ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ В ГЕНЕРАТОРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

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: , 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 достигается тем, что в предлагаемом параметрическом резонансном генераторе, содержащем группу катушек, соединенных последовательно и образующих с емкостью резонансный контур и устройство периодического изменения индуктивности резонансного контура, установленное на оси электродвигателя, параметрический резонансный генератор и устройство периодического изменения индуктивности резонансного контура выполнены из первой и второй параметрических резонансных электрических машин, установленных друг над другом, каждая из электрических машин имеет статор и ротор, роторы двух электрических машин установлены на общем валу, в пазах статора первой и второй электрических машин вокруг зубцов статора установлены основные катушки индуктивности, которые соединены между собой и с емкостью в отдельный резонансный контур каждой электрической машины, каждая основная катушка индуктивности во второй электрической машине имеет дополнительную обмотку, все дополнительные обмотки всех катушек индуктивности второй электрической машины соединены последовательно и совместно с основными катушками индуктивности выполнены в виде резонансного трансформатора Тесла, в котором основные катушки индуктивности резонансного контура являются первичной обмоткой, а дополнительные обмотки катушек индуктивности выполнены в виде вторичной обмотки, выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла соединены через выпрямитель или еще один трансформатор Тесла, выпрямитель и инвертор с нагрузкой и через преобразователь частоты с резонансным контуром катушек индуктивности первой электрической машины, роторы первой и второй электрической машины в поперечном сечении имеют на внешнем ободе выступы и пазы, размеры выступа ротора равны общему размеру двух зубцов и двух пазов статора, а количество выступов ротора в два раза меньше числа зубцов статора в каждой электрической машине.

В варианте параметрического резонансного генератора статоры и роторы первой и второй параметрических резонансных электрической машины выполнены из ферромагнитного материала, при котором индуктивность катушек не зависит от тока в катушке в диапазоне частот 0-10 кГц, например из феррита.

В другом варианте параметрического резонансного генератора статоры первой и второй параметрической резонансной электрической машины выполнены из электроизоляционного материала, например из стеклопластика.

Еще в одном варианте параметрического резонансного генератора роторы первой и второй параметрической резонансной электрической машины выполнены из немагнитного материала, например из титана или алюминиевого сплава.

В варианте параметрического резонансного генератора роторы первой и второй параметрической резонансной электрической машины выполнены из электроизоляционного материала, например из стеклопластика, а ободы роторов с пазами и выступами выполнены из ферромагнитного материала.

В способе возбуждения электрических колебаний в параметрическом резонансном генераторе путем периодического изменения энергии магнитного поля и индуктивности катушек индуктивности резонансного контура с частотой, в два раза превышающей частоту резонансного контура, в двух расположенных рядом соосно параметрических резонансных электрических машинах роторы устанавливают на общем валу, в пазах статора первой и второй электрических машин вокруг зубцов статора устанавливают основные катушки индуктивности, соединяют их последовательно с емкостью и образуют резонансный контур в каждой электрической машине, во второй электрической машине на основных катушках индуктивности устанавливают дополнительные обмотки, соединяют их последовательно таким образом, что основные и дополнительные обмотки катушек индуктивности второй электрической машины образуют первичную и вторичную обмотки резонансного трансформатора Тесла, выводы вторичной обмотки трансформатора Тесла соединяют через выпрямитель или еще один трансформатор Тесла, выпрямитель, инвертор с нагрузкой и через преобразователь частоты с резонансным контуром первой электрической машины, в роторах первой и второй электрической машины на внешнем ободе выполняют чередующиеся выступы и пазы в количестве, в два раза меньшем количества зубцов и пазов статора, подают от сети через преобразователь частоты на резонансный контур первой электрической машины напряжение с частотой f, в два раза превышающей резонансную частоту f₀ резонансного контура, и используют первую электрическую машину в качестве параметрического резонансного электродвигателя, при вращении роторов первой и второй электрической машины выступы ротора периодически перекрывают пазы и зубцы статора, изменяют магнитное поле основных катушек статора и индуктивность резонансного контура с частотой f, в два раза превышающей резонансную частоту f₀ резонансного контура, параметрически возбуждают электромагнитные колебания в резонансном контуре второй электрической машины, колебания усиливают по напряжению в резонансном трансформаторе Тесла, понижают по напряжению в другом трансформаторе Тесла, выпрямляют в выпрямителе, преобразуют по частоте и напряжению в инверторе и передают в нагрузку и через преобразователь частоты на вход резонансного контура первой электрической машины.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, где на фиг. 1 показана конструкция параметрического резонансного генератора в виде двух параметрических резонансных электрических машин с общим валом для двух роторов.

На фиг. 2 показана электрическая блок-схема устройства периодического изменения индуктивности резонансного контура в виде статора и ротора первой параметрической резонансной электрической машины.

На фиг. 3 показана электрическая блок-схема второй параметрической резонансной электрической машины.

На фиг. 1 параметрический резонансный генератор выполнен в виде первой 1 и второй 2 параметрических резонансных электрических машин, установленных друг над другом. Каждая из электрических машин 1 и 2 имеет статор 3 и ротор 4, роторы 3 и 4 двух электрических машин 1 и 2 установлены на общем валу 5.

На фиг. 2 в пазах 6 статора 3 первой и второй параметрических резонансных электрических машин 1 и 2 вокруг зубцов 7 статора 3 установлены основные катушки индуктивности 8, которые соединены между собой и с емкостью 9 в отдельный резонансный контур 10 каждой электрической машины 1 и 2.

На фиг. 3 каждая основная катушка индуктивности 8 во второй параметрической резонансной электрической машине 2 имеет дополнительную обмотку 11, все дополнительные обмотки 11 всех катушек индуктивности 8 второй электрической машины 2 соединены последовательно и совместно с основными катушками индуктивности 8 выполнены в виде резонансного трансформатора Тесла 12, в котором основные катушки индуктивности 8 резонансного контура 10 являются первичной обмоткой 13. Дополнительные обмотки 11 катушек индуктивности выполнены в виде вторичной обмотки 14, выводы вторичной обмотки 14 трансформатора Тесла 12 соединены через еще один трансформатор Тесла 15, выпрямитель 16 и инвертор 17 с нагрузкой 18 и через преобразователь частоты 19 с резонансным контуром 10 катушек индуктивности первой электрической машины.

Соединение электрических цепей первой и второй параметрической резонансной электрической машины показано двумя стрелками, позиция 16 на фиг. 2 и позиция 10 на фиг. 3.

Роторы 4 первой и второй параметрической резонансной электрической машины 1 и 2 в поперечном сечении имеют на внешнем ободе выступы 20 и пазы 21, размеры выступа 20 роторов 4 равны общему размеру двух зубцов 7 и двух пазов 6 статора 3, а количество выступов 20 роторов 4 в два раза меньше числа зубцов 7 статора 3 в каждой электрической машине 1 и 2. Сеть 22 и переключатель сети 23 служат для включения преобразователя частоты 19 и электрической машины 1 и регулирования числа оборотов ротора 4.

Статоры 3 и роторы 4 первой и второй параметрической резонансной электрической машины 1 и 2 могут быть выполнены из ферромагнитного материала, при котором индуктивность катушек не зависит от тока в катушке в диапазоне частот 0-10 кГц, например из феррита. Статоры 3 первой и второй параметрической резонансной электрической машины 1 и 2 могут быть выполнены из электроизоляционного материала, например из стеклопластика. Роторы 4 первой и второй электрической машины 1 и 2 могут быть выполнены из немагнитного материала, например из титана или алюминиевого сплава или из электроизоляционного материала, например из стеклопластика, а ободы роторов 4 с пазами 21 и выступами 20 выполнены из ферромагнитного материала.

Способ возбуждения электрических колебаний в параметрическом резонансном генераторе на фиг. 1 и 2 реализуется путем периодического изменения энергии магнитного поля и индуктивности катушек индуктивности 8 резонансного контура 10 с частотой f, в два раза превышающей частоту f₀ резонансного контура 10, в двух расположенных друг над другом сосно параметрических резонансных электрических машинах 1 и 2.

Роторы 4 устанавливают на общем валу 5, в пазах 6 статора 3 первой и второй электрических машин 1 и 2 вокруг зубцов 7 статора 3 устанавливают основные катушки индуктивности 8, соединяют их последовательно с емкостью 9 и образуют резонансный контур 10 в каждой электрической машине 1 и 2. Во второй электрической машине 2 на основных катушках индуктивности 10 устанавливают дополнительные обмотки 11, соединяют их последовательно таким образом, что основные 10 и дополнительные обмотки 11 катушек индуктивности второй электрической машины 2 образуют первичную 13 и вторичную 14 обмотки резонансного трансформатора Тесла 12, выводы вторичной обмотки 14 трансформатора Тесла 12 соединяют через понижающий трансформатор Тесла 15, выпрямитель 16, инвертор 17 с нагрузкой 18 и через преобразователь частоты 19 с резонансным контуром 10 первой электрической машины 1. В роторах первой 1 и второй 2 электрической машины на внешнем ободе выполняют чередующиеся выступы 20 и пазы 21 в количестве, в два раза меньше количества зубцов 7 и пазов 6 статора, подают через преобразователь частоты 19 на резонансный контур 10 первой электрической машины 1 напряжение с частотой f, в два раза превышающей резонансную частоту f₀ резонансного контура 10, и используют первую электрическую машину 1 в качестве параметрического резонансного электродвигателя, при вращении роторов 4 первой 1 и второй 2 электрической машины выступы 20 ротора 4 периодически перекрывают пазы 6 и зубцы 1 статора 7, изменяют магнитное поле основных катушек 8 статора 3 и индуктивность резонансного контура 10 с частотой f, в два раза превышающей резонансную частоту f₀ резонансного контура, параметрически возбуждают электромагнитные колебания в резонансном контуре 10 второй электрической машины 2, колебания усиливают по напряжению в резонансном трансформаторе Тесла 12, понижают по напряжению в трансформаторе Тесла 15, выпрямляют в выпрямителе 16, преобразуют по частоте и напряжению в инверторе 17 и передают в нагрузку 18 и через преобразователь 19 частоты на вход резонансного контура 10 первой электрической машины 1.

Параметрический резонансный генератор является обратимой электрической машиной и может работать как в режиме генератора, так и в режиме электрического двигателя.

На фиг. 2 и 3 размер А каждого выступа 20 на ободе ротора 4 равен общему размеру В двух зубцов 7 и двух пазов 6 статора 3:

Число N_B выступов 20 ротора 4 в два раза меньше числа пазов 6 статора 3:

Параметрический резонансный генератор работает следующим образом.

При подключении к сети 22 через выключатель 23 параметрическая резонансная электрическая машина работает как параметрический электродвигатель, и роторы 4 электрических машин 1 и 2 начинают вращаться. Число оборотов регулируется преобразователем частоты 19. При вращении ротора 4 выступы 20 ротора 4 периодически перекрывают две соседние катушки индуктивности 8 статора 3 второй электрической машины 2, при этом энергия магнитного поля уменьшается, что эквивалентно уменьшению индуктивности катушек индуктивности 8. Когда в воздушном зазоре над катушками индуктивности 8 находятся пазы 21, индуктивность резонансного контура 10 становится максимальной. Изменение индуктивности резонансного контура 10 приводит к параметрическому возбуждению электромагнитных колебаний. При изменении индуктивности с частотой, в два раза большей, чем резонансная частота f₀ колебаний контура 10, в резонансном контуре 10 возникают мощные колебания с напряжением на катушке индуктивности 8 контура 10 более 10 кВ. В проводниках и в катушках индуктивности 8 резонансного контура 10 существуют хаотичные флуктации электронов, энергия и амплитуда колебаний которых пропорциональна температуре окружающей среды. Как показывает теория и опыт, в резонансном контуре 10 постоянно циркулируют беспорядочные, непрерывно меняющие свое направление, частоту и величину очень слабые флуктуационные токи величиной менее 10^-12 А, наведенные теплом окружающей среды, магнитным полем Земли, атмосферными разрядами, электрическими устройствами, радиоволнами. Параметрический резонансный генератор усиливает эти электрические колебания, что приводит к увеличению мощности в цепи.

При изменении индуктивности резонансного контура 10 на ΔL общая индуктивность резонансного контура 5 изменяется от L₁+L₂ до L₁+L₂-ΔL. Если частота f изменений параметров резонансного контура 10 в 2 раза превосходит резонансную частоту f₀ контура, происходит усиление энергии колебаний и напряжения на катушках индуктивности 8. Трансформатор Тесла 12 усиливает электрические колебания по напряжению и передает их на понижающий трансформатор Тесла 15 с резонансной частотой f₀. Электрическую энергию с трансформатора Тесла 15 передают в выпрямитель 16, преобразуют по частоте в инверторе 17 и передают в нагрузку 18. Изменение частоты f осуществляют путем регулирования числа оборотов ротора 4 электрической машины 1 с помощью частотного преобразователя 19. Корпус статора 3 выполняют из электроизоляционного или ферромагнитного материала, обеспечивающего работоспособность параметрического резонансного генератора при резонансной частоте до 10 кГц.

В предлагаемом параметрическом резонансном генераторе нагрузка 18 отделена от резонансного контура 10 вставкой постоянного тока в виде выпрямителя 16, поэтому изменение нагрузки 18 не влияет на параметры параметрического генератора.

Пример выполнения параметрического резонансного генератора.

Параметрический резонансный генератор выполнен с вертикальным расположением оси роторов 4. Каждая катушка индуктивности 8 имеет 6 витков изолированного медного провода, намотанных вокруг зубца 7 в пазах 6 статора 3 с внутренним диаметром статора 3 900 мм, длиной статора 3 100 мм. Диаметр ротора 4 850 мм, длина ротора 4 100 мм. Количество выступов 20 на роторе 4 равно 40, число катушек индуктивности 8 на статоре 80. Скорость вращения ротора 4 4000 об/мин.

При вращении ротора 4 выступы 20 периодически совпадают с размерами двух соседних катушек индуктивности 8. Каждая катушка индуктивности 8 имеет дополнительную обмотку 11 с числом витков 12 с образованием вторичной обмотки трансформатора Тесла 10.

Все катушки индуктивности 8 статора 3 в каждой параметрической резонансной электрической машине 1 и 2 соединены между собой последовательно с образованием первичной обмотки 13 трансформатора Тесла 12 и с емкостью 9 с образованием резонансного контура 10 с резонансной частотой f₀=1 кГц. Все дополнительные обмотки 11 катушек индуктивности 8 соединены между собой последовательно и образуют вторичную обмотку 14 трансформатора Тесла 12.

Понижающий трансформатор Тесла 15 выполнен аналогично.

Напряжение на входе трансформатора Тесла 12 составляет 10 кВ, выпрямленное напряжение на выпрямителе 16 500B, напряжение на трехфазном инверторе 17 230/380B, частота 50 Гц, электрическая мощность 12 кВт.

Параметрический резонансный генератор имеет простую конструкцию, большую мощность при изменении нагрузки, устойчив к коротким замыканиям и может использоваться для питания радиостанций, в технологиях сварки, а также в качестве компактного высокочастотного источника питания.