Способ безрезонансного преобразования переменного электрического напряжения в напряжение с удвоенной частотой Советский патент 1993 года по МПК H02M5/16 

Изобретение относится к электротехнике и радиотехнике и предназначено для пре- образования частоты переменного электрического напряжения.

Известен способ безрезонансного преобразования частоты переменного электрического напряжения в напряжение с удвоенной частотой путем воздействия преобразуемым переменным электрическим сигналом на нелинейные (сегнетоэлектриче- ские) конденсаторы, диэлектрическая поляризация которых нелинейно зависит от приложенного электрического напряжения,

что приводит к появлению в токе через конденсатор второй гармоники.

Недостатком способа является низкий выход второй гармоники (4-9 % от входного напряжения). Это связано с тем, что нелинейные члены в зависимости электрической поляризации Р от электрического поля Е проявляются только в сильных полях, но даже и в сильных полях они невелики по сравнению с линейным членом.

Техническим решением, наиболее близким к предлагаемому, является способ безрезонансногопреобразованияпеременного электрического напряжения в

V|

ю ч

СП

о

напряжение с удвоенной частотой путем воздействия входным электрическим сигналом и постоянным электрическим напряжением на линейные и нелинейные элементы, обладающие электромеханической активностью, и компенсации по основной частоте, которую осуществляют путем преобразования сигнала в механическую деформацию посредством входного блока из линейных и нелинейных элементов, а скомпенсированный сигнал преобразуют в выходной электрический сигнал, воздействуя механической деформацией входного блока на выходной блок из линейных элементов, обладающих электромеханической активностью. Отрицательной стороной способа является недостаточно высокая эффективность преобразования (недостаточная величина амплитуды выходного напряжения).

Целью изобретения является повышение преобразования за счет увеличения амплитуды выходного напряжения,

.В предлагаемом способе безрезонансного преобразования частоты переменного электрического напряжения в напряжение с удвоенной частотой, заключающемся в том, что электрический сигнал преобразуют в механическую деформацию путем воздействия им на входной блок, включающий, по меньшей мере, один нелинейный электромеханически активный элемент, которую затем преобразуют в выходной электрический сигнал путем воздействия механической деформации на выходной блок, состоящий, по меньшей мере, из одного линейного электромеханически активного элемента, новым является то, что указанную механическую деформацию создают пропорциональную четным степеням входного электрического сигнала, а в выходном электрическом сигнале дополнительно отфильтровывают постоянную составляющую сигнала, причем размеры элементов входного блока выбирают из условия, при котором эффективная напряженность в каждом из этих элементов удовлетворяет соотношению Е 0,37 , где Е0- поле, соответствующее точ(се перегиба на кривой зависимости относительной деформации нелинейных элементов от величины электрического поля.

На фиг. 1 показана механическая деформация Si электрострикторных (то есть нелинейных) элементов входного блока из сегнетокерамики 0,55х xPbMgi/3Nb2/303+0,45PbSci/2Nbi/203 в зависимости от поля в сопоставлении с дёфор- мадиями, наблюдающимися а устройстве для реализации способа-прототипа: деформацией нелинейных элементов входного блока в предлагаемом способе и в прототипе (которая в обоих случаях выражается одной и той же кривой Si(E), деформацией

линейных элементов входного блока прототипа S2(E)d33E и разностью этих деформаций S3 S2-Si, которая представляет собой полную деформацию входного блока в способе-прототипе, а также зависимости входного напряжения и деформаций Si и Зз от времени; на фиг. 2 - одна из возможных конструкций устройства для реализации предложенного способа, где 1 - входной блок, склеенный из кольцеобразных нели5 нейных элементов, 2 - выходной блок, склеенный из дискообразных пьезоэлемен- тов, 3 - жесткие диски, 4 - источник преобразуемого напряжения, 5 - омическое сопротивление.

0 . Предлагаемый способ основан на преобразовании входным блоком электрического сигнала в механическую деформацию, пропорциональную четным степеням входного напряжения и на передаче этой дефор5 мации выходному блоку, то есть на использовании иной функциональной зависимости деформации входного блока от вре- мени по сравнению с прототипом, использующим разность деформаций нели0 нейных и линейных элементов, работающих в режиме, при котором к ним приложено постоянное смещающее электрическое поле. При этом становится возможным использование для преобразования в выходное

5 напряжение полной величины электро- стрикционной деформации входного блока (а не разности деформаций нелинейных и линейных элементов, которая составляет всего лишь около 10% электрострикцион0 ной деформации) и, соответственно, получение увеличенного выхода второй гармоники в расчете на один элемент входного блока. Это позволяет также устранить потребность в использовании постоянного напряжения

5 при обработке сигнала и в применении блокировочных устройств, обеспечить возможность преобразования напряжения любой величины. Таким образом, предложен способ, обладающий многими преимущества0 ми.

Для преобразования переменного электрического напряжения в переменную механ(1ческую деформацию, пропорциональную четным степеням входного напря5 жения, необходимо, чтобы напряжение преобразуемой частоты подавалось на входной блок из одного или нескольких нелинейных элементов, обладающих электромеханической активностью, например, электрострикторных элементов. Именно на

этом этапе создания электрострикционной деформации происходит преобразование частоты. Для получения выходного напряжения с частотой переменной деформации необходимо передать эту деформацию выходному блоку из одного или нескольких линейных элементов, обладающих электромеханической активностью (например, пье- зоэлементов). При этом на выходном блоке из-за пьезоэффекта возникает электрическое напряжение, пропорциональное пере- данной деформации. Поскольку получаемое на выходе напряжение содержит постоянную составляющую (см. фиг. 1), ее надо отделять (например, с помощью большого омического сопротивления (см. фиг. 2). Раз- меры элементов входного блока должны быть такими, чтобы эффективная напряженность электрического поля Е в каждом из этих элементов отвечала соотношению Е 0,37 , где Е0 - поле, соответствую- щеё точке перегиба на кривой зависимости относительной деформации нелинейных элементов от электрического поля, так.как только в этом случае обеспечивается более эффективное преобразование по сравне- нию со способом-прототипом.

Из фиг. 1 видно, что зависимость деформации электрострикторного элемента от напряжения (или поля) является непростой. В аналитическом виде она обычно записывается приближенными формулами

S ME2+M E4+MnE6 или

AHAV AV+A V6,. где.

1 - расстояние между электродами, согласно которым электрострикционная деформация 5 Д1/1 или Д I определяется только четными степенями величины электрического поля Е или напряжения У(фиг. 1). Вследствие жесткой механической связи между входным и выходным блоками (см., например, фиг. 2) большая часть деформации входного блока передается выходному блоку. Воздействие электрострикционной деформации входного блока на выходной блок из линейных элементов позволяет получить за счет их пьезоэффекта электрическое напряжение, пропорциональное деформации входного блока, то есть содержащее гармонику с удвоенное частотой и постоянную составляющую.

Более высокий выход второй гармоники при использовании предлагаемого способа (по сравнению с прототипом) следует из того, что в прототипе преобразуется в выходное напряжение (Х/Вых) разность электрострикционной ( Al3c AV2+A V A V6) и пьезоэлектрической ( Д ) деформаций элементов входного блока: Д 1Эс- Д пэ. В предлагаемом способе для этого используется полная электрострикционная деформация .

Иа фиг. 1 видно, что при низких электрических полях Е (т.е. при малых напряжениях VBX) кривая Si(E) идет ниже, чем Зз(Е). Только при полях, более высоких, чем поле, соответствующее точке пересечения кривых Sf(E) и Зз(ЕХЕкр) электрострикционная деформация Si превышает деформацию Зз; Однако это еще не означает, что при будут равны также амплитуды деформаций Si° и Зз°. (Из фиг. 1 видно, что Sa(t) меняется от -Зз° до +3з°, a Si(t}- от 0 до 51(макс). что делает амплитуду Si° в два раза меньше, чем значение $1(макс). Для того, чтобы амплитуды Si° и Зз были равны, нужно (см. фиг. 1), чтобы значение SI(E)B два раза превышало амплитудное значение Зз°. Таким образом, нужно, чтобы Si(E) превышало Зз° по крайней мере в два раза, что возможно только, если поле во входном блоке превышает некоторое ЕКр . При Ек р Екр. При учете членов с Е4 и Е6 это соотношение изменяется.

Точный аналитический расчет величины и. Екр невозможен, т.к. получающееся уравнение шестой степени не поддается решению, С помощью довольно громоздкого приближенного способа удалось оценить величину Нкр как 0,74 Е0, где Е0 - поле, соответствующее точке перегиба на кривой ( Af/l)Si(E) H являющееся характеристикой материала. Таким образом, амплитуда поля Е, создаваемого в-ходным напряжением во входном блоке, должна быть не ниже, чем 0,74 Ео. Это значит, что размеры входного блока (расстояние между электродами) должны обеспечивать соблюдение этого условия. Таким образом, размеры элементов входного блока определяются, исходя из градуированной кривой зависимости электрострикционной деформации данного мате- риал а От напряженности поля. Переходя от амплитудного значения поля к эффективному, получим, что преимущества предлагаемого Способа перед способом-прототипом обеспечиваются только при Е 0,37 . В то же время в предлагаемом способе нет ограничения по верхнему пределу напря- .женности поля в нелинейных элементах и напряжения VBx(кроме электрической прочности, естественно). В случае, если

sincut, деформация входного блока равна:

Л lBx AVa2sin2 M + AlVa4sin tyt +

ОЛ.

Заменяя степени sin o)t выражениями функций для углов 2ш t, А а t и В ft) t, получим амплитуду второй гармоники:

А 1(2 О) )AVa2+A Va4+A Va6 VBux(2 u) )

Отсюда мы видим, что зависимость амплитуды второй гармоники от амплитуды входного напряжения полностью повторяет зависимость (Д1/1)(Е). Это значит, что с увеличением напряжения VBX амплитуда второй гармоники монотонно возрастает. Ее выход - (т.е. ее отношению к амплитуде входного напряжения) с увеличением входного напряжения также будет монотонно возрастать. Это значит, что ограничение по верхнему пределу VBx отсутствует.

Далее покажем, что совокупность существенных признаков является новой по сравнению с решениями, известными в науке и технике. Известно использование раз- .ности деформаций нелинейных и линейных элементов входного блока для преобразования ее в выходной электрический сигнал. Эта разность получается как результат компенсации деформации нелинейных элементов входного блока деформацией его линейных компонентов по основной частоте. При этом используемая разность на порядок меньше самих деформаций. Упомянутая компенсация требует дополнительного приложения постоянного смещающего напряжения, а его приложение приводит к необходимости блокировки источника переменного напряжения от источника постоянного напряжения и наоборот. При этом выход второй гармоники относительно мал.

В предлагаемом решении для создания выходного электрического сигнала используется полная деформация входного блока, пропорциональная четным степеням входного напряжения, то есть иная функциональная зависимость деформации входного блока от времени по сравнению с прототипом, где используется разность деформаций нелинейных и линейных элементов, работающих в режиме, при котором к ним приложено смещающее постоянное электрическое напряжение. Использование другой функциональной зависимости деформации, преобразуемой в выходной сигнал, позволяет отказаться от компенсации сигналов на элементах входного блока и приводит к увеличению выхода преобразованного напряжения. Однако сам по себе переход к другой функциональной зависимости еще не обеспечивает увеличения выхода напряжения с удвоенной частотой. Для этого еще необходимо выполнение условия, которое может быть записано в виде Е 0,37 . Существенно также, что при этом отпадает необходимость в приложении постоянного смещающего напряжения и потребность в использовании блокирующих устройств. Следовательно,

предлагаемое решение отвечает критерию существенные отличия.

Описанный способ может быть реализован с помощью различных устройств, в частности, такого, которое представлено на

.фиг. 2. Устройство состоит из входного блока 1, представляющего собой кольцо из злектрострикторной керамики высотой L, и выходного блока 2, представляющего собой цилиндр из пьезокерамики высотой L, кторцам которых приклеены жесткие диски 3. Входной блок электрически связан с источником преобразуемого напряжения 4. Выходной блок зашунтирован большим Омическим сопротивлением 5.

Если входное электрическое напряжение приложено к торцам блока 1 из электро- стриктор.ной керамики, то при любой полярности напряжения он будет удлиняться. Удлиняясь, он будет растягивать пьезоэлектрический выходной блок 2. Пьезоэффект блока 2 создает на выходе напряжение, пропорциональное четным степеням мгновенных значений входного напряжения, то есть переменное напряжение с удвоенной частотой и постоянную составляющую, которая отфильтровывается через сопротивление 5.

Приведем пример конкретного использования способа. Для реализации способа

применим устройство, изображенное на фиг, 2, Пусть нам необходимо получить напряжение с частотой 100 Гц при наличии в нашем распоряжении сети с напряжением 220 В с частотой 50 Гц. Амплитудное напряжение в этой сети будет 310 В, По нашим данным, у материала 0,55х xPbMgi/3Nb2/303+0,45PbSco,5Nbo.503 (для которого ( Д 1/рэс $1(Е) представлена на фиг. 1) -10 В/м. При этом минимальное поле, обеспечивающее преимущество над прототипом, (т.е. ЕКр.) равно 4,5 10 В/м. Напряжение V равно I, так что толщина входного блока, состоящего из одного электрострикторного элемента (как на

фиг.-2) должна составлять не более V7E310/4500 0.07 см. Если выбрать ,05 см, то амплитуда поля будет составлять 310/0,05- 6200 В/см, а относительная деформация (см. фиг. 1) будет Л ,6- 104,

что дает абсолютную деформацию входного блока ,6- 10 0, см. При этом амплитуда абсолютной деформации (равная, как мы уже говорили и как видно из фиг. 1, половине полной электрострикцион- ной деформации) составляет 9 -10 см.

Легко.показать. что для преобразователя, состоящего из входного блока с площадью поперечного сечения SBx и выходного блока с сечением Звых одинаковой длины в предположении одинаковых модулей Юнга (допустимого, поскольку и входной, и выходной блок сделаны из сегне- токерамики) справедливо выражение:

с

А вых А 1вх 7 --ттё-- (A IBXJCB, овх т овых

где (А вх)св - деформация входного блока в свободном состоянии. Полагая, например, диаметр цилиндра на фиг. 2 равным 0,25 см, внутренний диаметр кольца 0,35 см, а наружный 0,83 см, что дает .45 см2 и ,05 см2, получаем, что А ,9( А(вх)св. Таким образом, деформация выходного блока составляет в данном случае А см. Если выходной блок изготовлен из материала ПКР-Тс пьезомодулем Кл/Н, то при указанной выше высоте блоков (0,05 см) амплитудная величина напряжения на выходе составит А 1Вых/с1зз 131 В, а эффективное напряжение на выходе будет 93 В, т.е. 42% от VBX. В случае устройства для реализации способа-прототипа с теми же размерами элементов амплитуда деформации 5з°(как видно из фиг. 1) составит 0,7- 104, А 1Вх будет равно 0,7 ,,5 , Д1Вых 30,5 -10 6 -0,,2 , a амплитудная величина напряжения на выходе составит 52,4 В, что соответствует эффективному напряжению 37 В, т.е. 16,8% от Vox. Отсюда мы видим, что в предложенном способе выход преобразованного напряжения выше, чем у прототипа в 2,5 раза.

Величина сопротивления R (см. фиг. 2) должна быть выбрана так, чтобы.период выходного напряжения составлял пренебре- жимую величину по сравнению с. произведением R-Свых) (постоянной времени выходной цепи), где Свых. - емкость выходного блока.

Выходное напряжение можно увеличить, если склеить входной блок из п элект- рострикторных элементов, каждый из которых имеет то же расстояние между торцами, соединить их параллельно и увеличить одновременно в п раз длину цилиндрического пьезоэлемента, составляющего выходной блок. Если , то составит 32 см и амплитудное напряжение на выходе будет уже 262 В, а эффективное - 186 В. Напряжение на выходе будет Возрастать пропорционально п и уже

при эффективное напряжение на выходе превысит 1 кВ и перейдет в разряд высоких напряжений. Соответственно, емкость выходного блока будет при этом уменьшаться, т.к. его высота возрастет в п

раз.-Для того, чтобы увеличить заряд, снимаемый с выходного блока, можно увеличить число пьезоэлементов в выходном блоке (т), соединив их параллельно. При увеличении т Лшх будет уменьшаться, но

снимаемый заряд будет возрастать, Таким образом, а также путем изменения соотно- шения сечений блоков, а в ряде случаев и путем изменения конструкции устройства можно регулировать как получаемое напряжение, так и снимаемый заряд (то есть величины токов) и получать их оптимальные значения в каждом конкретном случае. Такая регулировка может оказаться важной при невысоких сопротивлениях нагрузки.

Объединение описанных выше устройств в каскады может позволить высокоэффективное получение более высоких гармоник (четвертой, восьмой, шестнадцатой и т.д.).

Следует отметить, что возможны также магнитные и электромагнитные аналоги устройств для реализации предложенного способа.

Итак, предложенный способ позволяет

существенно увеличивать выход преобразованного напряжения: в частности, в рассмотренном примере -с 16,8 до 42%.

Предлагаемый способ может найти применение для питания радиотехнических и

электротехнических устройств.

Использование: способ может быть использован в преобразователях частоты для обеспечения эффективности преобразования путем увеличения амплитуды выходного напряжения. Сущность изобретения: способ безрезонансного преобразования переменного электрического напряжения в напряжение с удвоенной частотой состоит в том, что на входной нелинейный электромеханически активный элемент воздействуют электрическим сигналом, который преобразуется в механическую деформацию. При воздействии механической деформации на выходной блок из линейного электромеханически активного элемента эта деформация преобразуется в выходной электрический сигнал, из которого отфильтровывают постоянную составляющую напряжения. При этом во входном блоке создают деформацию, пропорциональную четным степеням входного напряжения, а размеры элементов входного блока выбирают из условия, при котором эффективная напряженность электрического поля Е в каждом из элементов отвечала соотношению Е 0,37 vTE0, где Е0- поле, соответствующее точке перегиба на кривой зависимости относительной деформации нелинейных элементов от величины электрического поля. 2 ил. / С

Ф о р м.у л а и з о.б р е т-е н и я Способ безрезонансного преобразования переменного электрического напряжения в напряжение с удвоенной частотой, заключающийся в том, что электрический сигнал, преобразуют в механическую деформацию путем воздействия им на входной блок, включающий по меньшей мере один нелинейный электромеханически активный элемент, которую затем преобразуют в выходной электрический сигнал путем воздействия механической деформации на

выходной блок, состоящий по меньшей мере из одного линейного электромеханически активного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности преобразования за счет увеличения амплитуды выходного напряжения, указанную механическую деформацию создают пропорциональной четным степеням входного электрического сигнала, а в выходном электрическом сигнале дополнительно отфильтровывают постоянную составляющую

сигнала, причем размеры элементов входного блока выбирают из условия, при котором эффективная напряженность в каждом из этих элементов удовлетворяет соотношению Ё.5:0.37 , где Е0 - поле, соответ ствующее точке перегиба на. кривой- зависимости относительной деформации нелинейных элементов от величины электрического поля.