Резонансний підсилювач потужності

 
 

Резонансний підсилювач потужності

Патент RU-2517378



Классы МПК: H03F3/20 усилители мощности, например усилители, работающие в режиме класса B или класса C
Автор(ы): Стребков Дмитрий Семенович (RU)Каторгин Рудольф Клавдиевич (RU)
Патентообладатель(и): Стребков Дмитрий Семенович (RU),
Каторгин Рудольф Клавдиевич (RU),
Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2012-10-17
публикация патента:
27.05.2014

 

 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к резонансным преобразователям электрической энергии на основе резонансных усилителей мощности.

Известен резонансный усилитель мощности 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 недостаточно высокий коэффициент усиления и сложность настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров преобразователя от величины нагрузки и частоты.

Технический результат заключается в увеличении коэффициента усиления резонансного преобразователя до 2-10 и стабилизации величины коэффициента усиления при изменении нагрузки и частоты.

Технический результат достигается тем, что в резонансном усилителе мощности, содержащем 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, резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 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:

Рn=кРn-1, где к - коэффициент усиления одного каскада.

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.

587024

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.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фиг.1, 2, где на фиг.1 представлена электрическая схема резонансного преобразователя из двух каскадов с устройством обратной связи в виде источника бесперебойного питания, на фиг.2 - электрическая схема резонансного преобразователя из двух каскадов с устройством обратной связи в виде односторонней индуктивной связи.

Резонансный усилитель мощности на фиг.1 содержит входной трансформатор 1 с первичной 2 и вторичной 3 обмотками, первый силовой трансформатор 4 с первичной 5 и вторичной 6 обмотками и второй силовой трансформатор 7 с первичной 8 и вторичной 9 обмотками. Вторичная обмотка 3 входного трансформатора 1 соединена с первичной обмоткой 5 первого силового трансформатора 4 через конденсатор 10 с емкостью С 1. Емкость C1 и индуктивность L1 первичной обмотки 5 силового трансформатора 4 образуют первый резонансный контур 11 первого каскада усиления, настроенный на частоту

 резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 

, равную частоте питающей сети 12, подключенной к первичной обмотке 2 входного трансформатора 1.

Второй каскад усиления выполнен из первичной обмотки 8 с индуктивностью L 2 второго силового трансформатора 7, которая соединена со вторичной обмоткой 6 первого силового трансформатора 4 через конденсатор 13 с емкостью С2. Емкость С2 и индуктивность L2 образуют второй последовательный резонансный контур с резонансной частотой

 резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 

, равной частоте питающей сети 12 и резонансной частоте первого резонансного контура 11. Устройство обратной связи 14 выполнено в виде блока бесперебойного питания 15, содержащего выпрямитель 16, аккумулятор 17 и инвертор 18 с частотой f 0 и выходным напряжением, равным частоте и напряжению питающей сети 12. Вторичная обмотка 9 второго силового трансформатора 7 соединена с нагрузкой 19 и со входом выпрямителя 16 устройства обратной связи 14.

Резонансный усилитель мощности на фиг.2 содержит один входной трансформатор 1, первый 4 и второй 7 силовые трансформаторы, соединенные резонансными контурами аналогично электрической схеме резонансного усилителя мощности на фиг.1. Устройство обратной связи 20 выполнено в виде однонаправленной индуктивности 21, содержащей три обмотки 22, 23 и 24. Обмотки 22 и 23 соединены встречно и расположены на магнитном сердечнике. Обмотка 24 расположена между обмотками 22 и 23 (В.Ефимов. Односторонняя индуктивная связь // Изобретатель и рационализатор, 2012, № 1, с.30-31). Входная обмотка 22 соединена со вторичной обмоткой 9 второго силового трансформатора 7. Выходная обмотка 24 однонаправленной индуктивности 21 соединена с первичной обмоткой 2 входного трансформатора 1. При подаче напряжения на встречно включенные обмотки 22 и 23 магнитное поле этих обмоток возбуждает эдс в обмотке 24 и происходит передача электрической энергии от выхода усилителя мощности к его входу. При подаче напряжения на обмотку 24 в обмотках 22 и 23 возникают эдс, противоположные по знаку, напряжение на выходе этих обмоток равно нулю и передача электрической энергии от входа усилителя мощности к выходу усилителя не происходит.

Резонансный усилитель мощности работает следующим образом.

В резонансном контуре эдс емкости и эдс самоиндукции катушки индуктивности в Q раз больше напряжения внешнего генератора, приложенного к этой цепи, где 

резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 - добротность контура, XL и R - индуктивное и активное сопротивление контура. Обычно Q=10-100. Если реактивное сопротивление резонансного контура является индуктивным сопротивлением низковольтной обмотки трансформатора, увеличенное в Q раз напряжение внешнего генератора увеличивается еще в n раз на выходе трансформатора, где резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 коэффициент трансформации, W1, W2 обмоток трансформатора эдс самоиндукции и эдс взаимной индукции в индуктивных сопротивлениях трансформатора отстает от тока на четверть периода или на 90°.

Электрическая энергия питающей сети 12 поступает на первичную обмотку 2 входного понижающего трансформатора 1, увеличивается по току и уменьшается по напряжению во вторичной обмотке 3 в соответствии с коэффициентом трансформации входного трансформатора 1. В последовательном резонансном контуре 11 электрическая энергия увеличивается по напряжению в Q1 раз, где резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 - добротность первого резонансного контура 11 L1 C1, R1 и XL - активное и индуктивное сопротивление первого резонансного контура 11. Электрическая энергия с возросшим током и напряжением поступает на первичную обмотку 5 первого понижающего силового трансформатора 4, увеличивается по току и уменьшается по напряжению во вторичной обмотке 6 первого силового трансформатора 4 в соответствии с коэффициентом трансформации первого силового трансформатора 4. В последовательном резонансном контуре L2С2 электрическая энергия увеличивается по напряжению в Q2 раз, где резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 - добротность второго резонансного контура L2 C2, R2 и XL - активное и индуктивное сопротивление второго резонансного контура. Электрическая энергия с увеличенным напряжением уменьшается по напряжению и увеличивается по току во вторичной обмотке 9 второго силового трансформатора 7 и поступает в электрическую нагрузку 19. Часть электрической энергии со вторичной обмотки 9 второго силового трансформатора 7 поступает в выпрямитель 16 устройства обратной связи 14, заряжает аккумулятор 17 и через инвертор 18 поступает на первичную обмотку 2 входного трансформатора 1.

Электрическая мощность на входе преобразователя мощности:

Рвх =Vвх·Iвх,

где I вх, Vвх - ток и напряжение питающей сети 12.

Электрическая мощность на входе первого силового трансформатора 4:

P1=Iвх -Vвх-Q11·Pвх ,

где к1 - коэффициент усиления первого каскада, к1=Q1.

Электрическая мощность на выходе усилителя:

Рвых=Q 1·Q2·Iвx·Vвх =к1·к2вх,

где к2 - коэффициент усиления второго каскада, к 2=Q2.

Примеры выполнения резонансного усилителя мощности.

Пример 1. Входной трансформатор 1 (фиг.1) выполнен в виде автотрансформатора с входным напряжением 220 В, частотой 50 Гц, мощностью 1 кВт. Первый силовой трансформатор 4 напряжением 380/220 В имеет электрическую мощность 2 кВт, второй силовой трансформатор 7 напряжением 380/220 В имеет электрическую мощность 6 кВт. Настройку резонансного режима производят путем подбора емкости конденсаторов 10 и 13 на уровне 10-100 мкФ. Первый резонансный контур 11 и второй резонансный контур имеют резонансную частоту 50 Гц. Коэффициент усиления первого каскада равен к 1=2, второго каскада к2=2,7. Общий коэффициент усиления к=к1·к2=5,4. Выходное напряжение усилителя мощности составляет 220 В, выходная мощность 5,4 кВт.

Устройство обратной связи 14 выполнено в виде блока бесперебойного питания 15, вход которого подключен ко вторичной обмотке 9 второго силового трансформатора 7, а выход блока бесперебойного питания 15 соединен с выводами первичной обмотки 2 входного трансформатора 1.

Пример 2. Входной трансформатор 1 (фиг.2) выполнен в виде трансформатора с входным напряжением 450 В, частотой 10 кГц, электрической мощностью 7,5 кВт. Электрическая сеть 12 с напряжением 400 В и частотой 10 кГц питается от преобразователя частоты (на фиг.2 не показан). Первый понижающий силовой трансформатор 1 с напряжением 450/220 В, частотой 10 кГц имеет электрическую мощность 4 кВт, второй понижающий силовой трансформатор 7 напряжением 450/220 В, частотой 10 кГц имеет электрическую мощность 7,5 кВт. Настройку на резонансную частоту производят подбором емкости конденсаторов 10 и 13 и изменением частоты сети. Первый и второй резонансный контур имеют резонансную частоту 10 кГц. Коэффициент усиления первого каскада с первым силовым трансформатором и резонансным контуром 11 равен к1=2,5, второго каскада со вторым силовым трансформатором - к2=2,5. Общий коэффициент усиления к=6,25. Выходное напряжение усилителя составляет 220 В, выходная мощность 6,5 кВт.

Устройство обратной связи 20 выполнено в виде однонаправленной индуктивности 21, обеспечивающей одностороннюю индуктивную связь между выходом и входом усилителя мощности. Две встречно включенные входные обмотки 22 и 23 соединены со вторичной обмоткой 9 второго силового трансформатора 7. Выходная обмотка 24 соединена с первичной обмоткой 2 входного трансформатора 1.

Разработанный усилитель мощности имеет следующие преимущества. В отличие от прототипа устройство обратной связи 14 и 20 перенесено из резонансного контура во внешнюю цепь, что улучшает резонансную настройку контуров и увеличивает добротность Q и коэффициент усиления к. Использование нескольких резонансных контуров, силовых трансформаторов и каскадов усиления, число которых равно n=2, 3, резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 m, увеличивает коэффициент усиления и преобразования электрической энергии. Повышение резонансной частоты позволяет снизить массу усилителя мощности и упрощает настройку на резонансный режим путем регулирования частоты сети 12. Резонансные усилители мощности позволяют снизить нагрузку на распределительные сети при использовании стационарных и мобильных энергоустановок.

321456987021

 

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. 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, отличающийся тем, что 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, резонансный усилитель мощности, патент № 2517378 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: Рn=кРn-1, где к - коэффициент усиления одного каскада.

2. Резонансный усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что 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.

3. Резонансный усилитель мощности по п.1, отличающийся тем, что устройство обратной связи выполнено в виде однонаправленной индуктивности, вход которой соединен со вторичной обмоткой последнего силового трансформатора, а выход - с первичной обмоткой входного трансформатора.

 



http://findpatent.com.ua/patent/251/2517378.html
© FindPatent.com.ua - патенти на винаходи, 2012-2017



Создан 19 июн 2017