186149. lajstromszámú szabadalom • Paraméteres villamosgép
186149 2 A találmány tárgya paraméteres villamos gép, ami legalább egy, időben változtatható kapacitású kondenzátorból és ezzel sorbakapcsolva legalább egy indukciós tekercset tartalmazó induktivitásból és egy ohmos ellenállásból áll. 5 Korábban már javasolták, hogy a mechanika energiát egy rezgőkör villamos mennyiségeinek periodikus változtatása útján alakítsák át villamos energiává. Egy ilyen „paraméteres generátornál’ pl. egy kondenzátorból és egy indukciós tekercsből 10 álló soros rezgőkör kapacitását időben periódiku san változtatják. A kondenzátor kapacitásának csökkentése végett munkát kell végezni, mivel a kondenzátor töltését kisebb térbe, vagyis kisebb kapacitásra kell összesűríteni. Az energiaforrás itt 15 az a mechanizmus, ami a kapacitást csökkenti. A kapacitás növeléséhez nem kell energiát juttani a rendszerbe, mivel az egynemű töltések taszítják egymást és nagyobb kapacitáson maguktól foglalnak el nagyobb teret. Ezért a kapacitás periodikus 20 csökkentésekor és növelésekor csak a hajtószerkezetből a rezgőkörbe irányuló energiaáramlás lép fel (a mechanikai energia átalakítása villamos energiává). A paraméteres generátortól néhány előny várha- 25 tó a hagyományos, indukciós elven működő generátorokhoz képest. Az indukciós generátoroknál ugyanis — hacsak nem állandó mágnessel működnek, mint pl. a kerékpárdinamó —■ a szükséges mágneses mezőt gerjesztőtekercsek létesítik, ame- 30 lyeknek tekercseléseiben természetszerűleg Jouleféle veszteségek lépnek fel. Ezek a veszteségek akkorák, hogy egy bizonyos generátorteljesítmény fölött közvetlen vízhűtésre van szükség. A forgórész tekercseléseiben is jelentős hőveszteségek lép- 35 hetnek fel. Ezzel szemben a paraméteres generátorban alig lépnek fel hőveszteségek. Ezen kívül a paraméteres generátorral közvetlenül lehet viszonylag nagy — kilóvolt nagyságrendű -~ feszültséget előállítani. További előny a paraméteres generátor 40 egyszerű szerkezete és kis súlya. A paraméteres kialakítására irányuló eddigi kísérletek azonban nem voltak eredményesek. Egyrészt nem sikerült a fogyasztók által létesített, váltakozó terhelésektől független, stabil periodikus 45 váltakozóáramot termelni, mivel vagy az áram exponenciálisan növekedett és ezért az indukciós tekercsek elégtek, vagy a váltakozóáramú rezgés gyorsan csillapodott. Másrészt nem sikerült a paraméteres generátorral szinuszalakú váltakozóáramú 50 rezgéseket gerjeszteni. Ennek okát megtalálhatjuk a paraméteres rezgőkör differenciál-egyenletének elemzésével. Ez a differenciálegyenlet időben periódikus kapacitás esetén a következő: d-Q | Rq dQ | 1 dt2 L0 dt LoCo cos cd t) Q = 0, ahol L0 az (egyelőre) állandónak tekintett induktivitás, C„ az összkapacitás átlagértéke, azaz C> = (C,nax + Cmm)/2, aholis Cmav a kapacitás legnagyobb, Cmm pedig legkisebb értékét jelenti. A kapacitás változása J C = (Cmax — Cm„,)/2. R0 az induk- 65 tivitás (egyenlőre) állandó ohmos ellenállása és Q(t) a kondenzátor töltése. Az (I) differenciálegyenlet csillapított Mathieudifferenciálegyenlet, aminek általában instabil megoldásai vannak, vagyis a feszültség, a töltés és áram vagy exponenciálisan a végtelenhez, vagy nullához tart. Csak az R„, L„, C0 és AC paraméterek meghatározott értékei esetén jön létre stabil periodikus rezgés, ami azonban időben nem szinuszfüggvény, hanem Mathieu-függvény szerint változik. Aligha van azonban olyan áramellátó hálózat, amelynek számára időben Mathieu-függvény szerint változó villamos feszültségre lenne szükség. Ennek a hiányosságnak a kiküszöbölésére a 633 254 sz. NSZK-szabadalom azt javasolja, hogy egy változtatható kapacitású, paraméteres rezgőkört szinuszalakú váltakozó feszültség betáplálásával kényszerítsenek arra, hogy ezt a külső gerjesztést paraméteres effuktusokkal erősítse („power amplifier”, teljesítményerősítő). Találmányunk célja ezzel szemben olyan paraméteres villamos gép kialakítása, ami külső gerjesztés nélkül is alkalmas stabil, szinuszalakú váltakozóáram terhelésére (generátor) és ezen kívül villamos energiát át tud alakítani mechanikai energiává (motor), mégpedig úgy, hogy szinuszalakú váltakozóáramot szolgáltató áramellátó hálózatra csatlakoztatjuk. Ezt a feladatot a találmány értelmében úgy oldjuk meg, hogy a gép rezgőkörében teljesen a — = 2Ro Co feltétel, ahol Co a kondenzátor (illetve kondenzátorok) (össz-/alapkapacitása, AC a kondenzátor (illetve kondenzátorok) (össz-/kapacitásának mechanikai változása, Lo az indukciós tekercs(ek) (össz-/induktivitása és R« az indukciós tekercs(ek), valamim minden járulékos, tiszta ohmos ellenállás ohmos (össz-/ellenállása terheletlen állapotban. Emellett a rezgőkörnek legalább egy paramétertagja (L, R, C) a rezgőkörben folyó I áram függvénye. C0 és zlC a kondenzátor (kondenzátorok) (ossz-) kapacitásának Cma.x legnagyobb értékével és Cmin legkisebb értékével — mint fentebb az (I) egyenletben — a következő összefüggésben áll: Co Çmax + c rr zlC = Cmax -t" Cmm A legegyszerűbb esetben a rezgő „kapacitása” egyetlen, változtatható kapacitású kondenzátorból, „induktivitása” egyetlen, ferromágneses anyagú vasmaggal ellátott indukciós tekercsből áll. A „kapacitás” állhat azonban több, párhuzamosan vagy sorba kapcsolt kondenzátorból, amelyek közül legalább egynek a kapacitása időben változtatható. Az „induktivitás” is állhat több, párhuzamosan vagy sorba kapcsolt indukciós tekercsből, amelyek közül legalább egynek ferromágneses anyagból készült, nyugvó vasmagja van. A találmány azon alapszik, hogy az (I) differenciálegyenlet átalakítható olyan rezgési egyenletté, amelynek megoldási szinuszfüggvények. Ez akkor lehetséges, ha a rezgési egyenlet tartalmaz egy nemlineáris tagot. A találmány azon alapszik továbbá, hogy a rezgési egyenlet ily nem-lineáris tagja műszakilag úgy valósítható meg, hogy a rezgőkörben folyó áram — 2
