ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА ЕМКОСТНАЯ (ЭМЕ) С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ
CAPACITIVE ELECTRICAL MACHINE (CEM) WITH GALVANIC DECOUPLING

Электрическая машина емкостная (ЭМЕ) с гальванической развязкой относится к широкому классу преобразователей, предназначенных для трансформации электрической энергии в механическую 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.
ЭМЕ, заявленные в настоящем изобретении, могут использоваться в промышленности и технике в качестве генераторов и двигателей (актуаторов), осуществляющих преобразование механической энергии в электрическую (генератор) и электрической энергии в механическую (двигатель).
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 жесткая 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.
Одной из проблем электростатических генераторов и двигателей является сложность их подключения к нагрузке или источнику питания из-за высокого рабочего напряжения на электродах КПЕ. Например, у электрофорной машины рабочие напряжения могут достигать десятков и сотен киловольт, что практически делает невозможным ее промышленное применение. Другой проблемой является необходимость постоянно в начале каждого цикла преобразования создавать заряды возбуждения на электродах КПЕ. Целью настоящего изобретения является включение в ЭМЕ элементов, позволяющих осуществить гальваническую развязку КПЕ ЭМЕ от цепи нагрузки и одновременно исключить или уменьшить до минимума необходимость постоянно создавать на электродах КПЕ заряды возбуждения. Также общим техническим результатом при этом являются повышение мощности ЭМЕ и появление возможности регулировать рабочее напряжение и мощность ЭМЕ в широком диапазоне.
Раскрытие изобретения.
mах
min
mах
0
0
0
max
min
1
0
max
min
min
mах
Для емкостных преобразователей, содержащих КПЕ, общим является то, что их емкость периодически изменяется от максимальной величины С 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 С, 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 С, производя при этом механическую работу.
В представленном здесь изобретении (фиг. 1) предлагается объединить КПЕ (на фиг. 1 обозначен цифрой 1) с двумя конденсаторами К1 и К2 (на фиг. 1 обозначены цифрами 2 и 3), соединенными последовательно с КПЕ в следующей очередности: К1 - КПЕ - К2, при этом существенно важным для данного изобретения решением является создание зарядов возбуждения одного знака одновременно на электродах конденсаторов К1 и КПЕ, находящихся в гальваническом контакте друг с другом (электроды-1, на фиг. 1 обозначены цифрой 4), и зарядов возбуждения противоположного знака одновременно на электродах конденсаторов К2 и КПЕ, находящиеся в гальваническом контакте друг с другом (электроды-2, на фиг. 1 обозначены цифрой 5). При этом электроды К1 и К2, гальванически не связанные с электродами КПЕ (электроды-3, на фиг. 1 обозначены цифрой 6), подключаются к нагрузке (на фиг. 1. обозначена цифрой 10) или к внешнему источнику тока или напряжения. Осуществление изобретения в режиме генератора.
min
Для начала рассмотрим работу устройства, состоящего из «идеальных» конденсаторов КПЕ, К1 и К2, у которых отсутствует ток утечки, т.е. заряды возбуждения, созданные в начале работы устройства, постоянны. При уменьшении емкости КПЕ до C напряжение на КПЕ увеличивается и электростатические силы «выталкивают» часть зарядов возбуждения ΔQ с электродов КПЕ на гальванически связанные с ними «внутренние» электроды К1 (электроды-1) и К2 (электроды-2), эти перемещенные заряды в свою очередь притягивают на «внешние» электроды К1 и К2, гальванически связанные друг с другом (электроды-3) заряды ΔQ противоположного им знака, т.е. между электродами-3 К1 и К2 возникает электрический ток.
mах
При увеличении емкости КПЕ до С напряжение на КПЕ уменьшается и электростатические силы «выталкивают» перемещенные ранее заряды возбуждения ΔQ обратно с «внутренних» электродов К1 и К2 на гальванически связанные с ними электроды КПЕ, это перераспределение зарядов возбуждения в свою очередь порождает обратное движение зарядов ΔQ с «внешних» электродов К1 и К2 (электроды-3), т.е. между электродами-3 К1 и К2 возникает обратный электрический ток.
В результате мы получаем в цепи нагрузки переменный ток I=ΔQN, где N -количество рабочих тактов изменения емкости КПЕ в секунду. Мощность тока пропорциональна квадрату напряжения возбуждения, и в общем случае зависит от режима протекания тока через нагрузку и возникающих при этом напряжений. Осуществление изобретения в режиме двигателя.
В режиме двигателя внешний источник переменного напряжения (тока) подключается к «внешним» электродам-3 К1 и К2 и вызывает периодическое изменение зарядов на этих электродах и перераспределение зарядов возбуждения между «внутренними» электродами K1, К2 и КПЕ, в результате чего напряжение на КПЕ периодически меняется, и КПЕ под действием электростатических сил изменяет свою емкость и совершает механическую работу. С фундаментальной механической точки зрения заряженный КПЕ стремиться перейти в состояние минимума потенциальной энергии, т.е. в состояние с минимальным напряжением, которому соответствует максимальная емкость.
Необходимо заметить, что реальные конденсаторы всегда имеют ток утечки, т.е. не являются «идеальными». Однако данные токи утечки имеют значения на несколько порядков меньше токов, необходимых и используемых в реальных двигателях и генераторах, а при работе на непродолжительных временных интервалах ими можно пренебречь. В любом случае задача компенсации токов утечки для поддержания необходимой величины зарядов возбуждения значительно проще задачи постоянной генерации зарядов возбуждения на каждом такте работы генератора или двигателя. Как будет показано далее, в рамках заявленного изобретения появляется возможность реализовывать простые схемы с самоиндукцией зарядов возбуждения.
Также необходимо отметить, что работа ЭМЕ в режиме холостого хода (и для генераторов, и для двигателей) приводит к регулярной зарядке и разрядке КПЕ, К1 и К2, но общая работа на полном цикле будет равна нулю (без учета паразитных сопротивлений конденсаторов и токов утечки) - при зарядке энергия забирается, при разрядке возвращается внешнему источнику. В общем случае ЭМЕ может содержать большее количество конденсаторов, включаемых последовательно с К1 и К2 в замкнутый контур с КПЕ. Каждый такой конденсатор создает дополнительный участок цепи, в который можно включать нагрузку или источник питания, при этом величина тока на каждом таком участке будет равна величине тока на КПЕ, а сумма напряжений всех участков будет равна изменению напряжения на КПЕ, вызванного изменением его емкости. Пример такого устройства приведен на фиг. 5, где представлена ЭМЕ с двумя дополнительными конденсаторами и тремя независимыми блоками подключенной нагрузки, каждый из которых состоит из выпрямителя (диодного моста) и накопительного конденсатора, один из которых служит для питания КПЕ зарядами возбуждения.
0
Для управления мощностью ЭМЕ можно использовать изменение величины напряжения возбуждения U, которую можно менять в широком диапазоне.
Достигаемые технические результаты.
В заявленном изобретении достигаются следующие технические результаты: Во-первых, осуществляется гальваническая развязка электромеханической части ЭМЕ (КПЕ), где могут возникать высокие напряжения, от цепи нагрузки или источника питания, в результате чего повышается надежность устройства. Во-вторых, уменьшается потребность в генерации зарядов возбуждения, необходимых для работы ЭМЕ, что повышает мощность и КПД устройства. В-третьих, появляется возможность управления мощностью ЭМЕ путем изменения величины зарядов возбуждения или величины напряжения, создающего заряды возбуждения, а также использовать самовозбуждение. В-четвертых, появляется возможность включать ЭМЕ в цепь нагрузки или источника питания без использования индуктивных элементов, которые вместе к КПЕ порождают собственные резонансные частоты ЭМЕ, а значит можно использовать ЭМЕ на разных частотах изменения емкости КПЕ без потери КПД.
Дополнительные варианты осуществления изобретения.
Возможно осуществление изобретения не только с гальванической развязкой КПЕ от цепи нагрузки и/или источника питания, но и с дополнительной гальванической развязкой КПЕ от источника зарядов возбуждения (фиг. 6). Для этого достаточно включить в состав ЭМЕ два дополнительных конденсатора К3 и К4 соединенных последовательно с КПЕ и конденсаторами К1 и К2 в следующей очередности: К3-К1 - КПЕ - К2 - К4. При этом на электроды конденсаторов К1 и К3, находящиеся в гальваническом контакте друг с другом, подаются заряды возбуждения одного знака (заряды-1), а на электроды конденсаторов К2 и К4, находящиеся в гальваническом контакте друг с другом, подаются заряды возбуждения (заряды-2), противоположные зарядам-1 (данные электроды обозначены на фиг. 6 цифрой 9). При этом электроды конденсаторов К3 и К4, гальванически не связанные с электродами конденсаторов К1 и К2, могут быть подключены в цепь нагрузки, и/или к внешнему источнику тока или напряжения, и/или для подключены к одному или нескольким другим конденсаторам. Работа устройства в таком варианте будет аналогична основному варианту. Поскольку в общем случае частота работы КПЕ зависит от режима работы механического привода, кинематически связанного с электродами КПЕ, и может изменяться в широком диапазоне, переменный ток, генерируемый ЭМЕ лучше выпрямлять. Поэтому в ряде случаев желательно иметь в ЭМЕ встроенный выпрямитель тока или напряжения. Это позволяет использовать ЭМЕ с одинаковой эффективностью на всех диапазонах скоростей механического привода. Также в этом случае может быть полезным использование встроенного в ЭМЕ электрического конденсатора, подключаемого к выпрямителю ЭМЕ параллельно нагрузке. Также может оказаться целесообразным применение собственного встроенного конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке, и в случае без выпрямления тока для сглаживания амплитуды пульсаций напряжения. На фиг. 2 для примера показана часть ЭМЕ, состоящая из выпрямителя (диодный мост) и конденсатора. Также в указанном выше случае для питания ЭМЕ зарядами возбуждения возможно использовать встроенные в ЭМЕ собственные средства коммутации выпрямленного электрического тока или напряжения для питания ЭМЕ зарядами возбуждения. Данная схема позволяет осуществлять самовозбуждение ЭМЕ и не зависеть от внешних источников зарядов возбуждения после начала работы, а также позволяет осуществлять автоматическую накачку ЭМЕ зарядами возбуждения в случае, когда применяется стартовый генератор зарядов возбуждения малой мощности или малого напряжения, в том числе для начала работы ЭМЕ может оказаться достаточным зарядов, остающихся на электродах КПЕ или К1 и К2 в следствие эффекта диэлектрической абсорбции.
Для сглаживания пульсаций напряжения на нагрузке можно включать в ЭМЕ электрический конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. Возможен вариант заявленного изобретения с дополнительными блоками элементов, которые состоят как минимум из одного электрического конденсатора или как минимум из одного аккумулятора и как минимум из одного электрического вентиля, соединенных последовательно друг с другом, при этом данные блоки подключаются параллельно друг другу к электродам-3 ЭМЕ (или иным электродам конденсаторов ЭМЕ, предназначенным для подключения к нагрузке) так, чтобы электрические вентили обеспечивали прохождение электрического тока в направлениях, противоположных друг другу (фиг. 3). В результате мы получаем два источника постоянного тока, при этом можно дополнительно включить в ЭМЕ средства коммутации одного из конденсаторов или аккумулятора к электродам-1 и электродам-2 ЭМЕ (или к иным электродам конденсаторов ЭМЕ, предназначенным для накопления зарядов возбуждения) для питания ЭМЕ зарядами возбуждения, а второй конденсатор или аккумулятор использовать для включения в цепь нагрузки.
Для ряда приложений может оказаться полезным включение в ЭМЕ собственного электрического трансформатора, с одной стороны подключаемого к электродам-3 ЭМЕ (или иным электродам конденсаторов ЭМЕ, предназначенным для подключения к нагрузке), а с другой стороны подключаемого к внешней нагрузке или внешнему источнику электрического питания. Особенно востребованным данный вариант может оказаться для питания ЭМЕ в режиме работы двигателя. Другим перспективным вариантом является объединение двух ЭМЕ в одном устройстве: ЭМЕ-2 малой мощности, служащей исключительно для генерации и регулирования величины зарядов возбуждения, и основной ЭМЕ, служащей главным генератором или двигателем устройства. На фиг.4 представлен один из таких вариантов: слева показана ЭМЕ-2, генерирующая заряды возбуждения для себя и основной ЭМЕ, расположенной справа и генерирующей постоянный ток. Также важно ЭМЕ средствами защиты от высокого напряжения, способного вызвать пробой изоляции КПЕ или иных конденсаторов ЭМЕ. Для этого достаточно включить в ЭМЕ средства для коммутации электродов конденсаторов ЭМЕ, предназначенных для подключения к нагрузке или к источнику питания, напрямую друг к другу параллельно нагрузке или источнику питания, и электронный ключ, выключающий данное соединение при превышении напряжением и/или током, подаваемых на нагрузку или на определенные электроды конденсаторов ЭМЕ, заданной величины. Фактически включение такого ключа будет означать перевод ЭМЕ в режим холостого хода. В качестве ключа можно использовать, например, транзисторный ключ, управляемый напряжением на нагрузке или на конденсаторах ЭМЕ. В общем виде такой ключ показан на фиг. 2 и 3 под цифрой 11.
Описание чертежей.
Для наглядности настоящее изобретение проиллюстрировано на 6 фигурах. На фиг. 1 представлена ЭМЕ, состоящая из конденсатора переменной емкости -КПЕ (1), конденсаторов К1 (2) и К2 (3), с указанием на пару «внутренних» электродов конденсаторов К1 и КПЕ (4), находящихся в гальваническом контакте друг с другом (электроды-1), на которые подаются заряды возбуждения положительного знака (заряды-1), и с указанием на пару «внутренних» электродов конденсаторов К2 и КПЕ (5), находящихся в гальваническом контакте друг с другом (электроды-2), на которые подаются отрицательные заряды возбуждения (заряды-2). Также на фиг. 1 отмечены «внешние» электроды К1 и К2 (6), гальванически не связанные с электродами КПЕ (электроды-3), которые подключены к нагрузке (10).
На фиг. 2 представлена часть ЭМЕ (вариант) с выпрямителем тока - диодным мостом из электрических вентилей (8), и конденсатором (7), и ключом (11), переводящим ЭМЕ в режим холостого хода.
На фиг. 3 представлена часть ЭМЕ (вариант) с двумя параллельными блоками из включенных последовательно электрических вентилей (8) и конденсаторов (7), и ключом (11), переводящим ЭМЕ в режим холостого хода, при этом электрические вентили обеспечивают зарядку конденсаторов токами, идущими в направлениях, противоположных друг другу.
На фиг. 4 представлен вариант изобретения, состоящий из двух ЭМЕ: слева показана ЭМЕ-2, генерирующая заряды возбуждения для себя и основной ЭМЕ, расположенной справа и генерирующей постоянный ток.
На фиг.5 представлен вариант изобретения, с двумя дополнительными конденсаторами и тремя независимыми блоками подключенной нагрузки, каждый из которых состоит из выпрямителя (диодного моста) и накопительного конденсатора, один из которых служит для питания КПЕ зарядами возбуждения. На фиг. 6 представлен вариант изобретения с дополнительной гальванической развязкой КПЕ от источника зарядов возбуждения с двумя дополнительными конденсаторами, (9) - электроды конденсаторов, несущие заряды возбуждения.