Система питания мощной импульсной нагрузки от индуктивного накопителя

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания импульсной нагрузки. Цель изобретения - улучшения удельных энергетических показателей при одновременном повышении КПД. Система питания содержит источник 7 переменного напряжения, диоды 2, 9, 10, тиристоры 14, 15, коммутаторы 1, 4, датчик 13 тока, индуктивный накопитель 5, блок 12 управления, конденсатор 11, нагрузку 3, управляемый ключ 6. 3 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано при питании импульсной нагрузки от разделенного на две равные секции индуктивного, преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного, накопителя энергии, заряжаемого в режиме неизменной мощности за много периодов изменения напряжения источника от дозирующего конденсатора (ДК).

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника за счет увеличения его практического коэффициента использования по мощности и увеличение КПД системы, что дополнительно уменьшает расход топлива для работы энергетической установки с источником и мощность потерь энергии в системе, а значит, и массу ее подсистемы охлаждения.

На фиг. 1 изображена электрическая схема предложенной системы питания; на фиг. 2 показаны эквивалентные схемы цепей формирования тока в секциях индуктивного накопителя, поясняющие работу системы; на фиг. 3 - эпюры напряжения U₇ источника переменного напряжения с ЭДС практически прямоугольной формы (являющегося одновременно напряжением между двумя входами блока управления), напряжения U₁₁ на конденсаторе (являющегося одновременно напряжением на двух входах блока управления), управляющего напряжения U_15ук на управляющем периоде второго тиристора (являющегося одновременно напряжением между двумя выходами блока управления), управляющего напряжения U_14ук на управляющем электроде первого тиристора (являющегося одновременно напряжением между двумя входами блока управления), токов на верхней i_5в и нижней i_5н секциях индуктивного накопителя 5.

Система питания (фиг. 1) содержит первый коммутатор 1, включенный между анодом первого диода 2 и первым выводом нагрузки 3, второй коммутатор 4, включенный между катодом первого диода 2 и первым выводом индуктивного накопителя 5, который через управляемый ключ 6 соединен со вторым выводом нагрузки 3, источник 7 переменного напряжения, первый вывод 8 которого соединен с анодом второго 9 и третьего 10 диодов, катод второго диода 9 соединен с катодом первого диода 2, анод третьего диода 10 соединен с анодом первого диода 2, конденсатор 11, блок 12 управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа 6, второй выход - с управляющими входами первого и второго коммутаторов 1, 4, датчик 13 тока, первый и второй тиристоры 14, 15, анод первого и катод второго тиристоров соединены со вторым выводом 16 источника 7 переменного напряжения и через конденсатор 11 - со средним выводом индуктивного накопителя 5, который соединен с первым входом блока 12 управления, второй вход которого соединен с первым выводом нагрузки 3 и через датчик 13 тока соединен со вторым выводом индуктивного накопителя 5, который соединен с третьим входом блока 12 управления, четвертый вход которого соединен с катодом третьего диода 10, анод которого соединен с анодом второго тиристора 15, управляющий электрод которого соединен с третьим выходом блока 12 управления, четвертый выход которого соединен с управляющим электродом первого тиристора 14, катод которого соединен с катодом второго диода 9. При этом емкость С конденсатора 11 выбирается (рассчитывается) из условия, чтобы собственная частота f системы при периодическом заряде конденсатора 11 через верхнюю или нижнюю секции индуктивного накопителя 5 была в 2 раза больше частоты f_и изменения напряжения источника 7 переменного напряжения, т.е. f = 2f_и.

Система работает следующим образом.

Предположим, что собственная круговая частота системы ω при заряде дозирующего конденсатора ДК 11 в два раза больше круговой частоты ω_иизменения напряжения источника 7 ( ω = ω_и или f = 2f_и) и описывается последующий заряд индуктивного накопителя (ИН) 5 с оставшимся в нем конечным током I_р.к его разряда на импульсную нагрузку 3, равным начальному току I_зо заряда ИН 5, который при замыкании контактов первого и второго коммутаторов замыкается через первый диод 2 по цепи (фиг. 1 и 2, а): ИН 5 - датчик 13 тока - коммутатор 4 - диод 2 - коммутатор 1 - ИН 5 и сохраняется практически неизменным до следующего цикла заряда индуктивного, преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного, накопителя 5 (СПИН или КРИН), а источник 7 переменного тока является источником с практически прямоугольно изменяющимся напряжением U₇ (фиг. 3, а) или ЭДС (в течение половины полупериода изменения напряжения источника).

При положительном полупериоде изменения напряжения U₇ (фиг. 3, а) источника 7 происходит заряд ДК 11 через верхнюю секцию ИН 5 по цепи (фиг. 2, а и 3, в) источник 7 - вывод 8 - диод 9 - коммутатор 4 - верхняя секция ИН 5 - ДК 11 - вывод 16 - источник 7 током iU_иesin2ω_иt/X_c, где Х_с = 1/ ω_иС) - емкостное сопротивление ДК 11 с емкостью С при круговой частоте ω_и = 2 π f_и источника 7, Q_c= /r_c - добротность системы при заряде ДК 11 через секцию ИН 5; L - полная индуктивность СПИН или КРИН 5 с учетом взаимоиндуктивной связи секций ИН 5, r_c = R_oи + R_вп + R_к + R_ш + R_ин/2, активное сопротивление системы при заряде ДК 11, R_ои - внутреннее сопротивление источника 7 на его выходе, R_в.п - среднее сопротивление вентиля 9 или 10 в проводящем направлении, R_к - сопротивление замкнутых контактов коммутатора 1 или 4, R_ш - активное сопротивление токоведущих шин, R_ин - активное сопротивление индуктивного накопителя 5 (для СПИН R_ин ≈ 0, а для КРИН R_ин = L/τ_L', где τ_L'= 50-70 с - постоянная времени тороидального КРИН 5 с обмоткой из сверхчистого алюминия, охлаждающего жидким или кипящим водородом), t - время, которое достигает своей максимальной величины I_сзm ≈ U_и ω_иС примерно через четверть полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 и суммируется по определенному ниже закону с начальным током I_зо заряда СПИН или КРИН 5.

Когда через половину полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 ω_иt = π/2 напряжение на ДК 11 достигает максимальной величины U_cmU1+e блок 12 управления открывает второй тиристор 15 и следующую половину полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 происходит разряд ДК 11 на нижнюю секцию ИН 5 по цепи (фиг. 2, б): ДК 11 - нижняя секция ИН 5 - датчик 13 тока - коммутатор 1 - тиристор 15 - ДК 11 током i= 2U1+eesin2ω_иt/X_c, где Θ=/r≥ 1000 - добротность системы при разряде ДК 11 на секцию ИН 5, r = R_т.п. + R_к + R_ш + R_ин/2 - активное сопротивление системы при разряде ДК 11 на секцию ИН 5, R_т.п. - среднее сопротивление тиристора 15 или 14 в проводящем направлении. Своего максимального значения ток разряда ДК 11 и подзаряда секции ИН 5 достигает после начала его разряда через четверть полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 ω_иt = 3π /4 и составляет величину I_m≈2U1+e/X_c, которая по определенному закону суммируется с предыдущим током i_з ИН 5. В оставшуюся часть положительного полупериода и первую четверть отрицательного полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 ток i_з' заряда ИН 5 замыкается через вентиль и сохраняется практически неизменным до следующего приращения тока. В конце положительного полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 ток i разряда ДК 11 приближается к нулю и тиристор 15 естественным образом закрывается (самопогасает), а ДК 11 полностью разряжается.

При отрицательном полупериоде изменения напряжения U₇ источника 7 происходит заряд ДК 11 через нижнюю секцию ИН 5 током по цепи (фиг. 2, в): источник 7 - вывод 16 - ДК 11 - нижняя секция ИН 5 - датчик 13 тока - коммутатор 1 - диод 10 - вывод 8 - источник 7, который достигает своей максимальной величины примерно через четверть отрицательного полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 (ω_иt ≈/4). Максимальный ток I_сзmподзаряда секции ИН 5 по определенному закону суммируется с предыдущим током i_з заряда СПИН или КРИН 5.

Когда через половину отрицательного полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 напряжение на ДК 11 достигает своей максимальной величины U_cm, блок 12 управления открывает первый тиристор 14 и следующую половину отрицательного полупериода изменения напряжения U₇ происходит разряд ДК 11 на верхнюю секцию ИН 5 по цепи (фиг. 2, г): ДК 11 - тиристор 14 - коммутатор 4 - верхняя секция ИН 5 - ДК 11 током i. Своего максимального значения ток i разряда ДК 11 и подзаряда секции ИН 5 достигает через четверть отрицательного полупериода изменения напряжения U₇ источника после начала разряда ДК 11 (ω_иt ≈ /4) и составит величину I_m, которая по определенному закону суммируется с предыдущим током i_з заряда СПИН или КРИН 5. В оставшуюся часть отрицательного и первую четверть следующего положительного полупериода изменения напряжения U₇ источника 7 полученный за счет приращения током I_сзm и I_m с начальным током I_зо заряда ИН 5 текущий ток i_з заряда СПИН или КРИН замыкается через диод 2 и сохраняется практически неизменным до следующего положительного полупериода изменения напряжения U₇ источника (последующее приращение токов I_сзm и I_m). В конце отрицательного полупериода изменения напряжения U₇ источника ток разряда ДК 11 i ≈ i_11р (фиг. 3, а), приближается к нулю и первый тиристор 14 естественным образом закрывается (самопогасает), а дозирующий конденсатор 11 полностью разряжается.

И так далее, циклически в течение каждого последующего периода изменения напряжения U₇ источника 7 каждая секция ИН 5 и весь индуктивный накопитель 5 подзаряжается током I_m+I_cзm=U3+2e/X_c по следующему из баланса энергии закону в общем случае (при наличии начального тока I_зо заряда ИН 5), определяемому выражением: i_з= I_m+I/, где i_з - текущий ток заряда индуктивного накопителя 5 от начального тока I_зо до тока i_з в течение времени заряда t_з, k = I_зо/I_зm - относительный начальный ток заряда ИН 5, нормированный по максимальному току I_зсm его заряда, а СПИН и КРИН 5 заряжаются в режиме неизменной за каждый период изменения напряжения U₇ источника 7 его средней мощности. Максимальный ток I_з заряда индуктивного накопителя 6 достигается в конце его заряда при времени t_з = t_зк и определяется выражением: I_зm= I_m+I/= U3+2e/X, из которого, зная величину максимального тока I_зm заряда ИН 5, можно определить напряжение U_и или ЭДС Е, источника 7 и сумму токов (I_m + I_сзm) подзаряда СПИН или КРИН 5 за каждый период изменения напряжения U₇источника 7.

Когда ток i_з индуктивного накопителя 5 достигает своего заданного максимального значения I_зm, выходное напряжение датчика 13 тока становится равным опорному напряжению коммутатора блока 12 управления и последний выдает управляющие импульсы напряжения на открытие управляемого ключа 6 и размыкание исполнительных механизмов коммутаторов 1 и 4 - их контактов. Происходит разряд ИН 5 на импульсную нагрузку 3 током i_р от начального I_ро = I_зm до конечного I_рк тока. Когда ток i_рразряда ИН 5 достигает заданного конечного значения i_р = I_рк = I_зо, блок 12 управления через исполнительный механизм коммутаторов 1 и 4 замыкает их контакты и следует описанный ранее новый цикл заряда индуктивного накопителя 5 от начального (I_зо) до максимального (I_зm) тока и т.д. циклически.

Рассчитанный по выведенному нами выражению для реальной добротности системы Q_c ≈ 20 КПД заряда дозирующего конденсатора 11 составляет η_зс≈ 0,966. КПД подзаряда секций индуктивного накопителя 5 от ДК 11 рассчитан по выведенному нами выражению и для реальной добротности системы при разряде ДК 11 Q ≥ 1000 составляет η_зн ≈ 0,999. КПД предлагаемой системы η_з = η_зс η_зн ≈ η_зс = 0,966. Мощность потерь энергии в предлагаемой системе ΔР_п = Р_зар (1 - η_з)/ η_з = Р_зар (1 - 0,966)/0,966 = 0,0352 Р_зар, где Р_зар = L (I_зm² - I_зо²)/(2t_зк) ≈Е_п.и/t_зк - средняя мощность заряда СПИН или КРИН 5, а Е_п.и. - энергия импульса питания нагрузки.

Формула изобретения

СИСТЕМА ПИТАНИЯ МОЩНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащая первый коммутатор, включенный между анодом первого диода и первым выводом нагрузки, второй коммутатор, включенный между катодом первого диода и первым выводом индуктивного накопителя, который через управляемый ключ соединен с вторым выводом нагрузки, источник переменного напряжения, первый вывод которого соединен с анодом второго и катодом третьего диодов, катод второго диода соединен с катодом первого диода, анод третьего диода соединен с анодом первого диода, конденсатор, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим входом управляемого ключа, второй вход - с управляющими входами первого и второго коммутаторов, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей системы и увеличения КПД, в нее введены датчик тока, первый и второй тиристоры, анод первого и катод второго соединены с вторым выводом источника переменного напряжения и через конденсатор - со средним выводом индуктивного накопителя, который соединен с первым входом блока управления, второй вход которого соединен с первым выводом нагрузки и через датчик тока - с вторым выводом индуктивного накопителя, который соединен с третьим входом блока управления, четвертый вход которого соединен с катодом третьего диода, вход которого соединен с анодом второго тиристора, управляющий электрод которого соединен с третьим выходом блока управления, четвертый выход которого соединен с управляющим электродом первого тиристора, катод которого соединен с катодом второго диода.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3