Импульсное питание электродвигателя с рекуперацией энергии.

На написание данной статьи меня толкнуло прочтение статей про питание электродвигателей импульсами на форумах www.001-lab.com и www.skif.biz . Особое внимание обратил на посты asidalv и MSN, это их ники на форумах. Статьи по их материалам можно скачать отсюда: http://001-lab.at.ua/load/ustrojstva_s_rekuperaciej_ehnergii/1-1-0-9 .

                И так, думаю надо начать немного с теории. Начнем с того, что происходит в колебательном контуре. Нижеприведенная схема с описанием от MSN со skif.biz.  Возьмем простенькую схемку рис.1.

Рис. 1

В качестве диодного мостика VD1 подойдет любой на напряжение 300-400 вольт и ток 1-2 А, вольтметр PV1 любой подходящий, диод VD2 на 3А 600В, конденсатор, не электролит, 40 мкф 400В. Индуктивность L1 представляет собой половину керна от трансформатора ТС-280, на него одеты две полу обмотки мотанные проводом 0.8 мм с общей индуктивностью 138 мГн. Можно использовать обмотки от этого же трансформатора, подключив их на 220В.

Работа схемы: подключая вилку XT в сеть, замыкаем SA1, SA2 разомкнут, конденсатор заряжается до амплитудного значения, у меня 312В. Дале размыкаем SA1 и замыкаем SA2, происходит разряд конденсатора в L1, но только пол периода, возникновению затухающих колебаний препятствует диод VD2. В результате этого в катушке проходит однонаправленный импульс тока, и на мгновение она становится постоянным магнитом определенной ориентации, а в конденсаторе собирается ЭДС самоиндукции L1 с обратным знаком. При моих параметрах схемы это 275В. Пока все в пределах классической физики.

Ложем на керн постоянный магнит, так чтобы при замыкании S2 он отталкивался от керна. Магнит подпрыгивает, но ЭДС самоиндукции не уменьшается, то есть составляет те же 275В.

Отсюда можно сделать следующий вывод: свойства среды, в которой возбуждается магнитное поле (МП) таковы, что возможно создать условия, когда МП преобразует энергию, создавшую его в кинетическую энергию движения, при этом существует возможность вернуть за счет обратной реакции среды (обратный ЭДС) большую часть затраченной на создание МП электрической энергии.

А зачем в схеме нужен диод VD2? Объясню. Смотрим на диаграмму рис. 2.

Рис. 2

В начальный момент времени To на диаграмме (конденсатор С1 заряжен до Uип) замыкается ключ SA2, в цепи SA2-C1-L1 начинает течь ток (синий график) Ток в индуктивности нарастает как ему и положено отставая от приложенного напряжения, но конденсатор разряжается, и вот когда на конденсаторе напряжение становится равно нулю, ток L1 достигает максимума прекращаясь. По закону Ленца при прерывании тока, на концах индуктивности появляется обратный ЭДС равный E=-L*dI/dt. Конденсатор C1 через прямо включенный диод для ЭДС обратного знака перезаряжается напряжением обратной полярности. Уровень этого напряжения зависит только от добротности получившегося колебательного контура.

                Таким образом, диод в такой схеме препятствует возникновению затухающих гармонических колебаний.

Опыт позволил показать, что существует возможность преобразования электрической энергии источника в кинетическую энергию, при этом можно собрать большую часть энергии реакции среды в виде обратного ЭДС.

                При этом надо добавить: в реальном двигателе это следует делать тогда (размыкание тока и сбор ЭДС самоиндукции) когда элемент ротора (магнит) удалился на определенное расстояние от элемента статора - соленоида. Помним, что сила взаимодействия двух проводников с током или проводник-магнит обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Т.е. геометрия двигателя и частота импульсов должны быть рассчитаны, так чтобы в паре статорный элемент роторный не возникли силы торможения.

Далее: предложенная вначале схема на самом деле есть колебательный контур, и из диаграмм тока и напряжения, представленных выше это тоже становится очевидным. Вспомним, что в параллельном колебательном контуре ток внутри контура в Q раз больше чем потребляемый от источника. А если этот ток больше, значит больше и магнитный поток, значит больше и потокосцепление с магнитом ротора, значит, элементы статора и ротора притягиваются (отталкиваются) с большей силой при том же токе потребления. А это большая выполненная работа при той же потребленной энергии. Аналогичный случай и с последовательным колебательным контуром: номинальный ток в индуктивности последовательного КК наступает при в Q-раз меньшем напряжении источника приложенного к КК.

Делаем следующий важный вывод: при определенной конструкции двигателя можно ввести его, например статорную обмотку в резонанс, при этом двигатель будет способен выполнять большую работу при той же потребляемой энергии.

Автор: MSN ( www.skif.biz )

Теперь рассмотрим структурную схему моего устройства, которое питает обмотки электродвигателя импульсным током и напряжением, а так же возвращает энергию, затраченную на создание магнитного поля, назад в питающий конденсатор, за вычетом потерь. Смотрим на рис. 3.

Рис. 3

Данное устройство питается от двуполупериодного инвертора или выпрямителя, такая схема питания имеет свои преимущества, о которых будет сказано позже. Напряжение питания 500В, на схеме показано как два генератора Gen1 и Gen2, каждый для своей полярности. Диоды VD1-VD6, служащие для предотвращения гармонических колебаний. Ключи S1-S12, коммутирующие элементы схемы в определенной последовательности. Конденсаторы C1-C3, играющие роль источников питания обмоток электродвигателя. Катушки L1-L3, обмотки электродвигателя. Стрелками на схеме показана последовательность коммутации ключей в каждой фазе. Цвета: красный – фаза А, синий – фаза В, зеленый – фаза С.

Далее рассмотрим диаграмму работы схемы рис. 4. Небольшие пояснения к диаграмме. Графики 1 – 3 это напряжение на фазных конденсаторах А, В и С соответсвенно. График 4 это токи в фазных обмотках. Графики 5 – 7 это последовательность включения ключей S1 – S12. Применяемые сокращения на графиках: Uи.п. – напряжение источника питания, Uз. – напряжение дозарядки конденсатора, Uр. – напряжение на конденсаторе после рекуперации энергии, Tн.з. – время начального заряда конденсатора, Tз. – время дозарядки конденсатора и ожидание до следующего момента разрядки. Напряжение дозарядки определяется по формуле:

Uз.=Uи.п.-Uр.

Рис. 4

Теперь непосредственно работа схемы. Будем рассматривать работу одной фазы, фазы А (графики на диаграмме синего цвета), работа остальных фаз аналогична. В начальный момент времени, Т0, конденсатор разряжен, включается ключ S1 и заряжает конденсатор C1 от источника Gen1 (+500В) до напряжения источника питания Uи.п. В момент Т1, когда сердечник стататора фазы А находится в нужном положении относительно ротора, ключ S1 выключается и тут же включается ключ S7, разряжая конденсатор на обмотку двигателя L1 фазы А, момент времени Т1 – Т2. В точке Т2 напряжение на конденсаторе равно 0, а ток, соответсвенно и МП в катушке L1 максимально. С момента Т2 происходит сбор ЭДС самоиндукции с катушки L1, которая собирается в этот же конденсатор, но с противоположным знаком, до момента Т3. В момент Т3 ключ S7 выключается и тут же включается ключ S2, который за время Tз. дозаряжает конденсатор С1 от источника Gen2 (-500В) до напряжения источника питания. В момент Т4 ключ S2 выключается и включается ключ S8. Происходит разряд емкости на обмотку L1 фазы А, момент Т4 – Т5. В точке Т5 напряжение на конденсаторе равно 0, а ток, соответсвенно и МП в катушке L1 максимально. С момента Т5 происходит сбор ЭДС самоиндукции с катушки L1, которая собирается в этот же конденсатор, но с противоположным знаком, до момента Т6. В момент Т6 ключ S2 выключается и включается ключ S1. Далее происходит повторяющийся процесс как в момент Т1 – Т6.

Все тоже самое происходит в цепях фазы В и С в разный момент времени, который сдвинут во времени на 120 градусов относительно друг друга. В итоге мы получем ток в обмотках двигателя как показано на грфике 4 рис. 4. Из графика видно, что получился трех фазный ток, сдвинутый относительно друг друга на 120 градусов, который вполне пригоден для питания трех фазных электродвигателей.

Исходя из сказаного выше можно сделать некоторые выводы. Питание обмоток электродвигателя происходит не напрямую от источника питания, а от конденсаторов, т.к. при таком питании конденсатор может выдать больше энергии в импульсе, чем источник. Подзарядка конденсаторов осуществляется в каждой полуволне, а не как у asidalv, только при положительной полуволне. Это в свою очередь, пусть и не значительно, увеличивает энергию МП при разрядке конденсатора на обмотку электродвигателя в каждой полуволне, при одинаковых затратах энергии на подзарядку конденсатора.