схема для передачи усиленной резонансной мощности на нагрузку

Формула изобретения

1. Схема для передачи усиленной резонансной мощности на нагрузку, включающая

источник электропитания для производства и подачи напряжения или тока;

усилитель мощности для генерирования усиленной резонансной мощности, используя напряжение или ток; и

модуль передачи мощности для передачи усиленной резонансной мощности на нагрузку с использованием трансформатора,

отличающаяся тем, что

полное сопротивление отражения со стороны первичной обмотки трансформатора имеет такую относительно небольшую величину, что усилитель мощности способен поддерживать резонанс, при этом активное сопротивление отражения (R₂₁ ) полного сопротивления отражения (Z₂₁) меньше, чем эквивалентное индуктивное сопротивление (XL₁) со стороны первичной обмотки трансформатора, передающего резонансную мощность, а реактивное сопротивление (X₂₁) составляет менее 0,5 от эквивалентного индуктивного сопротивления (XL₁ ) со стороны первичной обмотки трансформатора.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что источник электропитания выбран из группы: источник напряжения переменного тока, источник тока переменного тока, источник напряжения постоянного тока и источник тока постоянного тока.

3. Схема по п.1, отличающаяся тем, что усилитель мощности включает первичную обмотку трансформатора и конденсатор, соединенный с первичной обмоткой последовательно или параллельно, выполненные с возможностью накапливать усиленную резонансную мощность в первичной обмотке.

4. Схема по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью усиливать мощность за счет использования параллельного резонанса и передавать усиленную резонансную мощность на нагрузку таким образом, чтобы потребление электроэнергии нагрузкой было снижено.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к схеме усилителя мощности и передачи мощности. В частности, это изобретение относится к схеме, которая может передавать усиленную резонансную мощность, генерируемую обмоткой обычного трансформатора, когда формируется последовательный или параллельный резонанс, на нагрузку через обычный трансформатор.

Предшествующий уровень техники

Источник электропитания производит электроэнергию и подает произведенную электроэнергию на нагрузку, которая соединена с ним непосредственно. Примером такого источника электропитания является электрический генератор. Когда такой электрический генератор производит электроэнергию, трансформатор преобразует эту электроэнергию в напряжение или электрический ток, согласованный с сопротивлением нагрузки, и подает его на нагрузку.

В соответствии с обычным способом подачи электроэнергии независимый источник электропитания, используемый как первичный источник электропитания, подает электроэнергию непосредственно на нагрузку. Это означает, что потребляемая мощность нагрузки обеспечивается непосредственно независимым источником электропитания.

Таким образом, в обычном способе подачи электроэнергии используется только независимый источник электропитания, который подает электроэнергию непосредственно на нагрузку. Это значит, что не известен способ, где электрическая мощность, обеспечиваемая независимым источником питания, усиливается, а затем подается на нагрузку.

Поэтому, если до подачи электрической мощности от источника электропитания на нагрузку, она усиливается, а затем подается на нагрузку, потребляемая электрическая мощность может быть снижена. Т.е., такая идея может стать ориентиром в промышленности.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема

Настоящее изобретение предлагается с точки зрения существования вышеуказанных проблем, а целью настоящего изобретения является обеспечение схемы для передачи усиленной резонансной мощности на нагрузку, которая способна передавать резонансную мощность, усиленную в Q раз, генерируемую обмоткой обычного трансформатора, когда формируется последовательный или параллельный резонанс обычного источника электропитания, через обычный трансформатор, тем самым подавая большее количество электроэнергии на нагрузку, чем может обычная схема, включая обычное устройство источника электропитания, имеющего обычные функции.

Техническое решение

В соответствии с аспектом настоящего изобретения вышеуказанные и другие цели могут быть достигнуты предлагаемой схемой для передачи усиленной резонансной мощности на нагрузку, включающей: источник электропитания для производства и подачи напряжения или тока; усилитель мощности для генерирования усиленной резонансной мощности, используя напряжение или ток; и модуль передачи мощности для передачи усиленной резонансной мощности на нагрузку с использованием трансформатора.

Предпочтительно, когда источник электропитания выбран из группы: источник напряжения переменного тока, источник тока переменного тока, источник напряжения постоянного тока и источник тока постоянного тока.

Предпочтительно, когда усилитель мощности включает: первичную обмотку трансформатора; конденсатор, соединенный с первичной обмоткой последовательно или параллельно. Здесь, усиленная резонансная мощность накапливается в первичной обмотке.

Предпочтительно, когда полное сопротивление отражения со стороны первичной обмотки трансформатора имеет такую относительно небольшую величину, что усилитель мощности может поддерживать резонанс.

Краткое описание чертежей

Вышеуказанная и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения будут более ясно понятны из последующего подробного описания со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых представлено следующее.

Фиг.1 - схематичная блок-схема варианта осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид, иллюстрирующий схему, которая передает усиленную резонансную мощность, генерируемую в последовательном резонансе, на нагрузку, по варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 - эквивалентные принципиальные схемы трехфазного синхронного электрогенератора по варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4а и фиг.4b - эквивалентные принципиальные схемы последовательной и параллельной резонансных схем соответственно по варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.5 - эквивалентная принципиальная схема трансформатора по варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.6а и 6b - эквивалентные принципиальные схемы, на которых трансформатор соединен с нагрузкой в последовательном резонансе по варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 - поясняющий вид, иллюстрирующий трансформатор, используемый в варианте осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 - эквивалентная принципиальная схема для схемы эксперимента усиления/передачи электрической мощности по варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.9 - эквивалентные принципиальные схемы для схемы, используемой в эксперименте по настоящему изобретению.

Фиг.10 - принципиальная схема, где нагрузка соединена с источником электропитания напрямую в соответствии с экспериментом по настоящему изобретению.

Фиг.11 - эквивалентная принципиальная схема конечного трансформатора для передачи электрической мощности в соответствии с экспериментом по настоящему изобретению.

Фиг.12 - эквивалентная принципиальная схема резонансного источника напряжения для передачи электрической мощности в соответствии с экспериментом по настоящему изобретению.

Фиг.13 - эквивалентная принципиальная схема резонансного источника тока для передачи электрической мощности в соответствии с экспериментом по настоящему изобретению.

Фиг.14 - эквивалентная принципиальная схема трансформатора передачи электрической мощности для домашних электроприборов в соответствии с экспериментом по настоящему изобретению.

Фиг.15 - эквивалентная принципиальная схема резонансного источника тока для передачи электрической мощности для домашних электроприборов с целью снижения потребления электроэнергии нагрузкой в соответствии с экспериментом по настоящему изобретению.

Лучший вариант осуществления изобретения

Предпочтительные варианты осуществления схемы для передачи усиленной резонансной мощности, разработанной с включением в нее вышеуказанных средств, а также ее действие будет описано подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Как показано на фиг.1, схема по настоящему изобретению разработана так, что включает: источник электропитания 10 для производства и подачи электроэнергии на усилитель мощности 20, предназначенный для создания резонанса мощности, полученной от источника электропитания 10, для генерирования усиленной резонансной мощности и ее сохранения в нем; и модуль передачи мощности 30 для передачи усиленной резонансной мощности усилителя мощности 20 на нагрузку 40.

Источник электропитания 10 подразумевает универсальный независимый источник электроэнергии. Такой универсальный независимый источник электропитания используется в такой манере, что его выходное напряжение увеличивается или уменьшается до напряжения, которое необходимо для нагрузки, с помощью трансформатора и т.п., а затем подается на нагрузку. Однако в настоящем изобретении источник электропитания 10 функционирует просто как сопутствующая цепь, которая подает ток или напряжение на усилитель мощности 20 так, чтобы усилитель мощности 20 мог усиливать мощность на базе тока или напряжения. Источник электропитания 10 не производит или не подает электроэнергию непосредственно на нагрузку.

Независимый источник электроэнергии, функционирующий в качестве источника электропитания 10, может быть выполнен в виде источника переменного тока или источника постоянного тока. Источник переменного тока включает источник напряжения переменного тока и источник тока переменного тока. Источник постоянного тока включает источник напряжения постоянного тока и источник тока постоянного тока. Когда независимый источник электроэнергии выполнен в виде источника постоянного тока, выходной ток источника постоянного тока может быть преобразован в переменный ток с помощью инвертора.

Усилитель мощности 20 производит усиленную резонансную мощность, используя напряжение или ток источника электропитания 10. В варианте осуществления настоящего изобретения усиленная резонансная мощность передается на нагрузку через трансформатор. В частности, усилитель мощности 20 производит усиленную резонансную мощность, используя первичную обмотку трансформатора в качестве индуктора, и осуществляет ее накопление в этой первичной обмотке.

Здесь, усилитель мощности 20 сконфигурирован, чтобы включать в себя первичную обмотку трансформатора и конденсатор, соединенный с первичной обмоткой последовательно или параллельно. Здесь, усилитель мощности 20 создает резонанс и усиливает мощность, обеспеченную источником электропитания 10, а затем накапливает ее в этой обмотке.

Усилитель мощности 20 соединяет обмотку с индуктивностью (L) и конденсатором (C), которые являются электрическими частями для накопления энергии, с источником электропитания 10 и позволяет индуктивности обмотки (L) и конденсатору (C) работать синхронно с частотой источника электропитания и формировать последовательный или параллельный резонанс. Поэтому, мощность источника электропитания усиливается в Q раз, а затем накапливается в обмотке (L) и конденсаторе (С).

Когда последовательный резонанс формируется у источника напряжения V_g, напряжение, усиленное в Q раз, т.е. Q·V_g [В], подается на обмотку. Здесь, последовательная резонансная мощность P_s генерируется за счет тока резонанса I₀, протекающего в обмотке, так что P_s=Q·V_g·I₀ [Вт].

С другой стороны, когда формируется параллельный резонанс, ток I_g, усиленный в Q раз, т.е. Q·I _g [А], протекает по обмотке. Здесь, генерируется параллельная резонансная мощность V_p за счет напряжения V_p между двумя выводами, так что Р_р=Q·I_g ·V_p [Вт].

Также, при использовании последовательного или параллельного резонанса, обмотка для резонанса накапливает в себе входную мощность Р в Q раз больше. Здесь, тип резонанса может выбираться в соответствии с целью проектирования схемы. Также, здесь, мощность, генерируемая в обмотке, является реактивной мощностью и, для удобства, обозначается как мощность P.

Усиленная резонансная мощность, сгенерированная усилителем мощности 20, подается на нагрузку 40 модулем передачи мощности 30, содержащим обычно используемый трансформатор.

Модуль передачи мощности 30 передает мощность, усиленную в Q раз усилителем мощности 20, с помощью трансформатора на нагрузку. Чтобы передать мощность максимально, предпочтительно, когда коэффициент связи близок к 1.

Когда формируется последовательный резонанс, напряжение V₂ на стороне вторичной обмотки трансформатора, которое далее упоминается как вторичное напряжение V₂, может быть рассчитано по нижеследующей формуле, базирующейся на принципе работы трансформатор, где принимается, что ток I₂ на стороне вторичной обмотки, который далее упоминается как вторичный ток I₂, равен 0:

V₂=k·V₁/n=k·Q·V_g /n=(Q/n)·k·V_g,

где Q - коэффициент качества схемы; n - коэффициент трансформации трансформатора; k - коэффициент связи; V_g - напряжение источника электропитания; V₁ - напряжение между двумя выводами обмотки в последовательном резонансе.

Когда трансформатор работает, вторичный ток I₂ протекает по вторичной обмотке трансформатора. Затем, полное сопротивление отражения Z₂₁ отражается со стороны вторичной обмотки трансформатора на первичную обмотку, тем самым гася резонанс на стороне первичной обмотки.

Поэтому, полное сопротивление отражения со стороны первичной обмотки, далее упоминаемое как первичное полное сопротивление отражения, выбирается относительно небольшим, чтобы поддерживать резонанс в усилителе мощности 20. В настоящем изобретении выводятся формула для передачи напряжения ко вторичной обмотке и формула для настройки полного сопротивления отражения Z₂₁, когда резонанс сформирован, и затем применяются для разработки схемы. Поэтому, настоящее изобретение позволяет передачу усиленной резонансной мощности на нагрузку без потерь, базируясь на принципах работы трансформатора.

Нагрузка 40 является схемой, которая обеспечивается мощностью, усиленной в Q раз у первичной обмотки трансформатора. Когда вторичный ток I₂ равен нулю, резонанс со стороны первичной обмотки нарушается из-за полного сопротивления трансформатора. Для предотвращения этого, полное сопротивление отражения Z₂₁ должно быть настроено, а сопротивление R₀ нагрузки должно быть оптимально подобрано, чтобы поддерживать резонанс со стороны первичной обмотки.

Вариант осуществления для схемы по настоящему изобретению, которая передает усиленную резонансную мощность на нагрузку и сконструирована как описано выше, проиллюстрирован на фиг.2. Как показано на фиг.2, эта схема включает: источник электропитания 10, имеющий источник напряжения (V_g) переменного тока и внутреннее сопротивление (R_g); усилитель мощности 20, включающий первичную обмотку (L₁) трансформатора и конденсатор (С₁), последовательно соединенный с первичной обмоткой (L₁); модуль передачи мощности 30, включающий трансформатор; и нагрузку (R₀), на которую подводится усиленная резонансная мощность с помощью модуля передачи мощности 30.

На фиг.3 показаны эквивалентные принципиальные схемы трехфазного синхронного электрогенератора по варианту осуществления настоящего изобретения. На этих схемах, jX_S обозначает реактивное сопротивление электрогенератора, a R₁ обозначает активное сопротивление обмотки. По настоящему изобретению мощность передается на нагрузку следующим способом: чтобы применить к схеме эквивалентную схему для однофазного генерирования электроэнергии, добавлен конденсатор к этой схеме, а мощность усиливается за счет использования резонанса; и усиленная резонансная мощность непосредственно подается на нагрузку с использованием принципа работы трансформатора. Поэтому, по настоящему изобретению на нагрузку передается усиленная мощность. С другой стороны, обычный источник электропитания соединен с нагрузкой и передает на нее мощность напрямую.

На фиг.4а и фиг.4b показаны схемы, иллюстрирующие однофазную эквивалентную принципиальную схему электрогенератора, в которой последовательный или параллельный резонанс используется для усиления электрической мощности. Такая схема сконфигурирована с включением в нее источника электропитания 10 и усилителя мощности 20.

Как показано на фиг.4а, в этой схеме, в которой применяется последовательный резонанс, если пренебречь активным сопротивлением обмотки R₁ , то коэффициент качества Q_s выражается как Q _s= L₁/R_g, где R_g обозначает внутреннее сопротивление источника электропитания, a R₁ обозначает активное сопротивление потерь обмотки. Здесь, коэффициент Q_s схемы обычно выше 10. Также, напряжение V₁ между двумя выводами обмотки (L₁) в последовательном резонансе выражается как V₁=Q_s·V _g.

Здесь, мощность P₁, накопленная в обмотке (L₁), выражается следующим образом:

P₁=V₁·I₀=Q_s·V _g·I₀=Q_s·V_g ²/R_g,

где I₀ =V_g/R_g (I₀ - ток резонанса).

Также, мощности источника электропитания P_g в последовательном резонансе выражается как P_g=V _g·I₀=V_g ²/R_g. Поэтому, P₁=Q _s·P_g. Это уравнение показывает, что обмотка (L₁) в последовательном резонансе выдает Q_s -кратную выходную мощность.

Как показано на фиг.4b, в этой схеме, в которой применяется параллельный резонанс, подобно как в схеме последовательного резонанса, Q-кратная мощность подается на оба вывода обмотки. Поскольку такое усиление мощности в схеме параллельного резонанса подобно усилению схемы последовательного резонанса, как было описано выше, его описание будет опущено.

На фиг.5 показана эквивалентная принципиальная схема трансформатора, использованного в модуле передачи мощности 30, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Когда трансформатор модуля передачи мощности 30 считается идеальным, входная мощность P₁ на первичной обмотке может быть передана на вторичную обмотку без потерь. Поэтому, мощность Р₂ становится равной входной мощности P ₁, т.е. P₁=P₂. Однако, когда учитывается коэффициент связи k и коэффициент трансформации n, характеристики вторичной обмотки выражаются следующим образом (здесь, активным сопротивлением обмотки пренебрегаем):

V₂ =k·V₁/n,

I₂=k·n·I ₁,

P₂=V₂·I ₂=k²·P₁.

С другой стороны, когда существует внутреннее сопротивление R_g источника электропитания, а вторичный ток I₂ не равен нулю, поскольку нагрузка, имеющая сопротивление R₀ , соединена со вторичной обмоткой трансформатора, полное сопротивление отражения Z₂₁ действует со стороны первичной обмотки. Здесь, полное сопротивление отражения Z₂₁ может быть выражено как Z₂₁=-(sM)²/Z₂₂=R ₂₁+jX₂₁ [Ом].

На фиг.6а и 6b показаны эквивалентные принципиальные схемы со стороны первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно, где резонансная мощность, усиленная последовательным резонансным контуром, показанным на фиг.4а, передается на вторичную обмотку трансформатора на базе принципа работы трансформатора, как показано на фиг.5.

Как показано на фиг.6b, в эквивалентной принципиальной схеме со стороны вторичной обмотки трансформатора, I₁ обозначает первичный ток, a Z₁₂ обозначает взаимоиндуктивность.

Как показано на фиг.6а, когда схема источника питания со стороны первичной обмотки сконфигурирована, чтобы быть последовательным резонансным контуром, а нагрузка соединена со схемой со стороны вторичной обмотки, полное сопротивление отражения Z₂₁ появляется в резонансном контуре со стороны первичной обмотки. Когда эта схема разработана так, что полное сопротивление отражения Z₂₁ слабо воздействует на резонансный контур со стороны первичной обмотки, резонансный контур поддерживает собственный резонанс. Затем, мощность, усиленная за счет такого резонанса, передается на вторичную обмотку на базе принципа работы трансформатора, чтобы усиленная мощность могла быть подана на нагрузку.

Далее следует подробное описание образцовых экспериментов, подтверждающих возможность осуществления вышеописанных вариантов по настоящему изобретению.

На фиг.7 показан вид, иллюстрирующий трансформатор, использованный в практическом эксперименте для варианта осуществления настоящего изобретения. Трансформатор сконструирован так, что за счет способа, которым обмотки навиты вокруг ферритового сердечника, формируются первичная и вторичная обмотки, индуктивное сопротивление каждой из которых составляет 348 мГн, а коэффициент трансформации составляет n=1. Также, этот трансформатор работает в последовательном резонансе. Здесь, сопротивление постоянному току обмотки составляет 2,8 Ом, а коэффициент связи составляет k=0,742.

Также, для эксперимента с трансформатором с фиг.7, в качестве источника электропитания переменного тока использовался сигнал-генератор Tektronix CFG 280, полное внутреннее сопротивление которого составляет 50 Ом, и использовалась частота последовательного резонанса 304 кГц. Осциллограф Tektronix TDS 220 использовался в качестве вольтметра.

На фиг.8 показана эквивалентная принципиальная схема для схемы эксперимента усиления/передачи электрической мощности по варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.9а и 9b показаны эквивалентные принципиальные схемы со стороны первичной и вторичной обмоток в эквивалентной схеме с фиг.8.

В эквивалентной схеме со стороны первичной обмотки, показанной на фиг.9а, эквивалентное сопротивление R_T может быть выражено как R_T=R_g+R₁+R ₂₁. Здесь, когда нагрузка (R₀) присоединена к схеме, коэффициент качества Q_s может быть выражен как Q_s=XL₁/R_T. Таким образом, чем меньше полное активное сопротивление отражения R₂₁ , тем лучше происходит усиление мощности.

Поэтому, если полное сопротивление отражения Z₂₁ минимизируется со стороны первичной обмотки для поддержания резонанса еще на стадии проектирования схемы, усиленная резонансная мощность передается на вторичную обмотку практически без потерь на базе принципа работы трансформатора, так что напряжение и ток, соответствующие переданной мощности, могут возникнуть со стороны вторичной обмотки. Соответственно, напряжение на первичной обмотке, усиленное последовательным резонансом, становится равным Q_s·V_g , а напряжение на вторичной обмотке V₂ выражается как V₂=(Q_s/n)·k·V_g . Когда коэффициент связи k равен 1 и коэффициент трансформации n равен 1, вторичное напряжение V₂ усиливается в Q раз по отношению к напряжению источника электропитания V _g и затем передается на нагрузку, соединенную со вторичной обмоткой.

Поскольку вторичный ток I₂ равен I₂=k·n·I₁, когда n=1 и k=1, то I₂=I₁. Здесь, I₁ является током резонанса первичной обмотки и передается на вторичную обмотку без потерь.

Поэтому, мощность Р₂, переданная на вторичную обмотку, выражается следующей формулой:

Р₂=V₂·I₂=(Q_s /n)·k·V_g·n·k·I₁ =Q_s·k²·V_g·I ₁=Q_s·k²·P₁.

Согласно вышеуказанной формуле для Р₂, входная мощность, усиленная в Q_s раз, передается на вторичную обмотку, когда резонанс формируется с коэффициентом k=1. На нагрузку непосредственно не поступает электроэнергия от источника электропитания, а поступает резонансная мощность, усиленная усилителем мощности, который расценивается как главный источник электропитания. Таким образом, источник электропитания функционирует как триггер (вспомогательная цепь), позволяющий поддерживать такой резонанс.

В экспериментальных схемах, показанных на фиг.9а и 9b, когда сопротивление нагрузки R₀ принимается равным 170 кОм, полное сопротивление отражения Z₂₁ выражается следующим образом:

Z₂₁=-(sM)²/Z₂₂=l,43-j5,6·(10) ^-3[Oм]=R₂₁+jX₂₁ [Ом].

Выше принято: R_g=50 Ом, R₀=170 кОм, XL ₁=665 Ом, XL₂=665 Ом, k=0,742 и n=1.

Как видно из этого уравнения, поскольку активное сопротивление отражения R₂₁=l,43 Ом является относительно меньшим, чем внутреннее активное сопротивление R_g=50 Ом, оно слабо оказывает влияние на коэффициент Q_s. Также, поскольку емкостное реактивное сопротивление отражения Х ₂₁=5,6·(10)^-3 Ом является относительно меньшим, чем индуктивное реактивное сопротивление, равное 665 Ом, со стороны первичной обмотки, то резонанс может поддерживаться постоянно.

В таблице 1 показаны экспериментальные данные измерений согласованной мощности, подаваемой на нагрузку (R₀) с использованием резонансного контура источника электропитания, внутреннее активное сопротивление которого R _g составляет 50 Ом, а напряжение составляет 1 В. Здесь, данные получены при коэффициенте связи k=0,742. Однако, когда коэффициент связи k равен единице, то V₂=V₁ и мощность, подаваемая на нагрузку, приведена в следующей таблице. Здесь, реактивным сопротивлением XL₂ пренебрегаем, т.к. R₀»XL₂, когда мощность подается на нагрузку.

Таблица 1 Экспериментальные данные измерений мощности в соответствии с изменениями нагрузки в эквивалентной схеме с фиг.8
Сопротивление нагрузки, R0, Ом	Коэффициент качества, Qs	Первичное напряжение, V1,B	Вторичное напряжение, V2=0,742V1, В	Согласованная мощность нагрузки, P0=V22/R0, мВт	Сопротивление отражения, R21, Ом
1М	8,97	8,97	6,65	42,9	0,24
170К	8,80	8,80	6,55	252,3	1,43
10К	6,56	6,56	4,92	2420,6	24,34
1,2К	2,40	2,40	1,72	2465,3	202,89
870	1,93	1,93	1,34	2063,9	279,85

В этой таблице: V_g =1 В, k=0,742 и n=1.

В таблице 1, поскольку напряжение источника электропитания V_g равно 1 В, величина коэффициента качества схемы Q_s эквивалентна величине напряжения V₁, приложенного к индуктору в виде первичной обмотки (L₁).

Поэтому, напряжение V₂ , передаваемое на вторичную обмотку, равно k·V₁ .

Также, когда I₂=0, коэффициент качества Q_s со стороны первичной обмотки выражается как Q _s=XL₁/(R_g+R₁)=665 [Ом]/52,8 [Ом]=12,59. Здесь используется, что внутреннее сопротивление R_g составляет 50 Ом, а активное сопротивление постоянному току первичной обмотки составляет 2,8 Ом.

Поскольку в случае, когда сопротивление нагрузки R₀ составляет 1 МОм, что подобно случаю, когда I₂=0, Q_s должно составлять 12,59 согласно теоретической величине, однако, как приведено в таблице 1, величина измерения в эксперименте составляет 8,97. Т.о., расчетный результат для Q_s снижается из-за сопротивления, связанного с высокой частотой в обмотке и активным сопротивлением постоянному току обмотки.

Поэтому, на базе такого результата, эффективное сопротивление R_eff схемы со стороны первичной обмотки может быть рассчитано как R_eff=XL₁/Q_s=667 [Ом]/8,97=-74,1 Ом. Т.о., экспериментальная схема может расцениваться как действующая в состоянии, когда эффективное сопротивление R_eff схемы составляет R_eff=74,1 Ом, а внутреннее сопротивление R_g источника электропитания составляет 50 Ом. Таблица 1 показывает, что коэффициент качества Q_s в соответствии с изменением сопротивления нагрузки R₀ определяется как XL₁/(R_eff+R₂₁ ), т.е. Q_s=XL₁/(R_eff+R₂₁ ).

Таблица 1 показывает, что когда сопротивление нагрузки R₀ составляет 1,2 кОм, активное сопротивление отражения R₂₁ составляет 202,89 Ом, а усиление напряжения составляет примерно 2,4. Поэтому, разработанная с такими условиями, работает таким образом, что когда сопротивление нагрузки R ₀ возрастает, активное сопротивление отражения R₂₁ и полное сопротивление отражения Z₂₁ снижаются, но коэффициент качества Q_s при этом возрастает.

В таблице 2 приведены величины, рассчитанные по формуле, когда коэффициент связи задан как 1 в резонансной эквивалентной схеме, показанной на фиг.8.

Таблица 2 Теоретические величины при k=1 в эквивалентной схеме с фиг.8
Сопротивление нагрузки, R0, Ом	Коэффициент качества, QS	Первичное напряжение, V1, B	Вторичное напряжение, V2=0,742V1, В	Согласованная мощность нагрузки,P0=V22/Ro, мВт	Сопротивление отражения, R21, Ом
1М	8,93	8,93	8,93	79,7	0,44
170К	8,67	8,67	8,80	442	2,6
10К	5,62	5,62	5,62	3158	44,21
1,2К	1,50	0,83	0,83	577	368,51
870	1,14	0,75	0,75	651	508,30

В этой таблице: V _g=1 В, k=1 и n=1.

В таблице 2, поскольку активное сопротивление отражения R₂₁ изменяется в соответствии с изменением сопротивления нагрузки R₀ при k=1, когда каждое R₀ в таблицах 1 и 2 составляет 1,2 кОм или 870 Ом, согласованная мощность, обеспеченная на нагрузке (R₀), снижается больше, чем в случае, когда k=0,742. Такой результат получается потому, что параметры, использованные для полного сопротивления отражения Z₂₁, такие как коэффициент связи k, сопротивление нагрузки R₀, коэффициент трансформации n и реактивное сопротивление XL₁, связаны с конструкцией схемы для передачи резонансной мощности.

Таблица 3 показывает сравнение величины согласованной мощности на нагрузке (R₀), когда нагрузка (R₀) непосредственно соединена с источником напряжения, с величиной согласованной мощности на нагрузке (R₀), когда нагрузка присоединена к экспериментальной схеме для усиления мощности, при напряжении источника электропитания 1В, как показано на фиг.8.

На фиг.10 показана принципиальная схема, где источник электропитания напрямую соединен с нагрузкой для подачи питания на эту нагрузку. Здесь, поскольку R₀»R_g, внутреннее активное сопротивление R_g источника электропитания не учитывается.

Таблица 3 Сравнение согласованной мощности между способом прямого соединения и способом усиления мощности источника электропитания
Сопротивление нагрузки, Ro, Ом	(1) Прямое соединение, Po=Vg 2/R0, мВт	Соединение с усилением мощности	Соотношение согласованных мощностей, (2)/(1)	Соотношение согласованных мощностей, (3)/(1)
P0=Vg/R0, мВт
(2) k=0,742	(3) k=1
1М	1,0	42,9	79,7	42,9	79,7
170К	5,9	252,3	442	42,76	74,91
10К	100,0	2420,6	3158	24,20	31,58
1,2К	833,3	2465,3	577	2,95	0,69
870	1149,4	2063,9	651	1,79	0,56

Как приведено в таблице 1, в схеме, где Q_s поддерживается при 6,56 в последовательном резонансе, согласованная мощность, подаваемая на нагрузку, имеющую сопротивление R₀, равное 10 кОм, как приведено в таблице 3, в 24,2 раза больше в случае k=0,742 и в 31,58 раза больше в случае k=1, чем в случае, когда нагрузка непосредственно соединена с источником электропитания. Это означает, что на нагрузку подается усиленная мощность, которая в Q_s ² раз больше, чем при обычном способе подачи мощности.

Далее следует подробное описание схемы для усиления и подачи мощности источника электропитания с использованием параллельного резонанса на базе экспериментальных результатов.

Электроэнергия для бытовых потребителей обеспечивается так, что напряжение 6,6 кВ подается на трансформатор вблизи дома, а трансформатор понижает напряжение до однофазного напряжения 220 В для подачи его в дом, чтобы его могли потреблять бытовые приборы.

На фиг.11 показана эквивалентная принципиальная схема для передачи электрической мощности на нагрузку бытовых потребителей. Схема разработана так, что сопротивление нагрузки R₀ равно 1 Ом, а желательный коэффициент Q_p равен 8,58. Здесь, внутренним сопротивлением источника электропитания пренебрегаем.

Здесь, первичное напряжение трансформатора составляет 6,6 кВ, а вторичное напряжение составляет 220 В. Дополнительно, когда коэффициент связи k трансформатора предполагается равным 1, коэффициент трансформации n равен 30 (V₁/V ₂=6,6[кВ]/220[В]). Также, сопротивление нагрузки в доме предполагается равным 1 Ом.

Здесь, чтобы подать напряжение 220 В на нагрузку, реактивное сопротивление со стороны вторичной обмотки трансформатора, показанного на фиг.11, должно подбираться так, чтобы составлять 1% от активного сопротивления нагрузки, т.е. примерно 0,0105 Ом. Поскольку реактивное сопротивление X₁ со стороны первичной обмотки и сопротивление Х ₂ со стороны вторичной обмотки являются пропорциональными квадрату коэффициента трансформации, то XL₁=n ²XL₂=30²·(0,0105)=9,44 Ом. Здесь, поскольку полное сопротивление отражения Z₂₁ составляет -(sM)²/Z₂₂=0,1-j0,01 Ом, оно оказывает незначительное влияние на схему со стороны первичной обмотки.

Поэтому, параллельный резонансный контур со стороны первичной обмотки, используемый для усиления мощности, применяется в схеме усиления мощности, использующей параллельный резонанс, как показано на фиг.12, тем самым передавая усиленную резонансную мощность на вторичную обмотку.

Здесь, когда сопротивление RL₁ со стороны первичной обмотки предполагается равным 1 Ом, коэффициент схемы Q_P составляет 8,58 (-XL ₁/R_eff=9,44 [Ом]/1,1 [Ом]). Здесь R_eff =RL₁+R₂₁. Также, активное сопротивление R₁ в параллельном резонансе составляет 81 Ом (R _effQ²=1,1 [Ом]·8.58²). Здесь, внутренним сопротивлением источника электропитания пренебрегаем.

На фиг.13 показана эквивалентная принципиальная схема источника тока, которая является модифицированной по отношению к схеме на фиг.12, т.к. источник напряжения заменен на источник тока.

Как показано на фиг.13, ток резонанса I _o составляет 0,0815 кА (I₀=V₁/R ₁=6,6[кВ]/81[Ом]). Первичное реактивное сопротивление X ₁ позволяет рассчитать протекающий ток как 0,699 кА, который соотносится с I₀ (0,0815 кА) в Q_P раз. Напряжение 6,6 кВ прикладывается к двум выводам первичного реактивного сопротивления. Поэтому, в этих условиях, параллельная резонансная мощность P_1R составляет 4613,4 кВт (V₁·Q _p·I₀=6,6[кB]·0,699[кA]).

Однако, в эквивалентной схеме на фиг.11, когда пренебрегаем сопротивлением обмотки RL₁, ток I₁, протекающий в первичном реактивном сопротивлении XL₁, составляет 0,699 кА (V₁/XL₁=6,6 [kV]/9.44 [ ]). Поэтому, мощность P₁ на первичном реактивном сопротивлении XL₁ составляет 4613,4 кВт (V₁ ·I₁=6,6 [кВ]·0,699 [кA]).

Поэтому, параллельная резонансная мощность Р_1R=4613,4 кВт при параллельном резонансе является идентичной по величине с мощностью P₁=4613,4 кВт без резонанса и передается на нагрузку через трансформатор. С точки зрения подачи мощности, должна производиться мощность P₁=4613,4 кВт без резонанса. Однако, поскольку мощность источника электропитания P_g в параллельном резонансе, как показано в эквивалентной схеме на фиг.13, составляет 0,54 кВт (V₁·I₀ =6,6 [кВ]·0,0815 [А]), источник электропитания в резонансе может производить мощность Р₁, кратную 1/Q_s . Поэтому, с точки зрения электрогенератора, его выходная мощность кажется повышенной. С другой стороны, такой эффект может быть идентичен с тем, который получен в схеме с последовательным резонансом.

Настоящее изобретение может сберечь большее количество потребляемой электроэнергии, чем это можно сделать при обычном способе.

Далее описываются теоретические предложения, как настоящее изобретение может использоваться для домашних электроприборов с целью экономии потребляемой электроэнергии, на базе на экспериментальных результатах.

Обычное напряжение, используемое в домах, пониженное с 220 В до определенного напряжения трансформатором, а затем преобразуется в переменный ток или постоянный ток для подачи на нагрузку, например, когда устройство имеет питание с обычным напряжением 6 В и выходным током 0,3 А.

Здесь, эквивалентное сопротивление R₀ нагрузки составляет 20 Ом (V₂/I₂=6 [В] / 0,3 [А]). Чтобы подать 99% напряжения на нагрузку (R₀), XL выбирается равным 0,2 Ом. Здесь, коэффициент трансформации n равняется 36,7 (V ₁/V₂=220 [В] /6 [В]), а первичное реактивное сопротивление XL₁ составляет 269 Ом (n² ·XL₂=36,7²·0,2 [Ом]).

Также, когда полное сопротивление отражения Z₂₁ и сопротивление RL₁ первичной обмотки (L₁ ) выбрано как Z₂₁=-(sM)²/Z₂₂ =2,7-j0,027 Ом, a RL₁=40 Ом, полное сопротивление отражения Z₂₁ слабо влияет на первичную обмотку. Такая эквивалентная схема трансформатора иллюстрируется на фиг.14, где внутренним сопротивлением источника электропитания пренебрегаем.

На фиг.14, чтобы подать напряжение 6 М на нагрузку (R₀) сопротивлением 20 Ом, первичный ток I₁ должен составлять около 818 мА (т.е., I₁=V₁ /XL₁=220[B]/269[Ом]=818 мА), предполагая, что мы пренебрегаем первичным сопротивлением обмотки RL₁.

Поэтому, мощность, действительно потребляемая нагрузкой (R ₀), определяется первичным напряжением 220 В и током 818 мА со стороны первичной обмотки трансформатора, показанного на фиг.14.

На фиг.15 показана эквивалентная принципиальная схема, которая является модифицированной по отношению к схеме на фиг.14, т.к. источник напряжения заменен на источник тока. Схема на фиг.15 сконфигурирована для работы в параллельном резонансе.

На фиг.15, внутренним сопротивлением источника электропитания пренебрегаем. В эквивалентной схеме с использованием параллельного резонанса, коэффициент Q_p получаем как Q_p =XL₁/(RL₁+R₂₁)=269[Ом]/(40+27)[Ом]=6,3. Также, первичное активное сопротивление схемы R₁ получаем как R₁=(RL₁+R₂₁)·Q _p ²=42,7·6,3²=1694,7 Ом.

Поэтому, первичный ток I₁ является идентичным току резонанса I₀ и определяется как I₀=V ₁/R₁=220[B]/1694,7[Ом]=129,8 мА. Т.о., ток I _Q, протекающий в первичном реактивном сопротивлении XL ₁, определяем как I_Q=Q_p·I ₀=6,3·129,8[мA]=818 мА.

Поэтому, с условием, что коэффициент связи k равен 1, а коэффициент трансформации n равен 36,7, напряжение V₂ и ток I₂, полученные как V₂=V₁/n=220[В]/36,7=6 В, и I₂ =n·I_Q=36,7·818[мA]=30 А, соответственно, передаются на нагрузку со стороны вторичной обмотки трансформатора. Т.о., нагрузка может работать за счет напряжения V₂ и тока I₂, используемых как обычное напряжение и ток нагрузки.

Однако, поскольку потребление электроэнергии нагрузкой происходит за счет мощности, индуцированной со стороны первичной обмотки трансформатора, нагрузка в действительности потребляет мощность, вызванную напряжением и током со стороны первичной обмотки. Поэтому, когда не используется резонанс, как представлено в эквивалентной схеме на фиг.14, первичный ток I ₁ составляет примерно 818 мА, а ток I₀, протекающий в первичной обмотке в параллельном резонансе, как показано на фиг.15, составляет примерно 129,8 мА. Поскольку напряжение на входе схемы является одинаковым, составляя 220 В, можно снизить мощность, подаваемую на нагрузку в параллельном резонансе, примерно в 6,3 раза меньше, чем при подаче без использования резонанса. Это означает, что эта схема позволяет снизить потребление электроэнергии при параллельном резонансе в Q_p раз по сравнению с тем же без использования резонанса.

Промышленная применимость

Как было описано выше, схема по настоящему изобретению может передавать усиленную мощность на нагрузку по сравнению с обычной схемой, где мощность просто подается на нагрузку с использованием электрогенератора и трансформатора. С этой стороны, схема по настоящему изобретению сконфигурирована так, что: резонанс (последовательный или параллельный) формируется со стороны источника электропитания, а схема передачи, используемая для передачи мощности на нагрузку, разработана так, что ее сопротивление отражения может быть установлено в пределах величины, позволяющей поддерживать резонанс. Поэтому усиленная резонансная мощность передается на нагрузку. Это означает, что схема по настоящему изобретению не передает мощность, произведенную электрогенератором как главным источником электропитания, на нагрузку, а передает на нагрузку усиленную резонансную мощность.

В схеме по настоящему изобретению, источник электропитания (электрогенератор и т.п.) считается в качестве вспомогательной цепи для производства резонансной мощности. Мощность, подлежащая главным образом для передачи на нагрузку, усиливается в схеме с параллельным или последовательным резонансом, тем самым обеспечивая нагрузку усиленной резонансной мощностью, что отличается от обычной схемы, где мощность, произведенная электрогенератором, передается на нагрузку напрямую. Поэтому, схема по настоящему изобретению позволяет снизить потребление электроэнергии со стороны нагрузки.

Настоящее изобретение работает для передачи резонансной мощности на нагрузку через трансформатор и может быть проанализировано как схема последовательного или параллельного резонанса. Поэтому, настоящее изобретение может с пользой использоваться в энергетике, соответствуя закону сохранения энергии.

Хотя варианты осуществления настоящего изобретения были раскрыты для целей иллюстрации, специалист в данной области техники способен осуществить различные модификации, добавления и замены без отхода от объема и духа настоящего изобретения, как раскрыто в сопровождающей формуле.