Генератор переменного тока на основе циклотронного преобразователя энергии СВЧ-колебаний
ALTERNATING CURRENT GENERATOR BASED ON A CYCLOTRON CONVERTER OF MICROWAVE OSCILLATION ENERGY

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники, СВЧ-колебаний и дистанционной передачи энергии. Устройство предназначено для генерирования переменного тока с использованием резонансного циклотронного преобразователя колебаний электромагнитного поля СВЧ-диапазона частот. Устройство генерирует последовательность импульсных функций, аппроксимирующую синусоидальную функцию времени.
II. Уровень техники
В настоящее время является актуальной проблема дистанционной передачи энергии с использованием для передачи лучей электромагнитных колебаний оптического или СВЧ-диапазонов частот. Необходимость в этом возникает при дистанционной передаче энергии космическим аппаратам и станциям, а также три передаче энергии с космических аппаратов на Землю. Для энергоснабжения космических аппаратов используется энергия как постоянного, так и переменного тока, а также взаимное преобразование этих видов энергии. В системах энергоснабжения космических аппаратов (КА) в настоящее время для получения высоковольтного постоянного или переменного напряжения применяются преобразователи (инверторы), включающие повышающие трансформаторы, либо электромашинные генераторы. К потребителям высоковольтного напряжения КА относятся электрореактивные двигатели (ЭРД). В таблице 1 приведены характерные значения напряжений и токов ЭРД различных типов.
Из таблицы следует, что напряжения, необходимые для работы ЭРД могут составлять десятки тысяч вольт. Массо-габаритные характеристики устройств, содержащих повышающий трансформатор на ферромагнитном сердечнике, или электромашинные генераторы велики и составляют величины от γ=(3…5) кг/кВт до от γ=30 кг/кВт. В системах энергоснабжения космических аппаратов (КА) в настоящее время для получения высоковольтного постоянного или переменного напряжения применяются преобразователи (инверторы), включающие повышающие трансформаторы, либо электромашинные генераторы. К потребителям высоковольтного напряжения КА относятся электрореактивные двигатели (ЭРД). В таблице 1 приведены характерные значения напряжений и токов ЭРД различных типов.
Из таблицы следует, что напряжения, необходимые для работы ЭРД могут составлять десятки тысяч вольт. Массо-габаритные характеристики устройств, содержащих повышающий трансформатор на ферромагнитном сердечнике, или электромашинные генераторы велики и составляют величины от γ=(3…5) кг/кВт до от γ=30 кг/кВт. Необходимость преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного ока возникает и при передаче энергии с космического аппарата на Землю. Далее предложен способ непосредственного получения энергии переменного тока при помощи резонансного циклотронного преобразователя колебаний электромагнитного поля СВЧ-диапазона частот.
II.1 Сравнение с предшествующими уровнями техники
Преобразование энергии СВЧ-колебаний в энергию постоянного тока описано в литературных источниках, где также приведены положительные результаты экспериментов такого преобразования [1,2]. Схема преобразователя СВЧ-энергии в энергию постоянного тока приведена на рисунке фиг. 1.
Фиг. 1 Схема циклотронного преобразователя
На рисунке фиг. 1 показаны:
- электронная пушка;
- резонатор;
- рекуператор;
- коллектор;
- нагрузка с сопротивлением R.
0
1
0
Электронная пушка генерирует поток электронов. Он поступает в резонатор, в который также вводится энергия электромагнитного поля СВЧ-диапазона с частотой ω. Под действием внешнего магнитного поля с магнитной индукцией В поток электронов приобретает вращательное движение. На частоте циклотронного резонанса ω с равной частоте электромагнитного поля ω, энергия электромагнитного поля интенсивно поглощается вращающимся потоком электронов. В зоне рекуперации под воздействием внешнего магнитного поля с магнитной индукцией B, направление которого противоположно направлению магнитной индукции В, вращательное движение электронов преобразуется в поступательное и электроны оседают на коллекторе. В результате на нагрузке с сопротивлением R выделяется энергия постоянного тока.
По отношению к внешней электрической цепи циклотронный преобразователь энергии может быть представлен реальным (не идеальным) источником тока, схема такого источника представлена на рисунке фиг. 2.
Фиг. 2 Электрическая схема замещения циклотронного преобразователя
вн
вн
Ток, генерируемый циклотронным преобразователем, на этом рисунке представлен источником тока Jг, проводимость g учитывает внутренние потери энергии источника, ток I это ток потерь генератора, ток J поступает во внешнюю цепь. В работах [3,4] описаны устройства для генерирования переменных ЭДС с использованием импульсной аппроксимации синусоидальных функций. Принцип построения генератора переменного тока на основе циклотронного преобразователя с использованием импульсной аппроксимации используется в описываемом устройстве.
Применение циклотронного преобразователя для энергоснабжения летательных аппаратов описано в работе [5].
II.2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций
В описываемом генераторе получение синусоидальной функции выходного ток (напряжения) устройства основано на аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций, как это описано в работах [3,4]. В предлагаемом устройстве используется импульсная аппроксимация синусоидальной функции выходного напряжения. Число импульсов на периоде может равняться n=2…N в зависимости от требуемой точности аппроксимации. Стоимость устройства возрастает с увеличением числа импульсов на периоде, однако при этом уменьшается погрешность аппроксимации.
Графики аппроксимирующих функций для n=2, 8, 12 показаны на рисунке фиг. 3
Фиг. 3 Графики аппроксимирующих функций
На рисунке показана аппроксимация синусоидальных функций напряжения e(t) последовательностью импульсных функций при числе импульсов на периоде Т, равном n=2, 8, 12 и кратных значениях амплитуд импульсов. На рисунке также показана длительность одного импульса TI.
Последующие описание устройства относится к случаю, когда число импульсов на периоде Т равно двум, n=2.
Возможность использования для аппроксимации выходного тока различного числа импульсов на периоде позволяет оптимизировать соотношение цена-качество энергии, так как с увеличением числа импульсов возрастает стоимость генератора, но при этом уменьшается погрешность аппроксимации, повышается качество энергии переменного тока.
II.2 Цель изобретения.
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования переменного тока (напряжения), аппроксимирующего синусоидальную функцию, с использованием в качестве источника энергии циклотронного резонансного преобразователя. Форма генерируемого тока (напряжения) представляет собой прямоугольный знакопеременный меандр. Генерирование осуществляется с использованием импульсной техники и ключей на полупроводниковых приборах. Характерным для предлагаемого генератора является использование коммутатора (синтезатора) импульсов разной полярности с целью получения последовательности импульсов, аппроксимирующих синусоидальную функцию.
II.3. Изобретательский уровень.
Предлагаемое устройство для генерирования переменного тока синусоидальной формы с использованием преобразования энергии электромагнитного поля СВЧ-диапазона в энергию постоянного тока на основе резонансного циклотронного преобразователя. Устройство отличается от известных устройств, в которых переменный синусоидальный ток высокого напряжения получается в результате использования инверторов и повышающих трансформаторов, либо с помощью электромашинных генераторов тем, что:
- синусоидальный ток генерируются в результате аппроксимации синусоидальной функции выходного тока последовательностью импульсных функций;
- постоянный ток создается циклотронным резонансным преобразователем вида энергии и снимаются с коллектора преобразователя;
- количество импульсных функций на периоде синусоидальной функции задается блоком управления и равно двум. Ток на выходе генератора формируется совокупностью прямоугольных импульсов тока положительной и отрицательной полярности, заданной величины и одинаковой длительности TI, повторяющихся с заданной частотой. Число импульсов на периоде Т равно n=Т/TI. Далее рассматривается вариант генератора с использованием двух импульсов одинаковых по величине и разной полярности (n=2).
- Для подключения источников тока к выходным полюсам генератора используется блок коммутации, при помощи которого осуществляется подключение токов требуемой величины и полярности к выходу устройства в последовательности, задаваемой блоком управления.
III. Раскрытие сущности изобретения
III.1 Структурная схема устройства
Структурная схема устройства для n=2 показана на рисунке фиг. 4.
Фигура 4 Структурная схема генератора для n=2
На рисунке фиг. 4 показаны блоки Б1, Б2, Б3, входные и выходные полюсы этих блоков, при помощи которых блоки соединяются между собой и с внешними устройствами. На рисунке фиг. 4 показаны:
упр
упр
1
2
1. Блок управления Б1. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, подачу управляющих импульсов u, которые управляют открытием электронных силовых ключей К1…К4, расположенных в блоке коммутации Б2. Каждый из ключей открывается управляющим импульсом u на время действия одного импульса управляющего напряжения. На рисунке фиг. 4 управляющие импульсы поступают с полюсов 8 и 8 блока управления и поступают на управляющие электроды ключей К1…К4, расположенных в блоке коммутации Б2;
1
2
1
2
2. Блок коммутации Б2. Обеспечивает при помощи управляемых ключей К1…К4 подключение импульсов тока (напряжений) требуемой величины Jили J в заданные блоком управления интервалы времени с требуемой для получения функции переменного тока полярностью к выходным клеммам блока коммутации 10 и 10. К этим полюсам подключается нагрузка генератора.
1
2
1
2
Импульсы тока J и J разной полярности получаются в результате преобразования блоком Б2 постоянного тока J, поступающего от блока Б3 и снимаемого с полюсов 11 и 11 в импульсы тока длительностью Т/2. Амплитуда импульса с положительной полярностью J1=J, а амплитуда импульса с отрицательной полярностью J2=-J.
3. Блок Б3 - циклотронный резонансный преобразователь. Циклотронный резонансный преобразователь (ЦРП), блок Б3, изображен на рисунке фиг. 5.
Фиг. 5 Упрощенная схема циклотронного резонансного преобразователя ЦРП включает:
- электронную пушку 15, которая генерирует поток электронов;
- резонатор 14 или камеру преобразования энергии СВЧ-колебаний в энергию вращающегося, а затем поступательно движущегося потока электронов;
- коллектор 12, который принимает энергию потока электронов и передает ее во внешнюю электрическую цепь;
1
2
1
2
1
2
г
вн
- полюсы 11 и 11. При этом полюс 11 подключается к коллектору ЦРП, позиция 12, а полюс 11 подключается к катоду электронной пушки 15. Полюсами 11 и 11 ЦРП подключается к блоку коммутации Б2. На электрической схеме ЦРП представляется источником тока с параллельным соединением идеального источника тока J и резистора с проводимостью g, учитывающего внутренние потери генератора постоянного тока, во внешнюю электрическую цепь ЦРП посылает постоянный ток J, как показано на рисунке фиг. 2.
III.2 Блок управления
Блок управления Б1 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности =Т/2 и подачи этих сигналов на управляющие электроды управляемых полупроводниковых ключей К1…К4, расположенных в блоке коммутации. Генератор тактовых импульсов 1 блока формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI=Т/n. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n снижается погрешность аппроксимации и увеличивается стоимость устройства.
1
2
При помощи управляемых электронных ключей, расположенных в блоке коммутации, источники тока, генерируемые блоком электропитания (циклотронным преобразователем) Б3, подключаются в заданные блоком управления моменты времени, посредством управляемых ключей к выходным полюсам блока коммутации 10 и 10. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI.
Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 6.
Фигура 6 Принципиальная схема блока управления
упр
Для n=2 блок управления генерирует два управляющих импульса u. Первый импульс длительностью Т/2 действует на интервале времени 0…Т/2, второй управляющий импульс действует на интервале Т/2…Т. Это показано на рисунке фиг. 7.
Фиг. 7 Графики управляющих импульсов
1
2
Управляющие импульсы снимаются с полюсов 8 и 8 дешифратора 7 и поступают на управляющие электроды управляемых ключей К1…К4 блока коммутации. При поступлении управляющего импульса управляемый ключ открывается на время действия управляющего импульса и передает силовой импульс тока от блока Б1 на выход блока Б2.
1
1
2
1
2
1
Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с выходными полюсами 8…8n. Для n=2 это полюсы 8 и 8. Блок управления Б1 предназначен для формирования циклической с периодом Т последовательности управляющих импульсов прямоугольной формы. Управляющие импульсы управляют открытием силовых ключей блока коммутации Б2. Силовые ключи подключают на интервал времени TI в заданной последовательности положительные и отрицательные импульсы тока к выходным полюсам устройства 10 и 10. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n. Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8…8n, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации. Когда код числа счетчика импульсов 3 будет равен коду числа, заданного регистром 5, счетчик обнуляется и процесс повторяется. Изменяя частоту генератора тактовых импульсов 1 можно изменять частоту переменного тока (напряжения), генерируемого устройством.
III.3 Электрическая схема устройства.
Блок коммутации.
Электрическая схема устройства показана на рисунке фиг. 8.
Фиг. 8 Электрическая схема устройства
вн
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
н
1
2
На рисунке фиг. 8 показана электрическая схема замещения генератора переменного тока. На ней циклотронный преобразователь представлен источником тока Jг и внутренней проводимостью g с выходным током J. Полюсами 11 и 11 источник тока подключается к блоку коммутации Б2. При помощи блока коммутации Б2 ток источника J подключается к выходным полюсам устройства 10 и 10. На интервале времени 0…Т/2 при помощи ключей К1 и К3 ток источника J передается к выходным полюсам устройства 10 и 10 без изменения полярности, на интервале времени Т/2…Т при помощи ключей К2 и К4 ток инвертируется и инвертированный импульс тока длительностью TI поступает на выходные полюсы устройства 10 и 10, Управление открытым состоянием ключей К1…К4 осуществляется при помощи управляющих сигналов, поступающих с блока управления при помощи полюсов 8 и 8. На протяжении первого импульса управляющий сигнал поступает с полюса 8, на протяжении второго импульса управляющий сигнал поступает с полюса 8. Первый импульс открывает на интервал времени, равный половине периода Т/2, ключи К1 и К3, второй импульс открывает ключи К2 и К4. На рисунке фиг. 8 показана нагрузка преобразователя с сопротивлением R, которая подключается к выходным полюсам преобразователя 10 и 10. Форма напряжения на нагрузке u имеет форму прямоугольного меандра. При необходимости эта форма может быть приближена к синусоидальной путем фильтрации высших гармоник напряжения. Полюсы 10 и 10 являются выходными полюсами генератора.
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Схема циклотронного преобразователя
Фиг. 2 Электрическая схема замещения циклотронного преобразователя
Фиг. 3 Графики аппроксимирующих функций
Фиг. 4 Структурная схема генератора для n=2
Фиг. 5 Упрощенная схема циклотронного резонансного преобразователя
Фиг. 6 Принципиальная схема блока управления
Фиг. 7 Графики управляющих напряжений
Фиг. 8 Электрическая схема устройства
V. Осуществление изобретения
1
2
Описание работы устройства. Устройство предназначено для преобразования постоянного тока, снимаемого с коллектора циклотронного преобразователя, в повторяющуюся последовательность импульсов прямоугольной формы с положительной и отрицательной полярностью. На одном периоде выходной ток (напряжение) имеет форму прямоугольного меандра. При необходимости форма выходного тока (напряжения) может быть приближена к синусоидальной в результате установки фильтра, фильтрующего высшие гармоники выходного тока (напряжения). Постоянный ток снимается с коллектора преобразователя при помощи полюсов 11 и 11, показанных на электрической схеме фиг. 8.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
2
1
1
2
i
Преобразование постоянного тока в периодическую последовательность импульсов прямоугольной формы с положительной и отрицательной полярностью осуществляется блоком коммутации Б2, фиг.8, при помощи управляемых ключей К1…К4. Ключи К1 и К3 коммутируют ток с выхода циклотронного преобразователя с полюсов 11и 11 на выходные полюсы устройства 10 и 10 на протяжении первого на периоде импульса, длительность которого равна Т/2, где Т-период генерируемо периодической функции выходного тока (напряжения). Ключи К2 и К4 коммутируют ток с выхода циклотронного преобразователя с полюсов 11 и 11 на выходные полюсы устройства 10и 10 на протяжении второго на периоде импульса, длительность которого также равна Т/2. При помощи этих ключей также осуществляется инвертирование полярности импульса. Ток с полюса 11 подключается к полюсу 10, а ток с полюса 11 предается к полюсу 10. Управление открытым состоянием ключей К1…К4 осуществляется при помощи управляющих импульсов, поступающих с полюсов 8 и 8 блока управления Б1. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 13 записан код числа временных интервалов п. В рассмотренном устройстве n=2. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока коммутации посредством одного из полюсов 8, i=1…n, который подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей К1…К4.
VI. Литература
1. Будзинский Ю.Ф., Быковский С.Б., Ванге В. Нетрадиционная вакуумная СВЧ - электроника на основе поперечных волн электронного потока/ ЭЛЕКТРОНИКА, Наука, Технологии, Бизнес, №4, 2005 г.
2. Саввин В.Л., Казарян Г.М., Коннов А.В., Михеев Д.А., Пеклевский А.В., Пространственный заряд и рекуперация энергии в циклотронном преобразователе/ Журнал РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ, №11, 2011
3. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС, патент №2633662 от 16.10.2017
4. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Патент 2671539 от 01.11.2018
5. Коннов А.В., Никитин А.П. Система беспроводной передачи энергии для энергопитания летательных аппаратов/ Патент RU113434 U1, от 2012.02.10.