Резонансный генератор переменного тока

Вечный двигатель считался невозможным, несмотря на очевидное постоянное и непрекращающееся движение в природе. И хотя сегодня известно, что система полностью неподвижная даже на секунду не возможна в принципе, тем не менее, возможность вечного двигателя отрицается традиционной «научной» идеологией.
Человек — существо социальное и даже больше этого: как существо цивилизованное, человек всегда был продуктом массовой культуры. А это означает, что своим ушам и «авторитетам» 99,9 процентов людей верит скорее, чем своим глазам и живой природе. В процессе традиционного обучения лежит переключение восприятия людей с живой природы на посредников, которые ее интерпретируют. При этом люди практически полностью утрачивают способность видеть, но зато приобретают способность «верить». В результате в сознании людей поселяются официально утвержденные стереотипы, которые считаются «истиной», но стоит сделать шаг влево или вправо и мир кажется наполненным мистикой и загадками.
Энергия, которую мы можем получать по непонятным для нас законам, не является энергией из ни чего, как пытаются говорить скептики “вечных двигателей”, а является следствием реакций внутренних нелинейных процессов, происходящих в самой среде, окружающей нас.
Если мы располагаем источниками больших запасов энергии, то встаёт вопрос о том, как внутреннюю энергию окружающего нас пространства преобразовать в энергию активную, электромагнитную?
В этой статье я попытаюсь рассказать об одном из множества существующих способов получения «свободной энергии» или «энергии свободы», кому как угодно…

С уважением ко всем думающим и ищущим
Инженер электронной техники
Сергей Зацаринин.

Предыстория.

Попалась мне однажды на глаза вот такая заметка с кратким сопроводительным текстом:

1930-е годы Русские ученые в Московском Университете разработали и протестировали параметрические генераторы, показывающие КПД >> 1.0. Теория, результаты, изображения, и т.п. — как в Русской, так и Французской литературе, со многими ссылками, приведенными на этот конкретный период:
Mandelstam, L.I.; and N.D. Papaleksi., «On the parametric excitation of electric oscillations,» Zhurnal Teknicheskoy Fiziki, 4(1), 1934, p. 5-29; Mandelstam, L. and N.Papalexi, «On resonance phenomena with frequency distribution,»
Z.f. Phys., No. 72, 1931, p. 223; — «Concerning asynchronous excitation of oscillations,» Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki, 4(1), 1934, p. TBD; — «Concerning asynchronous excitation of oscillations,» Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki,4(1), 1934; — «Concerning nonstationary processes occurring in the case of resonance phenomena of the second class,» Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki, 4(1), 1934. See also A. Andronov, “The limiting cycles of Poincare and the theory of self-maintained oscillations,” Comptes-Rendus, Vol. 189, 1929, p. 559. See also A. Andronov and A. Witt, , “On the mathematical theory of self-excitations,” Comptes-Rendus, Vol. 190, 1930, p. 256; — “On the mathematical theory of self-excitation systems with two degrees of freedom,” Zhurnal Tekhnicheskioi Fiziki, 4(1), 1934; — “Discontinuous periodic movements and theory of multivibrators of Abraham and Bloch,” Bull. De l’Acad. Ed Sc. De l”URSS, vol. 189, 1930. See also S. Chaikin, “Continuous and ‘discontinuous’ oscillations,” Zhurnal Prikladnoi Fiziki, Vol. 7, 1930, p. 6; — and A. Witt, , “Drift in a case of small amplitudes,” Zhurnal Teknicheskoi Fiziki, 1(5), 1931, p. 428; — and N. Kaidanowski, “Mechanical relaxation oscillations,” Zhurnal Teknicheskoi Fiziki, Vol. 3, 1933, p. 1.
Эта маленькая заметка на многие годы определила направление моей деятельности, поселила во мне жгучее желание разобраться в вопросах параметрического возбуждения колебаний.
Десяток лет ушло на изучение этого необыкновенного, лежащего в основе всего мироздания, явления. На данный момент я со всей ответственностью могу заявить следующее: нелинейный параметрический резонанс – один из способов преобразования энергии окружающей среды в электрическую энергию, причем с необходимыми для практических целей параметрами. Это заявление основывается на результатах изучения работ различных авторов за период более 150-и лет, посвященных вопросам параметрического резонанса и многих сотен проведенных мною экспериментов и исследований. Так что же такое параметрический резонанс? И как его использовать для получения электрической энергии? Вот этот вопрос мы и рассмотрим.
Но прежде, я хотел бы сделать небольшое, но важное замечание. По роду своей деятельности мне часто приходится общаться с людьми, технически грамотными и имеющими большой как теоретический, так и практический опыт деятельности в области электротехники, радиотехники и электроники. Часто можно слышать различные высказывания о резонансе, как таковом и его природе. Подавляющее большинство из них относится к электрическому резонансу как обособленному (единственному) процессу, протекающему в колебательном контуре, обусловленному периодической синхронной подкачкой энергии в контур извне, совершенно не обращая внимания на факт изменения параметров колебательного контура под действием циркулирующей в нем энергии. Параметры контура считаются неизменными, или, в крайнем случае – линейными. Это катастрофическое заблуждение. Именно по причине смешивания двух процессов, протекающих в колебательном контуре с индуктивностью, содержащей ферримагнитный сердечник, происходит такая путаница в рассмотрении физики процессов и балансе энергии, циркулирующей в колебательном контуре. При рассмотрении процессов в колебательном контуре с учетом протекания в нем кроме электрического, ещё и параметрического резонанса, многие устоявшиеся понятия в теории колебательного контура приобретают совершенно иной смысл.

Параметрический резонанс.

Разъяснения сути и смысла параметрического резонанса лучшего, чем дали академики Л.И . Мандельштам и Н.Д. Папалекси, в 1934г. [Mandelstam, L.I.; and N.D. Papaleksi., «On the parametric excitation of electric oscillations,» Zhurnal Teknicheskoy Fiziki, 4(1), 1934, p. 5-29] вряд ли найти, посему обратимся к указанной работе:

Явление возбуждения колебаний при помощи периодического изменения параметров колебательной системы, известное в физике уже давно (Мельде, Рейлей и др.), приобрело в настоящее время снова интерес в связи с осуществлением такого возбуждения в электрических колебательных системах. Хотя указания на возможность такого возбуждения, которое мы будем кратко называть параметрическим возбуждением, делались и раньше, и оно, несомненно, играет значительную, но не всегда ясно осознанную роль, как например при обычной генерации тока в электротехнике, однако только в последнее время оно было сознательно осуществлено и было начато систематическое изучение его. Так Хегнером и затем Гюнтер-Винтером были описаны опыты, касающиеся возбуждения колебаний в электрической колебательной системе в области акустических частот периодическим, намагничиванием железного сердечника катушки самоиндукции. Впоследствии, используя изменение, при вращении ротора, самоиндукции, образованной последовательным соединением двух фаз статора и двух фаз ротора трехфазного генератора, Гюнтер-Винтер также осуществил параметрическое возбуждение колебаний. В самое последнее время появилось описание опытов И. Ватанабе, Т.Саито и И.Както над возбуждением колебаний механическим периодическим изменением магнитной цепи самоиндукции системы.
Как нами было показано в предыдущих работах легко, исходя из энергетических соображений, отдать себе отчет в физической стороне процесса возбуждения колебаний периодическим (скачкообразным) изменением емкости колебательной системы, не содержащей в себе никаких явных источников магнитных или электрических полей.
Повторим вкратце это рассуждение для случая изменения самоиндукции. Пусть в колебательной системе, состоящей из емкости С, омического сопротивления R и самоиндукции L, в некоторый момент времени, который мы примем за исходный, имеется ток i. Произведем в этот момент изменение самоиндукции на некоторую величину dL , что равносильно увеличению энергии, равному 1/2dLi 2

Предоставим теперь систему самой себе. Через промежуток времени, равный 1/4 периода собственных колебаний системы, вся энергия системы перейдет из магнитной в электростатическую. В этот момент, когда ток будет ранен нулю, возвратим самоиндукцию к ее первоначальной величине, что очевидно можно сделать, не затрачивая никакой работы, и затем снова предоставим систему самой себе.
Через следующие 1/4 периода собственных колебаний электростатическая энергия снова целиком перейдет в магнитную, и мы опять сможем начать новый цикл изменения самоиндукции. Если вложенная в начале цикла энергия будет больше потерь за время цикла, т. е. если 1/2Li 2 >1/3Ri 2 T/2 или dL/L>E (1), (2)
где E — логарифмический декремент собственных колебаний системы, то тогда ток в конце каждого цикла будет больше, чем в начале его.
Таким образом, повторяя эти циклы, т. е. изменяя самоиндукцию с частотой в два раза большей средней собственной частоты системы так, чтобы можно возбудить в системе колебания, не воздействуя на нее никакой электродвижущей силой, как бы мал ни был начальный случайный заряд. Заметим, что даже в отсутствии каких-либо, практически всегда неизбежно имеющих место, случайных индукций (электрические линии передачи, магнитное поле земли, атмосферные заряды) мы принципиально всегда должны иметь в контуре случайные заряды в силу статистических флюктуаций.
Уже при таком грубом, скорее качественном, рассмотрении явлений возбуждения можно вывести две основные предпосылки для его возникновения:
1) необходимость выполнения определенной зависимости между частотой изменения параметра и «средней» собственной частотой системы и
2) необходимость соблюдения определенного соотношения между величиной относительного изменения параметра — так называемой глубиной модуляции его и величиной среднего логарифмического декремента системы.
Более полное рассмотрение явления возникновения колебаний при параметрическом возбуждении приводит к линейным дифференциальным уравнением с периодическими коэффициентами.

Думаю, нет необходимости приводить все математические выкладки, имеющиеся в значительном количестве научной литературы. Желающие могут их легко найти. Нам, для дальнейшего разговора, важно понять и запомнить условия возникновения параметрического резонанса, а именно – определенная зависимость между собственной, «средней» частотой колебательного контура и частотой изменения, модуляции величины индуктивности. И вполне определенная, в зависимости от добротности (потерь) контура, глубина модуляции этой индуктивности. Но, вернемся к первоисточнику:

Как видно из предыдущего, вопрос об условиях возникновения колебаний при параметрическом воздействии решается соотношениями (1) и (2). Эти соотношения, с одной стороны, указывают, каким условиям должно удовлетворить затухание системы, чтобы в ней при данном изменении параметра могли возникать колебания, а с другой стороны, они показывают, в каких пределах мы можем менять либо сопротивление системы (нагрузку), либо расстройку системы от точного параметрического резонанса, не нарушая возможности возникновения колебаний. Однако эти соотношения не дают, да и не могут дать ответа на вопрос о том, установится ли стационарная амплитуда колебаний, и каково будет ее значение. В самом деле, исходное уравнение ответа на этот вопрос, как линейное уравнение, дать не может. Иными словами, если бы система действительно все время подчинялась этому уравнению, то при соблюдении условий (1),(2) амплитуда колебаний неограниченно возрастала бы.
Линейная система, таким образом, служить генератором переменного тока не может. Для того чтобы в системе установилась стационарная амплитуда, необходимо, чтобы она подчинялась нелинейному дифференциальному уравнению. Что явление происходит именно так, вполне подтверждают и описываемые ниже опыты. Если не вводить в колебательную систему нелинейности, то при периодическом изменении в ней параметров наблюдается следующая картина. Как только условия возбуждения соблюдены, в контуре возникает ток, амплитуда которого непрерывно нарастает. В наших опытах это нарастание доходило до того, что изоляция конденсатора или подводящих проводов не выдерживала, и приходилось прекращать опыт.
Для получения стационарного состояния в систему приходилось вводить проводник с нелинейной характеристикой, например катушку с железным сердечником, лампы накаливания и т. п.
Для проверки возможности возбуждения электрических колебаний в колебательной системе одним периодическим изменением ее параметров без введения в нее каких-либо э. д. с, нами, прежде всего, был
поставлен следующий опыт.
Чтобы осуществить, параметрическую генерацию необходимо, с одной стороны, достаточно эффективный способ изменения параметра и, с другой стороны, систему с возможно меньшим затуханием.
Так как, максимальная мощность параметрически возбужденных колебаний равняется W=m/4*wCV 2
то для получения сколько-нибудь заметной мощности, при легко осуществимых частотах изменения параметра, необходимо иметь в цепи емкость значительной величины, способную выдержать большие напряжения. Ввиду сравнительной сложности осуществления в лабораторных условиях переменной емкости требуемой величины, допускающей достаточную глубину модуляции при необходимых больших частотах, мы отказались для начала от изменения емкости и выбрали в качестве периодически изменяемого параметра самоиндукцию.

Из различных возможностей осуществления периодического изменения самоиндукции мы, по ряду соображений, остановились, сначала, на следующей. Если ввести в переменное поле катушки самоиндукции L какое-нибудь проводящее тело, (в простейшем случае — короткозамкнутый виток), то, как известно, вследствие наведенных в теле токов Фуко, магнитная энергия поля, а следовательно и эффективная L — уменьшится. Исходя из этого, мы применили в качестве устройства, позволяющего удобно и с требуемой частотой периодически изменять эффективную величину самоиндукции следующее. Переменная самоиндукция состоит из двух групп плоских катушек (по 7 в каждой), смонтированных на двух параллельных дисках по периферии двух параллельных окружностей так, что между обращенными друг к другу сторонами катушек было узкое пространство в виде щели. В этой щели помещался металлический вращающийся диск, имеющий на периферии вырезы в виде зубцов (7 по числу катушек), расположенных таким образом, что при вращении середины зубцов в определенные моменты совпадают с центрами катушек. Таким образом, периодическое изменение самоиндукции здесь достигается тем, что при вращении диска зубцы попеременно то входят в поле катушек, то выходят из него. В первом случае эффективная самоиндукция очевидно будет минимальной а во втором — максимальной. Так как такой диск (например, из дюралюминия) допускает очень большие скорости вращения (в наших опытах периферийная скорость достигала до 220 м/сек.), то, следовательно, при указанном способе изменения самоиндукции можно было осуществить большие частоты (1700—2000 в сек.) изменения параметра и получить колебания достаточной мощности. Заметим, что для увеличения самоиндукции, а также для большей концентрации поля в пространстве между катушками они была снабжены сердечниками из подразделенного железа. При подстройке колебательной системы, в которой отсутствуют какие-либо явные источники тока или напряжения, с помощью конденсатора на частоту, равную или близкую к половинной частоте изменения самоиндукции системы, в ней возникали мощные колебания с частотой, точно равной половице частоты изменения самоиндукции. Амплитуда колебаний при этом быстро возрастала до тех пор, пока не наступал пробой изоляции либо конденсаторов контура, либо подводящих проводов. В наших опытах напряжение достигало 12—15 тысяч V.
Для того чтобы получить стационарный режим необходимо было — в согласии с теорией — ввести в систему проводник с нелинейной характеристикой. В качестве такого проводника при первых опытах была взята группа лампочек накаливания (100-ваттных), которые можно было включать параллельно в колебательный контур. Прежде всего следует указать на то, что введение лампочек накаливания действительно позволяет получить и регулировать в широких пределах (до 5 А, так как мощность мотора и сечение провода катушек не допускали большей нагрузки) стационарную амплитуду колебаний.

На основании вышеизложенного, учитывая результаты собственных исследований параметрического резонанса, можно сделать следующий вывод: в колебательном контуре состоящем, в общем случае, из электрической емкости и катушки индуктивности c ферримагнитным сердечником, возможно возбуждение электрических колебаний значительной мощности. Возбуждение осуществляется путем периодического изменения одного (или нескольких) параметров этого контура, без подвода электрической энергии от внешнего источника. Факт непреложный и сомнению не подлежит.
Практика, как критерий истины…
Прежде всего, необходимо заметить следующее: я не берусь обсуждать, а тем более опровергать выводы, сделанные академиками Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси в отношении источника энергии, обеспечивающего возникновение и рост амплитуды колебаний в контуре (а именно – электрический двигатель). Тем не менее, мои практические работы однозначно указывают на иной источник энергии.
Параметрические генераторы (и не только генераторы — паратрансы, стабилизаторы, употрансы, шунттрансформаторы, канализаторы, трипорты и т.д.) нашли широкое распространение в промышленности. И все они имеют КПД

Источник

Резонансный генератор переменного тока

Генераторы последовательного резонанса

Схемотехническое решение высокочастотного кварцевого генератора может быть основано на применении кварцевого резонатора в качестве элемента цепи положительной обратной связи. В таких генераторах, часто называемых генераторами последовательного резонанса, кварцевый резонатор используется как последовательный резонансный контур и работает на частотах, близких к частоте последовательного резонанса. При этом эквивалентное сопротивление кварцевого резонатора имеет активный характер.

В настоящее время известно несколько основных схемотехнических решений кварцевых генераторов последовательного резонанса, каждое из которых имеет свои достоинства и недостатки. Среди таких схем следует отметить генераторы по схемам Батлера (Butler) и по схеме Хегнера (Hegner). При этом генераторы последовательного резонанса по схеме Батлера могут быть выполнены как на одном, так и на двух транзисторах.

Упрощенная принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера на двух транзисторах приведена на рис. 3.18. Главной особенностью данного схемотехнического решения является включение кварцевого резонатора BQ1 в цепь положительной обратной связи между эмиттерами транзисторов VT1 и VT2.

Рис. 3.18. Упрощенная принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера на двух транзисторах

Упрощенная принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера на одном транзисторе приведена на рис. 3.19. В этом случае транзистор VT1 по переменному току включен по схеме с общей базой. Особенностью этого схемотехнического решения является включение кварцевого резонатора BQ1 в цепь положительной обратной связи между коллектором и эмиттером транзистора VT1.

Рис. 3.19. Упрощенная принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера на одном транзисторе

Упрощенная принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Хегнера приведена на рис. 3.20. Главной особенностью рассматриваемой схемы является включение кварцевого резонатора BQ1 в цепь положительной обратной связи между коллектором транзистора VT2 и базой транзистора VT1.

Рис. 3.20. Упрощенная принципиальная схема кварцевого генераторов последовательного резонанса по схеме Хегнера

Следует признать, что указанные схемотехнические решения сравнительно редко применяются при разработке высокочастотных генераторов миниатюрных радиопередающих устройств. Дело в том, что более сложные схемотехнические решения генераторов с кварцевой стабилизацией частоты обычно основаны на использовании двух и более транзисторов, что ведет к усложнению схемы и увеличению количества пассивных элементов. В специализированной литературе и в сети Интернет можно найти большое количество конструкций, которые представляют собой модификации указанных схем генераторов последовательного резонанса, а их схемы лишь на первый взгляд имеют принципиально значимые отличия от основополагающих схемотехнических решений. В связи с ограниченным объемом предлагаемой книги в данном разделе будут рассмотрены особенности работы кварцевых генераторов последовательного резонанса на основе схем Батлера.

В первую очередь речь идет о схемотехническом решении кварцевого генератора по схеме Батлера, выполненного на двух транзисторах. Отличительной особенностью данной схемы транзисторного ВЧ-генератора, характеризующегося качеством, надежностью и универсальностью, является включение кварцевого резонатора в цепь обратной связи между эмиттерами транзисторов. Различные модификации этой схемы широко используются при разработке генераторов с частотами от 10 МГц до 200 МГц.

Принципиальная схема одного из вариантов высокочастотного кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера, выполненного на двух транзисторах, приведена на рис. 3.21. Частота генерируемого сигнала данной конструкции составляет от 6 МГц до 30 МГц при выходном напряжении 200 мВ. Потребляемый ток при напряжении питания 9 В не превышает 3 мА, выходное сопротивление около 200 Ом.

Рис. 3.21. Принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера, выполненного на двух транзисторах

В рассматриваемой схеме цепь положительной обратной связи образует П-образная цепочка, в состав «горизонтальной» части которой входят включенные последовательно кварцевый резонатор BQ1, подстроечный конденсатор С4 и катушка индуктивности L2, а «вертикальные» составляющие образуют резисторы R6 и R8, имеющие малые сопротивления. Цепь ПОС подключена к эмиттерам транзисторов VT1 и VT2 через разделительные конденсаторы С3 и С5. Таким образом, в рассматриваемой конструкции полные сопротивления цепей на контактах кварцевого резонатора BQ1, который работает в режиме так называемого последовательного резонанса, малы.

Транзистор VT1 по переменному току включен по схеме с общей базой, поскольку его базовый электрод подключен к шине корпуса через конденсатор С1. Положение рабочей точки транзистора стабилизируется обычной мостовой схемой, в состав которой входят резисторы R1, R2 и R5.

При генерации на основной гармонической составляющей в качестве нагрузки в цепь коллектора транзистора VT1 включен обычный резистор. При генерации на гармонических составляющих в качестве коллекторной нагрузки используется LC резонансный контур, настроенный на частоту соответствующей гармоники. Задачей резонансного контура является коррекция фазового сдвига, необходимого при выборе той или иной гармонической составляющей. Одновременно изменяется и глубина обратной связи. Часто в цепь нагрузки параллельно LC-контуру подключается резистор для того, чтобы снизить добротность резонансной цепи.

Сформированный на коллекторе транзистора VT1 сигнал через резистор R7 проходит на базу транзистора VT2, с эмиттера которого снимается сигнал, поступающий в цепь обратной связи. С учетом того, что база транзистора VT2 непосредственно связана с коллектором транзистора VT1, положение его рабочей точки определяется в том числе и величиной сопротивления резистора R10. Величина сопротивления этого резистора должна быть сравнительно высокой, поскольку на коллекторе транзистора VT1 присутствует большое положительное напряжение.

Нередко при разработке кварцевых ВЧ-генераторов последовательного резонанса используются схемотехнические решения, основанные на так называемой схеме Батлера на одном транзисторе. В зарубежной специализированной литературе такие схемы часто называют схемами 1 /₂ Баттлера. В отечественной специализированной литературе можно встретить такие названия, как, например, однокаскадные фильтровые схемы. В указанных однокаскадных генераторах транзистор активного элемента по переменному току может быть включен по схеме с общей базой или по схеме с общим коллектором.

Принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера, выполненного на одном биполярном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, приведена на рис. 3.22. Частота генерируемого сигнала составляет 80 МГц при выходном эффективном напряжении 200 мВ на нагрузке 50 Ом. Потребляемый ток при напряжении питания 9 В не превышает 3 мА.

Рис. 3.22. Принципиальная схема кварцевого генератора последовательного резонанса по схеме Батлера на одном транзисторе, включенном по схеме с общей базой

Транзистор VТ1 по постоянному току включен по схеме с общим эмиттером. При этом положение рабочей точки этого транзистора определяется величиной сопротивлений резисторов R1 и R2, образующих делитель напряжения. По переменному току транзистор VТ1 включен по схеме с общей базой, поскольку по высокой частоте его база заземлена через конденсатор С1 сравнительно большой емкости. Стабилизация положения рабочей точки транзистора VT1 обеспечивается мостовой схемой, в состав которой помимо резисторов R1 и R2 входит и резистор R5 в цепи эмиттера транзистора VТ1.

К выходу активного элемента (коллектор транзистора VT1) подключен параллельный резонансный контур, образованный катушкой индуктивности L1 и цепочкой, состоящей из последовательно включенных конденсаторов С2 и С3, образующих емкостной делитель. Снимаемый точки соединения конденсаторов С2 и С3 сигнал обратной связи через кварцевый резонатор BQ1 подается на вход активного элемента (эмиттер транзистора VT1).

В кварцевом генераторе последовательного резонанса по схеме Батлера на одном транзисторе, включенном по схеме с общей базой, сигнал обратной связи может сниматься и с соответствующего отвода катушки L1, то есть с использованием индуктивного делителя. Однако в этом случае усложняется процесс настройки генератора. Тем не менее, такое схемотехническое решение иногда применяется при создании ВЧ-генераторов на частоту генерируемого сигнала до 40 МГц.

Необходимо отметить, что при использовании схемотехнических решений ВЧ-генераторов по схемам 1 /₂ Баттлера как с емкостным, так и с индуктивным делителем, на выходе генератора следует устанавливать буферный каскад.

В настоящее время существует большое количество вариантов схем высокочастотного кварцевого генератора по схеме Батлера на одном транзисторе, основанных как на рассмотренных, так и других схемотехнических решениях, например, с включением транзистора по схеме с общим коллектором. Однако ограниченный объем предлагаемого издания, к сожалению, не позволяет их рассмотреть. Необходимую дополнительную информацию, касающуюся вопросов схемотехники ВЧ-генераторов для миниатюрных радиопередающих устройств и радиомикрофонов, заинтересованные читатели могут найти в специализированной литературе и в сети Интернет.

Источник

Принцип работы и устройство синхронного генератора переменного тока

Электричество – единственный вид энергии, которую легко можно передать на большие расстояния, а затем преобразовать её в механическую, тепловую или превратить в световое излучение. Саму же электроэнергию также можно получить разными способами: химическим, тепловым, механическим, фотоэлектрическим и др. Но именно механический способ, который основан на применении генераторов, оказался самым эффективным. Среди этих источников электроэнергии широкое применение нашёл синхронный генератор переменного тока.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и на производстве, вырабатывается генераторами этого типа. Они заслуживают того, чтобы более подробно рассмотреть их устройство и разобраться в принципе работы этих удивительных синхронных машин.

Устройство

В конструкции синхронных генераторов используются две основные рабочие детали – вращающийся ротор и неподвижный статор. На валу ротора располагаются постоянные магниты либо обмотки возбуждения. Магниты имеют зубчатую форму, с противоположно направленными полюсами.

Бесщёточные генераторы.

Обмотки статора размещают таким образом, чтобы их сердечники совпадали с выступами магнитных полюсов ротора, или с сердечниками катушек ротора. Количество зубцов магнита, обычно, не превышает 6. При такой конструкции вырабатываемый ток снимается непосредственно с обмоток статоров. Другими словами, статор выступает в роли якоря.

В принципе, постоянные магниты можно расположить на статоре, а рабочие обмотки, в которых будет индуцироваться ЭДС, — на роторе. Работоспособность генератора от этого не изменится, однако потребуются кольца и щётки для снятия напряжения с обмоток якоря, а это, чаще всего, не рационально.

Схематическое изображение бесщеточного генератора без обмоток возбуждения изображено на рис. 1.

Рис. 1. Модель генератора с магнитным ротором

Пояснение:

схема устройства;
схема расположения магнитных полюсов на якоре. Здесь буквами NS обозначено коаксиальный магнит с полюсами, а литерой R – стальной магнитопровод ротора в виде когтеобразных наконечников.
модель генератора в разрезе. Выводы фазных обмоток статора соединены «звездой».

Синхронные машины с индукторами.

Заметим, что постоянные магниты в качестве ротора используются в альтернаторах небольшой мощности. В мощных электрических машинах всегда применяются обмотки индуктора с независимым возбуждением. Независимым источником питания является маломощный генератор постоянного тока, смонтированный на валу синхронного двигателя.

Существуют конструкции синхронных генераторов малой и средней мощности, с самовозбуждающимися обмотками. Для возбуждения индуктора выпрямленный ток фазных обмоток подаётся через щётки на кольца, расположенные на валу статора. Строение такого альтернатора показано на рис. 2.

Рис. 2. Строение синхронного генератора средней мощности

Обратите внимание на наличие щёток, на которые подаётся питания от независимого источника.

По количеству фаз синхронные генераторы делятся на:

однофазные;
двухфазные;
трёхфазные.

По конструкции ротора можно выделить генераторы с явновыраженными полюсами и с неявновыраженными. В неявнополюсном роторе отсутствуют выступы, а катушки провода якоря спрятаны в пазы статора.

По способу соединения фазных обмоток различают трёхфазные генераторы:

соединённые по шестипроводной системе Тесла (не нашли практического применения);
«звезда»;
«треугольник»;
сочетание шести обмоток, соединённых в виде одной «звезды» и «треугольника». Это соединение ещё называют «Славянка».

Самое распространённое соединение – «звезда» с нейтральным проводом.

Принцип работы

Рассмотрим принцип генерации тока на примере контурной рамки, помещённой между магнитными полюсами. (Рис. 3)

Рис. 3. Схема, объясняющая принцип работы генератора

Если заставить рамку вращаться (по направлению стрелок), то она будет пересекать магнитные силовые линии. При этом, по закону электромагнитной индукции, в рамке индуцируется электрический ток, который проявляется при подключении нагрузки к щёткам. Его направление можно определить по правилу буравчика. На схеме направление тока показано чёрными стрелками.

Обратите внимание на то, что на участках рамки ab и cd ток движется в противоположных направлениях. Эти направления меняются при переходе участков рамки от одного полюса к другому полюсу магнита. Если каждый вывод рамки подключить к отдельному кольцу (на рисунке они подключены к коллектору!), то на выходе мы получим переменный ток.

Величина тока пропорциональна скорости вращения ротора. Кроме того, переменный ток характеризуется ещё одним параметром – частотой. Эта величина напрямую зависит от частоты вращения вала.

Частота тока в электросетях строго соблюдается. В России и в ряде других стран она составляет 50 Гц, то есть 50 колебаний в секунду.

Этот параметр довольно легко вычислить из таких соображений: за один оборот рамки (или двухполюсного магнита) происходит одно изменение направления тока. Если вал синхронного генератора делает 1 оборот в секунду, то частота переменного тока составит 1 Гц. Для получения частоты 50 Гц необходимо обеспечить 50 оборотов статора в секунду или 3000 об./мин.

При возрастании числа полюсов заданная частота удерживается путём снижения скорости вращения статора. (обратно пропорциональная зависимость). Так, для четерёхполюсного статора (число полюсов в два раза больше) для поддержания частоты 50 Гц скорость вращения вала необходимо снизить в два раза. Соответственно если используется 6 полюсов, то частота вращения вала должна уменьшиться в три раза – до 1000 об./мин.

Заметим, что в некоторых странах, таких как США, Япония и др. существуют другие стандарты – 60 Гц, а переменный 400 Гц используется, например, в бортовой сети современных самолётов.

Регулирование частоты

Достигнуть требуемых параметров частоты можно 2 путями:

Сконструировать генератор с определённым количеством полюсов электромагнитов.
Обеспечить соответствующую расчётную частоту вращения вала.

Например, в тихоходных гидротурбинах, вращающихся со скоростью 150 об./мин. для регулирования частоты число полюсов синхронных генераторов увеличивают до 40. На дизельных электростанциях, при скоростях вращения 750 об./мин., оптимальное число полюсов – 8.

Регулирование ЭДС

В связи с изменениями параметров активных нагрузок возникает необходимость в выравнивании номинальных напряжений. Несмотря на то, что ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, однако, из-за требований по соблюдению стабильной частоты, этим способом нельзя изменять указанный параметр. Но параметры магнитной индукции можно изменить путём снижения или увеличения магнитного потока, который зависит от количества витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется путём включения в цепь катушек возбуждения дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока генератора-возбудителя (Рис. 4). В случае использования альтернаторов с постоянными магнитами, в таких устройствах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Рис. 4. Схема регулировки напряжения

Благодаря малому весу и отличным токовым характеристикам синхронные генераторы переменного тока нашли применение во всех современных автомобилях. Поскольку бортовая сеть авто использует постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оборудованы трехфазным выпрямителем. Для выпрямляемых переменных токов частота не имеет значения, а вот напряжение должно быть стабильно. Этого добиваются с помощью внешних электронных устройств. На рисунке 5 представлена электрическая схема подключения генератора к бортовой сети современного автомобиля.

Рис. 5. Схема подключения генератора к бортовой сети авто

Применение

У синхронных генераторов переменного тока есть одна важная особенность: они поддаются синхронизации с другими подобными электрическими машинами. При этом синхронные скорости и ЭДС параллельно включенных альтернаторов совпадают, а фазовый сдвиг равен нулю. Данное обстоятельство позволяет применять устройства в промышленной энергетике и подключать резервные генераторы при превышении номинальных мощностей в часы пиковых нагрузок.

Трёхфазные тяговые генераторы применяют на тепловозах. Переменные токи для питания двигателей выпрямляются полупроводниковыми устройствами. Сегодня в России уже выпускаются тепловозы на базе асинхронных электродвигателей, не требующих выпрямления тока. В режиме торможения они работают в качестве асинхронных генераторов.

Синхронные генераторы устанавливают на гибридных автомобилях с целью совмещения тяги ДВС и мощности тяговых электродвигателей. Развивая активную мощность при номинальных нагрузках, они позволяют экономить дорогое топливо.

Существует много других сфер применения. Например, мобильные мини-электростанции, бытовые генераторы тока, как однофазный двигатель и т. п.

Источник

Резонансный генератор-трансформатор и его схема

Резонансный трансформатор может быть использован в качестве трансформатора в науке, в связи, в промышленности и в других применениях. Суть изобретения заключается в том, что первичная и вторичные обмотки трансформатора размещаются симметрично относительно друг друга на противоположных частях замкнутого магнитопровода трансформатора так, что расстояние между ними равно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными и вторичными обмотками трансформатора равно /8=c/8f, где c — скорость света, а f — рабочая частота трансформатора и цепь первичной обмотки выполняется в виде резонансного контура так, что индуктивность первичной обмотки является частью резонансного контура и резонансная частота контура соответствует рабочей частоте f трансформатора.

Суть полезной модели: Суть полезной модели заключается в том, что первичная и вторичные обмотки трансформатора размещаются симметрично относительно друг друга на противоположных частях замкнутого магнитопровода трансформатора так, что расстояние между ними равно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными и вторичными обмотками трансформатора равно /8=c/8f, где c — скорость света, а f — рабочая частота трансформатора и цепь первичной обмотки выполняется в виде резонансного контура так, что индуктивность первичной обмотки является частью резонансного контура и резонансная частота контура соответствует рабочей частоте f трансформатора.

Описание полезной модели: Полезная модель относится к области электрических трансформаторов, преобразователей энергии и может быть использовано в качестве трансформатора в науке, связи, промышленности и других применениях. Прототипом являются электрические трансформаторы и резонансные контуры/цепи.

На фиг.1 варианты конструкции резонансного трансформатора; на фиг.2 варианты электрической схемы резонансного трансформатора; на фиг.3 условные графики сигналов тока I1 и магнитного поля B1 в первичной обмотке L1 выходного напряжения U2 во вторичных обмотках L2, L2.1, L2.2: 1 — замкнутый магнитопровод трансформатора; L1 — первичные обмотки трансформатора; L2, L2.1, L2.2 — вторичные обмотки трансформатора; U1 — внешний источник питания; A1 — схема управления; C — электрический конденсатор резонансного контура; РК — резонансный контур; Rнагрузка — внешняя нагрузка.

На фиг.1 показаны варианты конструкции трансформатора: на замкнутом магнитопроводе (1) трансформатора намотаны первичная обмотка L1, а вторичная обмотка L2 (или несколько вторичных обмоток L2.1, L2.2 и т.д.) размещаются симметрично относительно первичной обмотки L1 на противоположных частях замкнутого магнитопровода (1) трансформатора на расстоянии равном 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными обмотками и вторичными обмотками равна 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора S= /8=c/8f, где c — скорость света ( 300000000 м/с), f — рабочая частота трансформатора. Форма магнитопровода (1) трансформатора может быть любой (П-, Ш-образные, кольцевые или броневые сердечники и т.д.), форма сечения магнитопровода так же может быть любой.

На фиг.2 показаны варианты базовых электрических схем резонансного трансформатора. Первичная обмотка L1 включается в резонансный контур так, что индуктивность первичной обмотки L1 является частью резонансного контура, при этом резонансный контур настроен на рабочую частоту f трансформатора. Схема резонансного контура может быть любой: параллельный резонансный контур или любой другой резонансный контур (РК) при обеспечении частоты резонансного контура равной рабочей частоте f трансформатора и максимальной добротностью контура. Внешний источник переменного напряжения U может быть любым с фиксированной или управляемой схемой управления (A1) выходной частотой переменного напряжения равной рабочей частоте f трансформатора. Резонансный контур (РК) может быть переменным с фиксированной или управляемой схемой управления (A1) резонансной частотой контура (РК) равной рабочей частоте f трансформатора. Схема (A1) может быть любой при обеспечении регулирования частоты внешнего источника переменного напряжения U (управляемый генератор и т.п.) и обеспечении регулирования частоты резонанса резонансного контура (РК) (переменный конденсатор и т.п.).

При подключении внешнего источника переменного напряжения U к резонансному контуру (РК) и первичной обмотке L1 резонансного трансформатора в резонансном контуре возникнут колебания на рабочей частоте f трансформатора, так как частота внешнего источника переменного напряжения U и резонансная частота резонансного контура (РК) совпадают и равны рабочей частоте f трансформатора. Амплитуда колебаний напряжения в резонансном контуре будет равна амплитуде переменного напряжения U внешнего источника питания, а ток I1 циркулирующий в резонансном контуре и первичной обмотке L1 будет больше тока потребления от источника питания U и определяется добротностью резонансного контура (РК), что соответствует общеизвестному принципу работы параллельного резонансного контура. Ток потребления (мощность потребления) из источника питания U требуется для компенсации активных потерь в резонансном контуре (электрическое сопротивление и другие потери в элементах контура). Мощность в первичной обмотке L1 будет равна P=UI1, где U — напряжение источника питания, I1 — ток циркулирующий в резонансном контуре.

В момент времени t0 ток I1 в первичной обмотке L1 начинает возрастать (фиг.3) синхронно с током I1 начинает возрастать магнитное поле B1, создаваемое этим током. Магнитное поле B1 начинает распространяться со скоростью света, а так как вторичная обмотка B2 расположена на расстоянии 1/8 длины волны рабочей частоты f трансформатора, то магнитное поле B1 достигает вторичной обмотки L2 в момент времени t1 (наклонный курсив на графиках) и во вторичной обмотки L2 с момента времени t1 появляется ЭДС, которое создает напряжение U2 во вторичной обмотке L2. В момент времени t2 ток I1 в первичной обмотке L1 и магнитное поле B1 имеют максимальное значение, а магнитное поле B1 которое достигло вторичной обмотки L2 соответствует току I1 в первичной обмотке L1 на момент времени t1 (наклонный курсив на графиках), т.е. I1maxSin8( /4) и B1maxSin( /4). С момента времени t2 ток I1 в первичной обмотке L1 и магнитное поле B1 начинают уменьшаться. Магнитное поле B1 начинает «схлопываться» обратно в первичную обмотку L1, т.е. в момент времени t2 магнитное поле начинает уменьшаться одновременно в первичной обмотке L1 и во вторичной обмотке L2. Соответственно напряжение U2 во вторичной обмотке L2 тоже начинает уменьшаться. Ток I2 во вторичной обмотке L2 создает магнитное поле B2, которое направлено встречно магнитному полю B1. С момента времени t1 магнитное поле B2 начинает возрастать и распространяться со скоростью света, а так как первичная обмотка L1 расположена на расстоянии 1/8 длины волны рабочей частоты f трансформатора, то магнитное поле B2 достигает первичной обмотки L1 в момент времени t2, а так как в этот момент времени t2 магнитное поле B1 начинает уменьшаться во вторичной обмотке L2, то соответственно начинает уменьшаться ток I2 во вторичной обмотке L2 и начинает уменьшаться магнитное поле B2. Следовательно магнитное поле B2 достигнув первичной обмотки L1 в момент времени t2 сразу начинает уменьшаться не оказывая влияния на первичную обмотку L1. К моменту времени t3 магнитное поле B1 полностью покидает вторичную обмотку L2 и продолжает уменьшаться до нуля к моменту времени t4/t0.

Максимальная ЭДС (напряжение U2) во вторичной обмотке L2 соответствует току I1 в первичной обмотке L1 в момент времени t1, т.е. I1maxSin( /4), соответственно коэффициент трансформации резонансного трансформатора будет пропорционально меньше и равен k=W1Sin( /4)W2=w1/ 2w2, где w1 — количество витков в первичной обмотке L1, w2 — количество витков во вторичной обмотке L2.

Наибольшая эффективность резонансного трансформатора достигается при расстоянии между первичными и вторичными обмотками трансформатора равном точно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, но расстояние может быть в пределах от 1/8 до 1/4 длины волны рабочей частоты трансформатора с ухудшением эффективности до нуля при 1/4 длины волны или больше, т.к. магнитное поле B1 первичной обмотки L1 просто не будет «успевать» достичь вторичной обмотки L2 и создать в ней ЭДС (напряжение U2). При расстоянии меньшем 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, магнитное поле вторичной обмотки L2 начнет оказывать влияние на первичную обмотку L1 и соответственно будет изменяться резонансная частота резонансного контура, что так же ухудшает эффективность работы резонансного трансформатора.

Ближайшим аналогом являются стандартные трансформаторы переменного тока (http://ru.wikipedia.org/wiki/Трансформатор).

Преимуществом резонансного трансформатора является то, что в трансформаторе отсутствует влияние вторичных обмоток на первичную обмотку.

Вторым преимуществом является то, что он имеет малые массогабаритные размеры.

Резонансный трансформатор, состоящий из замкнутого магнитопровода с первичными и вторичными обмотками на нем, отличающийся тем, что первичные и вторичные обмотки трансформатора размещаются симметрично относительно друг друга на противоположных частях замкнутого магнитопровода трансформатора так, что расстояние между ними равно 1/8 длины волны рабочей частоты трансформатора, т.е. расстояние между первичными и вторичными обмотками трансформатора равно л/8=c/8f, где с — скорость света, a f — рабочая частота трансформатора, цепь первичной обмотки выполняется в виде резонансного контура так, что индуктивность первичной обмотки является частью резонансного контура и резонансная частота контура соответствует рабочей частоте f трансформатора.

Источник