ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
INDUCTANCE-CAPACITANCE CONVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электроснабжения, для питания устройств электротермии, оптических квантовых генераторов, а также в устройствах заряда емкостных накопителей, аккумуляторных батарей, в установках магнитно-импульсной обработки металлов, в генераторах накачки импульсных лазеров и других устройствах в качестве преобразователя источника ЭДС в источник тока.
Известен индуктивно-емкостный преобразователь, содержащий источник питания, нагрузку, единый конструкторско-технологический компонент, состоящий из первой и второй проводящих обкладок, свернутых в спираль, разделенных диэлектриком [1].
К недостаткам данного устройства можно отнести работу устройства только на одной резонансной частоте и невозможность трансформации электрической энергии.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является индуктивно-емкостный преобразователь, содержащий источник питания, нагрузку, единый конструкторско-технологический компонент, состоящий из первой проводящей обкладки с выводами, расположенными по всей длине обкладки, и второй проводящей обкладки, выполненной из нескольких секций, с выводами, свернутых в спираль, разделенных диэлектриком [2]. В данном техническом решении реализована возможность трансформации электрической энергии, обеспечивается высокий коэффициент стабилизации тока нагрузки.
Недостатками данного устройства являются относительно узкие функциональные возможности, заключающиеся в том, что данное устройство может стабилизировать в широком диапазоне изменения частоты ток нагрузки только малой амплитуды, а ток большой амплитуды может стабилизировать только в узком диапазоне изменения частоты, а также то, что устройство имеет высокий коэффициент усиления напряжения в узком частотном диапазоне.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей индуктивно-емкостного преобразователя.
Поставленная задача достигается тем, что в известном индуктивно-емкостном преобразователе, содержащем источник питания, нагрузку, единый конструкторско-технологический компонент, состоящий из проводящих обкладок, свернутых в спираль и разделенных диэлектриком, с выводами, расположенными в началах и в концах обкладок, проводящие обкладки единого конструкторско-технологического компонента выполнены из первой и второй секций, каждая из которых состоит из первой и второй проводящих обкладок, начало первой проводящей обкладки первой секции подключено к началу первой проводящей обкладки второй секции, конец первой проводящей обкладки первой секции подключен к концу первой проводящей обкладки второй секции, начало второй проводящей обкладки первой секции подключено к началу второй проводящей обкладки второй секции, конец второй проводящей обкладки первой секции подключен к концу второй проводящей обкладки второй секции, источник питания подключен к началу первой проводящей обкладки первой секции и к концу второй проводящей обкладки первой секции, нагрузка подключена к концу первой проводящей обкладки второй секции и к началу второй проводящей обкладки первой секции. Причем, предлагаемое техническое решение позволяет реализовать различные схемотехнические исполнения индуктивно-емкостного преобразователя, отличающиеся способом соединения секций и подключения источника питания и нагрузки к секциям единого конструкторско-технологического компонента, а каждая из полученных схем индуктивно-емкостного преобразователя имеет свою собственную резонансную частоту.
На фиг. 1-3 показаны предлагаемые схемотехнические решения индуктивно-емкостного преобразователя. На всех фигурах проводящие обкладки изображены в развернутом виде.
На фиг. 1 представлен предлагаемый индуктивно-емкостный преобразователь, состоящий из источника питания 1, нагрузки 2, единого конструкторско-технологического компонента 3, состоящего из проводящих обкладок, свернутых в спираль и разделенных диэлектриком (на рисунке не указан), с выводами, расположенными в началах и в концах обкладок, проводящие обкладки единого конструкторско-технологического компонента 3 выполнены из первой 4 и второй 5 секций, каждая из которых состоит из первой 6, 7 и второй 8, 9 проводящих обкладок, начало первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 подключено к началу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5, конец первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 подключен к концу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5, начало второй проводящей обкладки 8 первой секции 4 подключено к началу второй проводящей обкладки 9 второй секции 5, конец второй проводящей обкладки 8 первой секции 4 подключен к концу второй проводящей обкладки 9 второй секции 5, источник питания 1 подключен к началу первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 и к концу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4, нагрузка 2 подключена к концу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5 и к началу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4.
На фиг. 2 представлен предлагаемый индуктивно-емкостный преобразователь, состоящий из источника питания 1, нагрузки 2, единого конструкторско-технологического компонента 3, состоящего из проводящих обкладок, свернутых в спираль и разделенных диэлектриком (на рисунке не указан), с выводами, расположенными в началах и в концах обкладок, проводящие обкладки единого конструкторско-технологического компонента 3 выполнены из первой 4 и второй 5 секций, каждая из которых состоит из первой 6, 7 и второй 8, 9 проводящих обкладок, начало первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 подключено к началу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5, конец первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 подключен к концу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5, конец второй проводящей обкладки 8 первой секции 4 подключен к началу второй проводящей обкладки 9 второй секции 5, источник питания 1 подключен к началу первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 и к концу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4, нагрузка 2 подключена к концу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5 и к началу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4. Данное схематическое исполнение индуктивно-емкостного преобразователя обладает резонансными свойствами на частоте 1,5 от резонансной частоты индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 1.
На фиг. 3 представлен предлагаемый индуктивно-емкостный преобразователь, состоящий из источника питания 1, нагрузки 2, единого конструкторско-технологического компонента 3, состоящего из проводящих обкладок, свернутых в спираль и разделенных диэлектриком (на рисунке не указан), с выводами, расположенными в началах и в концах обкладок, проводящие обкладки единого конструкторско-технологического компонента 3 выполнены из первой 4 и второй 5 секций, каждая из которых состоит из первой 6, 7 и второй 8, 9 проводящих обкладок, конец второй проводящей обкладки 8 первой секции 4 подключен к началу второй проводящей обкладки 9 второй секции 5, конец первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 подключен к началу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5, источник питания 1 подключен к началу первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 и к концу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4, нагрузка 2 подключена к концу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5 и к началу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4. Данное схематическое исполнение индуктивно-емкостного преобразователя обладает резонансными свойствами на частоте 1,25 от резонансной частоты индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 1.
На фиг. 4-9 показаны частотные характеристики предлагаемого индуктивно-емкостного преобразователя при различных способах соединения секций двухсекционного единого конструкторско-технологического компонента. При этом на рисунках индексы соответствуют номеру фигуры единого конструкторско-технологического компонента.
U2
U1
U3
На фиг. 4 показана зависимость коэффициента усиления по напряжению от изменения частоты в относительных единицах для двухсекционного единого конструкторско-технологического компонента при различных способах соединения секций. Из графика видно, что индуктивно-емкостный преобразователь, представленный на фиг. 2, обладает наибольшим коэффициентом усиления по напряжению (k=75>k=20>k=13,5).
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
На фиг. 5 показана зависимость входного сопротивления предлагаемого индуктивно-емкостного преобразователя от изменения частоты в относительных единицах. Из графика видно, что входное сопротивление для рассматриваемых способов соединения секций единого конструкторско-технологического компонента с увеличением номера высших гармоник для режимов работы, близких к короткому замыканию (с ростом частоты), уменьшается. Для предлагаемых схем индуктивно-емкостного преобразователя выполняется необходимое условие работы индуктивно-емкостного преобразователя - уменьшение входного и переходного сопротивлений с ростом частоты: для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 1, в диапазоне изменения частоты от 0,05⋅f до 1,0⋅f; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 2, в диапазоне изменения частоты от 0,05⋅f до 0,7⋅f; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 3, в диапазоне изменения частоты от 0,05⋅f до 1,5⋅f, что свидетельствует о большей пригодности схемы индуктивно-емкостного преобразователя, представленной на фиг. 1.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
На фиг. 6 показана зависимость переходного сопротивления индуктивно-емкостного преобразователя от изменения частоты в относительных единицах. Из графика видно, что переходное сопротивление для всех предлагаемых способов соединения секций единого конструкторско-технологического компонента с ростом частоты, т.е. с увеличением номера высших гармоник для режимов работы, близких к короткому замыканию, уменьшается. При этом для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 1, в диапазоне изменения частоты от 0,05⋅f до 1,0⋅f; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 2, в диапазоне изменения частоты от 0,05⋅f до 1,0⋅f; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 3, в диапазоне изменения частоты от 0,05⋅f до 1,5⋅f, что свидетельствует о большей пригодности схем индуктивно-емкостных преобразователей, представленных на фиг. 2 и 3. Однако для индуктивно-емкостных преобразователей, представленных на фиг. 1 и 2, снижение переходного сопротивления с ростом частоты происходит быстрее и более значительно (до 275 См) в отличие от индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 3, у которого переходная проводимость уменьшается до 575 См (в 2,1 раза большего значения), а затем увеличивается. При этом для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 1, снижение переходного сопротивления с ростом частоты происходит еще быстрее. Это крайне нежелательно из-за больших токов, которые могут возникнуть вследствие появления высших гармонических составляющих в кривой питающего напряжения.
рез.
рез.
На фиг. 7 показана зависимость переходной проводимости индуктивно-емкостного преобразователя от изменения частоты в относительных единицах. Из графика видно, что переходная проводимость для предлагаемых способов соединения секций единого конструкторско-технологического компонента с ростом частоты увеличивается. Полученные зависимости показывают, что для предлагаемых схем индуктивно-емкостного преобразователя выполняется необходимое условие работы индуктивно-емкостного преобразователя - увеличение переходной проводимости с ростом частоты - в диапазоне изменения частоты от 0,05⋅f до 1,0⋅f.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
На фиг. 8 показана зависимость коэффициента стабилизации по току от изменения частоты в относительных единицах для индуктивно-емкостного преобразователя при различных способах соединения секций двухсекционного единого конструкторско-технологического компонента. Из графика видно, что коэффициент стабилизации тока нагрузки сохраняется: для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 1, в диапазоне изменения частоты от 0,7⋅f до 1,4⋅f равным 0,05; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 2, от 0,6⋅f до 0,9⋅f равным 0,05; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 3, от 0,7⋅f до 0,9⋅f равным 0,1.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
На фиг. 9 показана зависимость тока нагрузки от изменения частоты в относительных единицах при различных способах соединения обкладок секций единого конструкторско-технологического компонента. Из графика видно, что предлагаемые схемы индуктивно-емкостного преобразователя осуществляют стабилизацию тока нагрузки в диапазоне ±7% при изменении частоты: для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 1, от 0,98⋅f до 1,02⋅f; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 2, в диапазоне изменения частоты от 0,985⋅f до 1,003⋅f; для индуктивно-емкостного преобразователя, представленного на фиг. 3, в диапазоне изменения частоты от 0,7⋅f до 1,3⋅f.
Предлагаемый индуктивно-емкостный преобразователь, представленный на фиг. 1, работает следующим образом. В начальный момент времени источник питания 1, представляющий собой источник переменного напряжения, подключается к началу первой проводящей обкладки 6 первой секции 4 и к концу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4. При совпадении частоты свободных колебаний единого конструкторско-технологического компонента с частотой источника питания в цепи возникает резонанс. Нагрузка 2 подключена к концу первой проводящей обкладки 7 второй секции 5 и к началу второй проводящей обкладки 8 первой секции 4. Действующее значение выходного тока не зависит от отклонений частоты и действующего значения напряжения источника питания, от флуктуации параметров элементов единого конструкторско-технологического компонента, которые приводят к отклонению собственной частоты элементов единого конструкторско-технологического компонента от частоты напряжения источника питания. При этом напряжение на входе и выходе единого конструкторско-технологического компонента пропорционально величине сопротивления нагрузки, а ток нагрузки (выходной ток индуктивно-емкостного преобразователя) остается неизменным при изменении сопротивления нагрузки в широких пределах.
Формулы тока нагрузки предлагаемого индуктивно-емкостного преобразователя при выполнении условия резонансной настройки могут быть представлены в виде:
Приведенные выражения для относительного тока нагрузки отражают частотные свойства индуктивно-емкостного преобразователя при различных способах соединения секций и подключения источника питания и нагрузки.
рез.
рез.
Рассмотрим работу предлагаемых схем индуктивно-емкостных преобразователей на активную нагрузку при изменении коэффициента стабилизации тока в диапазоне ±7%. Индуктивно-емкостный преобразователь, представленный на фиг. 2, осуществляет стабилизацию тока нагрузки большей амплитуды. Изменение сопротивления нагрузки в широких пределах не приводит к заметному изменению резонансной частоты. Изменение способа соединения секций позволяет расширить частотный диапазон работы индуктивно-емкостного преобразователя: резонансная частота может быть в диапазоне от 1,0⋅f до 1,5⋅f
U1
U3
L1
L3
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
рез.
L1
L2
U1
U2
При необходимости усиления напряжения и тока и стабилизации тока в узком диапазоне изменения частоты наиболее оптимальным является индуктивно-емкостный преобразователь, представленный на фиг. 1, который обладает более высоким коэффициентом усиления по напряжению по сравнению с индуктивно-емкостным преобразователем, представленным на фиг. 3, (k=20>k=13,5), стабилизирует ток большей амплитуды (i=0,352>i=0,235), но в узком диапазоне изменения частоты (от 0,98⋅f до 1,02⋅f). При этом индуктивно-емкостный преобразователь, представленный на фигуре 1, обладает более широким частотным диапазоном (от 0,98⋅f до 1,02⋅f) по сравнению с индуктивно-емкостным преобразователем, представленным на фиг. 2, (от 0,985⋅f до 1,003⋅f), но стабилизирует ток меньшей амплитуды (i=0,352<i=1,23), имеет меньший коэффициент усиления по напряжению (k=20<k=75).
рез.
рез.
Стабильность выходного тока для индуктивно-емкостного преобразователя при отклонении частоты питающей сети зависит не только от способа подключения источника питания, но и способа соединения секций единого конструкторско-технологического компонента, образующих его структуру. Наименьшими отклонениями тока при изменении частоты обладает индуктивно-емкостный преобразователь, представленный на фиг. 3. Индуктивно-емкостный преобразователь, представленный на фиг. 3, обладает более подходящими свойствами для индуктивно-емкостного преобразователя (обладает наилучшими стабилизирующими свойствами среди предлагаемых схем индуктивно-емкостного преобразователя), так как осуществляет стабилизацию тока нагрузки в широком диапазоне изменения частоты (от 0,7⋅f до 1,3⋅f). Данный индуктивно-емкостный преобразователь обладает высокими фильтрующими свойствами и может работать от несинусоидального источника напряжения.
Таким образом, предлагаемый индуктивно-емкостный преобразователь позволяет расширить функциональные возможности устройства на базе единого конструкторско-технологического компонента, состоящего из двух секций и реализующего схемотехнические решения с одинаковыми способами подключения источника питания и нагрузки, отличающиеся только способом соединения секций единого конструкторско-технологического компонента. Предлагаемый индуктивно-емкостный преобразователь обладает возможностью подключения второй секции различными способами, что позволяет, не изменяя способа подключения источника питания и нагрузки, помимо схемотехнических решений, аналогичных прототипу (фиг. 2 и 3), реализовать схемотехническое решение (фиг. 1), занимающее промежуточное положение, по сравнению с прототипом, по ширине диапазона стабилизации тока нагрузки при изменении частоты и значению коэффициентов усиления по напряжению и току.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Индуктивно-емкостный преобразователь. Патент РФ на изобретение №2407136 от 20.12.2010. МПК H02M 5/06.
2. Индуктивно-емкостной преобразователь. Патент РФ на изобретение №2450413 от 10.05.2012. МПК H03K 3/53, H02M 5/06.