Система питания импульсной нагрузки от индуктивного накопителя

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания индуктивного накопителя энергии. Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы при одновременном увеличении КПД. Система питания содержит диоды 2,7,8,9 и 10, индуктивный накопитель 3, коммутаторы 1 и 4, источник 6 переменного напряжения, нагрузку 5. 1 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для питания импульсной нагрузки от разделенного на две равные части индуктивного, преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного, накопителя (СПИН или КРИН) энергии, заряжаемого от источника переменного напряжения через выпрямитель и дозирующий конденсатор (ДК), в режиме неизменной мощности за много периодов изменения напряжения источника.

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

На чертеже изображена схема предлагаемой системы.

Система содержит первый коммутатор 1, включенный между анодом первого диода 2 и первым выводом индуктивного накопителя (ИН) 3, второй коммутатор 4, включенный между катодом первого диода 2 и вторым выводом ИН 3, первый и второй выводы которого соединены с нагрузкой 5, источник 6 переменного напряжения, первый вывод которого соединен с анодом второго диода 7 и катодом третьего диода 8, катод второго диода 7 соединен с катодом первого диода 2, анод третьего диода 8 с анодом первого диода 2, а катод четвертого диода 9 с анодом пятого диода 10, конденсатор 11, включенный между средним выводом ИН 3 и вторым выводом источника 6 переменного напряжения, первый вывод которого соединен с катодом четвертого диода 9, анод которого соединен с анодом третьего диода 8, а катод пятого диода 10 с катодом второго диода 7.

Система работает следующим образом.

Система работоспособна и обеспечивает заряд ИН 3 в режиме неизменной средней за период изменения напряжения источника 6 его мощности при резонансной собственной частоте f системы, равной частоте f_н изменения напряжения источника 6 (f f_н), и при собственной частоте f системы, равной удвоенной частоте f_н источника 6 переменного напряжения (f2f_н). Однако работа системы проще описывается при f 2f_н. Поэтому при описании работы системы и доказательстве ее технико-экономических преимуществ принимаем условие равенства собственной частоты f системы частоте f_н изменения напряжения источника 6, при котором емкость дозирующего конденсатора (ДК) 11 при полной индуктивности всего ИН 3 L рассчитывается по выражению С (1) где Q - добротность системы при заряде нижней или верхней секции ИН 3 через ДК 11; r R_ои + R_вп + R_к + R_ш + R_ин/2 активное сопротивление системы при заряде секций ИН 3 через ДК 11; R_ои внутреннее сопротивление источника 6 на его выходе; R_вп среднее сопротивление двух параллельно включенных диодов 7 и 10 или 8 и 9 в проводящем направлении; R_к сопротивление замкнутых контактов коммутатора 1 или 4; R_ш активное сопротивление токопроводящих шин; R_ин полное активное сопротивление всего индуктивного накопителя 3 (для СПИН R_ин ≈0, а для КРИН R_ин L/π_L^l где π_L^l= 50-70 с постоянная времени для тороидального КРИН 3 с обмоткой из сверхчистого алюминия, охлаждаемой жидким или кипящим водородом при 20,3 К при этом заряд ИН 3 начинается от начального тока I_зо, оставшегося в нем после его предыдущего разряда.

Система работает следующим образом.

При выполнении соотношения (1) в ИН 3 начального тока I_зо и положительном полупериоде изменения напряжения источника 6, когда потенциал его первого вывода выше потенциала второго вывода, происходит подзаряд верхней секции, ИН 3 через дозирующий конденсатор 11 по цепи: источник 6 диоды 7 и 10 коммутатор 4 верхняя секция ИН 3 ДК 11 источник 6 током i U_m(sin ω_нt)/r, который достигает своего максимального значения I_m U_m/r через половину этого полупериода. Этот максимальный ток I_m по определенному ниже закону суммируется с начальным током I_зо заряда ИН 3 и полученный ток заряда в оставшуюся часть положительного полупериода замыкается через первый диод 2 со сравнительно малым сопротивлением ≅1 мОм и сохраняется практически неизменным до следующего отрицательного полупериода изменения напряжения источника 6, при этом суммарный ток верхней емкости ИН 3 замыкается через диод по цепи: верхняя секция ИН 3 нижняя секция ИН 3 коммутатор 1 диод 2 коммутатор 4 верхняя секция ИН 3.

При отрицательном полупериоде изменения напряжения источника, когда потенциал его второго вывода выше потенциала первого вывода, происходит подзаряд нижней секции ИН 3 через ДК 11 по цепи: источник 6 ДК 11 нижняя секция ИН 3 коммутатор 1 диоды 8 и 9 источник 6, током i который достигает своего максимального значения I_m через половину отрицательного полупериода и по определенному закону суммируется с предыдущим током i_з' подзаряда ИН 3. Полученный в результате этого суммирования ток подзаряда нижней секции ИН 3 в оставшуюся часть отрицательного полупериода замыкается через диод по цепи: нижняя секция ИН 3 коммутатор 1 диод 2 коммутатор 4 верхняя секция ИН 3 нижняя секция ИН 3 и сохраняется практически неизменным до следующего положительного полупериода изменения напряжения источника 6.

В последующие положительный и отрицательный полупериоды изменения напряжения источника 6 описанным выше путем происходит дальнейший подзаряд верхней и нижней секций ИН 3. И так далее, циклически каждый последующий период изменения напряжения источника 6. Как следует из закона сохранения энергии и баланса энергии, в системе текущий ток подзаряда индуктивного накопителя от начального тока I_зо до тока i_з за время t_з определяется выражением i_з I/, (2) где f_нt_з текущее число периодов изменения напряжения источника 6 за время t_з;
k I_зо/I_зm относительный начальный ток заряда ИН 3, нормированный по максимальному току I_зm его заряда.

Как следует из выражения (2) максимальный ток I_зm заряда СПИН или КРИН 3 достигается в конце его заряда за время t_з t_зk и находится по выражению
I_зм=I /=U /.

Идеальный коэффициент использования источника 6 по мощности, под которым понимается отношение средней мощности Р_ср источника 6 к его максимальной мощности Р_m, равен средней относительной мощности R_*сристочника К_инm P_cp/P_m P_*cp≈ 2 / π≈0,637 для источника 6 переменного напряжения прямоугольной формы и К_инm Р_*ср 0,5 для источника 6 переменного напряжения синусоидальной формы.

КПД заряда индуктивного накопителя 3 определяется следующим выведенным выражением:
η_з= 1/[1 + π(1 k²)/(τ_Lω_н)] (3) где τ_L/r постоянная времени системы при заряде СПИН или КРИH 3;
ω_н= 2πf_н круговая частота изменения напряжения источника 6.

Практический коэффициент использования источника 6 по мощности, под которым понимается отношение средней мощности последующих зарядов индуктивного накопителя
Р_зср L(I_зm² I_зо²)/(2t_зk)
LI_зm²(1 k²)/2t_зk ≈Е_пи/t_зk к максимальной мощности источника, определяется следующим очевидным выражением:
К_инm Р_ср/Р_m К_ипm η_з. (4)
Здесь Е_пи энергия импульса питания нагрузки 5.

Максимальная установленная мощность источника 6 переменного напряжения Р_mн Р_зср/К_ипm тем меньше, чем больше практический коэффициент К_ипm использования источника 6 по мощности.

Потери мощности в системе определяются следующим очевидным выражением: ΔР_сп Р_зср(1 -η_з)η_з и тем меньше, чем больше КПД η_зсистемы.

Когда индуктивный накопитель 3 заряжается до заданного максимального тока I_зm блок управления системой открывает управляемый ключ (если он есть в системе), и размыкает контакты коммутаторов 1 и 4. В результате этого ИН 3 разряжается на импульсную нагрузку 5 током i_р, изменяющимся в процессе разряда от максимального I_ро I_зm до конечного I_р I_pk. Когда ток разряда ИН 3 достигает заданного конечного значения i_p I_pk I_зо, блок управления системой замыкает контакты коммутаторов 1 и 4, оставшийся в индуктивном накопителе ток I_pk I_зо замыкается через первый диодный вентиль и происходит следующий цикл заряда ИН 3 от начального (I_зо) до максимального (I_зm) тока, а затем его разряд на импульсную нагрузку. И так далее циклически с частотой f_пи 1/(t_зk + t_пи), где t_пи время разряда ИН 3 на импульсную нагрузку 5.

Формула изобретения

СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащая первый коммутатор, включенный между анодом первого диода и первым выводом индуктивного накопителя, второй коммутатор, включенный между катодом первого диода и вторым выводом индуктивного накопителя, первый и второй выводы которого соединены с нагрузкой, 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, катод четвертого диода соединен с анодом пятого диода, конденсатор, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника переменного напряжения, конденсатор включен между средним выводом индуктивного накопителя и вторым выводом источника переменного напряжения, первый вывод которого соединен с катодом четвертого диода, анод которого соединен с анодом третьего диода, а катод пятого диода соединен с катодом второго диода.

РИСУНКИ

Рисунок 1