21 октября 2018г.
Аннотация
В работе описаны подходы к построению системы источника бесперебойного питания (ИБП) на базе линейных генераторов возвратно-поступательного движения. Представлена классификация линейных генераторов и структурная схема ИБП для энергообеспечения маломощных объектов. Описаны некоторые особенности предлагаемой конструкции микрогенератора и предлагаемые методы ее экспериментального исследования.
Annotation
The paper describes approaches to building an uninterruptible power supply (UPS) system based on linear reciprocating generators. The classification of linear generators and block diagram of the UPS to supply power to low-power facilities. Some features of the proposed microgenerator design and proposed methods for its experimental investigation are described.
Ключевые слова: источник бесперебойного питания, линейный микрогенератор, структурная схема, законы физики
Keywords: uninterruptible power supply, linear microgenerator, structural scheme, laws of physics
В связи с широким внедрением средств вычислительной техники и систем управления практически во все сферы жизни современного человека насущной становится задача обеспечения их надежного электропитания, в связи с тем, что перерыв в их электропитании может повлечь потерю важной информации, нарушить ход процесса требуемого управления. Системы электропитания, являясь одной из основных частей современных автономных мобильных объектов (гаджетов), определяют их энергетическое обеспечение, существенно влияют на эффективность и срок их активного функционирования. Для обеспечения такого электропитания используются специальные устройства, получившие название источников бесперебойного питания [1,2]. Разработку подобных систем целесообразно проводить на базе малогабаритных источников электрического питания, в основе которых используются, так называемые, вибрационные микрогенераторы (ВМГ), в которых механическая энергия различных типов колебаний с широким спектром частот конвертируется в электрическую энергию. Оснащение мобильных устройств, встроенными автономными системами электроснабжения, в основе которых лежит использование энергии механического колебательного движения, открывает новые качественные возможности для развития таких систем.
Структурная схема ИБП для автономных систем электроснабжения маломощных объектов (АСЭМО) представлена на рисунке. Схема включает в себя следующие элементы:
- (ВМГ) вибрационный макрогенератор, представляющий собой источник электрической энергии;
- (П) преобразователь (электронный блок, содержащий выпрямитель, накопитель и преобразователь уровня напряжений);
- (Р) распределитель (коммутация, схемы переключения и защиты), обеспечивающий передачу электрической энергии потребителю;
(АКБ) аккумуляторная батарея позволяющая накапливать электроэнергию при работе без нагрузки и выдавать ее потребителю в период интенсивного потребления или при неработающем генераторе.
Анализ данной структурной схемы показывает, что основным элементом АСЭМО является ВМГ, поэтому требования, предъявляемые к подобного рода системам определяются в основном выходными характеристиками и параметрами самого вибрационного генератора:
1
- частота перемещения подвижного элемента ВМГ - индентора определяется свойствами среды или самого физического тела;
2 - габаритные размеры и вес ВМГ;
3 - механическая прочность ВМГ;
4 - надежная работа ВМГ в температурном диапазоне от -60 до +60 °С;
5 - низкий КПД ВМГ (от 10 до 50%)
[3];
6
- необходимо наличие работающего
совместно с ВМГ накопителя энергии (конденсатора) и преобразователя, позволяющего преобразовать накопленную энергию в любой уровень выходного напряжения.
Различные условия условиями эксплуатации, а также требования, предъявляемые
к ВМГ, предопределяют большое разнообразие существующих конструкций подобных устройств. В связи, с чем возникает необходимость разработки классификации таких генераторов, которая позволит обосновать выбор конструктивной схемы для ИБП с требуемыми выходными характеристиками [4].
В ходе проведения аналитического обзора информационных источников, посвященных вопросам проектирования, исследования и эксплуатации, линейные генераторы можно классифицировать по следующему ряду признаков: - по принципу действия;
-
по характеру движения;
-
по назначению;
-
по числу фаз;
-
по способу возбуждения;
-
по конструкции подвижной части;
-
по конструктивному исполнению.
Построение ВМГ желательно осуществлять таким образом, что бы получить высокую плотность мощности с исключением большого количества материалов, требующихся в подобных устройствах для возврата магнитного потока и не порождающих при этом никаких намагничивающих сил [5,6]. ВМГ должен позволять исключить огромное количество ненужных материалов. Это не противоречит уравнениям Максвелла, поскольку линии поля, в конце концов, замыкаются на себе, образуя замкнутый контур, а не повсюду. Закон разностной дивергенции лишь утверждает, что тот поток, который вошел в дифференциальный элемент объема, должен из него и выйти. Фактическая траектория линий магнитного поля будет определяться конфигурацией ферромагнитных материалов, катушек и воздушных зазоров в конструкции ВМГ.
Поэтому количество разработок ИБП на базе линейных генераторов возвратно-поступательного движения ограничено из-за отсутствия развитой теории и экспериментальной базы, что создает определенные трудности в создании АСЭМО на
основе ВМГ.
Уравнения движения электромагнитной системы можно получить на основе физических законов, используя для получения механических сил электрического происхождения плотность сил из теории электромагнитного поля или принцип возможных перемещений и закон сохранения энергии. Другим путем уравнения могут быть получены при помощи вариационных принципов, примененных к выбранным функциям энергии. Каждый из указанных методов
при
правильном применении
приводит
к верным результатам. Применение законов физики для получения уравнений движения является наименее формальным, но требует большой интуиции и рассудительности, в особенности, когда речь идет о сложных системах, содержащих большое количество переменных. Условия электрических связей, вытекающих из характера механического движения, и уравнения движения для электрической и механической частей системы можно получить из известных законов физики, таких как закон Фарадея, закон Кулона, законы Кирхгофа и принцип Даламбера.
Список литературы
1. Домpацкий, О.А. Электропитание устройств
связи:
Учеб. для вузов/ О.А.Домpацкий, А.С. Жеpненко, А.Д. Кpатаpов, В.А. Калинин и дp. - М: Радио и связь , 1981. - 320 с.
2.
Ковалев, Ф.И. Статические агрегаты
бесперебойного питания / Под
pед. Ф.И.Ковалева - М: Энеpгоатомиздат,
1992. - 230 с.
3. Ряшенцев Н.П. Электромагнитный привод линейных машин. Новосибирск: Наука, 1985. - 152 с.
4.
Саттаров P.P., Бабикова Н.Л., Полихач Е.А. К вопросу о классификации линейных генераторов // Вестник УГАТУ 2009. Т. 12, №2(31). - С. 144-149.
5.
Патент РФ на полезную модель № 162793. H02K 35/02. Линейный электрический генератор / Опубл. 02.06. 2016. БИ № 18.
6.
Патент РФ на полезную модель № 168348. H02K 35/02. Линейный генератор электрической энергии на постоянных магнитах / Опубл. 30.01. 2017. БИ № 4.
©Довгаль В.М Профессор д.т.н,Каунг Мьят Хту(Kaung Myat Htoo)2018
