Способ рекуперации электрической энергии в импульсных установках и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для генерации импульсов в активно-индуктивных нагрузках. Технический результат состоит в снижении тепловых потерь при перезарядке, в получении однополярных импульсов тока, в отсутствии необходимости коммутации полярности тока дозарядки, в упрощении конструкции и схемы управления ключом. Способ рекуперации электрической энергии заключается в преобразовании магнитной энергии электрического тока, полученной в результате преобразования энергии заряженного емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока, в энергию емкостного накопителя. В течение одного цикла работы импульсной установки преобразование энергии емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока и наоборот производится дважды. На первом этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в активно-индуктивной нагрузке с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель. На втором этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в катушке индуктивности с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель. Устройство содержит подключаемый к зарядному устройству емкостный накопитель энергии, параллельно которому подключены последовательно соединенные активно-индуктивная нагрузка и первый ключ. В него введена цепь из последовательно соединенных катушки индуктивности и второго ключа, которая подключена параллельно емкостному накопителю энергии. Первый вывод емкостного накопителя, первый вывод активно-индуктивной нагрузки и первый вывод катушки индуктивности соединены между собой и подключаются к положительному выводу зарядного устройства. Второй вывод активно-индуктивной нагрузки подключен к аноду первого ключа, второй вывод катушки индуктивности подключен к катоду второго ключа. Второй вывод емкостного накопителя, катод первого ключа и анод второго ключа соединены между собой и подключаются к отрицательному выводу зарядного устройства. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, к разделу импульсной техники, и может быть использовано для генерации импульсов тока в активно-индуктивных нагрузках в радиотехнических устройствах, в устройствах сильноточной электроники, в лабораторных и промышленных установках для создания импульсных магнитных полей.

Известен способ рекуперации электрической энергии [Асина С.С., Виноградов К.А., Дронин В.Н., Сурма А.Н. Импульсный магнит с тиристорным коммутатором в цепи питания для сканирования электронного пучка. - ПТЭ, 1989, №5, с.53-54], заключающийся в преобразовании магнитной энергии электрического тока, полученной в результате преобразования энергии заряженного емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока, в энергию емкостного накопителя и наоборот, причем в течение одного цикла работы импульсной установки преобразование производится многократно в режиме затухающих колебаний. Способ реализован в устройстве, содержащем зарядное устройство, емкостный накопитель энергии, тиристорный ключ и магнит в качестве нагрузки.

Недостатками данного способа являются его низкая эффективность вследствие полного разряда емкостного накопителя энергии при срабатывании тиристорного ключа, повышенное тепловыделение в обмотке магнита, высокие затраты энергии на повторную зарядку емкостного накопителя.

Известен способ рекуперации электрической энергии, выбранный за прототип [Макарьин В.К., Мартемьянов В.П. Установка для создания импульсного магнитного поля 100 кЭ в объеме 8 л. - ПТЭ, 1966, №2, с.147-151], заключающийся в однократном преобразовании магнитной энергии электрического тока, полученной в результате преобразования энергии заряженного емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока, в энергию емкостного накопителя, при этом емкостный накопитель перезаряжается на обратную полярность напряжения. Способ реализован в устройстве, содержащем зарядное устройство, емкостный накопитель энергии, ключ на основе попарно включенных параллельно-встречно управляемых вентилей и активно-индуктивную нагрузку в виде магнита. Способ позволяет применить режим дозарядки емкостного накопителя энергии, снизить мощность зарядного устройства.

К недостаткам этого способа относятся изменение направления электрического тока в нагрузке от цикла к циклу, необходимость коммутации полярности тока дозарядки и, как следствие, излишняя сложность зарядного устройства и схемы управления ключом.

Технический результат, реализуемый с помощью заявляемого способа, состоит в снижении тепловых потерь при перезарядке емкостного накопителя энергии, в получении однополярных импульсов тока в активно-индуктивной нагрузке, в уменьшении тепловыделения в активно-индуктивной нагрузке, в отсутствии необходимости коммутации полярности тока дозарядки емкостного накопителя энергии, в упрощении конструкции зарядного устройства и схемы управления ключом.

Технический результат достигается тем, что в способе рекуперации электрической энергии, заключающемся в преобразовании магнитной энергии электрического тока, полученной в результате преобразования энергии заряженного емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока, в энергию емкостного накопителя, новым является то, что в течение одного цикла работы импульсной установки преобразование энергии емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока и наоборот производится дважды, причем на первом этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в активно-индуктивной нагрузке с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель, на втором этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в катушке индуктивности с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель.

Технический результат достигается также и тем, что в устройстве, содержащем подключаемый к зарядному устройству емкостный накопитель энергии, параллельно которому подключены последовательно соединенные активно-индуктивная нагрузка и первый ключ, новым является то, что в него введена цепь из последовательно соединенных катушки индуктивности и второго ключа, которая подключена параллельно емкостному накопителю энергии, при этом первый вывод емкостного накопителя энергии, первый вывод активно-индуктивной нагрузки и первый вывод катушки индуктивности соединены между собой и подключаются к положительному выводу зарядного устройства, второй вывод активно-индуктивной нагрузки подключен к аноду первого ключа, второй вывод катушки индуктивности подключен к катоду второго ключа, второй вывод емкостного накопителя энергии, катод первого ключа и анод второго ключа соединены между собой и подключаются к отрицательному выводу зарядного устройства.

На чертежах представлены: схема устройства (фиг.1), реализующего заявляемый способ; график (фиг.2), поясняющий работу устройства; один из примеров (фиг.3) выполнения устройства.

Устройство содержит зарядное устройство 1, емкостный накопитель 2 энергии, активно-индуктивную нагрузку 3, первый ключ 4, катушку 5 индуктивности, второй ключ 6. Зарядное устройство 1, содержащее, к примеру, последовательно соединенные источник 7 питания постоянного тока, зарядный резистор 8 и замыкатель 9, подключено своими выводами к емкостному накопителю 2 энергии. Параллельно емкостному накопителю 2 энергии подключены две цепи: 1) последовательно соединенные активно-индуктивная нагрузка 3 и ключ 4; 2) последовательно соединенные катушка 5 индуктивности и ключ 6. При этом первый вывод емкостного накопителя 2 энергии, первый вывод активно-индуктивной нагрузки 3 и первый вывод катушки 5 индуктивности соединены между собой и подключаются к положительному выводу зарядного устройства 1, второй вывод активно-индуктивной нагрузки 3 подключен к аноду ключа 4, второй вывод катушки 5 индуктивности подключен к катоду ключа 6, второй вывод емкостного накопителя 2 энергии, катод ключа 4 и анод ключа 6 соединены между собой и подключаются к отрицательному выводу зарядного устройства 1.

Устройство работает следующим образом. На фиг.2 приведены зависимости от времени напряжения U₂ емкостного накопителя 2 и тока I₃ нагрузки 3.

Зарядка емкостного накопителя 2 энергии производится от зарядного устройства 1 при замыкании замыкателя 9 до требуемого положительного напряжения U_2max, после чего замыкатель 9 размыкается.

Сначала, в момент времени t_вкл.4 (начало цикла работы импульсной установки), ключ 4 отпирается и емкостный накопитель 2 разряжается через нагрузку 3 и ключ 4. Процесс разряда носит колебательный характер. За время τ₁ перезаряда емкостного накопителя 2 на обратную полярность в активно-индуктивной нагрузке 3 формируется полуволна тока I₃ положительной полярности. Энергия емкостного накопителя 2 преобразуется в магнитную энергию тока в активно-индуктивной нагрузке 3, затем происходит рекуперация энергии в емкостный накопитель 2. Часть энергии выделяется в виде джоулева тепла в нагрузке 3. Время τ₁ определяется номиналами емкости накопителя 2, индуктивности и активного сопротивления нагрузки 3. При уменьшении тока до нуля в момент времени t_выкл.4 ключ 4 запирается.

На втором этапе цикла в момент времени t_вкл.6 отпирается ключ 6 и емкостный накопитель 2 энергии вновь разряжается, но теперь уже через катушку 5 индуктивности и ключ 6. Процесс разряда также носит колебательный характер. Время τ₂ перезаряда емкостного накопителя 2 энергии в данном случае определяется, главным образом, номиналами индуктивности катушки 5 и емкости накопителя 2. Энергия емкостного накопителя 2 преобразуется в магнитную энергию тока в катушке 5 индуктивности, затем происходит рекуперация энергии в емкостный накопитель 2. Некоторая часть энергии выделяется в виде джоулева тепла в катушке 5. При уменьшении тока до нуля в момент времени t_выкл.6 ключ 6 запирается. В результате, емкостный накопитель 2 энергии оказывается заряженным до положительного напряжения несколько ниже напряжения U_2max. Дозарядка емкостного накопителя 2 энергии производится от зарядного устройства 1 до достижения требуемого значения напряжения (конец цикла). При следующем отпирании ключа 4 начинается новый цикл работы.

Применение катушки 5 индуктивности с такими параметрами, чтобы добротность колебательного контура, составленного из катушки 5 и накопителя 2, превосходила добротность контура, составленного из нагрузки 3 и накопителя 2, позволяет уменьшить тепловые потери по сравнению с известными устройствами, в которых перезаряд емкостного накопителя производится исключительно через нагрузку.

Устройство работает вышеописанным образом, если в качестве ключей 4, 6 используются управляемые вентили, в частности, тиристоры. Отпирание управляемого вентиля происходит при подаче импульса тока управления на управляющий электрод вентиля. Так можно в нагрузке 3 формировать одиночные импульсы тока.

Схожий результат получается, если в качестве ключа 6 используется неуправляемый вентиль, в частности, диод, правда это приводит к некоторому увеличению длительности импульса тока в нагрузке 3, зато упрощает схему управления.

Далее, в качестве ключа 4 также можно использовать неуправляемый вентиль, в частности, динистор, который переключается в открытое состояние по достижении напряжения на нем заданной величины. В этом случае, замкнув постоянно замыкатель 9, можно в нагрузке 3 сформировать последовательность импульсов тока.

Кроме всего, в зависимости от конструктивного исполнения ключей 4, 6, может быть более рациональным исполнение устройства, в котором изменена последовательность включения в цепь активно-индуктивной нагрузки 3 и ключа 4, либо катушки 5 индуктивности и ключа 6, либо и то и другое одновременно.

Пример 1. Физическая установка для создания импульсного магнитного поля

В устройстве применены следующие комплектующие. В качестве емкостного накопителя 2 энергии используется батарея из соединенных параллельно конденсаторов типа МБГВ-1000 В-200 мкФ-В общей емкостью 20 мФ, нагрузкой 3 служит погруженный в жидкий азот соленоид, имеющий индуктивность 1 мГн и сопротивление 0,1 Ом, в качестве ключа 4 используется тиристор типа ТБ253-1000-14, 6 качестве катушки 5 индуктивности используется дроссель, имеющий индуктивность 1,2 Гн и сопротивление 0,6 Ом, в качестве ключа 6 используется диод типа В200-11. При разряде батареи конденсаторов, заряженной до напряжения 800 В, через тиристор на соленоид создается импульс магнитного поля в форме полуволны длительностью 14 мс и амплитудой 100 кЭ.

Пример 2. Радиотехническое устройство для формирования последовательности высоковольтных импульсов (фиг.3).

В устройстве применены следующие комплектующие. В качестве емкостного накопителя 2 энергии используется конденсатор типа К73-17-400В-0,22мкФ±20%, в качестве нагрузки 3 подключена первичная обмотка трансформатора типа ТВС-110ПЦ15, в качестве ключа 4 используется цепь из последовательно соединенных диода 10 типа КД411БМ и динистора 11 типа К2400Е70 производства Littelfuse, в качестве катушки 5 индуктивности используется дроссель типа Д 16-0,08-0,8, в качестве ключа 6 используется диод типа КД411БМ. В зарядном устройстве 1 в качестве источника 7 используется источник питания постоянного тока напряжением 260 В, в качестве резистора 8 используется резистор типа ПЭВ-10-3кОм±10%, в качестве замыкателя 9 используется перекидной переключатель типа Т1. При переводе переключателя в замкнутое положение во вторичной обмотке трансформатора начинают индуцироваться высоковольтные импульсы амплитудой 6 кВ и длительностью 20 мкс, частота следования импульсов составляет 700 Гц. Диод 10 введен в схему для того, чтобы исключить протекание обратного тока через динистор, у которого время обратного восстановления слишком велико (˜ 40 мкс).

Таким образом, по сравнению с известными способами и устройствами, реализующими их, заявляемый способ рекуперации электрической энергии в импульсных установках и устройство для его осуществления обладают рядом достоинств:

- снижены тепловые потери при перезарядке емкостного накопителя энергии;

- импульсы тока в активно-индуктивной нагрузке - однополярные;

- уменьшено тепловыделение в активно-индуктивной нагрузке;

- отсутствует необходимость коммутации полярности тока дозарядки емкостного накопителя энергии;

- упрощены конструкция зарядного устройства и схема управления ключом;

- более высокий коэффициент полезного действия импульсной установки.

1. Способ рекуперации электрической энергии в импульсных установках, заключающийся в преобразовании магнитной энергии электрического тока, полученной в результате преобразования энергии заряженного емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока, в энергию емкостного накопителя, отличающийся тем, что в течение одного цикла работы импульсной установки преобразование энергии емкостного накопителя в магнитную энергию электрического тока и наоборот производится дважды, причем на первом этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в активно-индуктивной нагрузке с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель, на втором этапе энергия емкостного накопителя преобразуется в магнитную энергию тока в катушке индуктивности с последующей рекуперацией энергии в емкостный накопитель.

2. Устройство, содержащее подключаемый к зарядному устройству емкостный накопитель энергии, параллельно которому подключены последовательно соединенные активно-индуктивная нагрузка и первый ключ, отличающееся тем, что в него введена цепь из последовательно соединенных катушки индуктивности и второго ключа, которая подключена параллельно емкостному накопителю энергии, при этом первый вывод емкостного накопителя энергии, первый вывод активно-индуктивной нагрузки и первый вывод катушки индуктивности соединены между собой и подключаются к положительному выводу зарядного устройства, второй вывод активно-индуктивной нагрузки подключен к аноду первого ключа, второй вывод катушки индуктивности подключен к катоду второго ключа, второй вывод емкостного накопителя энергии, катод первого ключа и анод второго ключа соединены между собой и подключаются к отрицательному выводу зарядного устройства.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве первого ключа используется управляемый вентиль.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве первого ключа используется неуправляемый вентиль.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что неуправляемый вентиль выполнен из последовательно соединенных диода и динистора.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве второго ключа используется управляемый вентиль.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в качестве второго ключа используется неуправляемый вентиль.