭДС, период которой в n = 2K+1, где К = = 1,2,3, . . . раз меньше периода меандра входного напряжения U1.
Если не учитывать потери напряжения на рассеяние, то согласно электромагнитному закону для положительного полупериода работы инвертора электромагнитный процесс в трансформаторе TV может быть описан системой управлений
,
(1) где для обмотки W1 Lд2= = W21 = W21 μд1 - дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 1; Lд2= = W21 = W21 μд2 - дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивния сердечника 2; = = - дифференциальная индуктивность обмотки от перемагничивания сердечника 3;
Ψ - потокосцепление;
μд= - дифференциальная проницаемость магнитного материла;
s - сечение сердечника;
l - длина сердечник;
iμ - ток намагничивания.
Системе уравнений (1) соответствует схема замещения (см. фиг. 4б, выключатель SA - разомкнут), где i = iх.х.
Из первого уравнения системы (1) получаем выражение для скорости изменения тока холостого хода во времени, т. е.
= (2)
Тогда с учетом (2) и изложенных пояснений выражения для определения составляющих противо-ЭДС в намагничивающей обмотке W1 от перемагничивания сердечников 1,2,3 имеют вид
U1= ) ; (3)
U1= ) ; (4)
U1= ) . (5)
Если сердечники 1,2,3 равны по длине, т. е. l1 = l2 = l3, то выражения (3 - 5) упрощаются
; (6)
; (7)
e*1.1= . (8) Зная величины е1.1*, е1.2*, е1.3*, в любой момент времени процесс трансформации не трудно определить и другие ЭДС обмоток трансформатора ТV. Примем в качестве аппроксимирующей кривой ППГ зависимость вида В = α ˙ arc tgβ (H-Hc), где α , β - коэффициенты аппроксимации;
Н - текущая напряженность поля под катушкой;
Нс - коэрцитивная сила. Следовательно,
μд= = . (9)
Анализ (9) показывает, что если используется магнитный материал с ППГ (см. фи. 3), то справедливо условие
μg ≈ 0, при Нс > Н > Нс,
α ˙ β , при Н = Нс, т. е. на горизонтальных участках ППГ μg ≈ 0, а на вертикальных μд ->> ∞ .
Рассмотрим процесс поочередного перемагничивания сердечников магнитопровода более подробно.
Пусть исходное состояние магнитопровода трансформтора соответствует состоянию -Br1, -Вr2, -Br3 (см. фиг. 3). Тогда с появлением тока в намагничивающей обмотке W1, амплитуда его скачком принимает значение, равное Ic1, (см. фиг. 5к). Скачок тока происходит вследствие того, что все сердечники имеют μg ≈ 0, т. е. их реактивное сопротивление отсутствует либо близко к нулю. По достижении iх.х = Iс1начинает перемагничиваться сердечник 1, а на время его перемагничивания амплитуда iх.х = Iс1= = соnst и не достаточна для перемагничивания сердечников 2 и 3. Происходит следующее:
а) Перемагничивание сердечника 1. Выражение (2) с учетом Нс1 ≅ Н < Нс2 < Нс3, где μд1 > > μд2 > > μд3 имеет вид = = 0 (11)
Следовательно, после интегрирования (11) получаем
iх.х= const= Iс1= . (12) Из (11) и (12) следует, что ток холостого хода iх.х в обмотке W1трансформатора TV на время перемагничивания сердечника 1 остается практически неизменным во времени (см. фиг. 5к). Однако последнее утверждение не противоречит электромагнитному закону применительно к сердечнику 1 или
U1= -e*1.1= Lд1· , (13) так как противо-ЭДС е1.1* в обмотке W1 вырабатывается здесь в основном из-за резкого возрастания дифференциальной индуктивности Lд1 на вертикальном участке ППГ, где __→ ∞ .
Все другие противо-ЭДС е1.2* и е1.3* на время перемагничивания сердечника 1 равны нулю, а это время может быть определено согласно выражения
t1= = . (14) В выходной обмотке W2.1, охватывающей сердечник 1, формируется прямоугольный импульс напряжения положительной полярности, равной по величине (см. фиг. 5е):
u2.1= -e2.1= e*1 , (15) где е1* = U1
б) Перемагничивание сердечника 2. После насыщения магнитного материла сердечника 1 его дифференциальная индуктивность вновь становится практически равной нулю. При этом iх.х вновь скачком принимает значение, уже равное Iс2, достаточное для намагничивания сердечника 2. Далее процесс намагничивания аналогичен рассмотренному.
На время перемагничивания сердечника 2
e*1.1 = 0, е*1.2 = U1, е*1.3 = 0, а само время равно
t2= = . (16)
В выходной обмотке W2.2, охватывающей сердечник 2, формируется прямоугольный импульс напряжения отрицательной полярности, равный по величине (см. фиг. 5ж)
u2.2= -e2.2= ·e*1.2 , (17) где е*1.2 = U1.
в) Перемагничивание сердечника 3. Процесс перемагничивания аналогичен рассмотренному (см. фиг. 5и), где
е*1.1 = 0, е*1.2 = 0, е*1.3 = U1,
t3= = , (18)
, где е*1.3 = U1.
При смене порядности входного напряжения U1 процесс перемагничивания сердечников магнитопровода повторяется в той же последовательности, но перемагничивание происходит уже в обратном направлении (к исходному состоянию магнитного материала) - от +Br к -Br.
Во вторичной обмотке W2 трансформатор TV формируется напряжение Uн с частотой следования импульсов
f2 = f1 ˙n, (19) где n = 2К+1, К = 1,2,3;
f1 = частота входного напряжения U1.
2. Режим нагрузки (Zн = rн, выключатель SA на фиг. 4б - замкнут).
Режиму нагруженного трансформатора соответствует схема замещения магнитной цепи с n контурным (n = 3) магнитопроводом (см. фиг. 4а) и его упрощенная электрическая схема (см. фиг. 4б), где F1 - МДС намагничивания, создаваемая током i= iх.х + i1н в обмотке W1 или
F1 = iW1 = (ix.x + i1н) ˙W1; (20)
F2 - МДС размагничивания, создаваемая током iн в каждой выходной обмотке W2.1, W2.2, W2.3 или
F2 = iн ˙W2.1 = iн ˙W2.2 = iн ˙W2.3 (21) Так как W1 общая для всех сердечников, то можно записать условие равновесия МДС в установившемся режиме работы трансформатора ТV
F1 = Fμ1 + F2 = Fμ2 + F2 = Fμ3+ F2, (22) или
iW1 = iμ1 ˙ W1 + iнW2.1= iμ2 ˙W1 + i н W2.2= = iμ3 ˙W1 + iнW2.3,
(23) где iμ1 , iμ2 , iμ3 - составляющие iх.х для намагничивания сердечников 1,2,3;
iн= - ток нагрузки.
С учетом (20,21,23) электрическая схема замещения (см. фиг. 4б) может быть описана системой уравнений, соответствующей электромагнитному процессу нагруженного трансформатора ТV в полупериод работы преобразователя.
U1= -(e*1.1+e*1.2+e1*.3)= L + L +Lд3· ;
Uн= iн·rн= - e*1- e*1.2+ e ;
i= i+ iн= i+ iн= i+ iн .
(24)
Анализ уравнения (1) с учетом подстановки уравнения (23) системы (24) показывает, что при W2.1 = W2.2 = W2.3 выражения
= = = iх.х равны друг другу в любой момент изменения t. Следовательно "эффект" поочередного перемагничивания в режиме нагрузки не нарушается.
Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет осуществить преобразование входного напряжения с частотой f1 в выходное напряжения с частотой f2 = n ˙f1, где n = 2К + 1 (К = 1,2,3). Это позволяет уменьшить массу и габариты реактивных элементов преобразователей и их потребителей без существенного увеличения частоты переключения силовых ключей. (56) Розенблат М. А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. М. : Наука, 1966, 719. с. 224-226, рис. 6.30-6.32.
Моин В. С. и Лаптев Н. Н. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М. : Энергия, 1972, с. 512.
Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник Найвельт Г. С. , Мазель К. В. , Хусаинов Н. И. и др. , под ред. Г. С. Найвельта. М. : Радио и связь, 1985, с. 576.
Формула изобретения: ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ, содержащий магнитопровод из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, две гальванически не связанные одна с другой первичную и вторичную обмотки, причем магнитопровод охвачен первичной обмоткой, отличающийся тем, что, с целью увеличения частоты напряжения на выходной обмотке трансформатора для уменьшения массы и габаритов преобразователя, магнитопровод содержит n (где n = 2K + 1; K = 1, 2, 3, . . . ) сердечников с разной магнитодвижущей силой перемагничивания Fп (где Fп = 2Fп - K), причем вторичная обмотка трансформатора образована из последовательно встречно включенных обмоток, каждая из которых охватывает один из сердечников.