Применение токов повышенной частоты дает значительный экономический эффект, так как за счет возрастания скорости повышается производительность и сокращаются масса и габариты как рабочих машин, так и приводных двигателей. Рассматриваются устройство и основы теории разработанного статического утроителя частоты, основанного на принципе выделения 3-й гармоники при насыщении ферромагнитного магнитопровода.

Application of currents of increased frequency leads to significant economical efferct. It is due to increasing of productivity and reducing of weight and size of working machines and of driving engines. Design and basis of theory of developed static frequency trebler are described. The devices are based on the principle of the apportionment of the 3d harmonic at the time of saturation of the magnetic core.

Электропривод повышенной частоты – перспективное направление в области электрификации сельского хозяйства. Велика потребность всей промышленности в высокоэффективных, высокоскоростных электродвигателях. Утроитель частоты предназначен для использования в качестве источника питания асинхронных двигателей и другого электрооборудования напряжением с частотой 150 Гц.
Разработаны оригинальные ферромагнитные статические утроители частоты (http://zei.narod.ru), состоящие из трех одинаковых модулей. Их отличают невысокая стоимость, долговечность, простота устройства, надежность и приемлемые технико-экономические показатели. Конструкция одного модуля утроителя частоты (УЧ) подобна конструкции силового трансформатора с трехстержневым магнитопроводом.. Поэтому производство УЧ может быть налажено на трансформаторостроительных заводах без изменения технологического цикла. Далее кратко рассматриваются устройство и основы теории одного из разработанных утроителей частоты.
      На рис.1 представлена электромагнитная схема активной части УЧ, включающей три одинаковых модуля. Она состоит из магнитной системы, трёхфазной первичной обмотки основной частоты f и трёхфазной вторичной обмотки утроенной частоты 3f. Магнитная система содержит три отдельных, одинаковых, планарных шихтованных бронестержневых магнитопровода, по три стержня в каждом (цифрами 1, 2, 3; 4, 5, 6; 7, 8, 9 обозначены номера стержней). Отношение сечения ярма к сечению стержня составляет 0,5…0,52, при этом амплитуда первой гармоники магнитной индукции в сечении ярма не больше, чем в сечении стержня. Указанное отношение сечений определено по результатам расчета магнитного поля методом конечных элементов.
Каждая фаза обмотки основной частоты состоит из пяти встречно-последовательно соединённых катушек, соотношение чисел витков которых составляет W_м : W_с : W_б : W_с : W_м = 0,395 : 0,743 : 1 : 0,743 : 0,395, где W_м , W_с , W_б – малое, среднее, большее число витков соответственно. Три катушки фазы с числами витков W_с , W_б, W_с охватывают сответственно левый, средний, правый стержни магнитопровода, а другие две катушки фазы с числами витков W_м расположены по одной на левом и правом стержнях, принадлежащих двум другим магнитопроводам.
      Каждая фаза обмотки утроенной частоты состоит из трёх согласно-последовательно соединённых катушек с числом витков W2. Каждая катушка фазы охватывает соответствующий одноимённый стержень (левый, средний или правый), принадлежащий одному из трех магнитопроводов.
Работа УЧ основана на глубоком насыщении стержней магнитопроводов первой гармоникой индукции (B1=2,15…2,25 Тл), которая обусловлена симметричной трехфазно-расщепленной системой МДС стержней, созданных током основной частоты. Звезда векторов МДС стержней показана на рис.2а. На рис.2б приведена звезда векторов третьей гармоники магнитной индукции.
Вследствие нелинейности кривой намагничивания стали магнитопровода магнитная индукция будет содержать спектр временных нечётных гармоник насыщения. Из высших гармоник наибольшую амплитуду будет иметь третья гармоника, которая обусловит трёхфазное симметричное напряжение утроенной частоты практически синусоидальной формы. Гармоники порядков 6*k ± 1, где k = 1, 2, 3,…, не обусловливают результирующее напряжение в фазах вторичной обмотки, так как в трёх катушках каждой фазы этой обмотки они индуктируют ЭДС, взаимно сдвинутые во времени на 120 градусов.
Разработаны на основе максвелловой теории поля и метода конечных элементов обобщенные математическая модель, алгоритм и ее программная реализация, позволившие исследовать умножители частоты и установить взаимосвязи между конструктивными и схемотехническими особенностями и характеристиками. Модель учитывает нелинейность среды и продольную геометрию активной части.
На основе теории цепей разработана обобщенная математическая модель электромагнитных режимов умножителей частоты. Составлены алгоритм и программная реализация модели. Устройства эквивалентируются электрической и магнитной схемами замещения с нелинейными сосредоточенными параметрами. Модель позволяет анализировать нормальные рабочие режимы, влияние несимметрии устройства, несимметрии 3-фазной системы первичных напряжений и нагрузки.

Цыбуляев Алексей Федорович, Московский государственный агроинженерный университет, аспирант кафедры Электроснабжение и Электрические машины. Россия, 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 58.
Phone: (095) 407 3740, fax: 976 4396, e-mail: zei@inbox.ru.

Научный руководитель – д-р. техн. наук, проф. Забудский Е.И.

Возврат на начальную страницу