КОНГЕНЕРАТОР Российский патент 2008 года по МПК H03H3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электричества, а именно, к устройствам для изготовления цепей с активными и реактивными сопротивлениями, резонансных контуров или резонаторов, в частности, к схемам с использованием активных элементов, содержащих средства для компенсации потерь, и может найти применение как автономный источник электрической энергии, не требующий для ее производства, сжигания топлива.

Известен резонансный контур с явлением резонанса токов и напряжений (Л.А.Бессонов, Теоретические основы электротехники, Высшая школа, 1964 г., с.146, 148).

В указанном контуре переданная от источника электрическая энергия резонирует в контуре, передаваясь от конденсатора индуктивной катушке и обратно. Энергия в резонансном контуре расходуется и теряется на активном или активно-индуктивном сопротивлении, которое для контура, фактически, является нагрузкой (потребителем), а контур является, фактически, для этой нагрузки генератором. В данном резонансном контуре резонанс затухающий, т.к. электрическая энергия, расходуемая на нагрузку, в контуре не восполняется извне (система условно замкнута, т.е. она не может восполнить в систему энергию, израсходованную на нагрузке (отданную вовне), без приложения усилия по передаче энергии извне. В указанном контуре система (кроме расходования энергии на преодоление торможения потока электронов в нагрузке) вынуждена тратить энергию на преодоление торможения потока электронов в конце заряда конденсатора и разгон потока электронов в обратном направлении, преодолевая препятствующую электродвижущую силу индуктивной катушки.

Технической задачей предлагаемого изобретения, решаемой автором, является обеспечение незатухающего резонанса электродвижущей силы в резонансном контуре и поддержание постоянного протекания тока в контуре.

Поставленная задача достигается тем, что в конгенераторе, включающим резонансный контур, согласно изобретению, резонансный контур связан с двумя пусковыми контурами, первый из которых связан с источником постоянного тока и содержит стартовую катушку индуктивности и сопряжен со вторым контуром общей ветвью, содержащей последовательно соединенные по направлению движения электронов первого контура высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент, высоковольтный диод и стартовое сопротивление, причем второй пусковой контур также содержит высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент и высоковольтный диод, последовательно включенные по направлению движения электронов из первого пускового контура, кроме того, управляющие электроды вышеуказанных высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов пусковых контуров подключены к выходам электронного блока старта, а второй пусковой контур сопряжен с резонансным контуром посредством ветви, которая содержит резонансную индуктивную катушку, при этом, резонансный контур дополнительно содержит последовательно соединенные высоковольтный диод, включенный встречно движению электронов из первого пускового контура, резонансную индуктивную катушку и сопротивление нагрузки, включенное между точками подключения нагрузки.

Резонансный контур дополнительно содержит высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент, включенный последовательно с сопротивлением нагрузки между точками подключения последнего, и параллельно включенную им между теми же точками дополнительную ветвь, содержащую еще один высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент и последовательно подключенный к нему, по меньшей мере, один двигатель постоянного тока

Дополнительный высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент резонансного контура и высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент дополнительной ветви резонансного контура связаны с электронным блоком управления.

Наличие двух пусковых контуров, сопряженных с резонансным контуром, первый из которых связан с источником постоянного тока и содержит стартовую катушку индуктивности и сопряжен со вторым контуром ветвью, содержащей последовательно соединенные по направлению движения электронов первого контура высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент, высоковольтный диод и стартовое сопротивление, позволяет исключить утечку импульса энергии из резонансного контура при запуске и получить в резонансном контуре электродвижущие силы заданной величины и формы.

Наличие во втором пусковом контуре высоковольтного управляемого полупроводникового элемента и высоковольтного диода, последовательно включенных по направлению движения электронов из первого пускового контура, позволяет осуществлять регулирование и предотвращение утечки импульса энергии, посылаемой в резонансный контур.

Связь управляющих электродов высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов обоих пусковых контуров с электронным блоком старта позволяет осуществлять заданное управление высоковольтными управляемыми полупроводниковыми элементами, т.е. создать сигнал управления нужной формы и величины.

Сопряжение второго пускового контура с резонансным контуром посредством ветви, которая содержит резонансную индуктивную катушку, позволяет передать энергию импульса из пусковых контуров в резонансный контур.

Наличие в резонансном контуре последовательно соединенных высоковольтного диода, включенного встречно движению электронов из первого пускового контура, а также резонансной индуктивной катушки и сопротивления нагрузки, позволяет передать импульс энергии в резонансный контур из пусковых контуров только через сопряженную ветвь, содержащую катушку, и, в последующем, задать направление протекания тока в резонансном контуре через резонансную катушку индуктивности и резонансную вторую катушку индуктивности по направлению, задаваемому диодом в резонансном контуре.

Наличие в резонансном контуре двух высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов, т.е. введение дополнительного высоковольтного управляемого полупроводникового элемента, т.е. наличие одного включенного последовательно с сопротивлением нагрузки и другого - параллельно точкам подключения последнего, позволяет перераспределять ток контура между сопротивлением нагрузки и двигателем постоянного тока таким образом, что величина постоянного тока в резонансном контуре не изменяется, т.е. они регулируют сопротивление нагрузки, выдавая потребителю необходимую энергию, без изменения величины тока в резонансном контуре.

Наличие дополнительной ветви, содержащей еще один высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент и последовательно подключенный к нему, по меньшей мере, один двигатель постоянного тока, и связь дополнительной ветви с резонансным контуром в точках подключения сопротивления нагрузки позволяет пропускать ток из резонансного контура через этот полупроводниковый элемент, через двигатель постоянного тока, или через несколько двигателей постоянного тока.

Связь дополнительного высоковольтного управляемого полупроводникового элемента резонансного контура и высоковольтного управляемого полупроводникового элемента дополнительной ветви резонансного контура с электронным блоком управления обеспечивает синхронное регулирование блоком этих элементов.

В результате проведенных патентных исследований не выявлено известных из уровня техники аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень», может найти применение в промышленности, т.е. соответствует критерию «промышленная применимость».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - принципиальная схема конгенератора; на фиг.2 - график изменения величины и формы электродвижущей силы и тока за определенный период времени; на фиг.3 - схема конгенератора с дополнительными полупроводниковыми элементами и дополнительной ветвью с подключенным двигателем постоянного тока; на фиг.4 - схема конгенератора с двумя двигателями постоянного тока.

Конгенератор содержит два пусковых контура 1 и 2 и резонансный контур 3. Пусковой контур 1 содержит источник постоянного тока 4, стартовую катушку индуктивности 9 с сердечником из электротехнической стали. Ветвь, которой сопрягаются пусковые контуры 1 и 2 включает в себя последовательно соединенные по направлению движения электронов контура 1 высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 5, высоковольтный диод 6, стартовое сопротивление 21, рассчитанное по величине на необходимый ток.

Пусковой контур 2 содержит также высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 и высоковольтный диод 8, включенные последовательно по направлению движения электронов из пускового контура 1. Управляющие электроды высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов 5 и 7 пусковых контуров 1 и 2 подключены к выходам 10 и 11 электронного блока старта 12.

Ветвь, которой сопрягаются пусковой контур 2 и резонансный контур 3, включает в себя резонансную индуктивную катушку 13 с сердечником из электротехнической стали. Кроме того, резонансный контур 3 содержит последовательно соединенные высоковольтный диод 15, включенный встречно движению электронов из пускового контура 1, резонансную индуктивную катушку 14 и сопротивление нагрузки 16, включенное между точками 17 и 18 схемы в контуре 3. В точках 19 и 20 схемы резонансный контур 3 может отключаться от пусковых контуров 1 и 2.

Резонансный контур 3 дополнительно содержит высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 23 (например, полевой транзистор), включенный последовательно с сопротивлением нагрузки 16 между точками 17, 18 подключения последнего, и параллельно включенную между этими же точками дополнительную ветвь, содержащую еще один высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 22 и последовательно подключенный к нему двигатель постоянного тока 28. Дополнительная ветвь связана с резонансным контуром в точках 17, 18 подключения сопротивления нагрузки 16.

К высоковольтному управляемому полупроводниковому элементу 22 дополнительной ветви резонансного контура 3 могут быть подключены, по меньшей мере, два двигателя постоянного тока 31 и 32 с точками входа на электронный блок управления 29 и 30 (см. фиг.4).

Дополнительный высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 23 резонансного контура 3 и полупроводниковый элемент 22 дополнительной ветви резонансного контура 3 связаны с электронным блоком управления 24 соответственно входами 26 и 25.

Конгенератор работает следующим образом.

Высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 5 нормально открыт, а высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 нормально закрыт и от источника постоянного тока 4 по пусковому контуру 1 от плюса к минусу через стартовую катушку индуктивности 9 высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 5, высоковольтный диод 6 и стартовое сопротивление 21 протекает постоянный ток заданной сопротивлением 21 и напряжением на источнике постоянного тока 4 величины. Под управлением электронного блока старта 12 высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 5 начинает закрываться, а высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 открывается (см. график на фиг.2 I₅ и I₇). Ток через высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 начинает протекать от (+) источника постоянного тока 4 через стартовую катушку индуктивности 9, высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7, высоковольтный диод 8 и резонансную катушку индуктивности 13 к (-) источника постоянного тока 4. В резонансной катушке индуктивности 13 наводится встречная электродвижущая сила Е₁₃ (см. график на фиг.2), препятствующая протеканию тока через катушку 13. Но в то же время в катушке 9 наводится согласная с протеканием тока электродвижущая сила Е₉, т.к. катушка 9 по закону индукции обязана поддерживать величину протекающего через нее тока (см. фиг 2).

При полном закрытии высоковольтного управляемого полупроводникового элемента 5 и открытии высоковольтного управляемого полупроводникового элемента 7 электродвижущие силы Е₁₃ и Е₉ достигают своего пика (электродвижущая сила Е₁₃ не может быть больше создающих ее напряжений U₄+Е₉) и ток через высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 достигает своего максимума, возможно меньшего по величине, чем заданный ток через высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 5. Сразу начинает открываться высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 5, а высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 закрываться (см. фиг.2).

Так как катушки 9 и 13 обязаны поддерживать протекание через них одного и того же тока, электродвижущие силы Е₉ и Е₁₃ в них начинают спадать. В то же время, катушка 9 не дает изменить значение протекающего тока от источника постоянного тока 4. Поэтому часть тока продолжает протекать через закрывающийся высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7, а часть - через открывающийся высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 5.

В какой-то момент до конца закрытия высоковольтного управляемого полупроводникового элемента 7 электродвижущая сила Е₁₃ в резонансной катушке 13 становится согласной протекающему через нее току, и, т.к. ток через высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 спадает, а катушка 13 обязана поддерживать протекающее через нее значение тока, то, согласная току, электродвижущая сила Е₁₃, часть тока направляет от закрывающегося высоковольтного управляемого полупроводникового элемента 7 к источнику постоянного тока 4, а часть тока - через сопротивление 16 и катушку 14 по нарастающей функции, зависящей от скорости закрытия высоковольтного управляемого полупроводникового элемента 7 (форма нарастания функции представлена на фиг.2). В катушке 14 появляется встречная этому току электродвижущая сила Е₁₄. Т.к. высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 закрывается, а величина электродвижущей силы резонансной индуктивной катушки Е₁₃ нарастает, то эта величина, достигая пика, превышающего напряжение источника постоянного тока и электродвижущей силы стартовой катушки индуктивности (U₄+E₉), т.к. она обязана поддерживать протекание величины тока из пускового контура, который протекал через высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 7 при полном его открытии, и так как электродвижущая сила резонансной катушки индуктивности 14 (Е₁₄) не может быть больше создающей ее электродвижущей силы в резонансной катушке индуктивности 13 (Е₁₃) в момент закрытия высоковольтного управляемого 7, то при закрытии полупроводникового элемента 7 через сопротивление нагрузки 16 и катушку 14 будет протекать ток I₁₆ (возможно меньше первоначально протекшего через катушку 13).

Так как величина тока I₁₆ достигла пика и постоянна, то электродвижущая сила Е₁₃ начинает спадать. Так как катушка 14 обязана поддерживать ток, протекающий через нее, начинает спадать электродвижущая сила Е₁₄ и в какой-то момент становится согласной с направлением тока нагрузки I₁₆, электродвижущая сила Е 13 продолжает падать, а Е₁₄ возрастать в согласном с током I₁₆ направлении (фиг.2), величина тока нагрузки I₁₆ постоянна. Электродвижущая сила Е₁₃ спадает до нуля, а электродвижущая сила Е₁₄ достигает пика, ток нагрузки I₁₆ постоянен. Электродвижущая сила Е₁₄ начинает спадать и катушка 13 обязана поддержать протекание через нее тока нагрузки I₁₆. Электродвижущая сила Е₁₃ возрастает в согласном с током нагрузки I₁₆ направлении. Электродвижущая сила Е₁₃ достигает нуля, электродвижущая сила Е₁₄ достигает пика, ток нагрузки I₁₆ постоянен.

Итак, процесс зацикливается в незатухающем резонансе электродвижущих сил Е₁₃ и Е₁₄, которые не являются сопротивлением для протекания тока, и в контуре 3 остается лишь сопротивление нагрузки 16.

Принцип работы конгенератора при включении в схему дополнительной ветви и дополнительных высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов 22 и 23 тот же, что и описанный выше, т.е. по схеме, представленной на фиг.1, за исключением того, что при запуске резонансного контура 3 высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 23 нормально открыт, а высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 22 закрыт. При установившемся резонансе с расчетным током через сопротивление нагрузки 16, по величине необходимым и достаточным для работы двигателя постоянного тока ДПТ до полной номинальной мощности электродвижущих сил Е₁₃ и Е₁₄, по величине необходимых для нормальной работы двигателя 28, высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 23 закрывается, а высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент 22 открывается электронным блоком управления 24 на величину, необходимую для пуска двигателя 28. Электронный блок управления 24 через точку входа 27 (фиг.3) отслеживает у двигателя постоянного тока 28 его запуск и режим работы, регулирует открытие и закрытие элементов 23 и 22. При полном закрытии высоковольтного управляемого полупроводникового элемента 23 и открытии высоковольтного управляемого полупроводникового элемента 22, мощность двигателя постоянного тока 28 максимальна. Синхронное регулирование элементов 22 и 23 блоком 24 позволяет вовремя перенаправлять ток через сопротивление нагрузки 16 при изменении режима работы двигателя, не добавляя в контур согласной или встречной электродвижущей силы от двигателя постоянного тока 28.

При подключении дополнительной нагрузки - двигателя постоянного тока 32 (фиг.4) на вход 30 электронного блока управления, объединенного с электронным блоком старта 12, поступает сигнал о том, что обороты двигателей и ток через каждый двигатель (31 и 32) изменились. Тогда электронный блок управления 24 через входы 27 и 29 измеряет полярность и величину напряжения на катушке индуктивности 13, определяет момент, когда электродвижущая сила в катушке 13 спадает до нуля (это значит, что электродвижущая сила в катушке 14 максимальна) и, посредством высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов 5 и 7, добавляет в контур недостающую величину тока и резонансный контур 3 работает уже с большей величиной тока.

Все три схемы конгенератора являются вариациями питания и управления различной нагрузкой, не меняя сути явления, и поэтому относятся к одному изобретению. В точках 19 и 20 пусковые контуры 1 и 2 отсоединяются от резонансного контура 3, который работает самостоятельно на незатухающем резонансе электродвижущей силы с заданным током.

Отключение пусковых контуров 1 и 2 облегчает конструкцию конгенератора, снижает вес, обеспечивает его мобильность. Конгенератор может устанавливаться, например, на транспорте для питания электродвигателей транспорта.

Таким образом, заявляемый конгенератор обеспечивает незатухающий резонанс электродвижущей силы и поддержание постоянного протекания тока в резонансном контуре, за счет того, что устраняется препятствующая электродвижущая сила второй катушки в тот момент, когда первая катушка является источником, и появляется помогающая протеканию тока в том же направлении электродвижущая сила во второй катушке в тот момент, когда электродвижущая сила первой катушки спадает, а также за счет того, что в момент падения до нуля электродвижущей силы первой катушки электродвижущая сила второй катушки находится на максимуме, и катушка становится источником, а в первой катушке отсутствует электродвижущая сила, препятствующая протеканию тока в контуре. Все это обеспечивается тем, что по закону индукции катушки стремятся своими электродвижущими силами поддержать постоянство протекающего через них электрического тока и постоянную величину магнитных потоков, протекающих через их сердечники.

Изобретение относится к области электричества. Технический результат заключается в обеспечении незатухающего резонанса электродвижующей силы в резонансном контуре и поддержании постоянного протекания тока в контуре. Для этого в устройстве пусковой контур 1 содержит источник постоянного тока, стартовую катушку индуктивности с сердечником из электротехнической стали. Ветвь, которой сопрягаются пусковые контуры 1 и 2, включает в себя последовательно соединенные по направлению движения электронов контура 1 высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент, высоковольтный диод, стартовое сопротивление, рассчитанное по величине на необходимый ток. Пусковой контур 2 содержит также высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент и высоковольтный диод, включенные последовательно по направлению движения электронов из пускового контура 1. Управляющие электроды высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов пусковых контуров 1 и 2 подключены к выходам электронного блока старта. Ветвь, которой сопрягаются пусковой контур 2 и резонансный контур 3, включает в себя резонансную индуктивную катушку с сердечником из электротехнической стали. Также резонансный контур содержит последовательно соединенные высоковольтный диод, включенный встречно движению электронов из пускового контура 1, резонансную индуктивную катушку и сопротивление нагрузки, включенное между точками в схеме контура 3. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Конгенератор, содержащий резонансный контур, отличающийся тем, что резонансный контур связан с двумя пусковыми контурами, первый из которых связан с источником постоянного тока и содержит стартовую катушку индуктивности и сопряжен со вторым контуром общей ветвью, содержащей последовательно соединенные по направлению движения электронов первого контура высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент, высоковольтный диод и стартовое сопротивление, причем второй пусковой контур также содержит высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент и высоковольтный диод, последовательно включенные по направлению движения электронов из первого пускового контура, кроме того, управляющие электроды вышеуказанных высоковольтных управляемых полупроводниковых элементов пусковых контуров подключены к выходам электронного блока старта, а второй пусковой контур сопряжен с резонансным контуром посредством ветви, которая содержит резонансную индуктивную катушку, при этом резонансный контур дополнительно содержит последовательно соединенные высоковольтный диод, включенный встречно движению электронов из первого пускового контура, резонансную индуктивную катушку и сопротивление нагрузки, включенное между точками подключения нагрузки.2. Конгенератор по п.1, отличающийся тем, что резонансный контур дополнительно содержит высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент, включенный последовательно с сопротивлением нагрузки между точками подключения последнего, и параллельно включенную между теми же точками дополнительную ветвь, содержащую еще один высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент и последовательно подключенный к нему, по меньшей мере, один двигатель постоянного тока.3. Конгенератор по п.2 отличающийся тем, что дополнительный высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент резонансного контура и высоковольтный управляемый полупроводниковый элемент дополнительной ветви резонансного контура связаны с электронным блоком управления.