Установка импульсного управления электромагнитными устройствами с рекуперацией энергии в источник питания на основе индуктивности и способ работы данной установки
INSTALLATION OF PULSE CONTROL OF ELECTROMAGNETIC DEVICES WITH ENERGY RECOVERY IN POWER SUPPLY SOURCE BASED ON INDUCTANCE AND METHOD FOR OPERATION OF THIS INSTALLATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к конструкциям импульсных блоков управления в сочетании с электромотором и/или катушками индуктивности, и может быть использовано в электромагнитных установках и электрических машинах, таких как двигатели постоянного тока, генераторы, трансформаторы, в частности в качестве блока управления в сочетании с электромотором и/или катушками индуктивности.
Целью предложенного изобретения является увеличение длительности работы от источников питания и снижение нагрузки на электрические цепи от источника питания до электрической машины или трансформатора.
Широко известна схема устройства формирования электродвижущей силы (ЭДС) самоиндукции в катушке индуктивности, которая состоит (см. фиг.1) из источника питания (ИП) постоянного тока, индуктивности (L), электромагнитного устройства (D), и ключа (К). Когда ключ (К) замкнут, ток из источника питания течёт через индуктивность (L), вокруг индуктивности (L) возникает электромагнитное поле. В качестве электромагнитного устройства использован, например, светодиод, который не светится, так как подключен обратной полярностью. После размыкания ключа (К), (см. фиг.2), ток из ИП прерывается, магнитное поле сворачивается обратно в катушку, чем вызывает появление разности потенциалов на концах индуктивности. Светодиод замыкает индуктивность (шунтирует), чем вызывает возникновение вторичного тока как в самой катушке, так и в светодиоде который на короткое время загорится. Данный метод шунтирования широко применяется для защиты ключей от ЭДС самоиндукции, а также используется практически в любом импульсном блоке управления оборотами двигателя постоянного тока.
В качестве наиболее близкого аналога предложенного решения можно принять известное из RU 2109388 С1, 20.04.1998 устройство защиты. Известное решение содержит источник питания постоянного тока, одну индуктивность, диод и конденсатор. В известном решении на концах обмотки возникает ЭДС самоиндукции обратной полярности, под действием которой функционирует диод.
Недостатком данного метода является то, что часть энергии ЭДС самоиндукции выделяется в виде тепла на шунтирующем диоде, а также частично рассеивается в окружающее пространство.
Технический результат предложенного решения состоит в повышении КПД электромагнитного устройства на основе индуктивности с одновременным снижением потребления и экономией энергии, потребляемой из источника питания. Кроме того, дополнительно обеспечивается защита источника питания от самоиндукции, что приводит к повышению надежности устройства.
Данный технический результат достигается посредством того, что установка с импульсным блоком управления электродвигателей, импульсных трансформаторов и прочих электромагнитных устройств на основе индуктивности, включает в себя источник питания (ИП) постоянного тока, одну или более катушек индуктивностей L, два электромагнитных устройства (D1 и D2), три ключа (К1, К2, К3), буферный накопитель энергии (С), где, катушка индуктивности L посредством ключа К1, соединена с минусом источника питания ИП, при этом к минусу источника питания ИП подключен буферный накопитель энергии (С), электромагнитное устройство D1 катодом соединено с буферным накопителем энергии (С), электромагнитное устройство D2 анодом соединено с катодом электромагнитного устройства D1 и с плюсом буферного накопителя энергии С, а катод электромагнитного устройства D2 через ключ К2 соединен с плюсом источника питания ИП и началом обмотки катушки индуктивности L, а через ключ К3 с минусом источника питания ИП и буферным накопителем энергии (С) (фиг.3).
Данный технический результат также достигается в способе экономии энергии в установке по п.1, для электродвигателей, импульсных трансформаторов и прочих электромагнитных устройств на основе индуктивности, включающей в себя источник питания постоянного тока,  блок управления импульсами и индуктивные элементы L, где осуществляют варьирование длительностью  импульсов и промежутков между ними, при этом длительность импульсов и промежутки между ними определяют снижение потребления нагрузки после прохождения энергии от источника питания ИП через систему, при этом дополнительных индуктивных элементов L может быть один и больше одного.
Как вариант, электромагнитные устройства (D1 и D2) представляют собой электрические машины, светодиоды, трансформаторы, электродвигатели и прочие электромагнитные устройства на основе индуктивности.
Установка включает два контура, один из которых отвечает за рекуперацию энергии из используемой индуктивности.
Теперь подробно рассмотрим суть изобретения, со ссылкой на фигуры чертежей. Для этого нам необходимо изменить рассматриваемый выше стенд (фиг.1). В измененной версии (фиг.3) добавим буферный накопитель энергии, например, в виде конденсатора (С), ещё одно электромагнитное устройство, например, светодиод (D2) и два ключа (К2, К3). Эти три дополнительных элемента необходимы для создания третьего токового контура.
К минусу ИП подключен буферный накопитель энергии (С), светодиод D1 катодом соединен с буферным накопителем энергии (С), светодиод D2 анодом соединен с катодом светодиода D1 и плюсом буферного накопителя энергии (С). Катод светодиода D2 через ключ К2 соединен с плюсом ИП и началом обмотки индуктивности L, а через ключ К3 с минусом ИП и буферным накопителем энергии (С).
Замкнем ключ К1 (ключи К2 и К3 не замкнуты), через индуктивность L течёт ток. Как только величина тока достигнет своего максимума, ключ К1 размыкаем. В индуктивности L возникает разность потенциалов, так как индуктивность шунтирована через светодиод D1, буферным накопителем энергии (С) и ИП. В замкнутом контуре возникает ЭДС самоиндукции, благодаря которой заряжаем буферный накопитель  энергии (С) (см. фиг. 4). Напряжение буферного накопителя энергии (С) стало выше напряжения ИП. При прохождении тока через светодиод D1 мы увидим короткую вспышку. Теперь у нас сложилась ситуация, когда заряженный буферный накопитель энергии (С), с напряжением выше напряжения ИП, сам превратился в источник энергии и для ИП. Таким образом, обеспечивается повышение КПД электромагнитного устройства на основе индуктивности с одновременным снижением потребления и экономией энергии, потребляемой из источника питания.
Теперь рассмотрим предложенное решение на примере различных вариантов реализации.
Вариант 1: при замыкании ключа К2 энергию из буферного накопителя энергии С, через светодиод D2, разрядим в ИП. Так частично компенсируем затраты энергии из ИП потраченные на создание основного импульса, а также светодиод D2 на короткое время загорится (см. фиг. 5). Данный вариант шунтирования позволяет защитить ключ К1 от ЭДС самоиндукции, произведена полезная работа в светодиодах D1 и D2, а также компенсирована частично энергия, которую потратили на создание основного импульса из ИП.
Вариант 2 (фиг.6): при замыкании ключа К3 буферный накопитель энергии С разрядим через светодиод D2. Светодиод D2 загорится на время разрядки буферного накопителя энергии С. При данном варианте будет произведена полезная работа в светодиодах D1 и D2, но не произойдет компенсации энергии затраченной из ИП на создание основного импульса. При этом индуктивностей L может быть одна или более одной. Теперь рассмотрим предложенное решение на основе примеров реализации.
Пример 1. Приведем пример для использования изобретения в паре двух электромоторов. Для подтверждения практических результатов был собран стенд по схеме приведенной ниже (фиг. 7 и фиг. 8).
(А1-1, А2-1) - амперметры
(V1-1, V1-2, V2-1, V2-2, V2-3) - вольтметры
(М1.1, М2.1) - универсальный мотор 1 кВт
(М2.2) - мотор постоянного тока 0,8 кВт
На фиг. 7 подключение двигателя произведено по схеме как на фиг. 1. На фиг. 8 стандартный блок управления оборотами двигателя был изменен по схеме фиг. 3, вместо диода D2 установлен двигатель М2.2. Двигатели М2.1 и М2.2 посажены на один общий ротор. На первом этапе тестирования обе установки были подключены к лабораторному источнику питания (ЛИП).
Результаты теста:
 При одинаковом токе потребления и напряжения из ЛИП, установка на фиг. 8, показала выходную мощность на 30% выше при работе на холостом ходу, а под нагрузкой - от 30% до 50% выше чем установка на фиг. 7.
 При изменении условий теста, установки были нагружены одинаково. Установка на фиг. 8 продемонстрировала меньший ток потребления на 30% - 50% процентов. На втором этапе тестирования лабораторный источник питания (ЛИП) был заменен на кислотные аккумуляторы (АКБ). Каждая установка была подключена к своему АКБ одинаковой ёмкости. Условия и результаты тестирования были аналогичны условиям и результатам из предыдущего теста.
Пример 2. Приведем пример для использования изобретения в двух- и более контурном электромоторе
(А1-1, А2-1) - амперметры
(V1-1, V1-2, V2-1, V2-2, V2-3) - вольтметры
(L1.1, L2.1) - первичные обмотки электромотора
(L2.2) - вторичная обмотка электромотора
На фиг. 9 подключение двигателя произведено по схеме как на фиг. 1. На фиг. 10 стандартный блок управления оборотами двигателя был изменен по схеме фиг. 3, вместо диода D2 подключена обмотка L2.2. Обмотки L2.1 и L2.2 находятся внутри одного электромотора. Также количество обмоток может быть больше двух. На первом этапе тестирования обе установки были подключены к лабораторному источнику питания (ЛИП).
Результаты теста:
 При одинаковом токе потребления и напряжения из ЛИП, установка на фиг. 10, показала выходную мощность на 30% выше при работе на холостом ходу, а под нагрузкой - от 30% до 50% выше, чем установка на фиг. 9.
 При изменении условий теста, установки были нагружены одинаково. Установка на фигуре 10 продемонстрировала меньший ток потребления на 30% - 50% процентов. На втором этапе тестирования лабораторный источник питания (ЛИП) был заменен на кислотные аккумуляторы (АКБ). Каждая установка была подключена к своему АКБ одинаковой ёмкости. Условия и результаты тестирования были аналогичны условиям и результатам из предыдущего теста.
Пример 3. Приведем пример для использования изобретения в светодиодах
(А1-1, А2-1) - амперметры
(V1-1, V1-2, V2-1, V2-2, V2-3) - вольтметры
(VD1, VD2) - светодиод первичный
(L2) - индуктивность
На фиг. 11 подключение диода произведено по схеме как на фиг. 1. На фиг. 12 стандартный блок управления был изменен по схеме с фиг. 3. На первом этапе тестирования обе установки были подключены к лабораторному источнику питания (ЛИП). Результаты теста:
• При одинаковом токе потребления и напряжения из ЛИП, установка на фигуре 12 показала яркость свечения на 30% выше без нагрузки, а под нагрузкой - от 30% до 50% больше чем установка на фиг. 11.
• При изменении условий теста, установки были нагружены одинаково. Установка на фиг. 12 продемонстрировала меньший ток потребления на 30% - 50% процентов. На втором этапе тестирования лабораторный источник питания (ЛИП) был заменен на кислотные аккумуляторы (АКБ). Каждая установка была подключена к своему АКБ одинаковой ёмкости. Условия и результаты тестирования были аналогичны условиям и результатам из предыдущего теста.
Пример 4. Приведем пример для использования изобретения в трансформаторах
(А1-1, А2-1) - амперметры
(V1-1, V1-2, V2-1, V2-2, V2-3) - вольтметры
(L1, L2.1) - трансформатор первичный
(L2.2) - трансформатор вспомогательный
На фигуре 13 подключение трансформатора произведено по схеме как на фиг. 1. На фигуре 14 стандартный блок управления был изменен по схеме фиг. 3. Обмотки L2.1 и L2.2 связаны магнитным полем особым образом. На первом этапе тестирования обе установки были подключены к лабораторному источнику питания (ЛИП). Результаты теста:
 При одинаковом токе потребления и напряжения из ЛИП, установка на фиг. 14, показала выходной ток на 30% выше без нагрузки, а под нагрузкой - от 30% до 50% больше чем установка на фиг. 13.
 При изменении условий теста, установки были нагружены одинаково. Установка на фигуре 14 продемонстрировала меньший ток потребления на 30% - 50% процентов. На втором этапе тестирования лабораторный источник питания (ЛИП) был заменен на кислотные аккумуляторы (АКБ). Каждая установка была подключена к своему АКБ одинаковой ёмкости. Условия и результаты тестирования были аналогичны условиям и результатам из предыдущего теста.
Таким образом, источник питания (ИП) постоянного тока, одна или более катушек индуктивностей L, два электромагнитных устройства (D1 и D2), три ключа (К1, К2, К3), буферный накопитель энергии (С), а также наличие импульсов в питании электрических машин, светодиодов и трансформаторов, варьирование длительности импульсов и промежутков между ними, обеспечивает повышение КПД электромагнитного устройства на основе индуктивности с одновременным снижением потребления и экономией энергии, потребляемой из источника питания. Кроме того, также дополнительно обеспечивается защита источника питания от самоиндукции, что, соответственно, приводит к повышению надежности устройства.