Автономный источник электрической энергии

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретнее к автономным источникам электропитания, и может найти широкое применение в промышленности, в бытовой технике и особенно на транспорте и предназначено для использования в автономных системах электропитания и в электроприводах, перспективных авиакосмических летательных аппаратах с преимущественно или полностью электрифицированным приводным оборудованием. Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства при его реализации, а именно повышение стабильности коэффициента усиления, стабилизации величины коэффициента усиления при изменении различных факторов, например величины нагрузки, температуры, сдвига резонансных частот и т.п., за счет ввода в известный резонансный усилитель мощности системы автоматического регулирования резонансной частоты в каждом отдельном последовательном резонансном контуре резонансного усилителя мощности и величины выходного напряжения первичного источника энергии. Источник дополнительно содержит блок регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура и блок управления процессом работы автономного источника, а первичный источник энергии выполнен в виде автономного резонансного генератора, вход которого соединен с выходом блока обратной связи, а выход с входной обмоткой входного трансформатора с возможностью образования с помощью витка связи, конденсатора и входной обмотки входного трансформатора последовательного резонансного контура, при этом первый и второй входы блока управления соединены с выводами сигнальной обмотки резонансного контура автономного резонансного генератора, третий и четвертый входы блока управления соединены с выводами сигнальной обмотки входного трансформатора, пятый и шестой входы блока управления соединены с выводами сигнальной силового входного трансформатора, Причем первый выход блока управления соединен с первым входом первичного источника энергии, второй выход блока управления соединен с входом блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура, образованного с помощью витка связи, конденсатора и входной обмотки входного трансформатора, третий выход блока управления соединен с входом блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура между входным и силовым трансформаторами. 1 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике, конкретнее к автономным источникам электропитания, и может найти широкое применение в промышленности, в бытовой технике и особенно на транспорте.

В настоящее время широко распространены резонансные усилители тока, в которых используется явление электрического резонанса в последовательном колебательном контуре.

Известен трансформатор энергии (резонансный усилитель), содержащий источник энергии, выключатель, преобразователь энергии источника в импульсы переменного тока высокой частоты, первый конденсатор (первый фильтр) первичную и вторичную обмотки высокочастотного трансформатора, регулятор частоты первого последовательного колебательного контура, образованного первым конденсатором и индуктивностью первичной обмотки высокочастотного трансформатора, при этом в цепь второго последовательного колебательного контура, образованного вторым конденсатором (второй фильтр) и индуктивностью вторичной обмотки высокочастотного трансформатора включен стабилизатор частоты второго последовательного колебательного контура, а регулятор частоты первого последовательного колебательного контура выполняет функции модулятора частоты первого последовательного колебательного контура, например, частотой модуляции 50 Гц. (Патент WO 2008/103129).

Недостатком известного усилителя является сложность ручной его настройки на резонансную частоту второго последовательного колебательного контура, имеющего большую (больше 100) величину добротности (и, следовательно, большой коэффициент усиления по мощности) и нестабильность его работы при изменяющейся электрической нагрузке. При величине добротности меньше 10 стабильность его работы возрастает, но коэффициент усиления резко снижается.

Известен резонансный усилитель промышленной частоты, содержащий последовательно соединенные первичную обмотку силового трансформатора, обмотки двух встречно включенных управляемых магнитных реакторов, емкости и вторичной обмотки входного понижающего трансформатора, которые образуют последовательный резонансный контур. Резонансная емкость включена между выводами вторичной обмотки входного трансформатора и первичной обмотки силового трансформатора. Управляемые магнитные реакторы включены между двумя другими выводами вторичной обмотки входного трансформатора и первичной обмотки силового трансформатора. Два встречно включенных управляемых магнитных реактора выполняют функции индуктивной обратной связи для стабилизации напряжения при изменении электрической нагрузки. Первичная обмотка входного трансформатора подключена к источнику электрической энергии. Электрическая нагрузка присоединена ко вторичной обмотке силового трансформатора. Коэффициент усиления зависит от нагрузки и при настройке резонансного контура превышает единицу (Элементарный учебник физики / Под ред. акад. Г.С. Ландсберга. Т. III. Колебания, волны, оптика, строение атома. - М., 1975, стр. 81-82).

Недостатком известного преобразователя является не высокий коэффициент усиления и сложность ручной настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке.

Известен резонансный усилитель промышленной частоты, содержащий первичный источник энергии промышленной частоты, силовой трансформатор, включающий первую, вторую и третью обмотки и конденсатор. Первые выводы первой и второй обмоток через конденсатор соединены последовательно. Вторые выводы первой и второй обмоток подсоединены к полюсам внешнего источника переменного тока. Вторая обмотка выполняет функции элемента обратной связи. При этом для увеличения на выходе электрического сигнала на вход усилителя для питания колебательного контура подают сигнал переменного тока, находящийся в полосе пропускания колебательного контура усилителя, через элемент положительной обратной связи. Этот сигнал подают через элемент обратной связи последовательно с источником сигнала, при этом в сердечнике лавинообразно нарастает магнитный поток, который индуцирует ЭДС во вторичных обмотках усилителя для питания потребителей. (патент России №2600097, МПК H03F 3/20, опубл. 20.10.2016 г.).

Недостатком этого известного преобразователя является сложность ручной настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке и нестабильность усиления обусловленная изменением температуры сердечника трансформатора в процессе работы преобразователя в режиме лавинообразного не контролируемого нарастания магнитного потока в сердечнике.

Известен принятый автором за прототип резонансный усилитель электрического сигнала, содержащий первичный источник энергии промышленной частоты, входной и силовой трансформаторы с нагрузкой во вторичной обмотке силового трансформатора и последовательный резонансный контур между трансформаторами, состоящий из конденсатора 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=1, 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. (патент России №2517378, МПК H03F 3/20, 27.05.2014 г.).

Недостатком этого преобразователя также является сложность ручной настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке и нестабильность резонансной частоты контура, а следовательно и усиления, обусловленная изменением температуры сердечника трансформатора в процессе работы преобразователя в режиме нарастания магнитного потока в сердечнике.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении стабильности коэффициента усиления, стабилизации величины коэффициента усиления при изменении различных факторов, например, величины нагрузки, температуры, сдвига резонансных частот и т.п., за счет ввода в известный резонансный усилитель мощности системы автоматического регулирования резонансной частоты в каждом отдельном последовательном резонансном контуре резонансного усилителя мощности и первичном источнике энергии.

Технический результат достигается тем, что в известный источник электрической энергии, содержащий включающий силовой трансформатор и последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности обмотки силового трансформатора, а также из блока обратной связи, при этом резонансный усилитель содержит n каскадов из n понижающих силовых трансформаторов, первичные обмотки каждого из которых кроме первого соединены через соответствующий резонансный контур с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора предыдущего каскада, первичная обмотка понижающего силового трансформатора первого каскада соединена с вторичной обмоткой силового трансформатора, а вторичная обмотка понижающего силового трансформатора n-го каскада соединена с нагрузкой, вход блока обратной связи связан с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора n-го каскада, а обратная связь выполнена в виде блока, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки понижающего силового трансформатора n-го каскада к первичной обмотке силового трансформатора резонансного усилителя.

Источник дополнительно содержит блок регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура и блок управления процессом работы источника, а первичный источник энергии выполнен в виде автономного резонансного генератора, вход которого соединен с выходом блока обратной связи, а выход с входной обмоткой входного трансформатора с возможностью образования с помощью витка связи, конденсатора и входной обмотки входного трансформатора последовательного резонансного контура, при этом первый и второй входы блока управления соединены с выводами сигнальной обмотки резонансного контура резонансного генератора, третий и четвертый входы блока управления соединены с выводами сигнальной обмотки входного трансформатора, пятый и шестой входы блока управления соединены с выводами сигнальной силового входного трансформатора, причем первый выход блока управления соединен с первым входом первичного источника энергии, второй выход блока управления соединен с входом блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура, образованного с помощью витка связи, конденсатора и входной обмотки входного трансформатора, третий выход блока управления соединен с входом блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура между входным и силовым трансформаторами.

При этом блок регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура подсоединен к конденсатору параллельно или последовательно, каждый резонансный контур содержит управляемый магнитный реактор, включенный между двумя другими выводами вторичной обмотки, а первый выход блока регулировки соединен с первым выводом вторичной обмотки входного трансформатора, второй выход блока регулировки соединен с первым выводом вторичной обмотки силового трансформатора.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого источника электрической энергии.

Возможны и другие варианты выполнения блока регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура, например, на варикапах, варикондах, матрице (наборе) конденсаторов с электронными коммутаторами их величины и т.п., но они не применимы для последовательного резонансного контура усилителя мощности, т.к. в условиях резонанса в этих контурах возникают большие электрические напряжения и токи, при которых варикапы, вариконд и т.п. электронные элементы выходят из строя.

Устройство содержит источник 1 постоянного тока энергии, первичный источник 2 энергии, выполненный в виде автономного резонансного генератора переменного тока, резонансные усилители 3, 4, …n мощности, блок 5 обратной связи и блок 6 управления процессом работы автономного источника.

Резонансные усилители 3, 4, …n мощности содержат входной Т1 трансформатор и силовые трансформаторы Т2 - T_i с нагрузкой R_н во вторичной обмотке силового трансформатора T_i, а также последовательные резонансные контура между трансформаторами Т1 - T_i, состоящие из витков (выходных обмоток) W1, W3, … W_i3 связи (выходных обмоток трансформаторами Т1 - T_i), конденсаторов С1 - C_i, индуктивностей входных обмоток W2 - W_i2 трансформаторов Т1 - T_i и блоков 7, 7+i, … 7+n регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров резонансные усилителей 3, 4, …n.

Блок 5 обратной связи выполнен с возможностью однонаправленного движения электрической энергии от вторичной обмотки W_i6 последнего силового трансформатора T_i на вход 14 первичного источника 2 (автономного резонансного генератора переменного тока). Блок 5 может быть выполнен в виде АС - DC преобразователя, предающего на вход 14 часть (например, десятую часть) вырабатываемой резонансными усилителями 3, 4, …n мощности для частичной компенсации затрат энергии первичного источника 1 постоянного тока.

Блок 6 управления процессом работы автономного источника содержит микропроцессор, например, на микросхеме ATmega 8535, шина ввода данных которого соединена с цифровыми выходами n независимых аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Аналоговые входы АЦП через входы 17-22, …2n-1, 2n блока 6 соединены с сигнальными обмотками W4 - W_i4 трансформаторов T1 - T_i. Шина выхода данных микропроцессора соединена с цифровыми входами n независимых цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП). Аналоговые выходы ЦАП через выходы 23, 25, 27, … n блока 6 соединены с входами 24, 26, 28, … n, соответственно, первичного источника 2 и блоков 7, 7+i, … 7+n регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров резонансных усилителей 3, 4, … n.

Блоки 7+i регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров по фигуре 2 содержат набор конденсаторов С2, соединенных с неподвижными контактами электромеханического галетного переключателя П7+i, который уравляется шаговым двигателем M7+i (мотором). На вход 28 двигателя M7+i с выхода 27 блока 6 подаются однополярные пульсы поворота вала, связанного с переключающим контактом, переключателя П7+i. Поворот вала изменяет рабочее положение переключающиего контакта. Последовательный перебор рабочих положений переключающиего контакта позволяет последовательно выбирать величину емкости кондесатора С2 электромеханически, с помощью блока 6 и тем самым регулировать резонансную частоту контура.

Блоки 7+i регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров по фигуре 3 содержат набор отводов входных (первичных) обмоток W1, W2 - W_i2 трансформаторов Т1 - T_i, соединенных с неподвижными контактами электромеханических галетных переключателя П7+i, которые управляется шаговым двигателем M7+i (мотором). На вход 28 двигателя M7+i с выхода 27 блока 6 подаются однополярные пульсы поворота вала, связанного с переключающим контактом, переключателя П7+i. Поворот вала изменяет рабочее положение переключающиего контакта. Последовательный перебор рабочих положений переключающиего контакта позволяет последовательно выбирать величину индуктивности входных (первичных) обмоток W2 - W_i2 трансформаторов Т1 - T_i электромеханически, с помощью блока 6 и тем самым регулировать резонансную частоту контура.

Блоки 7+i регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров по фигуре 4 содержат магнитные реакторы, выполненные в виде трансформатора, содержащего обмотки L1, L2 намотанные на ферромагнитный сердечник. Величина индуктивности обмотки L2 плавно регулируется за счет изменения магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника путем подмагничивания его импульсами постоянного тока J, пропускаемого через обмотку L1 с выхода 27 блока 6 на вход 28 блока 7+i. Это позволяет регулировать резонансную частоту контура.

Первичный источник 2, выполненный в виде резонансного генератора переменного тока имеет выходной резонансный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности L с отводом 29 от части ее обмотки, витка связи W1 и конденсатора (на фигуре 1 не показан). Функции первичного источника 2 преобразовывать постоянное напряжение источника 1 в переменный ток постоянной по величине частоты f₀ и через виток связи W1 предавать в резонансный усилитель 3. Все резонансные усилители 3, 4, …n настроены на частоту f₀ и работают на этой частоте.

Источник электрической энергии работает следующим образом.

Электрическая энергия от источника 1 постоянного напряжения поступает в первичный источник 2 и преобразуется в переменный ток частоты f₀, а затем через виток связи W1 передается в последовательный резонансный контур резонансного усилителя 3, состоящий из конденсатора С1, блока 7 и входной (первичной) обмотки W1 трансформатора Т1. Этот трансформатор, а также все силовые трансформаторы Т2 - T_i, выполнены как понижающие трансформаторы с коэффициентом трансформации N для Т1, например, равным:

где - N_W2, N_W3 - число виков в первичной W2 и вторичной W3 обмотках трансформатора Т1;

N_Wi2, N_Wi3 - число виков в первичной Wi2 и вторичной Wi3 обмотках трансформатора T_i.

В рассматриваемых резонансных усилителях 3, 4, …n число витков N_W2 и N_Wi2 первичных обмоток больше числа витков вторичных обмоток N_W3 и N_Wi3, например, в 10 раз. Коэффициент трансформации N равен 10.

При этом у каждого резонансного усилителя 3, 4, …n во вторичных (выходных) обмотках Wi3 выходной ток увеличивается в N раз, выходное напряжение уменьшается N раз, а выходное сопротивление уменьшается N² раз. Это позволяет согласовать низкое входное сопротивление каждого резонансного усилителя с выходным сопротивлением каждого предыдущего резонансного усилителя и таким образом значительно снизить влияние входного сопротивления каждого резонансного усилителя на добротность последовательного резонансного контура предыдущего резонансного усилителя.

В последовательном резонансном контуре, например, резонансного усилителя 3, состоящем из конденсатора С1, блока 7 и входной (первичной) индуктивности обмотки W2 трансформатора Т1, при резонансной частоте контура равной частоте f₀ электрическое напряжение увеличивается в Q₃ раз:

где R_W2 и X_LW2 - активное и индуктивное сопротивление последовательного резонансного контура резонансного усилителя 3.

Величина напряжения UL на обмотках W2, …, Wi2 в последовательных резонансных колебательных контурах зависит от частоты и тем острее, чем больше добротность контура. Например, для резонансного усилителя 3 эта величина U_L3 определяется соотношением:

где - f - текущая величина резонансной частоты последовательного резонансного колебательного контура;

- f₀ - частота автономного резонансного генератора 2.

Таким образом на выходе резонансного усилителя 3, во вторичной (выходной) обмотке W3 трансформатора Т1, выделяется электрическая энергия с увеличенным напряжением в Q₃ раз за счет резонанса, уменьшенным в N раз по напряжению и увеличенным в N раз по току во вторичной обмотке за счет трансформации.

Аналогичные процессы увеличения и трансформации происходят в резонансном усилителе 4 на резонансной частоте f₀. При этом электрическая энергия с возросшим током и напряжением поступает в последовательный резонансный контур с добротностью Q4, состоящий из конденсатора С2, блока 7+i и входной (первичной) индуктивности обмотки Wi2 трансформатора Т2. В этом усилителе 4 электрическая энергия снова возрастает по напряжению в Q₄ раз за счет резонанса, уменьшается в N раз по напряжению и увеличивается в N раз по току во вторичной обмотке Wi3 за счет трансформации в трансформаторе Т2 и т.д.

Далее электрическая энергия передается в последующие резонансные усилители где процессы трансформации ее на резонансной частоте f₀ происходят аналогично.

В последнем резонансном усилителе n электрическая энергия с увеличенным напряжением поступает в последовательный резонансный контур с добротностью Q_n, состоящий из конденсатора Ci2, блока 7+i и входной (первичной) индуктивности обмотки Wi2 трансформатора Ti. В этом усилителе электрическая энергия снова возрастает по напряжению в Q_n раз за счет резонанса, уменьшается в N раз по напряжению и увеличивается в N раз по току во вторичной обмотке Wi5 за счет трансформации в трансформаторе Ti и поступает в электрическую нагрузку R_н, подключенную к вторичной обмотке Wi5.

Часть электрической энергии со вторичной обмотки Wi6 поступает в выпрямитель блока 5 обратной связи. Выпрямленное напряжение далее передается на вход 14 первичного источника 2 и компенсирует часть затрат энергии источника 1, например, подзаряда аккумулятора этого источника.

При изменении, например, величины нагрузки или величины индуктивности (например, нагрева ферромагнитного сердечника трансформатора от температуры внешней, окружающей, среды и т.п.), изменяются величины добротности Q3, Q4, ……O_n и резонансные частоты в последовательных резонансных колебательных контурах усилителей 3, 4, …n. В этом случае резонансных частоты колебательных контуров могут быть не равны частоте f₀ автономного резонансного генератора 2. Эти изменения согласно (3) и (6) будут приводить к уменьшению величин напряжений U_L на обмотках W2, …, Wi2 в последовательных резонансных колебательных контурах и электрической мощности Р_вых на выходе усилителя, во вторичной обмотке Wi5.

Для стабилизации текущей величин резонансной частоты последовательных резонансных колебательных контуров, выполнения равенства их частот частоте f₀ и выходной мощности Р_вых, выделяемой на активной нагрузке R_н блок управления 6 периодически через каждые 0.1 сек через свои входы 17-18, 19-20, 21-22, …, 2n-1 - 2n запрашивает величины переменных напряжений с сигнальных обмоток W4 - W_i4 трансформаторов T1 - T_i. С помощью аналого-цифровых преобразователей блока 6 эти напряжения преобразуются в цифровую форму. Затем микропроцессор блока 6 сравнивает величины этих напряжений с заданными (опорными) величинами этих напряжений, установленными в блоке 6. Если запрашиваемые с сигнальных обмоток W4 - W_i4 величины переменных напряжений не равны заданными (опорными) величинами этих напряжений, то микропроцессор блока 6 формирует цифровые сигналы на поиск максимальной величины этих напряжений. Поиск осуществляется путем формирования последовательности цифровых сигналов, которые передаются в цифро-аналоговые преобразователи блока 6, где преобразуются в аналоговую форму напряжений и с выходов 23, 25, 27, …, n блока 6 поступают на входы 26, 28, …, n блоков 7, 7+i, …, 7+n регулировки резонансной частоты последовательных резонансных контуров.

Предлагаемое изобретение позволяет расширить функциональные возможности устройства при его реализации, а именно повысить стабильность коэффициента усиления при изменении различных факторов, например, величины нагрузки, температуры, сдвига резонансных частот и т.п., за счет ввода в известный резонансный усилитель мощности системы автоматического регулирования резонансной частоты в каждом отдельном последовательном резонансном контуре резонансного усилителя мощности и величины выходного напряжения первичного источника энергии.

Источник электрической энергии, содержащий резонансный усилитель, подключенный к источнику постоянного тока, включающий силовой трансформатор и последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора и индуктивности обмотки силового трансформатора, а также из блока обратной связи, при этом резонансный усилитель мощности содержит n каскадов из n понижающих силовых трансформаторов, первичные обмотки каждого из которых, кроме первого, соединены через соответствующий резонансный контур с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора предыдущего каскада, первичная обмотка понижающего силового трансформатора первого каскада соединена с вторичной обмоткой силового трансформатора, а вторичная обмотка понижающего силового трансформатора n-го каскада соединена с нагрузкой, вход блока обратной связи связан с вторичной обмоткой понижающего силового трансформатора n-го каскада, а обратная связь выполнена в виде блока, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки понижающего силового трансформатора n-го каскада к первичной обмотке силового трансформатора резонансного усилителя мощности, отличающийся тем, что источник электрической энергии содержит блок управления и в каждом каскаде блок регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура, при этом соответствующие входы блока управления соединены с выводами соответствующих сигнальных обмоток силового трансформатора и понижающих силовых трансформаторов каждого каскада, причем соответствующие выходы блока управления соединены с первым входом первичного источника энергии и с входами блоков регулировки резонансной частоты последовательного резонансного контура соответствующих каскадов резонансного усилителя мощности.