УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО СЕРДЕЧНИКА В ТЕПЛОВУЮ ИЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию, и может быть применено, например, в автономных системах обогрева.

Известно устройство преобразования энергии, в котором электрическую энергию для нагрева (в виде переменного электрического тока, с частотой не менее 50 Гц) преобразуют при помощи трансформатора и направляют на нагревательное устройство (например, для получения тепла на нагрузочном резисторе) (А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980, стр. 7, рис. В-1). В этом с устройстве внешняя электрическая энергия, забираемая от сети переменного тока с частотой не менее 50 Гц, преобразуется в тепловую. При этом источником получаемой тепловой энергии является энергия переменного тока, забираемого от внешней сети с частотой не менее 50 Гц, и не ставится задача о преобразовании в тепловую энергию энергии магнитного поля, что можно рассматривать как недостаток прототипа. Между тем в (С.Г. Калашников. Электричество // Москва, Наука, 1970, изд. третье) в главе 11 указано, что “используя ферромагнетики, мы … увеличиваем магнитное поле в сотни и тысячи раз по сравнению с полем одних намагничивающих катушек”. Таким образом магнитное поле ферромагнетика аккумулирует в себе огромную энергию, которую целесообразно преобразовать в дешевую тепловую или электрическую энергию при минимальной затрате внешней энергии.

Прототипом предлагаемого изобретения является устройство, реализующее способ преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию (описание изобретения к патенту RU 2258327, МПК⁷ Н05В 3/00), содержащее источник электрического тока, выполненный в виде аккумуляторной батареи, генератор постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока (далее генератор ПНЛПТ), диод, выполненный с возможностью шунтирования генератора по обратному току между входом и выходом генератора, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем вход генератора соединен с первым полюсом источника электрического тока, второй полюс которого соединен с общим проводом генератора и первым выводом первичной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом генератора, а вторичная обмотка трансформатора подсоединена к нагревательному элементу, выполняющему функции нагрузки.

В этом устройстве генератор ПНЛПТ выполнен в виде реостата с возможностью создания постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока путем изменения величины сопротивления реостата от максимальной его величины до минимальной и резкого возвращения сопротивления реостата с помощью электромеханического привода перемещения ползунка реостата. При этом напряжение U₁ на первичной обмотке и ток I₁ в ней изменяются по закону:

где K - скорость нарастания пилообразного напряжения, В/сек;

R - полное сопротивление входной цепи (первичной обмотки трансформатора);

t - текущий момент времени, сек.

В данном устройстве решается задача преобразования в тепловую энергию энергии линейно меняющегося во времени магнитного поля ферромагнитного сердечника трансформатора, создаваемого в сердечнике при пропускании через первичную обмотку трансформатора постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока. Это поле индуцирует во вторичной обмотке однополярные прямоугольные импульсы электрического тока, пропускаемые через нагревательный элемент, генерирующий при этом тепловую энергию.

Согласно основного закона Фарадея-Максвелла магнитное поле, возбужденное внешним источником электроэнергии (аккумуляторной батареей), индуцируя в контурах двухобмоточного трансформатора электродвижущие силы и токи индукции и самоиндукции, на основании закона сохранения энергии передает свою энергию этим индуцируемым силам и токам. Если при этом обеспечить постоянство индуцируемых токов, то во вторичной обмотке ток индукции I_инд будет полностью преобразовываться на выходе трансформатора в тепло Джоуля-Ленца, а ток самоиндукции I_с в первичной обмотке будет направлен на дозарядку аккумуляторной батареи, разряжающейся во время работы устройства. Поскольку токи I_с и I_инд оказываются постоянными, возбуждаемые ими в сердечнике трансформатора магнитные поля также будут постоянны, и потому они не будут индуцировать в обеих цепях никаких добавочных ЭДС и токов. Поэтому обе цепи на протяжении времени Т будут работать автономно друг от друга. Согласно прототипу количество энергии W, выделяющееся на выходе трансформатора в нагрузке, равно:

или с учетом (1)

где k - коэффициент заполнения каркаса при намотке на нем катушки индуктивности;

µ₀=1,256·10^-7, Гн/м, абсолютная магнитная проницаемость;

µ - относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала сердечника трансформатора;

N₁ - число витков в первичной обмотке трансформатора;

N₂ - число витков во вторичной обмотке трансформатора;

S - сечение сердечника трансформатора (магнитопровода), м²;

l - длина средней линии трансформатора (магнитопровода), м²

R₁ - полное сопротивление выходной цепи (вторичной обмотки трансформатора с сопротивлением нагрузки);

Т - период следования импульсов пилообразного напряжения и тока, сек;

U - величина напряжения на первичной обмотке трансформатора в момент t=Т;

f - частота следования импульсов пилообразного напряжения и тока, Гц.

Из (3) видно, что количество выделяющейся энергии W зависит в том числе и от величины напряжения U на первичной обмотке трансформатора в момент t=T, а также частоты f следования импульсов пилообразного напряжения.

Однако выполнение генератора постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока в виде реостата с электромеханическим приводом перемещения ползунка реостата резко снижает эффективность преобразования в тепловую энергию энергии линейно меняющегося во времени магнитного поля ферромагнитного сердечника по ряду следующих причин:

- из-за потерь энергии источника электрического тока на активном сопротивлении реостата, которое, как правило, находится в интервале (1-100) Ом;

- ограничение верхней границы частоты преобразования практически частотой не более 1 Гц (вследствие повышенного износа, например, ползунка реостата и т.п.);

- повышенные массогабаритные характеристики, что не позволят создавать устройства с высокой удельной мощностью преобразования;

- пониженная надежность, обусловленная износом ползунка реостата, особенно при больших токовых нагрузках.

Технический результат заявленного изобретения заключается в снижении потерь энергии источника электрического тока на активном сопротивлении генератора постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока, расширении частотного диапазона преобразования, повышении удельной мощности в целом устройства, а также повышении надежности и эффективности преобразования энергии при работе устройства.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в устройстве преобразования энергии магнитного поля ферромагнитного сердечника в тепловую или электрическую энергию, содержащем источник электрического тока, выполненный в виде аккумуляторной батареи, генератор постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока (ПНЛПТ), диод, выполненный с возможностью шунтирования генератора по обратному току между входом и выходом генератора ПНЛПТ, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем вход генератора ПНЛПТ соединен с первым полюсом аккумуляторной батареи, второй полюс которой соединен с первым выводом первичной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом генератора ПНЛПТ, а вторичная обмотка трансформатора подсоединена к потребителю тепловой или электрической энергии, дополнительно генератор ПНЛПТ выполнен виде импульсного источника напряжения и снабжен блоком автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника напряжения, выполненным с возможностью автоматического регулирования выходного напряжения импульсного источника напряжения, при этом вход импульсного источника напряжения соединен с входом генератора, выход импульсного источника напряжения соединен с выходом генератора, а вход регулировки напряжения импульсного источника напряжения соединен с выходом блока автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника.

При этом блок автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника выполнен в виде генератора пилообразного напряжения, выход которого через резистивный делитель соединен с входом регулировки напряжения и выходом напряжения импульсного источника напряжения

Выполнение генератора ПНЛПТ в виде импульсного источника напряжения, содержащего блок автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника напряжения, выполненного с возможностью автоматического регулирования выходного напряжения импульсного источника напряжения, позволяет исключить потери энергии источника электрического тока на активном сопротивлении генератора ПНЛПТ, расширить частотный диапазон преобразования, повысить удельную мощность в целом устройства, а также повысить надежность и эффективность преобразования энергии при работе устройства

Это достигается тем, что предлагаемая схема устройства позволяет использовать для ее реализации существующую элементную базу транзисторов (MOSFET - полевые транзисторы, JGBT - транзисторы), микросхем и микропроцессорных сборок. Например, применение в качестве ключевого блока в генераторе ПНЛПТ MOSFET - полевых транзисторов типа IRF2907 позволяет снизить активное сопротивление генератора до 0.007 Ом, а частоту релаксации тока на его выходе поднять до 10⁷ Гц, что значительно выше возможностей электропривода. Очевидно также, что применение этой элементной базы позволяет уменьшить габаритные размеры устройства и таким образом повысить удельную мощность его в целом, повысить надежность и эффективность преобразования энергии при работе устройства.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства преобразования энергии магнитного поля ферромагнитного сердечника в тепловую или электрическую энергию.

На фиг. 2 приведена схема блока автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника, выполненная в виде генератора пилообразного напряжения.

На фиг. 3 приведены диаграммы изменения напряжений и токов схем по фиг. 1.

Устройство по фиг. 1 содержит источник электрического тока, выполненный, например, в виде аккумуляторной батареи АКБ, образованной набором батарей Б1-Б6, соединенных последовательно. Батарея АКБ имеет положительный полюс 1 и отрицательный полюс 2. Имеется также генератор ПНЛПТ 3, диод VD1, катод которого соединен с входом 4 генератора ПНЛПТ 3, анод - с выходом 5 генератор ПНЛПТ 3, и трансформатор Т1 с первичной обмоткой W1, первый вывод которой соединен с первым полюсом аккумуляторной батареи АКБ, а второй вывод обмотки W1 соединен с выходом 5 генератора ПНЛПТ 3. Выводы вторичной обмотки W2 трансформатора Т1 подсоединены к резистору R1, выполняющему функции активной нагрузки потребителя.

Генератор ПНЛПТ 3 выполнен в виде импульсного источника напряжения 6 и снабжен блоком 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника напряжения 6. Вход 8 импульсного источника напряжения 6 соединен с входом 4 генератора ПНЛПТ 3, выход 9 импульсного источника напряжения соединен с выходом 5 генератора ПНЛПТ 3, а вход 10 регулировки напряжения импульсного источника напряжения соединен с выходом 11 блока 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника 6. Вывод 12 общего провода источника 6 соединен с выводом 14 общего провода генератора ПНЛПТ 3 и с отрицательным полюсом 2 аккумуляторной батареи АКБ.

Импульсный источник напряжения 6 содержит монолитную интегральную микросхему 15, например МАХ724 или LM2596, разрядный диод VD2, фильтр L1C1, защитный диод VD3 и датчик выходного напряжения U_вых, выполненный в виде резистивного делителя, образованного постоянным резистором R2, подстроечным резистором R3 и постоянным резистором R4. Интегральная микросхема 15 содержит составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2, контроллер 16 формирования широтно-импульсной модуляции PWM, генератор 17 частоты преобразования, генератор 18 опорного напряжения URF и усилитель 19 сигнала рассогласования ЕА, инвертирующий вход 20 которого соединен с ползунком подстроечного резистора R3 датчика выходного напряжения U_выx.

Блок 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника 6 выполнен виде генератора пилообразного напряжения (ГПН), выход 11 которого через резистивный делитель R2-R4 соединен с входом 10 регулировки напряжения и выходом 9 напряжения импульсного источника напряжения 6. Схема ГПН приведена на фиг. 2. Генератор ГПН содержит источник тока на транзисторе VT3 с резисторами R5, R6 и конденсаторами С2, С3, однопереходный транзистор VT4 с резистором R7, операционный усилитель D1 с резисторами R8, R9, R10, R11. Транзистор VT3 с резистором R6 в цепи эмиттера представляет собой источник тока с выходным сопротивлением несколько мегаом. Током этого транзистора заряжается конденсатор С3. Ввиду большого выходного сопротивления источника тока на VT3 обеспечивается высокая линейность напряжения заряда конденсатора С3. Когда напряжение на конденсаторе С3 достигает величины, при которой открывается однопереходный транзистор VT4, происходит быстрый разряд конденсатора С3 на резисторе R7. Импульсы пилообразного напряжения далее подаются на инвертирующий вход операционного усилителя D1, с выхода которого инвертированные импульсы пилообразного напряжения через подстроечный резистор R11 поступают на выход 11 блока 7.

Резистор R10 создает 100% отрицательную обратную связь в операционном усилителе D1, который при этом работает в режиме повторителя сигнала. Подстроечный резистор R8 служит для балансировки нуля операционного усилителя D1, а подстроечный резистор R9 для сдвига по напряжению импульсов пилообразного напряжения на выходе 11 при настройка в целом предлагаемого устройства. При номиналах, указанных на схеме фиг. 2, частота повторения импульсов находится в интервале от 0.01 до 40 Гц (период от 100 с до 0.025 с).

Возможно выполнение генератора пилообразного напряжения (ГПН) блока 7, например, на микропроцессоре и цифроаналоговом преобразователе. В этом случае линейное пилообразное напряжение может быть сформировано с помощью программных средств микропроцессора.

На диаграмме фиг. 3: Т - период следования импульсов пилообразного напряжения, U_С5 - напряжение на конденсаторе С5 генератора ГПН блока 7, U₁₁ - напряжение на выходе 11 генератора пилообразного ГПН блока 7 (выход 11 блока 7), U₂₀ - напряжение на входе 20 интегральной микросхемы 15, U₉ - напряжение на выходе 9 импульсного источника напряжения 6, U₅ - напряжение на выходе 5 генератора 3, U_R1 - напряжение на резисторе R1, выполняющем функции активной нагрузки потребителя.

Устройство работает следующим образом.

В начале рассмотрим кратко стандартный процесс работы импульсного источника напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 (см., например, Б.Ю. Семенов, Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 179 с.).

При подаче напряжения U_вх от аккумулятора АКБ на входы 4 и 8 задающий генератор 17 формирует импульсы напряжения пилообразной формы частотой, например, 100 кГц (период 10 мкс). Сигнал обратной связи, снимающийся в виде напряжения U_обр с датчика выходного напряжения U_вых, выполненного в виде резистивного делителя R2, R3. R4, подается на инвертирующий вход усилителя 19 сигнала рассогласования и сравнивается с опорным напряжением генератора 18 опорного напряжения U_ref. Контроллер 16 формирования широтно-импульсной модуляции PWM из сигнала пилообразной формы генератора 17 на выходе 22 формирует прямоугольные импульсы, которыми составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2 открывается на промежуток времени t₀. Длительность t₀ этих прямоугольных импульсов зависит от соотношения величин напряжений U_ref и U_обр. Если U_ref больше U_обp, то усилитель 19 на входе 23 контроллера 16 формирует сигнал на включение составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Как только U_RF станет меньше или равно U_обр, усилитель 19 на входе 23 контроллера 16 формирует сигнал на выключение составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. В течение времени t₀ (когда составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2 открыт) конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1. Выходное напряжение U_вых и напряжение U_обр обратной связи увеличиваются. Величина U_обр связана с величиной U_вых соотношением:

где φ и n - соответственно угол поворота и число полных оборотов ползунка подстроечного резистора R3.

Как только величина U_обр будет равна или больше опорного напряжения U_ref блока 18, усилитель 19 на входе 23 контроллера 16 формирует сигнал на закрытие составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. При этом индуктивность L1 через разрядный диод VD2 отдает запасенную энергию конденсатору С1, а последний при закрытом ключевом транзисторе VT1-VT2 разряжается на нагрузку, именно диод VD3 - первичную обмотку W1. Выходное напряжение U_вых и напряжение U_обр обратной связи уменьшаются. Как только величина U_обр будет меньше опорного напряжения U_RF блока 18, усилитель 19 на входе 23 контроллера 16 формирует сигнал на открытие составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1, процесс работы импульсного источника напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 многократно повторяется по описанной выше процедуре. В данном режиме работы импульсный источник напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 выполняет функции автоматического стабилизатора напряжения U_вых при любых изменениях напряжения U_вх от аккумулятора АКБ на входах 4 и 8. Это общепринятый, стандартный режим автоматической регулировки напряжения U_вых импульсного источника напряжения 6 в отсутствие внешних сигналов с блока 7.

Для решения поставленной в предлагаемом изобретении технической задачи импульсный источник напряжения 6 используется в режиме автоматической регулировки напряжения U_вых под воздействием внешних сигналов с блока 7.

Как было отмечено выше, импульсы пилообразного напряжения, образующиеся на конденсаторе С3 генератора ГПН (см. фиг. 2.), инвертируются операционным усилителем D1, выделяются на выводе 11 блока7 и имеют вид, приведенный на фиг. 3, график U₁₁(t). Зависимость U₁₁(t) в течение каждого периода T можно представить в виде:

где α - постоянная наклона, В/сек. Это напряжение складывается с напряжением на резисторах R3-R4 резистивного делителя R2-R4, а напряжение U_обр обратной связи будет в этом случае равно:

где U₀ величина напряжения на резисторе R4 в момент времени t=0.

С помощью подстроечного резистора R11 величину U₀ устанавливают равной U_ref. В этом случае в процессе работы импульсного источника напряжения 6 в момент времени t=0 U_обp больше или равно U_RF блока 18 усилитель 19 на входе 23 контроллера 16 формирует сигнал на закрытие составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Величина напряжения U_вых равна ли близка к нулю, т.к величина U_обр образуется за счет внешнего напряжения U₁₁(t), равного при t=0 U₀, т.е. U_ref. С течением времени t величина U₁₁(t) уменьшается. Уменьшается и U_обр, а схема импульсного источника напряжения 6 отслеживает это уменьшение U_обр путем периодического отрывания составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2, увеличивая таким образом величину напряжения U_выx до тех пор, пока U_обр не будет равно U_ref при величине U₁₁(t) в текущий момент времени t. Так как U₁₁(t) линейно уменьшается в течение периода Т, то напряжение U_вых будет линейно увеличиваться в течение Т и в течение периода Т в противофазе повторять пилообразную форму U₁₁(t) блока 7 (см. фиг. 3). При этом U_oбр в течение времени t не изменяется по величие, т.к. его изменения компенсируются за счет автоматического слежения за изменениями U_обр схемой импульсного источника напряжения 6 при изменениях напряжения U₁₁(t) блока 7 (см. фиг. 3, график U_обр).

С выхода 9 импульсного источника напряжения 6 пилообразное напряжение U_вых через диод VD3 поступает на выход 5 генератора ПНЛПТ 3 и далее на первичную обмотку W1 трансформатора Т1, создавая в ней линейный пилообразный ток при линейно изменяющемся напряжении U_выx, который трансформируется во вторичную обмотку W2 и далее в нагрузку R1. Формы напряжений U₅(t) на выходе 5 генератора ПНЛПТ 3 и напряжения U_R1(t) на резисторе R1 приведены на фиг. 3, график U₅(t) и U_R1(t) соответственно. В моменты времени t=T, t=2T, t=3T и т.д. напряжения U_вых на выходе 9 и U₅(t) на выходе 5 совершают резкий скачек до нуля. При этом U₅(t) на выходе 5 за счет ЭДС самоиндукции первичной обмотки W1 трансформатора Т1 появляется бросок напряжения и тока, которые запирают защитный диод VD3 и открывают диод VD1, через который осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи АКБ (рекуперация энергии).

Наиболее эффективно предлагаемое устройство работает при φ=0. В этом случае ограничения формы напряжения U_вых (см. фиг. 3, график U₉) отсутствуют.

Источники информации

1. Б.Ю. Семенов, Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 179 с.