Генератор емкостного типа с гальванической развязкой и устройством регулирования мощности
CAPACITIVE TYPE GENERATOR WITH GALVANIC ISOLATION AND POWER ADJUSTMENT DEVICE

Генератор емкостного типа с гальванической развязкой и устройством регулирования мощности (ГЕТ) относится к широкому классу преобразователей - электрическим машинам емкостного типа (ЭМЕ), предназначенным для трансформации механической энергии в электрическую и обратного преобразования, и действующих за счет электростатических сил кулоновского притяжения между электрическими зарядами противоположных знаков, размещаемыми на специально предназначенных для этого электродах, называемых контактной парой электродов.
Промышленная применимость.
ГЕТ, заявленные в настоящем изобретении, могут использоваться в промышленности и технике в качестве генераторов, осуществляющих преобразование механической энергии в электрическую.
Текущий уровень техники.
Известен широкий класс электрических машин, работающих на принципах электростатики, которые содержат как минимум одну пару электродов, предназначенных для накопления электрических зарядов противоположного знака, посредством которых электроды взаимодействуют друг с другом. Например, электрофорная машина (электростатический генератор), и многие другие. Электростатическое взаимодействие электродов удобнее и проще описывать через динамику их емкостных характеристик, поскольку любая пара электродов может быть рассмотрена как электрический конденсатор переменной емкости (КПЕ), емкость которого зависит от геометрии электродов, их взаимного расположения и диэлектрических характеристик среды, расположенной между электродами. Изменение любого из этих факторов приводит к изменению емкости, изменение емкости заряженных электродов приводит к изменению разности потенциалов между электродами и электрической энергии КПЕ, и может быть произведено множеством механических способов. Именно эта связь механических характеристик устройства с его электрической емкостью и, как следствие, с электрическим напряжением КПЕ лежит в основе преобразования энергии в данном типе электрических машин, поэтому они часто называются емкостными, хотя могут встречаться и другие названия.
Известно изобретение - электрическая машина емкостная (ЭМЕ) с гальванической развязкой (патент РФ №2705214), в котором для увеличения мощности данных устройств в цепь в ЭМЕ включены элементы, позволяющие осуществить гальваническую развязку КПЕ ЭМЕ от цепи нагрузки и одновременно исключить или уменьшить до минимума необходимость постоянно создавать на электродах КПЕ заряды возбуждения.
Целью настоящего изобретения и общим техническим результатом является создание возможности регулировать рабочее напряжение, силу тока и мощность на нагрузке ГЕТ (ЭМЕ) в широком диапазоне мощностей и частот работы генератора.
Раскрытие изобретения.
max
min
mах
0
0
0
max
min
1
0
max
min
min
max
Для емкостных преобразователей, содержащих КПЕ, общим является то, что их емкость периодически изменяется от максимальной величины C до минимальной величины C и обратно. Когда ЭМЕ работает в режиме генератора, электроды КПЕ в положении С заряжают от источника напряжения U некоторыми начальными зарядами возбуждения Q=UC, потом емкость КПЕ уменьшают до C, в результате напряжение (энергия) зарядов увеличиваются до величины U=UC/C, после чего заряды возбуждения с увеличенной энергией подаются в цепь нагрузки. При работе в режиме двигателя на электроды КПЕ, находящегося в положении C, подают разность потенциалов, на электродах образуются заряды и под действием электростатических сил КПЕ переходит в положение C, производя при этом механическую работу.
На фиг. 1 представлен ГЕТ с гальванической развязкой: кроме КПЕ на фиг. 1 обозначен цифрой 1) содержит дополнительные разделительные конденсаторы К1 и К2 (на фиг. 1 КПЕ обозначены цифрой 2), которые соединенными последовательно с КПЕ в следующей очередности: К1 - КПЕ - К2. Также на фиг. 1 обозначена цифрой 4 активная нагрузка (с сопротивлением R), цифрой 3 обозначены электрические вентили (диоды), через которые осуществляется подзарядка КПЕ зарядами возбуждения (режим самовозбуждения ГЕТ).
min
min
КПЕ
max
КПЕ
Рассмотрим работу такого «идеального» ГЕТ, у которого C равно 0. В реальных устройствах данное допущение никогда не наблюдается, однако такое упрощение позволяет с помощью простейших наглядных вычислений получить принципиальные результаты, которые можно применять и для реальных устройств (с учетом поправок, которые можно рассчитать для каждого реального случая с C, не равным 0). Также будем считать, что емкость разделительных конденсаторов К1 и К2 С2 во много раз больше максимальной емкости КПЕ и ее влиянием на процессы в ГЕТ можно пренебречь. В таком случае при уменьшении емкости КПЕ из точки максимума до минимума заряд, весь заряд на КПЕ перемещается на конденсаторы К1 и К2, согласно закону сохранения заряда такой же заряд при этом перемещается через нагрузку ΔQ=UC, где U - начальное напряжение на КПЕ. При обратном увеличении емкости КПЕ заряд ΔQ возвращается на КПЕ с разделительных конденсаторов и через нагрузку также перемещается заряд ΔQ в обратном направлении. Таким образом на активной нагрузке возникает переменный электрический ток с эффективной силой тока I=2ΔQN, где N - частота изменений емкости КПЕ.
КПЕ
КПЕ
max
В режиме самовозбуждения подзарядка КПЕ будет продолжаться до состояния, когда эффективное напряжение на КПЕ будет равно модулю эффективного падения напряжения на активной нагрузке, что дает условие «насыщения» КПЕ зарядами возбуждения: U=IR=2ΔQNR=2UCNR. Из данного выражения можно исключить эффективное напряжение на КПЕ и получить следующее условие само-согласования сопротивления активной нагрузки R* с частотой изменения емкости КПЕ N и максимальной емкостью КПЕ:
КПЕ
При сопротивлении активной нагрузки меньше этой величины происходит непрерывная накачка КПЕ зарядами возбуждения и увеличение U при сопротивлении активной нагрузки, превышающей данную величину, накачка КПЕ зарядами возбуждения останавливается и происходит стабилизация мощности ГЕТ.
Способы осуществления изобретения.
Необходимо отметить, что формула (*) является приближенной, поскольку выводилась при ряде допущений. Реальные зависимости могут иметь более сложный вид, однако это не отменяет основного вывода: регулируя общее сопротивление активной нагрузки, можно управлять накачкой КПЕ зарядами возбуждения, а значит и всей мощностью ГЕТ, в том числе на «полезной» нагрузке, сопротивление которой в большинстве случаев является величиной постоянной (на фиг. 1 «полезная» активная нагрузка обозначена цифрой 4). Для этого достаточно в цепь питания КПЕ зарядами возбуждения (в режиме самовозбуждения) включить переменное сопротивление (резистор), регулирующее силу тока, питающего КПЕ зарядами возбуждения (на фиг. 1 обозначен цифрой 5). Для увеличения мощности ГЕТ необходимо уменьшить величину сопротивление переменного резистора (5), в результате чего установится новое равновесное более высокое напряжение возбуждения на КПЕ и увеличится мощность ГЕТ (при тех же значениях частоты изменения КПЕ). При уменьшении величины сопротивления переменного резистора (5) за счет естественных малых токов утечки через КПЕ, которые пропорциональны напряжению на КПЕ, произойдет стабилизация напряжения возбуждения КПЕ на более низком значении и, как следствие, уменьшение мощности ГЭТ. Более эффективным является включение в цепь питания КПЕ зарядами возбуждения (в режиме самовозбуждения) переменного резистора (5), регулирующего силу тока, питающего КПЕ зарядами возбуждения, по схеме, показанной на фиг. 2. В этом случае формула (*) не верна даже для идеального КПЕ, но также существует некоторое пороговое значение для переменного сопротивления (5) R*, зависящее от емкостных параметров ГЕТ и частоты работы ГЕТ, при превышении которого накачка КПЕ зарядами возбуждения останавливается, а значит появляется возможность регулировать мощность ГЭТ.
Достигаемые технические результаты.
В заявленном изобретении достигается следующий технический результат: реализована возможность управления мощностью ГЕТ путем регулирования величины зарядов возбуждения и напряжения возбуждения на КПЕ в режиме самовозбуждения зарядов на КПЕ; в том числе появляется возможность стабилизировать мощность ГЕТ вне зависимости от частоты изменения емкости КПЕ.
Дополнительные варианты осуществления изобретения.
Также ГЕТ может дополнительно содержать как минимум один выпрямитель тока или напряжения, подключаемые в цепь питания КПЕ зарядами возбуждения с целью исключить ток, обратный току питания КПЕ зарядами возбуждения (такие выпрямители обозначены цифрами 3 на фиг. 1 и 2).
Также возможно дополнительно включить в ГЕТ как минимум один буферный накопительный электрический конденсатор, подключаемый параллельно основной нагрузке. Пример такого ГЕТ показан на фиг. 3.
Описание чертежей.
Для наглядности настоящее изобретение проиллюстрировано на 3 фигурах. На фиг. 1 представлен ГЕТ, состоящий из конденсатора переменной емкости - КПЕ (1), разделительных конденсаторов К1 (2) и К2 (2), Также на фиг. 1 отмечены выпрямители тока (3), основная нагрузка (4) и переменный резистор (5), включенный в цепь питания КПЕ зарядами возбуждения в режиме самовозбуждения, и служащий для управления накачкой КПЕ зарядами напряжения и мощностью ГЕТ.
На фиг. 2 представлен ГЕТ, аналогичный ГЕТ на фиг. 1, также с переменным резистором (5) в цепи питания КПЕ зарядами возбуждения в режиме самовозбуждения, служащим для управления накачкой КПЕ зарядами напряжения и мощностью ГЕТ.
На фиг. 3 представлен ГЕТ (вариант), который дополнительно содержит буферный накопительный электрический конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке (6).