УСИЛИТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель (ПМ) относится к электротехнике и, в частности, к электроэнергетике, а именно к усилителям электрической мощности синусоидального тока.
В радиотехнических устройствах приема и передачи электрических сигналов при частотах УКВ и СВЧ широко применяются параметрические усилители (Грабовски К. Параметрические усилители и преобразователи с емкостным диодом. М.: Советское радио, 1974, с. 10, 11). Усиление мощности в таких устройствах происходит за счет изменения электрической емкости или индуктивности, т.е. за счет мощности так называемой накачки. В этом принципиальное отличие работы параметрических усилителей от обычных электронных усилителей, в которых усиление происходит за счет мощности источника энергии. Основной целью применения параметрических усилителей в радиотехнике является увеличение чувствительности приемной системы путем уменьшения уровня собственных шумов входных устройств в УКВ и СВЧ диапазонах. Диапазон усиления мощности и частотный диапазон, в пределах которых применяются параметрические усилители, являются приемлемыми для радиотехники. Для необходимого же уровня усиления мощности в электротехнических системах на промышленных частотах, используемых в электроэнергетике, параметрические усилители практически неприменимы.
Известен также усилитель электрической мощности (УЭМ), принятый в качестве прототипа, с периодически изменяющимся во времени током, содержащий две магнитно связанные катушки индуктивности, приемник электрической энергии (нагрузку) и блок питания с ЭДС, также изменяющейся во времени периодически, при этом катушки, нагрузка и блок питания электрически соединены последовательно, а ЭДС образуется в результате вращения между упомянутыми катушками электропроводного зубчатого диска (Мандельштам Л.И., Папалекси Я.Д. Оригинальные работы о параметрическом возбуждении электрических колебаний. // ЖТФ, 1934, т. IV, вып. 1, с. 25, рис. 11). Такой УЭМ можно рассматривать как отдельную секцию N-секционного усилителя, работающего в режиме параметрического резонанса. Его недостатком является, во-первых, сильная несинусоидальность электрического тока, математически описываемого функциями Матье (известно, что чем выше несинусоидальность тока, тем ниже качество электрической энергии) и, во-вторых, сравнительно высокая частота тока (более 500 Гц), неприемлемая для электроэнергетики.
Задачей настоящей ПМ является создание УЭМ, работающего при синусоидальном токе заданной, в том числе и промышленной, частоты и тем самым обеспечивающего высокое качество электрической энергии.
К1
К2
LК1
LК2
Н
LН
СН
E
LE
СЕ
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном УЭМ, состоящем из N≥1 секций, предназначенных для проведения переменного периодического электрического тока, изменяющегося с угловой частотой ω, каждая секция содержит по две магнитно связанные катушки индуктивности К1 и К2 с коэффициентом взаимной индукции М, активными сопротивлениями R, R и соответствующими частоте ω индуктивными сопротивлениями X, X, а также относящуюся к электрической цепи секции нагрузку в общем случае с активным R, индуктивным Х и емкостным Х сопротивлениями, блок питания в общем случае с активным R, индуктивным X, емкостным Х сопротивлениями и ЭДС с действующим значением Е, изменяющейся с угловой частотой ω, причем указанные катушки, сопротивления и ЭДС соединены последовательно, катушки электрически включены встречно, при этом упомянутые сопротивления в результате их практической реализации подчинены уравнению
где η - коэффициент усиления мощности, а
т.е. R и X являются соответственно активным и реактивным сопротивлениями электрической цепи секции, причем как в соотношениях (1)-(3), так и далее, в (4) и (5), в отличие от математических соотношений, приведенных в пунктах формулы ПМ, вместо знаков = поставлены знаки ≈, указывающие на то, что практическая реализация математически точных соотношений может быть приближенной.
U
UE
LE
CE
Упомянутый блок питания может быть выполнен как делитель синусоидального напряжения некоторого заданного маломощного источника энергии (например, осветительной сети) с действующим значением U, подключенного через сопротивление R к сопротивлению R, включенному в электрическую цепь секции, при этом X=Х=0, а
B
B
Усилитель может быть выполнен так, что при его практической реализации R ≈ Z=376,7 Ом, где Z - волновое сопротивление.
Усилитель может быть выполнен так, что при его практической реализации
CE
Усилитель может быть выполнен так, что при его практической реализации обеспечены условия (5) и при этом Х ≈ 0,31R.
E
LE
CE
Катушки К1 и К2 могут быть выполнены круглыми (в частном случае одинаковыми) и быть расположенными соосно с зазором между их торцами, упомянутая ЭДС практически синусоидальна, распределена между витками одной из катушек и обусловлена вращением диска с постоянными магнитами со знакочередующимися полюсами у торца той же одной катушки, причем у торца, расположенного вне указанного зазора, при этом R=X=Х=0.
E
LE
СЕ
Катушки К1 и К2 могут быть выполнены круглыми (в частном случае одинаковыми) и быть расположенными соосно с зазором между их торцами, а упомянутая ЭДС практически синусоидальна, распределена между витками обеих катушек и обусловлена вращением дисков с постоянными магнитами со знакочередующимися полюсами у торцов обеих катушек, причем у торцов, расположенных вне указанного зазора, при этом R=X=Х=0.
E
LE
CE
Катушки К1 и К2 могут быть выполнены круглыми (в частном случае одинаковыми) и быть расположенными соосно с зазором между их торцами, а упомянутая ЭДС практически синусоидальна, распределена между витками обеих катушек и обусловлена вращением в указанном зазоре диска с постоянными магнитами со знакочередующимися полюсами, при этом R=X=X=0.
E
LE
СЕ
Катушки К1 и К2 могут быть выполнены круглыми неодинаковыми и быть расположенными концентрически (т.е. соосно и одна внутри другой), а упомянутая ЭДС практически синусоидальна, распределена между витками обеих катушек и обусловлена вращением диска с постоянными магнитами со знакочередующимися полюсами у одного общего торца концентрических катушек, при этом R=X=Х=0.
E
LE
CE
Катушки К1 и К2 могут быть выполнены круглыми неодинаковыми и быть расположенными концентрически, а упомянутая ЭДС практически синусоидальна, распределена между витками обеих катушек и обусловлена вращением дисков с постоянными магнитами со знакочередующимися полюсами у обоих общих торцов концентрических катушек, при этом R=X=X=0.
Катушки К1 и К2 могут быть выполнены круглыми (в частном случае одинаковыми) и быть расположенными соосно с зазором между их торцами.
Катушки К1 и К2 могут быть выполнены круглыми неодинаковыми и быть расположенными концентрически.
Усилитель при N≥2 может быть выполнен с секциями, электрически соединенными параллельно.
Усилитель при N≥2 может быть выполнен с секциями, электрически соединенными последовательно.
Усилитель при N≥3 может быть выполнен с секциями, электрически соединенными смешанно.
1
2
На фиг. 1 представлена общая электрическая схема секции УЭМ, соответствующая п. 1 формулы ПМ, на фиг. 2 - соответствующий п. 2 делитель напряжения, на фиг. 3 - эквивалентный этому делителю источник ЭДС, на фиг. 4 - соответствующий пп. 7-12 и 17-19 частный случай двух одинаковых круглых соосных катушек К1 и К2 с числом витков W, электрически включенных последовательно и встречно, на фиг. 5 - соответствующий пп. 13-16 и 20-22 случай двух разных круглых концентрических катушек К1 и К2 с числами витков W и W, электрически включенных последовательно и встречно (на фиг. 4 и фиг. 5 показаны меридианные сечения катушек α=const в цилиндрических координатах r, α, z).
УЭМ содержит магнитно связанные катушки индуктивности К1 и К2, нагрузку Н, блок питания БП и ключ К.
УЭМ работает следующим образом.
В соответствии с фиг. 1 при замыкании ключа К, после завершения переходного процесса, согласно указанной ниже теории, по образованной электрической цепи протекает синусоидальный ток частоты ω с действующим значением I. При выполнении условий п. 1 формулы ПМ эта цепь работает в особом резонансном режиме взаимодействия с окружающим пространством, если полное сопротивление Z цепи определяется выражением
где R и X соответствуют (2) и (3), причем минус в (3) перед коэффициентом 2 является следствием встречного включения катушек К1 и К2.
E
Е
E
Е
H
H
H
H
E
H
o
H
E
H
2
2
2
2
По закону Ома для действующих значений указанный ток I=Е/Z. Следовательно, отдаваемая источником ЭДС полная мощность S=EI=Е/Z>Р=Scosϕ, где Р - активная мощность, отдаваемая этим источником, а ϕ - соответствующая разность фаз. Активная же мощность нагрузки Р=RI=RE/Z, так что расчетный заниженный коэффициент усиления мощности η=Р/S=R/Z<η=P/P=η/cosϕ, т.е. действительное значение коэффициента η несколько (в l/cosϕ раз) больше расчетного η, что обеспечивает запас при расчетах. С учетом (6) из вышезаписанного выражения η=R/Z следует уравнение (1), приведенное в п. 1 формулы ПМ, в котором значение η>1 или задается при расчетах, или определяется в результате их. При этом расчеты по уравнению (1) выполняются при любой заданной промышленной частоте ω для двух вариантов (±), после чего выбирается наиболее приемлемый вариант реализации УЭМ.
B
CE
LК1
LК2
о
Математические соотношения (1)-(3), (5), (6) и R≈Z, Х≈0,31R, которые содержатся в формуле ПМ, получены путем решения физико-математической задачи описания особого резонансного взаимодействия представленной на фиг. 1 электрической цепи с окружающим пространством, реализуемого при условиях обязательной синусоидальности протекающего тока и электрически встречного включения катушек К1 и К2. При этом катушки должны располагаться так, чтобы в выражении (3) сопротивления X+X и 2ωМ были соизмеримы по величине, т.е. соотношение  недопустимо (из-за громоздкости указанное решение не приводится). Это взаимодействие обусловлено, во-первых, магнитной связью с пространством (условно показанной на фиг. 1 пунктирной стрелкой), характеризуемой некоторым коэффициентом взаимной индукции М, и, во-вторых, происходящими в пространстве волновыми электромагнитными процессами. Указанное взаимодействие описывается с помощью теории магнитно связанных электрических цепей и теории распространения электромагнитных волн с учетом волнового сопротивления (Каплянский А.Е., Лысенко А.П., Полотовский Л.С. Теоретические основы электротехники. М. - Л.: Госэнергоиздат, 1961, с. 257-265 и 472-484).
Согласно пп. 7-16 формулы ПМ синусоидальная ЭДС генерируется по закону электромагнитной индукции при вращении пространственно приближенно синусоидального магнитного поля постоянных магнитов вблизи катушек. Получаемая при этом временная синусоидальность ЭДС является не математической, а практической, т.е. также приближенной, что отмечено знаком ≈ в уравнениях соответствующих разделов описания ПМ. Понятно, что способ получения указанного магнитного поля безразличен. Оно может быть получено и путем вращения специальных роторов с токоведущими обмотками, например, как в синхронных генераторах.
Е
СЕ
H
-1
Отметим, что приведенное в п. 5 формулы ПМ соотношение (5), согласно которому R≈X>0, относится к частному случаю импульсного запуска УЭМ за счет разряда предварительно заряженной емкости С=(ωХ), т.е. пп. 5 и 6 относятся к случаю отсутствия ЭДС, когда при R≠0 формально η=∞. Иначе говоря, в данном случае УЭМ работает как генератор электрической энергии.
Что касается п. 2, то необходимая для расчета тока I=Е/Z величина Е может создаваться не только с помощью закона электромагнитной индукции, но и делителем напряжения U, некоторого, например, маломощного синусоидального источника энергии. Действительно, согласно фиг. 2 и двум законам Кирхгофа
U
UE
Е
UE
UE
U
U
UE
UE
I=I+I, U=RI, RI+RI=U.
Отсюда следует уравнение
С другой стороны, согласно фиг. 3 и второму закону Кирхгофа
Из сопоставления уравнений (7) и (8) следуют соотношения (4), приведенные в п. 2 формулы ПМ.
Таким образом, выполнение УЭМ в соответствии с формулой ПМ обеспечивает практическую синусоидальность протекающего по усилителю тока заданной угловой частоты ω при расчетном коэффициенте усиления мощности η>1. Это свидетельствует о решении поставленной задачи.
1
H
LE
СЕ
LH
CH
U
UE
E
E
H
E
E
o
H
Е
K1
K2
LK1
LK2
K1
K2
o
o
Важным достоинством формулы заявляемой ПМ является наличие в ней математических соотношений, достаточных для выполнения необходимых расчетов, обеспечивающих надежную основу при разработке конструкторской документации для изготовления УЭМ. С помощью этих соотношений авторами рассчитан и спроектирован экспериментальный образец УЭМ, соответствующий п. 18 формулы ПМ применительно к случаю одинаковых круглых соосных катушек (фиг. 4) при зазоре δ=4 мм. Нагрузкой являются 10 параллельно соединенных лампочек по 95 Вт на номинальное напряжение 220 В. Следовательно, ток одной лампочки I=95/220=0,432 А, так что I=0,432⋅10=4,32 А, а Р=95⋅10=950 Вт. Величина Е блока питания (фиг. 1) образуется согласно фиг. 2 и фиг. 3 напряжением U=220 В при частоте ω=2π⋅50 рад./с. В результате расчетов на основе соотношений (1), (4) с учетом X=Х=Х=Х=0 и известных алгоритмов расчета индуктивностей и коэффициента взаимной индукции круглых катушек (Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей. Л.: Энергоатомиздат, 1986, с. 244-324) получены следующие результаты: R=30,3 Ом, R=4,2 Ом, q=0,122, R=3,7 Ом, E=26,8 В, S=EI=115,9 ВА, η=Р/S=8,2, Р=100 Вт, η=Р/Р=9,5, R=R=10,9 Ом, X=X=77,5 Ом, М=0,11 Гн, W=1375, G+G=16,2 кг - вес двух катушек, намотанных медным изолированным проводом диаметром 1,38 мм при толщине изоляции 0,03 мм. Видим, что расчетное значение коэффициента усиления мощности η=8,2 и действительное - η=9,5 близки, но, как и должно быть, η>η.