способ объединения механических усилителей мощности в систему и устройства его реализующие

Формула изобретения

1. Способ объединения механических усилителей мощности в систему путем последовательного их соединения, при этом каждый механический усилитель мощности выполняют с одним кинематическим входом с входным звеном и одним кинематическим выходом с выходным звеном, отличающийся тем, что в системе выходное звено предыдущего механического усилителя мощности кинематически сопрягают с входным звеном последующего механического усилителя мощности, вход системы выполняют в виде входного звена кинематического входа первого механического усилителя мощности системы, а ее выход выполняют в виде выходного звена кинематического выхода последнего механического усилителя мощности системы.

2. Усилительный блок, реализующий способ объединения механических усилителей мощности в систему по п.1, содержащий размещенные в общем корпусе механические усилители мощности, имеющие входное звено - коленчатый вал, связанный посредством шатуна с коленными рычагами, ползун, связанный с одной стороны с одним коленным рычагом, а с другой с механизмом преобразования движения с выходным валом, являющимся выходным звеном усилителя, отличающийся тем, что выходное звено предыдущего механического усилителя мощности кинематически сопряжено с входным звеном последующего механического усилителя мощности, причем входное звено первого механического усилителя мощности является входом усилительного блока, а выходное звено последнего механического усилителя мощности в усилительном блоке является его выходом.

3. Энергетическая установка, реализующая способ объединения механических усилителей в систему по п.1, содержащая усилительный блок по п.2, электродвигатель, электрогенератор, преобразователь тока и напряжения, блок коммутации и аккумулятор, отличающаяся тем, что усилительный блок кинематически сопряжен входным звеном с выходным звеном электродвигателя, а выходным звеном с входным звеном электрогенератора, электрический выход которого отводом соединен с электрическим входом преобразователя, электрическим выходом соединенного через блок коммутации с электрическим входом электродвигателя, причем преобразователь с электрического выхода отводом также соединен с аккумулятором, подключенным к блоку коммутации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к механическим усилителям мощности и может быть использовано в энергетических установках.

Известен способ объединения в систему механических усилителей мощности, выполненных на основе коленно-рычажных механизмов, при котором усилители соединены параллельно (см. А.Ф.Крайнев, Словарь-справочник по механизмам. - М.: Машиностроение, 1987, стр.156, ст. Ковочно-штамповочный механический пресс, сх. а). При объединении в систему усилителей мощности известным способом их входные и выходные звенья соответственно кинематически соединяются. Мощность объединенной системы механических усилителей мощности при параллельном их соединении равна сумме мощностей отдельных усилителей. Энергетическим параметром объединенной системы механических усилителей, требующим увеличение, является механическая мощность.

Способ параллельного соединения механических усилителей мощности, являющийся прототипом, имеет недостатки. При реализации прототипа следует иметь равные коэффициенты усиления отдельных усилителей в системе. Кроме того, величина общего коэффициента усиления мощности системы ограничивается суммой коэффициентов усиления мощности отдельных усилителей.

Указанные недостатки обусловлены конструктивными особенностями системы, объединяющей механические усилители мощности известным способом. Поскольку входы всех усилителей, а также все их выходы кинематически сопряжены, то это означает синхронность работы отдельных усилителей друг с другом. Для синхронной работы усилителей в системе требуется равенство их коэффициентов усиления. В противном случае неравенство коэффициентов усиления может привести к динамическим нарушениям в работе системы, которые приведут к снижению общего коэффициента усиления мощности системы и возможно к ее разрушению.

Ограничение общего коэффициента усиления системы, объединенных механических усилителей мощности по известному способу, суммой коэффициентов усиления мощности отдельных усилителей может быть доказано следующим образом. Пусть система объединенных усилителей мощности содержит n усилителей, каждый из которых имеет коэффициент усиления, равный k. На вход системы подается мощность, равная N. Каждый из n усилителей усиливает эту мощность до величины k·N. Поскольку выходы каждого усилителя кинематически сопряжены, то величина мощности на выходе системы будет равна

N_парал=k·N+k·N+ +k·N=n·k·N,

где N_парал - мощность на выходе системы. Из формулы видно, что общий коэффициент усиления мощности системы k_парал объединенных параллельно n механических усилителей мощности равен сумме коэффициентов усиления мощности отдельных усилителей, то есть

k_парал=n·k.

Другим прототипом является известный способом объединения усилителей мощности в систему, изложенный в WO 2006032616 A1, H03F 1/32, 30/03/2006, при котором усилители мощности в системе последовательно соединены. В систему объединенных усилителей известным способом входят усилители электрической мощности, соединенные гальванической связью. При этом энергетическим параметром системы, требующим увеличения, является амплитуда электрического сигнала на ее входе. Усилители мощности выполняют также функцию по минимизации амплитудно-фазовых искажений входного сигнала. Для этой цели каждый усилитель системы имеет вход, на который подается корректирующий сигнал. В связи с этим каждый усилитель имеет два электрических входа и один электрический выход. При корректировке входного сигнала каждый усилитель в системе может как усиливать, так и ослаблять амплитуду сигнала. Таким образом, рассматриваемая система усилителей электрической мощности имеет один вход для сигнала от источника сигналов и входы, количество которых равно количеству усилителей в системе, для корректирующих сигналов, а также один выход. Входы системы соединены с источниками сигналов, и выход системы соединен с приемником сигнала с помощью электрических цепей.

Задача изобретения состояла в разработке такого способа объединения механических усилителей мощности в систему, при реализации которого допускалось объединение механических усилителей мощности с различными коэффициентами усиления механической мощности, а общий коэффициент усиления системы значительно превосходил бы сумму коэффициентов усиления механической мощности, входящих в систему усилителей механической мощности.

Для достижения поставленной задачи заявленное изобретение "Способ объединения механических усилителей в систему и устройства его реализующие" включает объединение в систему механических усилителей мощности путем последовательного их соединения друг с другом. Каждый усилитель в системе имеет один кинематический вход с входным звеном и один кинематический выход с выходным звеном, причем входное звено первого усилителя является входом системы, а выходное звено последнего ее выходом. При этом в системе выходное звено предыдущего усилителя механической мощности кинематически сопрягают с входным звеном последующего усилителя механической мощности. Подобное соединение механических усилителей мощности в систему позволяет получить величину ее общего коэффициента усиления, значительно превосходящую суммы коэффициентов усиления механической мощности отдельных усилителей.

По отношению к прототипам у заявленного изобретения имеются отличительные признаки, заключающиеся в том, что в системе выходное звено предыдущего механического усилителя мощности кинематически сопрягают с входным звеном последующего механического усилителя мощности, при этом вход системы выполняют в виде входного звена кинематического входа первого механического усилителя мощности системы, а ее выход выполняют в виде выходного звена кинематического выхода последнего механического усилителя мощности системы.

Между отличительным признаком и задачей изобретения существует следующая причинно-следственная связь. Пусть количество объединенных механических усилителей мощности в систему равно n. Каждый усилитель имеет коэффициент усиления k_i, где i - порядковый номер усилителя. Если на входное звено первого усилителя подать мощность N, то на его выходе будет мощность, равная k_i·N. Так как по условию задачи существует кинематическая связь между выходным звеном первого усилителя и входным звеном второго усилителя, то мощность с выхода первого усилителя будет поступать на входное звено второго усилителя. Второй усилитель имеет коэффициент усиления k₂. На выходе второго усилителя будет мощность, равная k₁·k₂·N. На выходе последнего усилителя в системе усиленная мощность равна k₁·k ₂ k_n·N. Общий коэффициент усиления системы k_посл при этом будет равен произведению коэффициентов усиления последовательно соединенных отдельных усилителей, то есть

k_посол=k₁·k ₂ k_n.

Из анализа формулы для общего коэффициента усиления мощности системы k_посл видно, что коэффициенты усиления мощности отдельных усилителей могут иметь отличные друг от друга значения. Это означает, что при работе системы объединенных усилителей не требуется корректировка коэффициентов усиления мощности отдельных усилителей, что повышает ее надежность.

Кроме того, способ объединения механических усилителей мощности в систему путем последовательного их соединения позволяет получить общий коэффициент усиления системы, равный произведению коэффициентов усиления усилителей, входящих в систему. Это означает, что общий коэффициент усиления мощности системы объединенных усилителей мощности предложенным способом значительно превосходит общий коэффициент усиления мощности системы объединенных усилителей мощности при параллельном их соединении. Из последней формулы также следует, что если усилители мощности, входящие в систему, имеют равный по величине коэффициент усиления, то общий коэффициент усиления системы равен

k _посл=kⁿ.

Заявленный способ может быть реализован с помощью материального объекта в виде усилительного блока, включающего несколько последовательно кинематически соединенных механических усилителей мощности.

Предлагаемый усилительный блок по п.2 формулы изобретения содержит размещенные в общем корпусе механические усилители мощности, выполненные по патенту на изобретение № 2407638 (заявка № 2009102915/02). Каждый механический усилитель мощности содержит входное звено - коленчатый вал, связанный посредством шатуна с коленными рычагами, и ползун, соединенный с одной стороны с одним коленным рычагом, а с другой с механизмом преобразования движения с выходным валом, являющимся выходным звеном усилителя. При этом выходное звено предыдущего усилителя мощности кинематически сопряжено с входным звеном последующего усилителя мощности. Входное звено первого усилителя мощности является входом усилительного блока, а выходное звено последнего усилителя мощности является выходом усилительного блока.

Сущность изобретения по п.2 формулы изобретения поясняется графическим материалом, на котором изображено, на фиг.1, - схема, отображающая последовательное соединение механических усилителей мощности.

На схеме, представленной на фиг.1, показано следующее. В общем корпусе 1 усилительного блока размещены последовательно кинематически соединенные механические усилители мощности 2. Входом усилительного блока является входное звено 3 первого в усилительном блоке механического усилителя мощности, а выходом усилительного блока является выходное звено 4 последнего механического усилителя мощности усилительного блока.

Работа усилительного блока происходит следующим образом. Пусть имеем в усилительном блоке n механических усилителей мощности 2 с коэффициентами усиления k₁; k₂ ; k₃ k_n. На вход 3 усилительного блока подается мощность N. На выходном звене первого механического усилителя мощности выделяется мощность N₁, равная

N ₁=k₁·N.

Это же значение мощности имеем на входном звене второго механического усилителя мощности. На выходном звене второго механического усилителя мощности выделяется мощность N₂, равная

N ₂=k₂·N₁,

которая без изменения величины передается входному звену третьего механического усилителя мощности. На выходном звене третьего механического усилителя выделяется мощность N₃, равная

N₃=k₃·N₂.

На входное звено последнего в блоке механического усилителя мощности поступит мощность N_n-1, а на выходном звене этого усилителя имеем мощность N_n, равную

N_n=k_n·N_n-1.

Это же значение мощности будет и на выходе 4 усилительного блока. Если в последнюю формулу последовательно подставлять значения мощностей на выходе механических усилителей мощности, начиная с мощности N_n-1 и до мощности N₁, получим

N_n=k₁·k₂·k ₃ k_n·N,

откуда заключаем, что общий коэффициент усиления k_посл усилительного блока равен произведению коэффициентов усиления последовательно кинематически соединенных механических усилителей, входящих в усилительный блок, то есть

k_посл=k ₁·k₂ k_n.

В соответствии с проведенным аналитическим моделированием усилительный блок может использоваться для энергетических установок. Он позволяет многократно усилить мощность энергетической установки, что можно оценить на основе нижеприведенного примера. Конструкция механического усилителя мощности, выполненного по патенту на изобретение № 2407638, позволяет иметь коэффициент усиления мощности усилителя, равный k=2,38. Пусть отдельный механический усилитель мощности имеет коэффициент полезного действия, равный =0,95. Усилительный блок содержит четыре последовательно кинематически соединенных механических усилителя мощности, то есть n=4. Примем также равными их коэффициенты усиления. Используя последнюю формулу для общего коэффициента усиления мощности усилительного блока, после подстановки в нее исходных данных имеем

k_посл=(k· )ⁿ=(2,38·0,95)⁴=26,13.

Это значит, что если на вход усилительного блока подать мощность, например, в 1 киловатт, то на его выходе будет выделяться мощность 26,13 киловатт.

Другим устройством, реализующим заявленный способ объединения механических усилителей мощности в систему, является материальный объект по п.3 формулы изобретения, представляющий собой энергетическую установку, содержащую усилительный блок, выполненный по п.2 формулы изобретения, кинематически сопряженный на входе с электродвигателем, например, постоянного тока, а на выходе с электрогенератором, например, переменного тока промышленной частоты.

Для более полного использования возможностей усилительного блока энергетическая установка содержит также электрическую цепь обратной связи, соединяющей выход электрогенератора с входом электродвигателя. Электрической обратной связью с выхода электрогенератора отбирается для электродвигателя мощность, необходимая для непрерывной работы энергетической установки. В цепи обратной связи последовательно включены преобразователь тока и напряжения и блок коммутации. Для запуска энергетической установки и поддержания напряжения на входе электродвигателя используется аккумулятор.

Сущность изобретения по п.3 формулы изобретения поясняется графическим материалом, на котором изображена на фиг.2 схема энергосилового устройства.

На схеме энергосилового устройства, представленного на фиг.2, показано следующее. Усилительный блок 1 кинематически сопряжен на входе с электрическим выходом электродвигателя 2, а на электрическом выходе - с электрическим входом электрогенератора 3. Для образования электрической обратной связи электрогенератор 3 с электрического выхода отводом соединен через преобразователь 4 с электрическим входом блока коммутации 5, который электрическим выходом соединен с электрическим входом электродвигателя 2. Преобразователь 4 с электрического выхода отводом соединен с аккумулятором 6, подключенным к блоку коммутации 5.

В исходном состоянии тумблер включения и выключения электродвигателя 2 на блоке коммутации 5 находится в положении "выключено". После переключения тумблера в положение "включено" напряжение с аккумулятора 6 через блок коммутации 5 подается на электродвигатель 2. При работе электродвигателя 2 выделяемая им мощность N_д равна

N_д=U·I _д· _д,

где U - напряжение на клеммах аккумулятора 6; I_д - ток, потребляемый электродвигателем 2; _д - коэффициент полезного действия электродвигателя 2, усиливается усилительным блоком 1. На выходе усилительного блока 1, имеющего n механических усилителей мощности с равными коэффициентами усиления k и коэффициентами полезного действия N_б, усиленная мощность N_б будет равна

N_б=(k· )ⁿ·N_д.

С выхода усилительного блока 1 мощность подается на вход электрогенератора 3 с коэффициентом полезного действия _г, который вырабатывает электроэнергию мощностью N_г, равную

N_г=N_б · _г,

и отдает ее нагрузке 7. Одновременно отводом с электрического выхода электрогенератора 3 подается напряжение на преобразователь 4, который преобразует переменный ток в постоянный с напряжением, необходимым для работы электродвигателя 2. С электрического выхода преобразователя 4 напряжение подается через блок коммутации 5 на электрический вход электродвигателя 2. Одновременно отводом с электрического выхода преобразователя 5 напряжение подается на аккумулятор 6, который становится на подзарядку и поддерживает постоянным напряжение на электрическом входе электродвигателя 2.

Пренебрежем величиной мощности, идущей на подзарядку аккумулятора 6. Тогда, на электродвигатель 2 будет подаваться через обратную связь необходимая для его непрерывной работы мощность N_ос, равная

N_ос =U·I_д· _{пр· бк},

где _пр - коэффициент полезного действия преобразователя 4; _бк - коэффициент полезного действия блока коммутации 5. На выходе электрогенератора 3 после отбора мощности N _ос, необходимой для непрерывной работы электродвигателя 2, остается передаваемая нагрузке 7 мощность N_с, равная

N_с=N_г-N_ос.

После подстановки в правую часть последней формулы значений мощностей электродвигателя 2, усилительного блока 1, электрогенератора 3 и мощности N_ос, передаваемой обратной связью, получим условие, с помощью которого можно определить степень работоспособности энергетической установки. Это условие имеет вид

.

Левая часть неравенства определяет параметры усилительного блока, а правая часть - отношение коэффициентов полезного действия приборов, находящихся в обратной связи, к приборам, находящимся в прямой связи энергетической установки.

Оценим количественные отношения полученного неравенства на следующем примере. Пусть коэффициенты полезного действия преобразователя 4 и блока коммутации 5 соответственно равны 0,85 и 0,95. Значения коэффициентов полезного действия электродвигателя 2 и электрогенератора 3 равны 0,8. Тогда, после подстановки значений коэффициентов полезного действия в правую часть неравенства, получим

Полученное значение в правой части неравенства говорит о том, что общий коэффициент усиления усилительного блока 1 с учетом его коэффициента полезного действия не должен быть меньше чем 1,26. Конструкция одного механического усилителя мощности, используемого в усилительном блоке, позволяет иметь коэффициент усиления, равный k=2,38, и коэффициент полезного действия, равный =0,95. Тогда, коэффициент усиления одного механического усилителя мощности на его выходе в усилительном блоке 1 составит

k'=2,38·0,95=2,26.

Сравнивая полученное значение коэффициента усиления механического усилителя мощности, равное 2,26, со значением условия, равного 1,26, мы видим, что неравенство, полученное выше, выполняется с одним механическим усилителем мощности в усилительном блоке 1. Это значит, что энергетическая установка для принятых исходных данных работоспособна.

Количество механических усилителей мощности в усилительном блоке 1 определяется величиной требуемой мощности для нагрузки 7, подключаемой к электрогенератору 3, и мощности, необходимой для работы электродвигателя 2. Для определения количества механических усилителей мощности в усилительном блоке 1 используем формулу для определения мощности N_c, отдаваемой энергетической установкой нагрузке 7. После подстановки в нее принятых обозначений количество механических усилителей в усилительном блоке 1 будет равно

Приведем пример расчета. Пусть мощность в нагрузке 7 равна N_c=10 кВт, а электродвигатель 2 развивает мощность, равную N_д=0,5 кВт. Подставив принятые исходные данные в последнюю формулу, получим необходимое количество механических усилителей мощности в усилительном блоке 1, равное n=5. Если использовать в энергетической установке электродвигатель 2 и электрогенератор 3 с коэффициентом полезного действия, равными _д= _г=0,9, что вполне реально, то количество механических усилителей мощности в усилительном блоке 1 должно быть равно n=4.

Для приведения энергетической установки в исходное положение необходимо на блоке коммутации 5 перевести тумблер включения и выключения электродвигателя 2 в положение "выключено". При этом обесточивается вход электродвигателя 2.

Заявленный "Способ объединения механических усилителей мощности в систему и устройства его реализующие" представляет значительный интерес для отраслей экономики, так как позволит внедрение новой технологии. Эта технология даст возможность осуществить производство электроэнергии со значительным сокращением капитальных затрат, создание альтернативных, автономных, экономичных, экологически чистых энергетических установок для транспорта, выработки электроэнергии в отдаленных районах, для отдельного предприятия, дома.

Заявленное решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.