Резонансный параметрический генератор и способ возбуждения электрических колебаний в резонансном параметрическом генераторе

Изобретение относится к электротехнике и может использоваться в резонансных преобразователях электрической энергии на основе параметрических резонансных генераторов. Технический результат - увеличение мощности и стабилизации величины вырабатываемой энергии при изменении нагрузки. Резонансный параметрический генератор содержит две группы катушек самоиндукции, соединенных с емкостью для образования резонансного контура и установленных с зазором соосно напротив друг друга, устройство для изменения параметров резонансного контура, установленное в зазоре соосно между двумя группами катушек и выполненное в виде двусторонних солнечных элементов с p-n переходами, источники оптического излучения, которые соединены с импульсным источником питания, а солнечные элементы соединены с резонансным контуром через преобразователь частоты, резонансный контур соединен со вторым резонансным контуром, который через выпрямитель, сопротивление нагрузки, блок питания и коммутатор соединен линией обратной связи с входом преобразователя частоты. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к резонансным преобразователям электрической энергии на основе параметрических резонансных генераторов.

Известен резонансный усилитель мощности, содержащий входной и силовой трансформаторы с нагрузкой во вторичной обмотке силового трансформатора и последовательный резонансный контур между трансформаторами, состоящий из емкости С и индуктивности входной обмотки силового трансформатора, а также из устройства обратной связи между обмотками входного и силового трансформатора, резонансный усилитель мощности содержит n каскадов усиления из n понижающих силовых трансформаторов, соединенных между собой с помощью n последовательных резонансных контуров, где n=2, 3, …m, а обратная связь выполнена в виде устройства, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки последнего силового трансформатора к первичной обмотке входного трансформатора, мощность каждого последующего n-го силового трансформатора связана с мощностью предыдущего n-1-го силового трансформатора соотношением: P_n=кP_n-1 где к - коэффициент усиления одного каскада (Резонансный усилитель мощности. Пат. РФ №2517378, заявл. 17.10.2012, опубл. 27.05.2014. Бюл. №15).

В варианте исполнения резонансного усилителя мощности устройство обратной связи выполнено в виде блока бесперебойного питания, вход которого соединен с вторичной обмоткой последнего силового трансформатора, а выход с первичной обмоткой входного трансформатора. В другом варианте исполнения резонансного усилителя мощности устройство обратной связи выполнено в виде однонаправленной индуктивности, вход которой соединен со вторичной обмоткой последнего силового трансформатора, а выход - с первичной обмоткой входного трансформатора.

Недостатком известного устройства является большая масса сердечников и катушек и невысокий коэффициент усиления.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является параметрический резонансный генератор, состоящий из двух групп плоских катушек самоиндукции с железным сердечником, соединенных с емкостью и образующих резонансный контур, катушки самоиндукции установлены на двух параллельных плоскостях по периферии двух параллельных окружностей, между обращенными друг к другу сторонами катушек выполнено узкое пространство в виде щели, в которой помещен плоский металлический диск с возможностью вращения, имеющий на периферии вырезы в виде зубцов, количество зубцов равно количеству пар катушек, середины зубцов расположены на окружности, совпадающей с окружностью, проходящей через центр катушек самоиндукции. (И. Греков. Резонанс. - Госэнергоиздат, 1952, с. 60-84).

Известный параметрический резонансный генератор использует явление параметрического возбуждения колебаний за счет периодического изменения индуктивности резонансного контура.

Недостатком известного параметрического резонансного генератора являются ограниченная мощность из-за нелинейной зависимости индуктивности катушки с железным сердечником от тока в катушке индуктивности. Другим недостатком является снижение добротности резонансного контура из-за включения сопротивления нагрузки в цепь резонансного контура.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение мощности и снижение зависимости вырабатываемой электроэнергии параметрического резонансного генератора от величины нагрузки.

Технический результат заключается в увеличении мощности и стабилизации величины вырабатываемой энергии при изменении нагрузки.

Технический результат заключается в увеличении коэффициента усиления резонансного преобразователя и стабилизации величины коэффициента усиления при изменении нагрузки и частоты.

Технический результат достигается тем, что в резонансном параметрическом генераторе, содержащем две группы катушек самоиндукции, соединенных с емкостью для образования резонансного контура с частотой f₀, установленных с зазором соосно напротив друг друга, и устройство для изменения параметров резонансного контура, установленное в зазоре соосно между двумя группами катушек, устройство для изменения параметров резонансного контура выполнено в виде двусторонних солнечных элементов, площадь каждого солнечного элемента равна или больше площади торцевой плоскости каждой катушки индуктивности, солнечные элементы соединены оптически рабочими поверхностями с источниками оптического излучения со спектром излучения в области собственного поглощения полупроводникового материала солнечных элементов, источники оптического излучения соединены электрически с импульсным источником питания с частотой 100 Гц-100 кГц, а солнечные элементы соединены с резонансным контуром через преобразователь частоты, резонансный контур соединен однопроводниковой линией со вторым резонансным контуром с резонансной частотой f₀, второй резонансный контур через выпрямитель и сопротивление нагрузки, блок питания и коммутатор соединен линией обратной связи с входом преобразователя частоты.

В варианте исполнения резонансного параметрического генератора источники света выполнены в виде светодиодов.

В другом варианте резонансного параметрического генератора источники света выполнены в виде люминесцентных автокатодных ламп с холодной эмиссией электронов.

Еще в одном варианте исполнения резонансного параметрического генератора солнечные элементы имеют плоскости р-n переходов, перпендикулярные осям катушек самоиндукции.

В варианте исполнения резонансного параметрического генератора солнечные элементы имеют плоскости р-n переходов, параллельные осям катушек индуктивности.

В варианте исполнения резонансного параметрического генератора каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси катушки сердечник на основе постоянного магнита.

В другом варианте резонансного параметрического генератора каждые две установленные соосно катушки индуктивности имеют встроенные по оси ферритовые сердечники.

В варианте резонансного параметрического генератора каждые две установленные соосно катушки индуктивности с зазором имеют общий незамкнутый сердечник.

Технический результат достигается также тем, что в способе возбуждения электрических колебаний в резонансном параметрическом генераторе путем изменения параметров резонансного контура за счет изменения энергии электромагнитного поля катушек индуктивности резонансного контура между катушками индуктивности устанавливают солнечные элементы, которые соединяют с резонансным контуром через преобразователь частоты, солнечные элементы освещают импульсным излучением с частотой f_c=100 Гц-100 кГц, возбуждают в солнечных элементах колебания электромагнитного поля, изменяют индуктивность резонансного контура с частотой f_c, в два раза большей резонансной частоты f₀ резонансного контура, f_c=2 f₀, усиливают электромагнитные колебания в резонансном контуре за счет параметрического резонанса с периодическим изменением индуктивности и передачи электрической энергии от солнечных элементов в резонансный контур, усиленные колебания через однопроводниковую линию передают во второй резонансный контур с резонансной частотой f₀, выпрямляют и передают в нагрузку, часть электрической энергии от сопротивления нагрузки передают по линии обратной связи через блок питания и коммутатор на вход преобразователя частоты.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фиг. 1, 2, 3, где на фиг. 1 представлена электрическая схема резонансного параметрического генератора с катушками индуктивности и солнечными элементами с р-n переходами, плоскости которых перпендикулярны оси катушек индуктивности, на фиг. 2 - электрическая схема резонансного параметрического генератора, у которого плоскости р-n переходов солнечных элементов параллельны оси катушек индуктивности, на фиг. 3 - электрическая схема резонансного параметрического генератора, у которого установленные соосно катушки индуктивности имеют общий незамкнутый сердечник.

Резонансный параметрический генератор на фиг. 1 содержит две пары катушек 1 и 2, установленных попарно с зазором 3 между параллельными торцевыми поверхностями 4 соосно напротив друг друга, соединенных последовательно с емкостью 5 и образующих резонансный контур 6. Прибор 7 для периодического изменения параметров резонансного контура 6, установленный в зазоре 3 между каждыми двумя катушками индуктивности 1, 2 выполнен в виде двусторонних солнечных элементов 8, соединенных оптически с источниками оптического излучения 9. Площадь S₁ каждого солнечного элемента 8 равна или больше площади S₂ торцевой поверхности 4 катушки индуктивности 1, 2. Источники оптического излучения 9 установлены с внешней стороны 10 катушек индуктивности 1, 2 и соединены электрически с импульсным источником питания 11 с регулируемой частотой 100 Гц-100 кГц. Катушки индуктивности 1 и 2 установлены соосно. Это означает, что ось 12 катушки индуктивности 1 и ось 13 катушки индуктивности 2 находятся на одной прямой. Плоскости р-n переходов 14 солнечных элементов 8 параллельны рабочей поверхности солнечных элементов 8 и перпендикулярны оси 12 катушки 1 и оси 13 катушки 2. Солнечные элементы 8 имеют две рабочие поверхности 15 и 16 и металлические контакты 17 на рабочей поверхности 15 и 18 на рабочей поверхности 16. Металлические контакты 17 и 18 выполнены в виде узких полос шириной 100-200 мкм, совмещенных в плане и расположенных друг от друга на расстоянии 3 мм, таким образом, общая площадь металлических контактов 17 и 18 на двух рабочих поверхностях 15 и 16 солнечных элементов 8 не превышает 3-5%. При использовании солнечных элементов 8 из полупроводникового кремния солнечные элементы с двухсторонней поверхностью прозрачны для инфракрасного излучения за краем полосы собственного поглощения в кремнии с длиной волны более λ₀=1,15 мкм, а спектр собственного поглощения солнечных элементов из полупроводникового кремния находится в области длин волн λ=0,38-1,15 мкм и соответствует спектру источников оптического излучения. Незначительная площадь металлических контактов 17 и 18 3-6% на рабочей поверхности 15 и 16 приводит к тому, что неосвещенные солнечные элементы 8 с двухсторонней рабочей поверхностью прозрачны для электромагнитного поля катушек индуктивности 1 и 2. Солнечные элементы 8 соединены с резонансным контуром 6 через преобразователь частоты 19. Резонансный контур 6 соединен однопроводниковой линией 20 со вторым резонансным контуром 21 с резонансной частотой , где L₂ и C₂ - индуктивность 22 и емкость 23 второго резонансного контура 21. Резонансный контур 21 соединен через выпрямитель 24 и инвертор 25 с нагрузкой 26 и с преобразователем частоты 19 через линию обратной связи 27 с блоком питания 28 и коммутатором 29. Блок питания 28 соединен с импульсным источником питания 11.

На фиг. 2 солнечный элемент 30 состоит из скоммутированных последовательно микроэлементов 31 с р-n переходами 32 и металлическими контактами 33, плоскости которых параллельны осям 12 и 13 катушек индуктивности 1 и 2 и перпендикулярны двум рабочим поверхностям 34 и 35 солнечных элементов 30. Общая площадь металлических контактов 33 на рабочих поверхностях 34 и 35 составляет 3-5%, поэтому солнечные элементы 30 так же, как и солнечные элементы 8 на фиг. 1, прозрачны для излучения за краем инфракрасной полосы поглощения λ₀ полупроводника λ₀. Для полупроводникового кремния λ₀=1,15 мкм.

Солнечные элементы 30 соединены с резонансным контуром 6 через преобразователь частоты 19, который преобразует импульсную электромагнитную энергию с частотой f в электромагнитную энергию с частотой , равной резонансной частоте контура 6.

На фиг. 1 и 2 катушки индуктивности 1 и 2 имеют кольцевые ферритовые сердечники 36 и солнечные элементы 8 и 30, соединены оптически с источниками оптического излучения 9 через внутреннюю полость 37 внутри катушек индуктивности 1 и 2, при этом направление оптического излучения параллельно осям 12 и 13 катушек 1 и 2.

На фиг. 3 каждая пара катушек индуктивности 1 и 2 с зазором 3 имеет общий незамкнутый сердечник 38. Солнечные элементы 39 установлены в зазоре 3 сердечника 38, а источники оптического излучения 40 установлены вокруг солнечных элементов 39 и соединены оптически с рабочими поверхностями солнечных элементов с помощью световодов 41.

Резонансный параметрический генератор работает следующим образом. Солнечные элементы 8 на фиг. 1, 30 на фиг. 2 и 39 на фиг. 3 при отсутствии освещения прозрачны для электромагнитного поля катушек индуктивности 1 и 2. При включении коммутатора 29 и присоединении блока питания 28 к преобразователю частоты 19 и к импульсному источнику питания 11 в контуре 6 возникают электрические колебания с частотой f₀, а источники оптического излучения освещают солнечные элементы импульсным излучением с частотой 2f₀. При освещении солнечных элементов источниками оптического излучения через р-n переход 14 (фиг. 1) и через микроэлементы 31 с р-n переходами 32 и металлическими контактами 33 солнечных элементов 30 на фиг. 2 и на рабочей поверхности 15 и 16 солнечных элементов 8 протекают токи, которые своим магнитным и электрическим полем экранируют электромагнитное поле катушек индуктивности 1 и 2, что приводит к изменению индуктивности резонансного контура 6. При питании источника оптического излучения 9 от импульсного источника питания 11 с частотой f₁ происходит периодическое изменение индуктивности резонансного контура 6, которое приводит к параметрическому возбуждению колебаний при условии f₀=2f₀, где f₀ - резонансная частота контура 6.

, где L₁ - полная общая индуктивность последовательно соединенных катушек индуктивности 1 и 2 в резонансном контуре 6, C₁ - емкость 5 резонансного контура 6.

Периодическое изменение электромагнитного поля солнечных элементов при импульсном освещении приводит к появлению напряжения на катушках индуктивности 1 и 2 с частотой f₁ импульсного источника питания 11. Солнечные элементы 8 соединены через преобразователь частоты 19 с резонансным контуром 6 с резонансной частотой f₀, что приводит к дополнительному увеличению электромагнитной энергии колебаний в резонансном контуре 6. Электромагнитную энергию колебаний в резонансном контуре 6 передают по однопроводниковой линии 20 во второй резонансный контур 21 с резонансной частотой, равной резонансной частоте f₀ контура 6, выпрямляют в выпрямителе 24, преобразуют по напряжению и частоте в инверторе 25 и передают в нагрузку 26. Часть электрической энергии передают с нагрузки 26 по линии обратной связи 27 и блок питания 28, коммутатор 29 на вход преобразователя частоты 19.

Пример выполнения резонансного параметрического генератора.

Резонансный параметрический генератор на фиг. 1 содержит две пары катушек индуктивности 1 и 2 диаметром 80 мм, длиной 180 мм. Каждая катушка индуктивности 1 и 2 имеет 50 витков провода марки ПВВ-1. В зазоре 3 между катушками индуктивности 1 и 2 размером 5 мм установлен осесимметрично солнечный кремниевый элемент 8 диаметром 100 мм с двумя рабочими поверхностями 15 и 16. Плоскость р-n переходов 14 и металлических контактов 17 и 18 в солнечном элементе 8 параллельна рабочей поверхности 15 и 16 и перпендикулярна оси катушек 12 и 13. Рабочие поверхности 15 и 16 солнечного элемента 8 соединены оптически через внутреннюю полость 37 (фиг. 2) катушек индуктивности 1 и 2 с двумя источниками оптического излучения 9 на основе светодиодов мощностью каждый 50 Вт, которые электрически соединены с импульсным источником питания 11 мощностью 100 Вт с частотой импульсов 2 кГц. Электрический ток солнечного элемента 8 при импульсном освещении составляет 10 A при напряжении 0,5 В. Резонансный контур 6 состоит из индуктивности четырех катушек индуктивности 1 и 2, соединенных последовательно, и емкости 5. Рабочая частота резонансного контура 6 составляет 1 кГц. Резонансный контур 6 соединен однопроводниковой линией 20 со вторым резонансным контуром 21 с рабочей частотой 1 кГц. Солнечный элемент 8 соединен с преобразователем частоты 19. Преобразователь частоты 19 преобразует импульсное напряжение и ток от солнечного элемента 8 с частотой f₁=2 кГц в напряжение и ток с резонансной частотой f₀=1 кГц контура 6. При подаче импульсного питания на матрицы светодиодов с частотой f₁=2 кГц напряжение на индуктивности и емкости контура 6 составило 6 кВ, электрическая мощность на нагрузке 800 Вт.

Достоинством резонансного параметрического генератора является увеличение вырабатываемой мощности за счет трех факторов: параметрического возбуждения колебаний за счет периодического изменения индуктивности резонансного контура, передачи электрической энергии от солнечных элементов в резонансный контур через преобразователь частоты и электромагнитного высокочастотной связи импульсного тока солнечных элементов и катушек индуктивности.

Стабилизация величины вырабатываемой энергии при изменении нагрузки достигается за счет увеличения добротности резонансного контура и удаления сопротивления нагрузки из резонансного контура параметрического генератора во второй резонансный контур, связанный с резонансным контуром параметрического генератора однопроводниковой линией.

1 . Резонансный параметрический генератор, содержащий две группы катушек самоиндукции, соединенных с емкостью для образования резонансного контура с частотой f₀, установленных с зазором соосно напротив друг друга, и устройство для изменения параметров резонансного контура, установленное в зазоре соосно между двумя группами катушек, отличающийся тем, что устройство для изменения параметров резонансного контура выполнено в виде двусторонних солнечных элементов с p-n переходами полупроводника, площадь каждого солнечного элемента равна или больше площади торцевой плоскости каждой катушки самоиндукции, солнечные элементы соединены оптически рабочими поверхностями с источниками оптического излучения со спектром излучения в области собственного поглощения полупроводникового материала солнечных элементов, источники оптического излучения соединены электрически с импульсным источником питания с частотой 100 Гц – 100 кГц, а солнечные элементы соединены с резонансным контуром через преобразователь частоты, резонансный контур соединен однопроводниковой линией со вторым резонансным контуром с резонансной частотой f₀, второй резонансный контур через выпрямитель и сопротивление нагрузки, блок питания и коммутатор соединен линией обратной связи с входом преобразователя частоты.

2. Резонансный параметрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что источники оптического излучения выполнены в виде светодиодов.

3. Резонансный параметрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что источники оптического излучения выполнены в виде люминесцентных автокатодных ламп с холодной эмиссией электронов.

4. Резонансный параметрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что солнечные элементы имеют плоскости p-n переходов, перпендикулярные осям катушек индуктивности.

5. Резонансный параметрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что солнечные элементы имеют плоскости p-n переходов, параллельные осям катушек индуктивности.

6. Резонансный параметрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что каждая катушка индуктивности имеет встроенный по оси катушки сердечник на основе постоянного магнита.

7. Резонансный параметрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что каждые две установленные соосно катушки индуктивности имеют встроенные по оси ферритовые сердечники.

8. Резонансный параметрический генератор по пп. 1 и 7, отличающийся тем, что каждые две установленные соосно катушки индуктивности с зазором имеют общий незамкнутый сердечник.

9. Способ возбуждения электрических колебаний в резонансном параметрическом генераторе путем изменения параметров резонансного контура за счет изменения энергии электромагнитного поля катушек индуктивности резонансного контура, отличающийся тем, что между катушками индуктивности устанавливают солнечные элементы, которые соединяют с резонансным контуром через преобразователь частоты, солнечные элементы освещают импульсным излучением с частотой f_c = 100 Гц – 100 кГц, возбуждают в солнечных элементах колебания электромагнитного поля, изменяют индуктивность резонансного контура с частотой f_c, в два раза большей резонансной частоты f₀ резонансного контура, f_c=2 f₀, усиливают электромагнитные колебания в резонансном контуре за счет параметрического резонанса с периодическим изменением индуктивности и передачи электрической энергии от солнечных элементов в резонансный контур, усиленные колебания через однопроводниковую линию передают во второй резонансный контур с резонансной частотой f₀, выпрямляют и передают в нагрузку, часть электрической энергии от сопротивления нагрузки передают по линии обратной связи через блок питания и коммутатор на вход преобразователя частоты.