Пристрій перетворення енергії статичної електрики

H02M9 / 02 - при постійному струмі на вході

Власники патенту RU 2504129:

Місюченко Ігор Леонідович (RU)
Герасимов Олександр Миколайович (RU)

Винахід відноситься до області перетворення електричної енергії, а саме до пристроїв перетворення статичної електрики в електричну енергію невеликих напруг при малих токах. Технічний результат полягає в створенні пристрою з високим ККД, простого і невеликих розмірів. Пристрій перетворення енергії статичної електрики містить послідовно з'єднані джерело статичної електрики, іскровий розрядник і понижуючий трансформатор. Паралельно первинній обмотці трансформатора, підключеного до розрядники, підключена перша ємність. Вихід вторинної обмотки трансформатора через другу ємність підключений до навантаження. Частота резонансу першого контуру, утвореного первинної обмоткою трансформатора і паралельно підключеного до обмотці першої ємністю, приблизно дорівнює частоті резонансу другого контуру, утвореного вторинною обмоткою і послідовно підключеної до вторинної обмотці другий ємністю. Запропонований пристрій може бути застосоване в широкому спектрі пристроїв використання енергії статичної електрики як побутових, так і промислових. 4 з.п. ф-ли, 3 мул.

Ефективне використання джерел статичної електрики в великій мірі залежить від пристрою перетворення цієї енергії в вид, придатний для використання і накопичення.

Відомі різні технічні рішення перетворювачів статичної електрики.

Недоліком таких способів перетворення за допомогою трансформатора є неможливість безпосереднього перетворення постійної напруги, великі габарити і маса пристрою, а також складність отримання високого коефіцієнта зниження напруги при збереженні прийнятного ККД. Дані конструкції перетворювачів недостатньо ефективні, так як можуть перетворювати незначну частину енергії статичної електрики.

Відомі технічні рішення для передачі електричної енергії, в яких енергія змінного струму перетворюється в високовольтну енергію електричних зарядів, далі енергія передається по мережі, а в місці споживання перетворюється в низьковольтну енергію змінного або постійного струму. У цих рішеннях головна увага звертається на проблему перетворення низьковольтної напруги в високовольтне, а для зворотного перетворення використовуються, зокрема, комутовані напівпровідникові прилади.

Недоліком цього пристрою є необхідність в високовольтних комутаторах і пристрої управління ними.

Відомий також патент RU 2255406 «Спосіб і пристрій для передачі електричної енергії» в якому передача електричної енергії здійснюється шляхом передачі резонансних коливань підвищеної частоти в ланцюзі, що складається з генератора підвищеної частоти і з двох трансформаторів Тесла, що підвищує і понижувального. Від високовольтної обмотки підвищувального трансформатора Тесла енергія за однопровідною лінії передається до понижувального трансформатора Тесла. Далі від низьковольтної обмотки понижувального трансформатора Тесла ток передається до входів мостового випрямляча і далі до навантаження. В даному винаході реалізовано пристрій передачі звичайної енергії на відстань, а не пристрій перетворення енергії статичної електрики в енергію постійного і змінного струму.

Таким чином, залишається актуальною задача створення пристрою перетворення енергії статичної електрики, яка мала б досить високий ККД, було простим і мало прийнятні габарити.

Пристрій перетворення енергії статичної електрики містить послідовно з'єднані джерело статичної електрики, іскровий розрядник і понижуючий трансформатор, при цьому паралельно первинній обмотці трансформатора, підключеного до розрядники, підключена перша ємність, а вихід вторинної обмотки трансформатора через другу ємність підключений до навантаження. Частота резонансу першого контуру, утвореного первинної обмоткою трансформатора і паралельно підключеного до обмотці першої ємністю приблизно дорівнює частоті резонансу другого контуру, утвореного вторинною обмоткою і послідовно підключеної до вторинної обмотці другий ємністю.

У цьому пристрої для перетворення високої напруги в низьке використовується резонансний трансформатор, тобто трансформатор, первинна та вторинна обмотки якого доповнені електричними ємностями таким чином, що представляють собою резонансні LC контури, настроєні на одну і ту ж частоту. Варіант такого трансформатора відомий як «трансформатор Тесла» і використовується, як правило, для підвищення напруги до дуже великих значень. В даному винаході трансформатор використовується зворотним чином, тобто для зниження дуже високих напруг до низької напруги. З метою узгодження вхідного опору пристрою з дуже високим внутрішнім опором електростатичних джерел енергії вхідний контур виконаний за схемою паралельного LC резонансу. При цьому його вхідний опір на частоті резонансу виявляється дуже велике. Щоб перетворювати напругу будь-якого джерела, вхідний контур підключений до джерела через іскровий розрядник, що забезпечує періодичний іскровий пробій ланцюга і, отже, імпульсний, тобто широкосмуговий струм, споживаний від джерела. При цьому в ланцюзі вхідного LC-контура після кожного іскрового пробою розвиваються затухаючі коливання резонансної частоти. В результаті явища резонансу сила струму в первинній обмотці резонансного трансформатора багаторазово зростає. За рахунок явища взаємоіндукції, цей струм індукує у вторинній обмотці трансформатора в N разів більший струм, ніж в первинній, де N - коефіцієнт трансформації, що залежить від співвідношення числа витків обмоток. Вихідний контур виконаний за схемою послідовного LC-резонансу, в його ланцюг послідовно включена навантаження. В результаті резонансу струмів в ньому ще раз відбувається збільшення сили струму. В результаті такого трехступенчатого збільшення струму і відповідного йому зниження напруги на виході пристрою формується значний струм при низькій напрузі.

Використання трансформатора Тесла, для пристрою перетворення енергії статичної електрики в низьковольтну енергію змінного або постійного струму не відомо. Такий понижуючий трансформатор застосовується в RU2255406 в пристрої передачі енергії, але там він працює в єдиному контурі з підвищує трансформатором. Тому в пристрої за патентом мова йде не про перетворення статичної електрики, а про передачу реактивної потужності по лініях електропередач. Саме тому в цьому пристрої немає іскрового розрядника, який необхідний для створення імпульсного, широкосмугового струму.

В окремому випадку понижуючий трансформатор може бути виконаний як високовольтний трансформатор без сердечника, який працює на порівняно високих частотах. Це дозволяє знизити розміри і масу трансформатора і виключає втрати енергії в осерді.

У деяких варіантах виконання пристрою першої ємністю може бути власна ємність первинної обмотки трансформатора.

Як навантаження може використовуватися послідовно включені випрямляч і конденсатор, наприклад суперконденсатор. Для обмеження струму в низьковольтної ланцюга після згаданого випрямляча може бути підключений обмежувач напруги.

Залежно від того, для яких первинних джерел статичної електрики використовується даний пристрій, воно може містити іскровий розрядник фіксованого напруги розряду, або іскровий розрядник з регульованою напругою розряду.

Якщо пристрій застосовується в умовах, коли накопичувач статичної електрики працює в умовах, коли енергія змінюється в часі і по потужності заряду не за постійним законом, іскровий розрядник може бути виконаний з можливістю регулювання напруги розряду. В цьому випадку досягаються кращі умови використання енергії, з більш високим ККД. Таким чином, параметри іскрового розрядника повинні бути узгоджені з параметрами накопичувача. Для управління характеристиками іскрового розрядника в пристрій може бути додатково введена схема управління напругою розряду іскрового розрядника, що включає схему вимірювання напруги джерела статичної електрики.

Винахід пояснюється малюнками.

На Фиг.1 показана електрична схема пристрою з навантаженням, розрахованої на змінний струм.

На Фіг.2 показана електрична схема пристрою з випрямлячами, стабілізатором напруги і навантаженням, розрахованої на постійний струм.

На Фіг.3 наведена структурна схема управління напругою розряду іскрового розрядника.

Пристрій перетворення енергії статичної електрики (Фиг.1) містить джерело 1 статичної електрики, іскровий розрядник 10 і понижуючий трансформатор 3. Паралельно первинній обмотці трансформатора підключена перша ємність 2. Частота резонансу першого контуру, утвореного первинної обмоткою трансформатора 3 і паралельно підключеного до обмотці першої ємністю 2 приблизно дорівнює частоті резонансу другого контуру, утвореного вторинною обмоткою і послідовно підключеної до вторинної обмотці другий ємністю 4. Вих д вторинної обмотки трансформатора 3 через другу ємність 4 підключений до навантаження 5. Як навантаження 5 може використовуватися будь-яке навантаження, що працює на змінному струмі.

На Фіг.2 показана схема пристрою для отримання енергії постійного струму. Пристрій містить джерело 1 статичної електрики, іскровий розрядник 10 і понижуючий трансформатор 3. Паралельно первинній обмотці трансформатора підключена перша ємність 2. Вихід вторинної обмотки трансформатора 3 через другу ємність 4 підключений до випрямляча 6, який підключений до накопичувача, конденсатору 8, в окремому випадку до суперконденсаторів. Дале навантаження 5 може бути підключена через вимикач 9.

Дана схема, як і схема на Фиг.1 може бути використана як в малопотужних пристроях, так і в пристроях досить великої потужності.

Трансформатор 3 використовується для зниження дуже високих напруг до величин в одиниці-десятки вольт.Для того щоб розміри і маса перетворювача були б прийнятними, а також для того, щоб уникнути втрат в осерді, резонансний трансформатор виконується, як правило, без сердечника і працює на порівняно високих частотах (зазвичай десятки-сотні кілогерц). Як іскрового розрядника може бути використаний вакуумний і / або газонаповнений розрядник, а в найпростішому випадку іскровий проміжок між електродами.

Пристрій може перетворювати енергію статичної електрики з постійним або змінним високою напругою (тисячі - сотні тисяч вольт) при малих токах (мікроампери-сотні мікроампер), в енергію з відносно низькою напругою (одиниці-десятки вольт) при порівняно великих токах (десятки міліампер - ампер ).

Пристрій працює наступним чином.

До джерела статичної електрики 1 підключений іскровий розрядник 10 (Фіг. Фиг.2). При досягненні напруги розряду Up відбувається розряд струму, і виникають коливання струму і напруги з широким спектром. Однак для коливань з частотами, що лежать поблизу частоти резонансу вхідного контуру, що складається з вхідних обмотки трансформатора 3 і конденсатора 2, повний імпеданс контуру виявляється високий, в результаті чого в ланцюзі переважають коливання струму і напруги частоти резонансу контуру. Трансформатор 3 перетворює ці коливання на вторинному контурі в коливання струму підвищеної сили при напрузі зниженою амплітуди.

Схема управління напругою розряду іскрового розрядника, включає схему 11 вимірювання напруги джерела статичної електрики і власне схему 12 управління напругою розряду іскрового розрядника. При зміні параметрів джерела 1 статичної електрики, зокрема різкого зниження швидкості наростання його напруги, схема вимірювання дає команду на зниження напруги розряду Up, наприклад, шляхом перемикання з одного розрядника на розрядник зі зниженим напругою розряду. При цьому сама резонансна частота контурів також може змінюватися, наприклад зміною ємності конденсаторів 2 і 4. Таким чином, пристрій може підтримувати оптимальні параметри перетворення енергії статичної електрики в залежності від зміни параметрів джерела 1.

Запропонований пристрій може бути застосоване в широкому спектрі пристроїв використання енергії статичної електрики, як побутових, так і промислових.

1. Пристрій перетворення енергії статичної електрики, що містить послідовно з'єднані джерело статичної електрики, іскровий розрядник і понижуючий трансформатор, при цьому паралельно первинній обмотці трансформатора, підключеного до розрядники, підключена перша ємність, а вихід вторинної обмотки трансформатора через другу ємність підключений до навантаження, при цьому частота резонансу першого контуру, утвореного первинної обмоткою трансформатора і паралельно підключеного до обмотці першої ємністю, примерн про дорівнює частоті резонансу другого контуру, утвореного вторинною обмоткою і послідовно підключеної до вторинної обмотці другий ємністю, при цьому іскровий розрядник виконаний з можливістю регулювання напруги розряду і містить схему управління напругою розряду іскрового розрядника, що включає схему вимірювання напруги джерела статичної електрики.

2. Пристрій за п.1, що відрізняється тим, що згаданий понижуючий трансформатор виконаний як високовольтний трансформатор без сердечника.

3. Пристрій за п.1, що відрізняється тим, що згаданою першою ємністю є власна ємність первинної обмотки трансформатора.

4. Пристрій за п.1, що відрізняється тим, що в якості навантаження використовується послідовно включені випрямляч і конденсатор, наприклад суперконденсатор.

5. Пристрій за п.4, що відрізняється тим, що після згаданого випрямляча підключений обмежувач напруги.