СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ И ГЕНЕРАТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR GENERATION OF MECHANICAL OSCILLATIONS AND GENERATOR FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для привода в движение различных устройств, в прецизионном приборостроении, в акустике и гидроакустике, в системах нанотехнологий, в устройствах для создания вибраций.
Предпосылки изобретения
Пьезоэлектрический материал является реактивной емкостной нагрузкой. Реактивная мощность, подводимая к нему для осуществления механических колебаний, существенно превышает активную мощность, которая используется для совершения полезной механической работы. Это требует значительных величин тока заряда и разряда при осуществлении колебательных процессов.
При описании потерь мощности на нагревание для пьезоэлектрических материалов или пьезоактюаторов, изготовленных из таких материалов, обычно пользуются коэффициентом диэлектрических потерь (tg δ), характерным для диэлектрических материалов. Для наиболее распространённых пьезокерамических актюаторов, применяемых для создания колебаний, коэффициент диэлектрических потерь в условиях слабых сигналов обычно составляет величину 0,002 – 0,01. Это означает, что до 1% электрической мощности, потребляемой актюатором, преобразуется в тепловую энергию. Для сильных сигналов эта доля может достигать 4% в зависимости от частоты, амплитуды, температуры окружающей среды и т.п. Поэтому максимальная рабочая температура может лимитировать динамику пьезоактюатора.
Для пьезоактюаторов, работающих на высоких частотах, используется так называемый усилитель регенерации энергии. В этом случае вместо рассеивания реактивной энергии на нагрев конструкции, пьезоактюатор потребляет только активную составляющую подаваемой энергии.
Известно устройство для управления по меньшей мере одним пьезоэлектрическим элементом (патент США № 9,680,082 В2), в котором создается двунаправленный поток энергии от источника питания к пьезоэлектрическому элементу, так и из пьезоэлектрического элемента к источнику питания. Схема состоит из первого полумоста для управления двумя пьезоактюаторами, работающими поочередно, и второго полумоста для подключения первого полумоста. Представленная схема решает проблему использования дополнительного преобразователя напряжения DC/DC для точного заряда и разряда пьезоактюатора. Схема позволяет производить контроль подаваемого напряжения на пьезоактюатор и тем самым избежать перенапряжения на его пьезоэлементах. Предусмотрен вариант байпасирования лишнего заряда по участку цепи, включенному параллельно. Схема позволяет за счет дросселя набирать различный заряд, передавать его на пьезоактюатор, тем самым добиваясь разной его деформации. Недостатком является потеря энергии и излишнее тепловыделение за счет выравнивания потенциала через байпасную линию.
Наиболее близким аналогом изобретения является способ управления пьезоэлектрическим элементом (Европейская патентная заявка № 2828969 А2), который соединен со схемой управления. Схема управления состоит из мостовой схемы с первой катушкой индуктивности, источника питания с параллельно подключенным к нему конденсатором, второй катушки индуктивности, подключенной последовательно к пьезоактюатору и второго конденсатора, подключенного параллельно ему. Первая катушка индуктивности подключена в диагональ мостовой схемы, состоящей из четырех переключателей питания. Чтобы зарядить пьезоактюатор в первую очередь включается первый и третий переключатели питания, за счет этого ток протекает через первую катушку индуктивности, в результате чего в ней накапливается энергия. Когда будет достигнуто заданное значение тока, первый и третий переключающие элементы закрываются и открываются второй и четвертый переключающие элементы, что приводит к тому, что накопленная энергия переходит в заряд пьезоактюатора. Разряд пьезоактюатора происходит через первую и вторую катушку индуктивности. Энергия, накопленная во время разряда на первой катушке индуктивности, включенной в мостовую схему, возвращается на конденсатор блока питания, а накопленная на второй катушке индуктивности уходит через второй конденсатор и последовательно подключенное к нему сопротивление на отрицательный контакт источника питания. Таким образом, большая часть энергии заряда пьезоактюатора теряется в виде выделения тепла на сопротивлении, что является существенным недостатком изобретения.
Раскрытие сущности изобретения
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание схемы для создания электрических колебаний на обкладках пьезоактюатора, которая позволит создавать механические колебания с большой энергоэффективностью, достигаемой за счет рекуперации энергии, высвобождающейся при разряде пьезоактюатора, и сохранение данной энергии для последующего заряда пьезоактюатора. При этом созданная схема должна позволять формировать «полки» выходного напряжения произвольной длительности с напряжением выше напряжения питания.
Технический результат, обеспечиваемой настоящим изобретением, заключается в повышении надежности устройства, увеличении времени бесперебойной работы и экономии электроэнергии.
Технический результат и поставленная задача решаются следующими средствами, изложенными ниже.
Устройство с рекуперацией энергии для генерации электрических колебаний на обкладках пьезоактюатора, имеющее два входных и два выходных зажима для соединения с источником питания постоянного напряжения и пьезоактюатором соответственно, содержит накопительный конденсатор, подключенный к входным положительному и отрицательному зажиму своими обкладками, первый полумост, образованный последовательно соединенными управляемым первым электронным ключом и управляемым вторым электронным ключом, причем вход первого электронного ключа подключен к положительному входному зажиму, выход второго электронного ключа подключен к отрицательному входному зажиму, а выход первого ключа является средней точкой первого полумоста, второй полумост, образованный последовательно соединенными управляемым третьим управляемым электронным ключом и управляемым четвертым электронным ключом, причем вход третьего электронного ключа подключен к положительному контакту пьезоактюатора, выход четвертого ключа подключен к отрицательному входному зажиму и к отрицательному контакту пьезоактюатора, причем выход третьего ключа является средней точкой второго полумоста, дроссель, первый вывод которого соединен со средней точкой первого полумоста, а второй вывод дросселя соединен со средней точкой второго полумоста, и устройство управления ключами полумостов. Причем к ключам параллельно подключены диоды таким образом, что катод диода соединен со входом ключа, а анод диода соединен с выходом ключа, а устройство управления ключами полумостов выполнено с возможностью последовательного повторения следующих шагов: синхронного замыкания первого электронного ключа и четвертого электронного ключа для протекания тока от входа ключа к выходу ключа и размыкания второго ключа и третьего ключа, в результате чего ток в дросселе нарастает, синхронного размыкания всех электронных ключей для заряда пьезоактюатора путем уменьшения тока в дросселе, синхронного замыкания второго электронного ключа и третьего электронного ключа для протекания тока от входа ключа к выходу ключа и размыкания первого электронного ключа и четвертого электронного ключа, в результате чего ток в дросселе нарастает, а пьезоактюатор разряжается, синхронного размыкания всех ключей при напряжении на пьезоактюаторе, равным нулю, в результате чего ток в дросселе уменьшается, а накопительный конденсатор заряжается.
Способ рекуперации энергии при генерации электрических колебаний на обкладках пьезоактюатора с помощью вышеописанного устройства включает следующие этапы: размыкают второй электронный ключ и третий электронный ключ, при этом первый электронный ключ и четвертый электронный ключ находятся в замкнутом состоянии, а ток протекает от источника питания постоянного напряжения через первый электронный ключ, дроссель и четвертый электронный ключ; далее размыкают все электронные ключи, при этом ток цепи замыкается через диод третьего электронного ключа и через диод второго электронного ключа, после чего происходит заряд пьезоактюатора; после заряда пьезоактюатора до заданного напряжения замыкают второй электронный ключ и третий электронный ключ, а первый электронный ключ и четвертый электронный ключ остаются при этом в разомкнутом состоянии, при этом заряженный пьезоактюатор через третий электронный ключ и второй электронный ключ замкнут на дроссель; после того, как напряжение напряжение на пьезоактюаторе становится равным нулю, размыкают все электронные ключи, при этом дроссель через диод первого электронного ключа и диода четвертого электронного ключа замкнут на накопительном конденсаторе, повторяют все этапы.
Устройство с рекуперацией энергии для генерации электрических колебаний на обкладках пьезоактюатора, имеющее два входных и два выходных зажима для соединения с источником питания постоянного напряжения и пьезоактюатором соответственно, содержит накопительный конденсатор, подключенный к входным положительному и отрицательному зажиму своими обкладками, первый полумост, образованный последовательно соединенными управляемым первым электронным ключом и управляемым вторым электронным ключом, причем вход первого электронного ключа подключен к положительному входному зажиму, выход второго электронного ключа подключен к отрицательному входному зажиму, а выход первого ключа является средней точкой первого полумоста, второй полумост, образованный последовательно соединенными управляемым третьим ключом и диодом, причем вход третьего электронного ключа подключен к положительному контакту пьезоактюатора, а выход третьего электронного ключа соединен с катодом диода и является средней точкой второго полумоста, анод диода подключен к отрицательному контакту пьезоактюатора, дроссель, первый вывод которого соединен со средней точкой первого полумоста, а второй вывод дросселя соединен со средней точкой второго полумоста, и устройство управления ключами полумостов. Причем к первому, второму и третьему электронным ключам параллельно подключены диоды таким образом, что катод диода соединен со входом ключа, а анод диода соединен с выходом ключа, а устройство управления ключами полумостов выполнено с возможностью последовательного повторения следующих шагов: синхронного замыкания первого электронного ключа для протекания тока от входа ключа к выходу ключа и размыкания второго электронного ключа и третьего электронного ключа, в результате чего ток в дросселе и напряжение на пьезоактюаторе нарастает, синхронного размыкания всех электронных ключей, синхронного замыкания второго электронного ключа, и третьего электронного ключа для протекания тока от входа ключа к выходу ключа и размыкания первого электронного ключа, в результате чего ток в дросселе нарастает, а пьезоактюатор разряжается, синхронного размыкания всех ключей при напряжении на пьезоактюаторе, равным нулю, в результате чего ток в дросселе уменьшается, а накопительный конденсатор заряжается.
Способ рекуперации энергии при генерации электрических колебаний на обкладках пьезоактюатора с помощью устройства, описанного в предыдущем абзаце, включает следующие этапы: размыкают второй электронный ключ и третий электронный ключ, при этом первый электронный ключ находится в замкнутом состоянии, а ток протекает от источника питания постоянного напряжения через первый электронный ключ, дроссель, диод третьего электронного ключа и пьезоактюатор; после затухания собственных колебаний резонансного контура, образованного дросселем и пьезоактюатором, размыкают все электронные ключи для заряда пьезоактюатора; далее замыкают второй электронный ключ и третий электронный ключ, а первый электронный ключ остается при этом в разомкнутом состоянии, при этом заряженный пьезоактюатор через третий электронный ключ и второй электронный ключ замкнут на дроссель; после того, как напряжение напряжение на пьезоактюаторе становится равным нулю, размыкают все электронные ключи, при этом дроссель через диод первого электронного ключа и диод замкнут на накопительном конденсаторе. После повторяют все этапы.
Поставленная задача достигается за счет наличия двух полумостов, связанных дросселем. Данная схема позволяет создавать колебания электрического заряда на пьезоактюаторе с различной частотой и амплитудой сигнала, а также позволяет создавать аккумуляцию энергии в дросселе при разряде пьезоактюатора для дальнейшей ее рекуперации.
Преимуществом данной схемы над ранее известными аналогами заключается в том, что она позволяет рекуперировать значительное количество энергии, затраченной на заряд. При этом потери энергии при таком подходе возникают при прохождении электрического тока через незначительные омическое сопротивления диодов, электронных ключей и самой катушки индуктивности, в то время как большая часть энергии возвращается обратно к конденсатору источника питания.
Краткое описание чертежей
Признаки изобретения станут более очевидными на основе последующего подробного описания, в котором сделана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых представлена принципиальная схема устройства рекуперативного типа для генерации электрических колебаний на обкладках пьезоактюатора.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства в первом варианте осуществления.
На фиг. 2 изображена схема предлагаемого устройства во втором варианте осуществления.
Подробное описание вариантов воплощения изобретения
Предлагаемое изобретение направлено на создание генератора импульсов, поступающих на обкладки пьезоактюатора, у которого каждый период изменяется направление преобразования.
На фиг.1 и фиг. 2 представлена принципиальная схема устройства рекуперативного типа для генерации электрических колебаний на обкладках пьезоактюатора в первом варианте осуществления 1 и во втором варианте осуществления 2 согласно настоящему изобретению.
Устройство выполнено с возможностью соединения с источником питания постоянного напряжения DC. Источник постоянного напряжения может быть управляемым и неуправляемым, с непосредственным и промежуточным преобразованием. Источники питания постоянного напряжения могут различаться по выходной мощности выпрямителя. В качестве источника питания постоянного напряжения может выступать автономный источник энергии, в качестве которого, как правило, выступает аккумуляторная батарея на соответствующую емкость и напряжение.
Источник питания постоянного напряжения имеет выходной положительный зажим и входной отрицательный зажим для схемы, к которым параллельно подключен накопительный конденсатор С1 своими обкладками.
Схема имеет два полумоста.
В первом варианте осуществления 1 (фиг. 1) устройства согласно настоящему изобретению первый полумост состоит из управляемых электронных ключей К1 и К2; второй полумост – из управляемых электронных ключей К3 и К4. Каждый из ключей К1, К2, К3, К4 выполнен с возможностью проводить электрический ток от своего входа к своему выходу по сигналу «открыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи замкнуты), а также прекращать поступление электрического тока от своего входа к своему выходу по сигналу «закрыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи разомкнуты).
Параллельно каждому ключу подключены диоды, пропускающие электрический ток в одном направлении – от выхода ключа к его входу. Параллельно ключу К1 подключён диод D1, ключу К2 - диод D2, ключу К3 - диод D3, ключу К4 - диод D4.
Вход ключа К1 соединён с положительным входным зажимом источника питания постоянного напряжения DC. Выход ключа К1, являющийся средней точкой «a» первого полумоста, соединён со входом ключа К2.
Выход ключа К2 соединён с отрицательным входным зажимом источника питания постоянного напряжения DC. Средняя точка «a» соединена со входом накопительного дросселя L.
Вход ключа К3 соединён с положительным контактом пьезоактюатора P. Выход ключа К3, являющийся средней точкой «b» второго полумоста, соединён со входом ключа К4. Выход ключа К4 соединён с отрицательным проводом источника DC. Средняя точка «b» соединена с выходом накопительного дросселя L. Выход ключа К4 также соединён с отрицательным контактом пьезоактюатора P.
Все управляющие электрические контакты ключей К1, К2, К3, К4 соединены с устройством управления ключами полумостов, которое на фиг. 1 изображено схематично как «Control».
Во втором варианте осуществления 2 (фиг. 2) устройства согласно настоящему изобретению первый полумост состоит из последовательно соединенных управляемых электронных ключей К1 и К2; второй полумост – из последовательно соединенных управляемого электронного ключа К3 и диода D4. Каждый из ключей К1, К2, К3 выполнен с возможностью проводить электрический ток от своего входа к своему выходу по сигналу «открыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи замкнуты), а также прекращать поступление электрического тока от своего входа к своему выходу по сигналу «закрыто», поступающему на его управляющий электрический контакт (управляемые ключи разомкнуты). Параллельно каждому ключу подключены диоды, пропускающие электрический ток в одном направлении – от выхода ключа к его входу. Параллельно ключу К1 подключён диод D1, ключу К2 - диод D2, ключу К3 - диод D3. Таким образом, катод диода соединен со входом соответствующего ключа, а анод диода соединен с выходом соответствующего ключа.
Вход ключа К1 соединён с положительным входным зажимом источника питания постоянного напряжения DC. Выход ключа К1, являющийся средней точкой «a» первого полумоста, соединён со входом ключа К2. Выход ключа К2 соединён с отрицательным входным зажимом источника питания постоянного напряжения DC. Средняя точка «a» соединена со входом накопительного дросселя L. Накопительный дроссель L обладает активным и реактивным (индуктивным) сопротивлением.
Вход ключа К3 подключен к положительному контакту пьезоактюатора, а выход ключа К3 соединен с катодом диода D4 и является средней точкой «b» второго полумоста. Анод диода D4 подключен к отрицательному контакту пьезоактюатора. Средняя точка «b» соединена с выходом накопительного дросселя L.
Все управляющие электрические контакты ключей К1, К2, К3 соединены с устройством управления ключами полумостов, которое на фиг. 2 изображено схематично как «Control».
В обоих вариантах осуществления устройства согласно настоящему изобретению в качестве управляемого электронного ключа может быть использован любой приемлемый ключ, способный к размыканию, например полупроводниковые ключи, такие как биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), MOSFET, запираемый тиристор с интегрированным управлением (IGCT) или тиристор с запираемым вентилем (GTO).
Все управляемые электронные ключи полумостов имеют одностороннюю проводимость. Коммутация ключей может производиться синхронно или с установленной в устройстве управления ключей полумостов временной задержкой.
Импульсный генератор рекуперативного типа согласно первому варианту осуществления 1 устройства согласно настоящему изобретению (фиг.1) работает следующим образом.
В первой фазе формирования переднего фронта импульса напряжения сигналы «открыто» от устройства управления ключами полумостов “Control” подаются на ключи К1 и К4. На ключи К2 и К3 при этом поступают сигналы «закрыто». Напряжение источника питания постоянного напряжения DC через ключи К1 и К4 прикладывается к накопительному дросселю L. Ток протекает от источника питания постоянного напряжения DC через ключ К1, дроссель L и ключ К4. В этой фазе энергия от источника питания DC передаётся накопительному дросселю L.
Во второй фазе формирования переднего фронта импульса напряжения от устройства управления ключами полумостов “Control” на все ключи подаются сигналы «закрыто» (все электронные ключи разомкнуты). В результате электрическая энергия, накопленная в дросселе L, вызывает протекание электрического тока через диоды D2 и D3, заряжающего пьезоактюатор P до максимального напряжения, определяемого условием баланса энергий.
После этого пьезоактюатор P остаётся заряженным до того момента, пока не начнётся задний фронт импульса. В первой фазе формирования заднего фронта импульса напряжения сигналы «открыто» от устройства управления “Control” подаются на ключи К3 и К2. На ключи К1 и К4 при этом поступают сигналы «закрыто». В результате заряженный пьезоактюатор P через ключи К3 и К2 оказывается замкнутым на накопительный дроссель L, образуя последовательный колебательный контур. В результате ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе P уменьшается по закону, близкому к косинусоидальному.
В момент времени, когда напряжение на пьезоактюаторе становится равным нулю, от устройства управления ключами полумостов “Control” на ключи К2 и К3 поступают сигналы «закрыто» (ключи находятся в разомкнутом состоянии). С этого момента открываются диоды D1 и D4 и начинается фаза возврата энергии от накопительного дросселя к накопительному конденсатору С1.
Положительный контакт пьезоактюатора P в данной фазе оказывается изолированным. После этого пьезоактюатор P остаётся разряженным до того момента, пока вновь не начнётся передний фронт импульса.
Импульсный генератор рекуперативного типа согласно второму варианту осуществления 2 устройства согласно настоящему изобретению (фиг.2) работает следующим образом.
В первой фазе формирования переднего фронта импульса напряжения от устройства управления “Control” на ключ К1 подаётся сигнал «открыто» (ключ находится в замкнутом состоянии). На ключи К2 и К3 при этом поступают сигналы «закрыто» (ключи размыкают). В результате ключ К1 открывается, и напряжение питания источника DC через ключ K1 и диод D3 прикладывается к последовательному контуру, образованному накопительным дросселем L и ёмкостью пьезоактюатора P.
В результате ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе P нарастает по закону, близкому к косинусоидальному. Через половину периода собственных колебаний нагруженного последовательного контура ток дросселя спадает до нуля и процесс естественным образом прекращается. Коммутационные потери при этом минимальны.
После этого от устройства управления ключами полумостов “Control” на все ключи подаются сигналы «закрыто» (электронные ключи размыкают). Напряжение на пьезоактюаторе P при этом достигает величины, несколько меньшей удвоенного напряжения источника питания.
После этого пьезоактюатор P остаётся заряженным до того момента, пока не начнётся задний фронт импульса.
В первой фазе формирования заднего фронта импульса напряжения сигналы «открыто» от устройства управления ключами полумостов “Control” подаются на ключи К3 и К2 (ключи замыкают). На ключ К1 при этом поступает сигнал «закрыто» (ключ размыкают). В результате ключи К3 и К2 открываются, и заряженный пьезоактюатор P оказывается замкнутым на накопительный дроссель L. В результате ток дросселя нарастает по закону, близкому к синусоидальному, а напряжение на пьезоактюаторе P уменьшается по закону, близкому к косинусоидальному.
В момент времени, когда напряжение на пьезоактюаторе становится равным нулю, от устройства управления ключами полумостов “Control” на ключи К2 и К3 поступают сигналы «закрыто» (ключи размыкают). С этого момента открываются диоды D1 и D4 и начинается фаза возврата энергии от накопительного дросселя к конденсатору С1 блока питания. Ток дросселя спадает почти линейно.
Положительный контакт пьезоактюатора P в данной фазе оказывается изолированным. После этого пьезоактюатор P остаётся разряженным до того момента, пока вновь не начнётся передний фронт импульса.
Следует четко понимать, что вышеприведенное описание предназначено для иллюстрации настоящего изобретения, а не для ограничения объема его охраны. Объем охраны должен определяться с учетом лишь формулы изобретения, наряду с полным объемом эквивалентов, на которые эта формула изобретения дает право.