RU2586251C2 - Method and reverse device for conversion of energy of magnetic field of ferromagnetic core into thermal or electrical energy - Google Patents
Method and reverse device for conversion of energy of magnetic field of ferromagnetic core into thermal or electrical energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU2586251C2 RU2586251C2 RU2014121674/07A RU2014121674A RU2586251C2 RU 2586251 C2 RU2586251 C2 RU 2586251C2 RU 2014121674/07 A RU2014121674/07 A RU 2014121674/07A RU 2014121674 A RU2014121674 A RU 2014121674A RU 2586251 C2 RU2586251 C2 RU 2586251C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transformer
- current
- generator
- voltage
- input
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Dc-Dc Converters (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию, и может быть применено, например, в автономных системах обогрева.The invention relates to electrical engineering, namely to devices for converting electromagnetic field energy into thermal energy, and can be applied, for example, in autonomous heating systems.
Известно устройство преобразования энергии, в котором электрическую энергию для нагрева (в виде переменного электрического тока с частотой не менее 50 Гц) преобразуют при помощи трансформатора и направляют на нагревательное устройство (например, для получения тепла на нагрузочном резисторе) (А.В. Иванов-Смоленский. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980, стр. 7, рис. В-1). В этом с устройстве внешняя электрическая энергия, забираемая от сети переменного тока с частотой не менее 50 Гц, преобразуется в тепловую. При этом источником получаемой тепловой энергии является энергия переменного тока, забираемого от внешней сети с частотой не менее 50 Гц, и не ставится задача о преобразовании в тепловую энергию энергии магнитного поля, что можно рассматривать как недостаток прототипа. Между тем в (С.Г. Калашников. Электричество // Москва: Наука, 1970, изд. третье) в главе 11 указано, что "используя ферромагнетики, мы… увеличиваем магнитное поле в сотни и тысячи раз по сравнению с полем одних намагничивающих катушек". Таким образом магнитное поле ферромагнетика аккумулирует в себе огромную энергию, которую целесообразно преобразовать в дешевую тепловую или электрическую энергию при минимальной затрате внешней энергии.A device for converting energy is known in which electrical energy for heating (in the form of an alternating electric current with a frequency of at least 50 Hz) is converted using a transformer and sent to a heating device (for example, to generate heat on a load resistor) (A.V. Ivanov- Smolensky, Electrical Machines: A Textbook for High Schools, Moscow: Energia, 1980, p. 7, Fig. B-1). In this device, external electrical energy taken from an alternating current network with a frequency of at least 50 Hz is converted into heat. In this case, the source of thermal energy obtained is the energy of alternating current, taken from an external network with a frequency of at least 50 Hz, and the task is not to convert magnetic field energy into thermal energy, which can be considered as a disadvantage of the prototype. Meanwhile, in (SG Kalashnikov. Electricity // Moscow: Nauka, 1970, third edition),
Прототипом предлагаемого изобретения является способ преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию (описание изобретения к патенту RU 2258327 МПК7, Н05В 3/00), заключающийся в том, что электрический ток от источника преобразуют в трансформаторе и направляют в нагревательное устройство, в котором используют источник постоянного тока в виде аккумуляторной батареи с генератором постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока, который направляют в первичную обмотку трансформатора, вторичную обмотку которого подсоединяют к нагревательному устройству, при этом генератор постоянного по направлению и линейно меняющегося по времени пилообразного тока шунтируют диодом по обратному току.The prototype of the invention is a method of converting electromagnetic field energy into thermal energy (description of the invention to patent RU 2258327 IPC 7 , Н05В 3/00), which consists in the fact that the electric current from the source is converted into a transformer and sent to a heating device that uses the source direct current in the form of a battery with a constant-current and linearly varying sawtooth current that is directed to the transformer primary winding, secondary a coil of which is connected to a heating device, while a generator of a sawtooth current that is constant in direction and linearly varying in time is shunted by a diode in reverse current.
Прототипом предлагаемого изобретения является устройство, реализующее способ преобразования энергии электромагнитного поля в тепловую энергию (описание изобретения к патенту RU 2258327 МПК7, Н05В 3/00) и содержащее источник электрического тока, выполненный в виде аккумуляторной батареи, генератор постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока (далее генератор), диод, выполненный с возможностью шунтирования генератора по обратному току между входом и выходом генератора, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем вход генератора соединен с первым полюсом источника электрического тока, второй полюс которого соединен с общим проводом генератора и первым выводом первичной обмотки, второй вывод которой соединен с выходом генератора, а вторичная обмотка трансформатора подсоединена к нагревательному элементу, выполняющему функции нагрузки.The prototype of the invention is a device that implements a method of converting electromagnetic field energy into thermal energy (description of the invention to patent RU 2258327 IPC 7 , Н05В 3/00) and containing an electric current source made in the form of a storage battery, a constant-directional generator and linearly varying in the time of the sawtooth current (hereinafter referred to as the generator), a diode configured to bypass the generator in reverse current between the input and output of the generator, a transformer with primary and secondary windings, and the input of the generator is connected to the first pole of the electric current source, the second pole of which is connected to the common wire of the generator and the first output of the primary winding, the second output of which is connected to the output of the generator, and the secondary winding of the transformer is connected to a heating element that performs load functions.
В этом устройстве генератор выполнен в виде реостата с возможностью создания постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока путем изменения величины сопротивления реостата от максимальной его величины до минимальной и резкого возвращения сопротивления реостата с помощью электромеханического привода перемещения ползунка реостата. При этом напряжение U1 на первичной обмотке и ток I1 в ней изменяются по закону:In this device, the generator is made in the form of a rheostat with the possibility of creating a sawtooth current constant in direction and linearly varying in time by changing the resistance value of the rheostat from its maximum value to the minimum and abrupt return of the resistance of the rheostat using an electromechanical drive to move the rheostat slider. In this case, the voltage U 1 on the primary winding and the current I 1 in it change according to the law:
где К - скорость нарастания пилообразного напряжения, В/сек;where K is the rate of rise of the sawtooth voltage, V / sec;
R - полное сопротивление входной цепи (первичной обмотки трансформатора);R is the impedance of the input circuit (primary winding of the transformer);
t - текущий момент времени, сек.t - current time, sec.
В данном способе решается задача преобразования в тепловую энергию энергии линейно меняющегося во времени магнитного поля ферромагнитного сердечника трансформатора, создаваемого в сердечнике при пропускании через первичную обмотку трансформатора постоянного по направлению и линейно меняющегося во времени пилообразного тока. Это поле индуцирует во вторичной обмотке однополярные прямоугольные импульсы электрического тока, пропускаемые через нагревательный элемент, генерирующий при этом тепловую энергию.This method solves the problem of converting into heat energy the energy of a linearly varying in time magnetic field of a ferromagnetic core of a transformer created in the core when a sawtooth current that is direct in direction and linearly changes in time passes through the primary winding of the transformer. This field induces in the secondary winding unipolar rectangular pulses of electric current, passed through a heating element that generates thermal energy.
Согласно основному закону Фарадея-Максвелла магнитное поле, возбужденное внешним источником электроэнергии (аккумуляторной батареей), индуцируя в контурах двухобмоточного трансформатора электродвижущие силы и токи индукции и самоиндукции, на основании закона сохранения энергии передает свою энергию этим индуцируемым силам и токам. Если при этом обеспечить постоянство индуцируемых токов, то во вторичной обмотке ток индукции Iинд будет полностью преобразовываться на выходе трансформатора в тепло Джоуля-Ленца, а ток самоиндукции Iс в первичной обмотке будет направлен на дозарядку источника тока (аккумуляторной батареи), разряжающегося во время работы устройства. Поскольку токи Iс и Iинд оказываются постоянными, возбуждаемые ими в сердечнике трансформатора магнитные поля также будут постоянны, и потому они не будут индуцировать в обоих цепях никаких добавочных ЭДС и токов. Поэтому обе цепи на протяжении времени Т будут работать автономно друг от друга. Согласно прототипу количество энергии W, выделяющееся на выходе трансформатора в нагрузке, равно:According to the basic Faraday-Maxwell law, a magnetic field excited by an external source of electricity (battery), inducing electromotive forces and induction and self-induction currents in the circuits of a double-winding transformer, transfers its energy to these induced forces and currents on the basis of the energy conservation law. If, at the same time, the constancy of the induced currents is ensured, then in the secondary winding, the induction current I ind will be completely converted at the transformer output into Joule-Lenz heat, and the self-induction current I c in the primary winding will be directed to recharging the current source (battery) that is discharged during device operation. Since the currents I c and I ind turn out to be constant, the magnetic fields excited by them in the transformer core will also be constant, and therefore they will not induce any additional EMF and currents in both circuits. Therefore, both circuits will operate autonomously from each other over time T. According to the prototype, the amount of energy W released at the output of the transformer in the load is equal to:
или с учетом (1) or subject to (1)
где k - коэффициент заполнения каркаса при намотке на нем катушки индуктивности;where k is the fill factor of the frame when winding the inductor on it;
µ0=1,256·10-7, Гн/м, абсолютная магнитная проницаемость;µ 0 = 1.256 · 10 -7 , GN / m, absolute magnetic permeability;
µ - относительная магнитная проницаемость ферромагнитного материала сердечника трансформатора;µ is the relative magnetic permeability of the ferromagnetic material of the transformer core;
N1 - число витков в первичной обмотке трансформатора;N 1 - the number of turns in the primary winding of the transformer;
N2 - число витков во вторичной обмотке трансформатора;N 2 - the number of turns in the secondary winding of the transformer;
S - сечение сердечника трансформатора (магнитопровода), м2;S is the cross section of the core of the transformer (magnetic circuit), m 2 ;
l - длина средней линии трансформатора (магнитопровода), м2;l is the length of the middle line of the transformer (magnetic circuit), m 2 ;
R1 - полное сопротивление выходной цепи (вторичной обмотки трансформатора с сопротивлением нагрузки);R 1 - impedance of the output circuit (secondary winding of the transformer with load resistance);
Т - период следования импульсов пилообразного напряжения и тока, сек;T is the pulse repetition period of the sawtooth voltage and current, sec;
U - величина напряжения на первичной обмотке трансформатора в момент t=T;U is the voltage on the primary winding of the transformer at time t = T;
ƒ - частота следования импульсов пилообразного напряжения и тока, Гц.ƒ is the pulse repetition rate of the sawtooth voltage and current, Hz.
Из (3) видно, что количество выделяющейся энергии W зависит в том числе и от величины напряжения U на первичной обмотке трансформатора в момент t=T, а также частоты ƒ следования импульсов пилообразного напряжения.It can be seen from (3) that the amount of released energy W depends, among other things, on the voltage U on the primary winding of the transformer at time t = T, as well as on the frequency ƒ of the pulsed voltage pulses.
Однако зависимости величин магнитной индукции В и относительной магнитной проницаемости µ ферромагнитного материала от величины магнитного поля Н нелинейны и имеют соответственно вид кривой с насыщением и кривой с максимумом. Кроме нелинейной зависимости индукции В и проницаемости µ от величины магнитного поля Н для ферромагнитного материала характерно наличие гистерезиса индукции В от величины магнитного поля Н. При намагничивании однополярными импульсами в ферромагнитном материале образуется остаточная индукция Br, а индукция В изменяется в интервале (Br-Bmax) и не может быть меньше величины остаточной индукция Br. Это приводит к уменьшению реальной величины магнитной проницаемости µ ферромагнитного материала при намагничивании его однополярными импульсами тока и согласно соотношениям (3), (4) к существенному уменьшению генерируемой энергии.However, the dependences of the magnetic induction B and the relative magnetic permeability μ of the ferromagnetic material on the magnitude of the magnetic field H are non-linear and accordingly have the form of a curve with saturation and a curve with a maximum. In addition to the nonlinear dependence of induction B and permeability μ on the magnitude of the magnetic field H, a hysteresis of induction B on the magnitude of the magnetic field H is characteristic of a ferromagnetic material. When magnetized by unipolar pulses, a residual induction B r is formed in the ferromagnetic material, and induction B varies in the range (B r - B max ) and cannot be less than the value of the residual induction B r . This leads to a decrease in the real value of the magnetic permeability μ of the ferromagnetic material when it is magnetized by unipolar current pulses and, according to relations (3), (4), to a significant decrease in the generated energy.
Технический результат заявленного изобретения заключается в исключении влияния остаточной индукция Br на величину генерируемой энергии и таким образом повышении удельной мощности в целом устройства.The technical result of the claimed invention is to eliminate the influence of residual induction B r on the amount of generated energy and thus increase the specific power in the whole device.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в способе преобразования энергии магнитного поля ферромагнитного сердечника в тепловую или электрическую энергию, заключающемся в том, что электрический ток от источника преобразуют в трансформаторе и направляют в нагревательное устройство, в котором используют источник постоянного тока в виде аккумуляторной батареи, при этом постоянный ток преобразуют в линейно меняющийся во времени ток с помощью генератора линейно меняющегося во времени напряжения, далее этот линейно меняющийся во времени ток направляют в первичную обмотку трансформатора, вторичную обмотку которого подсоединяют к нагревательному устройству, при этом генератор линейно меняющегося во времени напряжения шунтируют диодом по обратному току, дополнительно в качестве линейно меняющегося по времени напряжения используют напряжение треугольной формы, при этом в моменты времени излома кривой напряжения треугольной формы переключают направление тока в первичной обмотке трансформатора.The technical result of the claimed invention is achieved by the fact that in the method of converting the magnetic field energy of a ferromagnetic core into thermal or electric energy, namely, that the electric current from the source is converted into a transformer and sent to a heating device that uses a direct current source in the form of a battery , while the direct current is converted into a linearly varying in time current using a generator of a linearly varying in time voltage, then this line current varying in time is sent to the primary winding of the transformer, the secondary winding of which is connected to the heating device, while the generator of a linearly varying time voltage is shunted by the diode according to the reverse current, in addition, a triangular voltage is used as a voltage linearly varying in time, while at times the time of the kink of the triangular voltage curve switch the direction of the current in the primary winding of the transformer.
Технический результат заявленного изобретения достигается также тем, что предлагаемое реверсивное устройство преобразования энергии магнитного поля ферромагнитного сердечника в тепловую или электрическую энергию, содержащее источник электрического тока, генератор линейно меняющегося во времени напряжения, диод, выполненный с возможностью шунтирования по обратному току между входом и выходом, трансформатор с первичной и вторичной обмотками, причем первый вход генератора соединен с первым полюсом источника электрического тока, второй полюс которого соединен со вторым входом генератора, а вторичная обмотка трансформатора подсоединена к потребителю тепловой или электрической энергии, дополнительно снабжено блоком изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора, при этом первый вход этого блока соединен со вторым полюсом источника электрического тока и со вторым входом генератора, второй вход этого блока соединен с первым выходом генератора, а первый и второй выходы этого блока соединены соответственно с первым и вторым выводами первичной обмотки трансформатора, при этом блок выполнен с возможностью изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора, а генератор выполнен с возможностью создания на его выходе линейно меняющегося во времени выходного напряжения треугольной формы и возможностью синхронизации моментов времени излома кривой выходного напряжения треугольной формы с моментами времени переключения направления тока в первичной обмотке трансформатора.The technical result of the claimed invention is also achieved by the fact that the proposed reversible device for converting the magnetic field energy of a ferromagnetic core into thermal or electric energy, comprising a source of electric current, a voltage ramp generator, a diode configured to bypass the reverse current between the input and output, a transformer with primary and secondary windings, and the first input of the generator is connected to the first pole of the electric current source, the pole of which is connected to the second input of the generator, and the secondary winding of the transformer is connected to a consumer of heat or electric energy, is additionally equipped with a unit for changing the direction of the current in the primary winding of the transformer, while the first input of this block is connected to the second pole of the electric current source and to the second input of the generator , the second input of this block is connected to the first output of the generator, and the first and second outputs of this block are connected respectively to the first and second terminals of the primary winding t transformer, the unit is configured to change the direction of the current in the primary winding of the transformer, and the generator is configured to create a triangular-shaped output voltage linearly varying in time at its output and to synchronize time instants of a kink in the output voltage curve of a triangular shape with times of switching the current direction in the primary winding of the transformer.
Введение в устройство блока изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора, выполненного с возможностью изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора, а также генератора, выполненного с возможностью создания линейно меняющегося по времени напряжения треугольной формы и возможностью синхронизации моментов времени излома кривой напряжения треугольной формы с моментами времени переключения направления тока в первичной обмотке трансформатора путем подачи с второго выхода генератора на третий вход блока изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора импульсов синхронизации, позволяет осуществить процесс перемагничивания ферромагнитного сердечника трансформатора, исключить остаточную индукцию Br, значительно увеличить изменение магнитной индукции В и относительной магнитной проницаемости µ ферромагнитного материала и таким образом увеличить величину генерируемой энергии, а также удельную мощность в целом устройства.Introduction to the device of the unit for changing the direction of the current in the primary winding of the transformer, made with the possibility of changing the direction of the current in the primary winding of the transformer, as well as a generator made with the possibility of creating a voltage linearly varying in time with a triangular shape and the possibility of synchronizing time instants of a kink in the voltage curve of a triangular shape time switching current direction in the primary winding of the transformer by applying from the second output of the generator to the third input of the block changing the direction of current in the primary winding of the transformer sync pulses, allows for the magnetization reversal of the ferromagnetic core of a transformer, to eliminate a residual induction B r, greatly increase the change in the magnetic induction B and the relative magnetic permeability μ of a ferromagnetic material and thus increase the amount of generated energy and power density in whole device.
На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства преобразования энергии магнитного поля ферромагнитного сердечника в тепловую или электрическую энергию.In FIG. 1 is a diagram of the proposed device for converting the energy of the magnetic field of a ferromagnetic core into thermal or electrical energy.
На фиг. 2 приведена схема генератора линейно меняющегося по времени напряжения треугольной формы.In FIG. 2 shows a diagram of a triangular-shaped voltage linearly varying over time generator.
На фиг. 3 приведена схема управления ключами блока изменения направления тока в первичной обмотке трансформатора.In FIG. Figure 3 shows the key management scheme of the unit for changing the direction of the current in the primary winding of the transformer.
На фиг. 4 приведены диаграммы изменения напряжений и токов схем по фиг. 1.In FIG. 4 shows diagrams of changes in the voltages and currents of the circuits of FIG. one.
Устройство по фиг. 1 содержит источник постоянного напряжения, выполненный в виде аккумуляторной батареи АКБ, образованной набором батарей Б1-Б6, соединенных последовательно. Батарея АКБ имеет положительный полюс 1 и отрицательный полюс 2. Имеется также генератор 3 линейно меняющегося по времени напряжения треугольной формы, имеющий вход 4 и выход 5. Вход 4 соединен с положительным полюсом 1 АКБ.The device of FIG. 1 contains a constant voltage source, made in the form of a battery battery formed by a set of batteries B1-B6 connected in series. The battery of the battery has a
Генератор 3 выполнен в виде импульсного источника напряжения 6 и снабжен блоком 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника напряжения 6. Вход 8 импульсного источника напряжения 6 соединен с входом 4 генератора 3, выход 9 импульсного источника напряжения 6 соединен с выходом 5 генератора 3, а вход 10 регулировки напряжения импульсного источника напряжения 6 соединен с выходом 11 блока 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника 6. Вывод 12 общего провода источника 6 соединен с выходом 13 общего провода блока 7, выводом 14 общего провода генератора 3 и с отрицательным полюсом 2 аккумуляторной батареи АКБ.The
Импульсный источник напряжения 6 содержит монолитную интегральную микросхему 15, например, МАХ724 или LM2596, разрядный диод VD1, фильтр L1C1 и датчик выходного напряжения Uвых, выполненный в виде резистивного делителя, образованного постоянным резистором R2, подстроечным резистором R3 и постоянным резистором R4. Интегральная микросхема 15 содержит составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2, блок 16 управления ключевыми транзисторами, выполненный в виде контроллера формирования импульсов широтно-импульсной модуляции PWM, генератор 17 частоты преобразования, генератор 18 опорного напряжения Uref и усилитель 19 сигнала рассогласования, инвертирующий вход 20 которого соединен с ползунком подстроечного резистора R3 датчика выходного напряжения Uвых.The
Блок 21 изменения направления тока в первичной обмотке W1 трансформатора Т1 содержит четыре полевых транзистора VT3-VT6, включенных по мостовой схеме. Нагрузка в виде резистора R1 подключена в диагональ моста к точкам 22, 23, которые являются выходами блока 21. В блоке 21 имеется схема 24 управления транзисторами VT3-VT6. Затворы полевых транзисторов VT3-VT6 подключены к выходам 25-28 подачи на затворы сигналов управления транзисторов VT3-VT6. Вход 29 блока 24 используется для синхронизации процесса коммутации транзисторов VT3-VT6 сигналами, поступающими с выхода 30 блока 7 на вход 31 блока 21 и далее на вход 32 блока 24.
На мост из транзисторов VT3-VT6 подается питание от импульсного источника 6 (выходы 9 и 14). При этом истоки транзисторов VT4, VT6 соединены с общим выводом 14 и полюсом 2 АКБ через вход 33 блока 21, стоки транзисторов VT3, VT5 соединены с выводом 5 генератора ПНЛПТ 3 и выводом 9 выходного напряжения Uвых импульсного источника 6 через вход 34 блока 21.VT3-VT6 transistors are powered by a pulse source 6 (
На вход 29 схемы 24 через вход 35 блока 21 с выхода 11 блока 7 подаются сигналы управления транзисторами транзисторов VT3-VT6.The
Аноды диодов VD2, VD3 соединены соответственно с выходами 22, 23 блок 21, а катоды диодов VD2, VD3 соединены выходом 36 и далее с входом 4 генератора 3 и положительным полюсом 1 АКБ.The anodes of the diodes VD2, VD3 are connected respectively to the
Блок 7 автоматической регулировки выходного напряжения импульсного источника 6 выполнен виде генератора однополярного треугольного формы напряжения (ГТН), выход 11 которого через резистивный делитель R2-R4 соединен с входом 10 регулировки напряжения импульсного источника 6. Выход 13 блока 7 соединен с общим проводом 12 источника напряжения 6.
Схема ГТН приведена на фиг. 2. Генератор ГТН выполнен на микросхеме МАХ9000 и состоит из интегратора D1 для создания выходного сигнала треугольной формы и компаратора D2 с внешними цепями гистерезиса, такими как триггер Шмитта, а также высокоточного источника RF опорного напряжения 1, 23 В. На фиг. 2 на диаграммах а), б) показаны формы импульсов в точках схемы, указанных стрелками.The GTN circuit is shown in FIG. 2. The GTN generator is made on a MAX9000 microcircuit and consists of an integrator D1 for creating a triangular-shaped output signal and a comparator D2 with external hysteresis circuits, such as Schmitt trigger, as well as a high-precision RF voltage source of
Возможно выполнение генератора треугольного напряжения (ГТН) блока 7, например, на микропроцессоре и цифроаналоговом преобразователе. В этом случае линейное треугольное напряжение и синхроимпульсы могут быть сформированы с помощью программных средств микропроцессора.It is possible to perform a triangular voltage generator (GTN) of
Схема 24 управления транзисторами VT3-VT6 блока 21 приведена на фиг. 3 и содержит дифференцирующую цепочку, состоящую из конденсатора С3, операционного усилителя D3 с резистором R10 обратной связи, диода VD4, D-триггера DD1 и двух полумостовых драйверов DD2, DD3 верхнего и нижнего плеча.The
На диаграммах а), б), в), г), д) фиг. 3 показаны формы импульсов в точках схемы, указанных стрелками.In diagrams a), b), c), d), e) of FIG. Figure 3 shows the pulse shapes at the points of the circuit indicated by arrows.
На диаграмме фиг. 4: Т - период следования импульсов треугольной формы напряжения, U11 - напряжение на выходе 11 генератора импульсов треугольной формы напряжения ГТН блока 7 (выход 11 блока 7), U9 - напряжение на выходе 9 импульсного источника напряжения 6, U20 - напряжение обратной связи Uобр на входе 20 интегральной микросхемы 15, U30 - напряжение синхронизации на выходе 30 блока 7, UVT6 - напряжение на затворах транзисторов VT3, VT6, UVT4 - напряжение на затворах транзисторов VT4, VT5, UVD2 - напряжение на аноде VD2, UVD3 - напряжение на аноде VD3, UR1 - напряжение на резисторе R1, выполняющем функции активной нагрузки потребителя.In the diagram of FIG. 4: T is the pulse repetition period of the triangular voltage pulse, U 11 is the voltage at the
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
В начале рассмотрим кратко стандартный процесс работы импульсного источника напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 (см., например, Б.Ю. Семенов, Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 179 с.).In the beginning, we consider briefly the standard process of operation of a
При подаче напряжения Uвх от аккумулятора АКБ на входы 4 и 8 задающий генератор 17 формирует импульсы напряжения пилообразной формы частотой, например, 100 кГц (период 10 мкс). Сигнал обратной связи, снимающийся в виде напряжения Uобр с датчика выходного напряжения Uвых, выполненного в виде резистивного делителя R2, R3, R4, подается на инвертирующий вход усилителя 19 сигнала рассогласования и сравнивается с опорным напряжением генератора 18 опорного напряжения Uref. Блок 16 управления ключевыми транзисторами формирует прямоугольные импульсы широтно-импульсной модуляции PWM из сигнала пилообразной формы генератора 17 и передает их на выход 22, которыми составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2 открывается на промежуток времени t0. Длительность t0 этих прямоугольных импульсов зависит от соотношения величин напряжений Uref и Uобр. Если Uref больше Uобр, то усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал на включение составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Как только Uref станет меньше или равно Uобр, усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал на выключение составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. В течение времени t0 (когда составной биполярный ключевой транзистор VT1-VT2 открыт) конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1. Выходное напряжение Uвых и напряжение Uобр обратной связи увеличиваются. Величина Uобр связана с величиной Uвых соотношением:When applying voltage U in from the battery of the battery to the
где φ и n - соответственно, угол поворота и число полных оборотов ползунка подстроечного резистора R3.where φ and n are, respectively, the rotation angle and the number of full revolutions of the slider of the tuning resistor R3.
Как только величина Uобр будет равна или больше опорного напряжения Uref блока 18, усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал закрытия составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. При этом индуктивность L1 через разрядный диод VD2 отдает запасенную энергию конденсатору С1, а последний при закрытом ключевом транзисторе VT1-VT2 разряжается на нагрузку R1. Выходное напряжение Uвых и напряжение Uобр обратной связи уменьшаются. Как только величина Uобр будет меньше опорного напряжения Uref блока 18, усилитель 19 на входе 23 блока 16 формирует сигнал на открытие составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Конденсатор С1 заряжается через индуктивность L1, процесс работы импульсного источника напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 многократно повторяется по описанной выше процедуре. В данном режиме работы импульсный источник напряжения 6 в отсутствие сигналов с блока 7 выполняет функции автоматического стабилизатора напряжения Uвых при любых изменениях напряжения Uвх от аккумулятора АКБ на входах 4 и 8. Это общепринятый, стандартный режим автоматической регулировки напряжения Uвых импульсного источника напряжения 6 в отсутствие внешних сигналов с блока 7.As soon as the value of U arr is equal to or greater than the reference voltage U ref of block 18, the
Для решения поставленной в предлагаемом изобретении технической задачи импульсный источник напряжения 6 используется в режиме автоматической регулировки напряжения Uвых под воздействием внешних сигналов с блока 7.To solve the technical problem posed in the present invention, a
Импульсы треугольного напряжения, образующиеся на выходе интегратора D1 генератора ГТН (см. фиг. 2) выделяются на выводе 11 блока 7 и имеют вид, приведенный на фиг. 4, график U11(t).The triangular voltage pulses generated at the output of the integrator D1 of the GTN generator (see FIG. 2) are allocated at
Зависимость U11(t) в течение каждого периода Т можно представить в виде:The dependence of U 11 (t) during each period T can be represented as:
где α - постоянная наклона, В/сек.where α is the slope constant, V / sec.
Это напряжение складывается с напряжением на резисторах R3-R4 резистивного делителя R2-R4, а напряжение Uобр обратной связи будет в этом случае равно:This voltage is the sum of the voltage across the resistors R3-R4 of the resistive divider R2-R4, and the voltage U ar feedback will then be equal to:
где U0 - величина напряжения на резисторе R4 в момент времени t=0.where U 0 is the voltage across resistor R4 at time t = 0.
С помощью подстроечного резистора R11 величину U0 устанавливают равной Uref. В этом случае в процессе работы импульсного источника напряжения 6 в момент времени t=0 Uобр больше или равно URF блока 18, усилитель 19 на входе 23 контроллера 16 формирует сигнал закрытия составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2. Величина напряжения Uвых равна или близка к нулю, т.к. величина Uo6р образуется за счет внешнего напряжения U11(t), равного при t=0 U0, т.е. Uref. С течением времени t величина U11(t) уменьшается. Уменьшается и Uобр, а схема импульсного источника напряжения 6 отслеживает это уменьшение Uобр путем периодического отрывания составного биполярного ключевого транзистора VT1-VT2, увеличивая таким образом величину напряжения Uвых до тех пор, пока Uобр не будет равно Uref при величине U11(t) в текущий момент времени t. Так как U11(t) линейно уменьшается в течение первой половины периода Т, то напряжение Uвых будет линейно увеличиваться в течение первой половины периода Т, а в течение второй половины периода Т U11(t) будет линейно увеличиваться, при этом напряжение Uвых будет линейно уменьшаться в течение второй половины периода Т.Using the trimmer resistor R11, the value of U 0 is set equal to U ref . In this case, during the operation of the
В течение периода Т напряжение Uвых в противофазе будет повторять однополярную треугольную форму U11(t) блока 7 (см. фиг. 4). При этом Uобр в течение времени t не изменяется по величие, т.к. его изменения компенсируются за счет автоматического слежения за изменениями Uобр схемой импульсного источника напряжения 6 при изменениях напряжения U11(t) блока 7 (см. фиг. 4, график U20).During the period T, the voltage U o out of phase will repeat the unipolar triangular shape U 11 (t) of block 7 (see Fig. 4). Moreover, U arr during time t does not change in magnitude, because its changes are compensated by automatically monitoring the changes in U arrez of the
С выхода 9 импульсного источника напряжения 6 однополярное треугольное напряжение Uвых поступает на выход 5 генератора 3 и далее через вход 34 блока 21 на стоки транзисторов VT3, VT4.From the
Для образования в первичной обмотке W1 трансформатора Т1 разнополярнго треугольного напряжения (тока) схема 24 осуществляет каждый, например, четный период напряжения Uвых изменение направления тока в первичной обмотке W1 трансформатора Т1.For the formation in the primary winding W1 of transformer T1 of a different polarity of triangular voltage (current),
С этой целью с выхода 11 блока 7 напряжение U11(t) подается на вход 29 схемы 24. Одновременно с выхода 30 блока 7 на вход 32 схемы 24 синхронизации блока 21 поступают импульсы синхронизации. Дифференцирующая цепочка, состоящая из конденсатора С3, операционного усилителя D3 резистора R10 обратной связи и диода VD4, выделяет из треугольных импульсов, поступающих на вход 29 схемы 24, только фронты излома треугольной функции и предает их на информационный вход D D-триггера, находящегося в счетном режиме. При наличии на счетном входе С D-триггера счетного импульса, поступающего с выхода 30 блока 7, D-триггер переключается из одного состояния в другое, например из состояния с высоким уровнем напряжения на выходе Q и низким уровнем напряжения на инвертирующем выходе Q D-триггера в состояние с низким уровнем напряжения на выходе Q и высоким уровнем напряжения на инвертирующем выходе Q.To this end, from the
При поступлении следующих импульсов на входы D и С состояние D-триггера изменится на противоположное. Длительность импульсов на выходе Q и инвертирующем выходе Q D-триггера равна периоду Т следования импульсов модуля функции синуса (см. фиг. 4, график U9) на выходе 11 блока 7 (см. фиг. 4, график U11). Передние и задние фронты этих импульсов совпадают с моментами изломов кривой выходного напряжения Uвых на выходе 9 источника 6 (см. фиг. 4, графики UVT4 и UVT6). Эти импульсы через драйверы DD3 и DD4 с выходов 25, 26, 27, 28 подаются соответственно на затворы транзисторов VT3, VT4, VT5, VT6, поочередно включая пары транзисторов VT3, VT6 или VT4, VT5, см. фиг. 4, графики UVT6 и UVT4. При этом форма напряжения на анодах диодов VD2, VD3 будет соответствовать форме напряжения на выходе 9 импульсного источника напряжения 6 (на VD2 нечетные полуволны напряжения, a VD3 четные полуволны напряжения Uвых), а ток в первичной обмотке W1 трансформатора Т1 будет иметь треугольную форму, по истечении каждого периода Т поочередно изменять направление на противоположное. При этом будет осуществляться перемагничивание ферромагнитного сердечника и устранение влияния остаточной индукции на процесс генерации энергии. Ток, проходящий через первичную обмотку W1, трансформируется во вторичную обмотку W2 и далее в нагрузку R1. Форма напряжения на резисторе R1 приведена на фиг. 4, график UR1(t).Upon receipt of the following pulses at the inputs D and C, the state of the D-trigger will change to the opposite. The duration of the pulses at the output Q and the inverting output Q of the D-trigger is equal to the period T of the pulses of the sine function module (see Fig. 4, graph U 9 ) at the
Если нагрузка R1 имеет чисто индуктивный характер, то в моменты переключения пар транзисторов VT3, VT4 или VT5, VT6 на анодах диодов VD2, VD3 будут за счет эдс самоиндукции индуктивности R1 появляться броски напряжения и тока, которые в моменты закрытия транзисторов VT3 или VT5 открывают диод VD2 или VD3, через которые в эти моменты осуществляется подзарядка аккумуляторной батареи АКБ (рекуперация энергии).If the load R1 is purely inductive, then at the moments of switching pairs of transistors VT3, VT4 or VT5, VT6, voltage and current surges will appear on the anodes of the diodes VD2, VD3 due to the emf of self-induction of the inductance R1, which open the diode when the transistors VT3 or VT5 close VD2 or VD3, through which at these moments the battery of the battery is charged (energy recovery).
Наиболее эффективно предлагаемое устройство работает при φ=0. В этом случае ограничения формы напряжения Uвых (см. фиг. 4, график U9) отсутствуют.The most effectively proposed device operates at φ = 0. In this case, there are no restrictions on the shape of the voltage U o (see Fig. 4, graph U 9 ).
Таким образом, предлагаемый способ и устройство позволяют с минимальными потерями энергии (по сравнению с прототипом) осуществить процесс перемагничивания ферромагнитного сердечника трансформатора, исключить влияние остаточной индукции Br на величину магнитной индукции В, значительно увеличить изменение магнитной индукции В, а также относительной магнитной проницаемости µ ферромагнитного материала и таким образом увеличить величину генерируемой энергии, а также удельную мощность в целом устройства.Thus, the proposed method and device allows with minimal energy loss (compared with the prototype) to carry out the process of magnetization reversal of the ferromagnetic core of the transformer, to eliminate the influence of residual induction B r on the magnitude of the magnetic induction B, to significantly increase the change in magnetic induction B, as well as the relative magnetic permeability μ ferromagnetic material and thus increase the amount of generated energy, as well as the specific power of the whole device.
Источники информацииInformation sources
1. Б.Ю. Семенов, Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - 179 с. 1. B.Yu. Semenov, Power electronics: from simple to complex. - M.: SOLON-Press, 2005 .-- 179 p.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014121674/07A RU2586251C2 (en) | 2014-05-28 | 2014-05-28 | Method and reverse device for conversion of energy of magnetic field of ferromagnetic core into thermal or electrical energy |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014121674/07A RU2586251C2 (en) | 2014-05-28 | 2014-05-28 | Method and reverse device for conversion of energy of magnetic field of ferromagnetic core into thermal or electrical energy |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2014121674A RU2014121674A (en) | 2015-12-10 |
RU2586251C2 true RU2586251C2 (en) | 2016-06-10 |
Family
ID=54843094
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014121674/07A RU2586251C2 (en) | 2014-05-28 | 2014-05-28 | Method and reverse device for conversion of energy of magnetic field of ferromagnetic core into thermal or electrical energy |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2586251C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU221476U1 (en) * | 2023-05-16 | 2023-11-08 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | ADJUSTABLE VOLTAGE STABILIZER |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2105159A (en) * | 1981-08-28 | 1983-03-16 | Cheltenham Induction Heating L | Induction heating apparatus |
RU2258327C2 (en) * | 2003-05-26 | 2005-08-10 | Военный инженерно-технический университет | Method for converting electromagnetic field energy to heat energy |
-
2014
- 2014-05-28 RU RU2014121674/07A patent/RU2586251C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2105159A (en) * | 1981-08-28 | 1983-03-16 | Cheltenham Induction Heating L | Induction heating apparatus |
RU2258327C2 (en) * | 2003-05-26 | 2005-08-10 | Военный инженерно-технический университет | Method for converting electromagnetic field energy to heat energy |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU221476U1 (en) * | 2023-05-16 | 2023-11-08 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия имени Адмирала флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | ADJUSTABLE VOLTAGE STABILIZER |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2014121674A (en) | 2015-12-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6527265B2 (en) | Controller for use in power converter, and power converter | |
CN110268616B (en) | Resonant converter comprising a flying capacitor | |
US11387739B2 (en) | Driver circuit for a resonant converter, related integrated circuit, electronic converter and method | |
TWI356570B (en) | Offline synchronous switching regulator | |
KR20120020080A (en) | Method and apparatus for bridgeless power factor correction | |
WO2019105242A1 (en) | Pulse voltage generation device, method, and controller | |
CN103270683A (en) | Reducing voltage stress in a flyback converter design | |
US9401634B2 (en) | Saturation prevention in an energy transfer element of a power converter | |
Dwivedi et al. | Parametric variation analysis of CUK converter for constant voltage applications | |
RU2586251C2 (en) | Method and reverse device for conversion of energy of magnetic field of ferromagnetic core into thermal or electrical energy | |
RU143467U1 (en) | PULSE VOLTAGE CONVERTER | |
Jiang et al. | Constant burst frequency control for LLC converters with trajectory control | |
RU2551118C1 (en) | Pulse voltage source | |
RU142952U1 (en) | PULSE SINGLE-STROKE CONVERTER | |
RU2569200C1 (en) | Device for conversion of energy of ferromagnetic core magnetic field into thermal or electric energy | |
RU143469U1 (en) | BIDIRECTIONAL RECTIFIER-INVERTER CONVERTER WITH CORRECTION OF POWER FACTOR | |
Hu et al. | Discrete time modeling of wireless power transfer system using LCC compensation topology | |
JP6649871B2 (en) | Current detection device and power conversion device | |
RU151667U1 (en) | RECTIFIER WITH POWER FACTOR CORRECTOR FOR AIRCRAFT POWER SUPPLIES | |
RU2341003C1 (en) | Method of autonomous matched resonant inverter control | |
RU155970U1 (en) | RECTIFIER FOR AIRCRAFT POWER SUPPLY SYSTEM | |
RU2498351C1 (en) | Pulsed electromagnetic drive for seismic vibrator | |
US20170201190A1 (en) | Suppression of a dc component in a transformer of a voltage converter | |
RU155317U1 (en) | ENERGY CONVERSION DEVICE | |
PL225511B1 (en) | Impulse voltage converter |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160529 |