РЕЗОНАНСНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
RESONANCE POWER AMPLIFIER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к резонансным преобразователям электрической энергии на основе резонансных усилителей мощности.
Известен резонансный усилитель мощности промышленной частоты, содержащий последовательно соединенные первичную обмотку силового трансформатора, обмотки двух встречно включенных управляемых магнитных реакторов, емкости и вторичной обмотки входного понижающего трансформатора, которые образуют последовательный резонансный контур. Резонансная емкость включена между выводами вторичной обмотки входного трансформатора и первичной обмотки силового трансформатора. Управляемые магнитные реакторы включены между двумя другими выводами вторичной обмотки входного трансформатора и первичной обмотки силового трансформатора. Два встречно включенных управляемых магнитных реактора выполняют функции индуктивной обратной связи для стабилизации напряжения при изменении электрической нагрузки. Первичная обмотка входного трансформатора подключена к источнику электрической энергии. Электрическая нагрузка присоединена ко вторичной обмотке силового трансформатора. Коэффициент усиления зависит от нагрузки и при настройке резонансного контура превышает единицу (Элементарный учебник физики / Под ред. акад. Г.С.Ландсберга. Т.III. Колебания, волны, оптика, строение атома. - М., 1975, стр.81-82).
Недостатком известного преобразователя является недостаточно высокий коэффициент усиления и сложность настройки усилителя на резонансную частоту при изменяющейся электрической нагрузке.
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение коэффициента усиления и снижение зависимости параметров преобразователя от величины нагрузки и частоты.
Технический результат заключается в увеличении коэффициента усиления резонансного преобразователя до 2-10 и стабилизации величины коэффициента усиления при изменении нагрузки и частоты.
n
n-1
Технический результат достигается тем, что в резонансном усилителе мощности, содержащем входной и силовой трансформаторы с нагрузкой во вторичной обмотке силового трансформатора и последовательный резонансный контур между трансформаторами, состоящий из емкости С и индуктивности входной обмотки силового трансформатора, а также из устройства обратной связи между обмотками входного и силового трансформатора, резонансный усилитель мощности содержит n каскадов усиления из n понижающих силовых трансформаторов, соединенных между собой с помощью n последовательных резонансных контуров, где n=2, 3, …m, а обратная связь выполнена в виде устройства, обеспечивающего однонаправленное движение электрической энергии от вторичной обмотки последнего силового трансформатора к первичной обмотке входного трансформатора, мощность каждого последующего n-го силового трансформатора связана с мощностью предыдущего n-1-го силового трансформатора соотношением: Р=кР, где к - коэффициент усиления одного каскада.
В варианте исполнения резонансного усилителя мощности устройство обратной связи выполнено в виде блока бесперебойного питания, вход которого соединен с вторичной обмоткой последнего силового трансформатора, а выход с первичной обмоткой входного трансформатора.
В другом варианте исполнения резонансного усилителя мощности устройство обратной связи выполнено в виде однонаправленной индуктивности, вход которой соединен со вторичной обмоткой последнего силового трансформатора, а выход - с первичной обмоткой входного трансформатора.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фиг.1, 2, где на фиг.1 представлена электрическая схема резонансного преобразователя из двух каскадов с устройством обратной связи в виде источника бесперебойного питания, на фиг.2 - электрическая схема резонансного преобразователя из двух каскадов с устройством обратной связи в виде односторонней индуктивной связи.
1
1
1
Резонансный усилитель мощности на фиг.1 содержит входной трансформатор 1 с первичной 2 и вторичной 3 обмотками, первый силовой трансформатор 4 с первичной 5 и вторичной 6 обмотками и второй силовой трансформатор 7 с первичной 8 и вторичной 9 обмотками. Вторичная обмотка 3 входного трансформатора 1 соединена с первичной обмоткой 5 первого силового трансформатора 4 через конденсатор 10 с емкостью С. Емкость C и индуктивность L первичной обмотки 5 силового трансформатора 4 образуют первый резонансный контур 11 первого каскада усиления, настроенный на частоту , равную частоте питающей сети 12, подключенной к первичной обмотке 2 входного трансформатора 1.
2
2
2
2
0
Второй каскад усиления выполнен из первичной обмотки 8 с индуктивностью L второго силового трансформатора 7, которая соединена со вторичной обмоткой 6 первого силового трансформатора 4 через конденсатор 13 с емкостью С. Емкость С и индуктивность L образуют второй последовательный резонансный контур с резонансной частотой , равной частоте питающей сети 12 и резонансной частоте первого резонансного контура 11. Устройство обратной связи 14 выполнено в виде блока бесперебойного питания 15, содержащего выпрямитель 16, аккумулятор 17 и инвертор 18 с частотой f и выходным напряжением, равным частоте и напряжению питающей сети 12. Вторичная обмотка 9 второго силового трансформатора 7 соединена с нагрузкой 19 и со входом выпрямителя 16 устройства обратной связи 14.
Резонансный усилитель мощности на фиг.2 содержит один входной трансформатор 1, первый 4 и второй 7 силовые трансформаторы, соединенные резонансными контурами аналогично электрической схеме резонансного усилителя мощности на фиг.1. Устройство обратной связи 20 выполнено в виде однонаправленной индуктивности 21, содержащей три обмотки 22, 23 и 24. Обмотки 22 и 23 соединены встречно и расположены на магнитном сердечнике. Обмотка 24 расположена между обмотками 22 и 23 (В.Ефимов. Односторонняя индуктивная связь // Изобретатель и рационализатор, 2012, №1, с.30-31). Входная обмотка 22 соединена со вторичной обмоткой 9 второго силового трансформатора 7. Выходная обмотка 24 однонаправленной индуктивности 21 соединена с первичной обмоткой 2 входного трансформатора 1. При подаче напряжения на встречно включенные обмотки 22 и 23 магнитное поле этих обмоток возбуждает эдс в обмотке 24 и происходит передача электрической энергии от выхода усилителя мощности к его входу. При подаче напряжения на обмотку 24 в обмотках 22 и 23 возникают эдс, противоположные по знаку, напряжение на выходе этих обмоток равно нулю и передача электрической энергии от входа усилителя мощности к выходу усилителя не происходит.
Резонансный усилитель мощности работает следующим образом.
L
1
2
В резонансном контуре эдс емкости и эдс самоиндукции катушки индуктивности в Q раз больше напряжения внешнего генератора, приложенного к этой цепи, где  - добротность контура, X и R - индуктивное и активное сопротивление контура. Обычно Q=10-100. Если реактивное сопротивление резонансного контура является индуктивным сопротивлением низковольтной обмотки трансформатора, увеличенное в Q раз напряжение внешнего генератора увеличивается еще в n раз на выходе трансформатора, где  коэффициент трансформации, W, W обмоток трансформатора эдс самоиндукции и эдс взаимной индукции в индуктивных сопротивлениях трансформатора отстает от тока на четверть периода или на 90°.
1
1
1
1
L
2
2
2
2
2
2
L
Электрическая энергия питающей сети 12 поступает на первичную обмотку 2 входного понижающего трансформатора 1, увеличивается по току и уменьшается по напряжению во вторичной обмотке 3 в соответствии с коэффициентом трансформации входного трансформатора 1. В последовательном резонансном контуре 11 электрическая энергия увеличивается по напряжению в Q раз, где  - добротность первого резонансного контура 11 LC, R и X - активное и индуктивное сопротивление первого резонансного контура 11. Электрическая энергия с возросшим током и напряжением поступает на первичную обмотку 5 первого понижающего силового трансформатора 4, увеличивается по току и уменьшается по напряжению во вторичной обмотке 6 первого силового трансформатора 4 в соответствии с коэффициентом трансформации первого силового трансформатора 4. В последовательном резонансном контуре LС электрическая энергия увеличивается по напряжению в Q раз, где  - добротность второго резонансного контура LC, R и X - активное и индуктивное сопротивление второго резонансного контура. Электрическая энергия с увеличенным напряжением уменьшается по напряжению и увеличивается по току во вторичной обмотке 9 второго силового трансформатора 7 и поступает в электрическую нагрузку 19. Часть электрической энергии со вторичной обмотки 9 второго силового трансформатора 7 поступает в выпрямитель 16 устройства обратной связи 14, заряжает аккумулятор 17 и через инвертор 18 поступает на первичную обмотку 2 входного трансформатора 1.
Электрическая мощность на входе преобразователя мощности:
вх
вх
вх
Р=V·I,
вх
вх
где I, V - ток и напряжение питающей сети 12.
Электрическая мощность на входе первого силового трансформатора 4:
1
вх
вх
1
1
вх
P=I-V-Q=к·P,
1
1
1
где к - коэффициент усиления первого каскада, к=Q.
Электрическая мощность на выходе усилителя:
вых
1
2
вx
вх
1
2
вх
Р=Q·Q·I·V=к·к-Р,
2
2
2
где к - коэффициент усиления второго каскада, к=Q.
Примеры выполнения резонансного усилителя мощности.
1
2
1
2
Пример 1. Входной трансформатор 1 (фиг.1) выполнен в виде автотрансформатора с входным напряжением 220 В, частотой 50 Гц, мощностью 1 кВт. Первый силовой трансформатор 4 напряжением 380/220 В имеет электрическую мощность 2 кВт, второй силовой трансформатор 7 напряжением 380/220 В имеет электрическую мощность 6 кВт. Настройку резонансного режима производят путем подбора емкости конденсаторов 10 и 13 на уровне 10-100 мкФ. Первый резонансный контур 11 и второй резонансный контур имеют резонансную частоту 50 Гц. Коэффициент усиления первого каскада равен к=2, второго каскада к=2,7. Общий коэффициент усиления к=к·к=5,4. Выходное напряжение усилителя мощности составляет 220 В, выходная мощность 5,4 кВт.
Устройство обратной связи 14 выполнено в виде блока бесперебойного питания 15, вход которого подключен ко вторичной обмотке 9 второго силового трансформатора 7, а выход блока бесперебойного питания 15 соединен с выводами первичной обмотки 2 входного трансформатора 1.
1
2
Пример 2. Входной трансформатор 1 (фиг.2) выполнен в виде трансформатора с входным напряжением 450 В, частотой 10 кГц, электрической мощностью 7,5 кВт. Электрическая сеть 12 с напряжением 400 В и частотой 10 кГц питается от преобразователя частоты (на фиг.2 не показан). Первый понижающий силовой трансформатор 1 с напряжением 450/220 В, частотой 10 кГц имеет электрическую мощность 4 кВт, второй понижающий силовой трансформатор 7 напряжением 450/220 В, частотой 10 кГц имеет электрическую мощность 7,5 кВт. Настройку на резонансную частоту производят подбором емкости конденсаторов 10 и 13 и изменением частоты сети. Первый и второй резонансный контур имеют резонансную частоту 10 кГц. Коэффициент усиления первого каскада с первым силовым трансформатором и резонансным контуром 11 равен к=2,5, второго каскада со вторым силовым трансформатором - к=2,5. Общий коэффициент усиления к=6,25. Выходное напряжение усилителя составляет 220 В, выходная мощность 6,5 кВт.
Устройство обратной связи 20 выполнено в виде однонаправленной индуктивности 21, обеспечивающей одностороннюю индуктивную связь между выходом и входом усилителя мощности. Две встречно включенные входные обмотки 22 и 23 соединены со вторичной обмоткой 9 второго силового трансформатора 7. Выходная обмотка 24 соединена с первичной обмоткой 2 входного трансформатора 1.
Разработанный усилитель мощности имеет следующие преимущества. В отличие от прототипа устройство обратной связи 14 и 20 перенесено из резонансного контура во внешнюю цепь, что улучшает резонансную настройку контуров и увеличивает добротность Q и коэффициент усиления к. Использование нескольких резонансных контуров, силовых трансформаторов и каскадов усиления, число которых равно n=2, 3, …m, увеличивает коэффициент усиления и преобразования электрической энергии. Повышение резонансной частоты позволяет снизить массу усилителя мощности и упрощает настройку на резонансный режим путем регулирования частоты сети 12. Резонансные усилители мощности позволяют снизить нагрузку на распределительные сети при использовании стационарных и мобильных энергоустановок.