РЕЗОНАНСНЫЙ ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В РЕЗОНАНСНОМ ПАРАМЕТРИЧЕСКОМ ГЕНЕРАТОРЕ

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.