Резонансный усилитель реактивной электрической мощности. Анализ электромагнитных процессов

Abstract

RU: Цель работы. Анализ электромагнитных процессов и теоретическое обоснование принципиальной возможности резонансного усиления реактивной мощности гармонических сигналов в схеме из двух реальных индуктивно связанных последовательных активно-реактивных контуров, где «входным» элементом является индуктивность вторичного контура. Методы исследования. Исследование данной тематики было проведено наиболее обширно и полноценно, а именно: изучены все возможные источники теоретического обоснования данной работы; сопоставлены все факторы, рассмотренные в источниках; оценены практические факты явления резонанса на примере экспериментальной модели. Полученные результаты. Предложена схема реализации преобразователя, где имеет место трансформация уже не только напряжения, а мощности гармонических токов и напряжений. Получено, что при соответствующем выборе параметров, предложенная схема резонансного преобразователя может рассматриваться как усилитель реактивной электрической мощности с максимально возможным коэффициентом усиления – Kmax = 0,5 * ((ω * L2) / R2), ω – резонансная частота, L2 – «выходная» индуктивность, R2 – активное сопротивление. Физически, максимум усиления мощности резонансным преобразователем обусловлен минимально возможной перекачкой энергии из вторичного контура в первичный контур с источником входного гармонического напряжения. Количественные оценки, выполненные для экспериментальной модели, подтвердили результаты качественного анализа и показали, что предложенная схема резонансного усилителя может обеспечить высокие показатели его действенности (например, усиление электрической мощности в ~ 38 раз!). Научна новизна. Научная новизна настоящей работы состоит в обосновании принципиальной действенности резонансного усилителя реактивной электрической мощности, основанном на выводах обобщенного теоретического анализа электромагнитных процессов и численных оценках для одного из вариантов его экспериментальной реализации. Практическая ценность. Проведенные теоретические исследования предложенной схемы резонансного усилителя электрической мощности представляют практический интерес для дальнейших экспериментальных исследований, а так же, например, для формулировки рекомендаций в разработках схемных элементов источников мощности для магнитно-импульсного притяжения заданных областей поверхности тонкостенных листовых металлов. Весьма перспективным в направлении проведенных исследований видится поиск условий наиболее эффективной действенности, экспериментальное изучение электромагнитных процессов в предложенной схеме резонансного усилителя реактивной мощности и разработке предложений по преобразованию реактивной в активную электрическую мощность. UK: Мета роботи. Аналіз електромагнітних процесів і теоретичне обґрунтування принципової можливості резонансного підсилення реактивної електричної потужності гармонічних сигналів в схемі із двох реально індуктивно пов’язаних послідовних активно-реактивних контурів, де «вихідним» елементом є індуктивність вторинного контуру. Методи дослідження. Дослідження даної тематики було проведено найбільш широко та повноцінно, а саме: вивчені всі можливі джерела теоретичного обґрунтування даної роботи; співставленні всі фактори, що розглянуті у джерелах; оцінені практичні факти явища резонансу на прикладі експериментальної моделі. Отримані результати. Запропоновано схему реалізації перетворювача, де має місце трансформація вже не тільки напруги, а й потужності гармонічних струмів і напруг. Отримано, що за відповідного вибору параметрів, запропонована схема резонансного перетворювача може розглядатися у якості підсилювача реактивної електричної потужності із максимально можливим коефіцієнтом підсилення – Kmax = 0,5 * ((ω * L2) / R2), ω – резонансна частота, L2 – «вихідна» індуктивність, R2 – активний опір. З огляду на фізику процесу, максимум підсилення потужності резонансним перетворювачем обумовлений мінімально можливою перекачкою енергії із вторинного контуру до первинного із джерелом вхідної гармонічної напруги. Кількісні оцінки, виконані для експериментальної моделі, підтвердили результати якісного аналізу й показали, що запропонована схема резонансного підсилювача може забезпечити високі показники його дієвості (наприклад, підсилення електричної потужності у ~ 38 разів!). Наукова новизна. Наукова новизна цієї роботи полягає в обґрунтуванні принципової дієвості резонансного підсилювача реактивної електричної потужності, що базується на висновках загального теоретичного аналізу електромагнітних процесів та кількісних оцінок для одного із варіантів його експериментальної реалізації. Практична цінність. Проведені теоретичні дослідження запропонованої схеми резонансного підсилювача електричної потужності представляють практичний інтерес для подальших експериментальних досліджень, а також, наприклад, для формулювання рекомендацій в розробках схемних елементів джерел потужності для магнітно-імпульсного притягання заданих областей поверхні тонкостінних листових металів. Вельми перспективним в напрямку проведених досліджень бачиться пошук умов найбільш ефективної дієвості, експериментальне вивчення електромагнітних процесів в запропонованій схемі резонансного підсилювача реактивної потужності і розробці пропозицій щодо перетворення реактивної в активну електричну потужність. EN: Purpose. Analysis of electromagnetic processes and the theoretical substantiation of the fundamental possibility of the reactive power resonant amplification of harmonic signals in a circuit of two real inductively coupled sequential active-reactive circuits, where the “input” element is the secondary circuit. Methodology. The study of this topic was carried out most extensively and fully, namely: studied all possible sources of theoretical substantiation of this work; all factors considered in sources are compared; practical facts of the resonance phenomenon are estimated by the example of an experimental model. Findings. The implementation scheme of the converter is proposed, where there is not only the voltage transformation, but the power of harmonic currents and voltages. It was found that with an appropriate choice of parameters, the proposed resonant converter circuit can be considered as a reactive electric power amplifier with the highest possible gain— Kmax = 0,5 * *((ω L2) / R2), ω is the resonant frequency, L2 is the “output” inductance, R2 is the active resistance. Physically, the maximum power gain by a resonant transducer is due to the minimum possible transfer of energy from the secondary circuit to the primary one with an input harmonic voltage source. The quantitative estimates made for the experimental model confirmed the results of the qualitative analysis and showed that the proposed resonant amplifier circuit can provide high indicators of its effectiveness (for example, an increase in electrical power of ~ 38 times!). Originality. The scientific novelty of this work consists in substantiating the principle efficiency of a resonant amplifier of reactive electrical power, based on the findings of a generalized theoretical analysis of electromagnetic processes and numerical estimates for one of its experimental implementation options. Practical value. The theoretical studies carried out on the proposed scheme of a resonant electric power amplifier are of practical interest for further experimental studies, as well as, for example, for formulating recommendations in the development of circuit elements of power sources for magnetic-pulsed attraction of specified surface areas of thinwalled sheet metals. The search for the conditions for the most effective efficiency, the experimental study of electromagnetic processes in the proposed scheme of a resonant reactive power amplifier and the development of proposals for the conversion of reactive into active electrical power seem very promising in the direction of the research.