Сверхпроводящий преобразователь тока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

И АВТОРСКОМУ . ЯИЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (gi> 730232 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 2б1078 (к1) 2681944/I8-25 с присоединением эаявкм ИУ (23) ПрнормтетОпублмковано 070981. Бюллетень ЙУ 33

Р м „3

Н 01 L 39/02

Н 01 F 7/22

Государетвеиимй комитет

СССР ио делам изобретений и открытий (53) УДК 621. 326 (088,8) Дата опубликования описания 070981 (72) Автор изобретения

B ..B. Мымриков (71) Заявитель (54) СВЕРХПРОВОДЯЦИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ТОКА

Изобретение относится к области сверхпроводящих источников питания s; может быть использовано для питания постоянным током энергетических уст ройств, таких как сверхпроводящие магниты, накопители энергии, обмотки возбуждения турбогенераторов.

Использование постоянного тока в сверхпроводящих цепях энергетического применения представляет безусловный интерес, так как в настоящее вре- мя разработаны н изготовлены сверхпроводящие материалы, способные сохранять при температуре жидкого гелия сверхпроводящее состояние в сильиых магнитных полях и ток плотностью свы- ше 104 A/ìì .

Однако прямой ввод постоянного тока от генератора постоянного тока в криогенную срепу. в которой распо- 20 лагаются сверхпроводящие устройства, неизбежно влечет значительные теплопритоки. Для оптимизированных токовводов, при условии хорошего теплообмена между материалом токоввода и испаряющимся охлаждающим газом, удельные теплопритоки .составляют " 1 мВТ/А.

Расход жидкого гелия за счет теплопритоков могут компенсировать рефрежераторные установки, которые имеют 30 низкий коэффициент полезного действия

Так для компенсации 1 Вт потерь энергии, выделившихся в гелиевой среде, необходимо затратить 1000 Вт. Поэтому для уменьшения теплопритоков в криогенную среду применяют сверхпроводящий преобразователь тока (СПТ), позволяющий вводить в сверхпроводящую обмотку большие токи (тысячи ампер) беэ специальных мощных токовводов в криостат и мощных источников питания.

Преобразователь должен иметь следующие показатели: высокую выходную мощность при больших токах в сверхпроводящей нагрузке высокий коэффициент полезного действия (КПД) t способноеть работать в меняющемся магнит ном поле быть компактным и надежным.

Сверхпроводящий источник питания представляет собой устройство, с помощью которого механическим или электрическим способом можно заводить е в область низких температур (Т-4,2 X энергию малыми порциями и .там преобразовывать ее в энергию большого тока и низкого напряжения. Пер-. вые модели предложены Мендельсоном fl).

730232 а

В них использованы трансформаторы постоянного тока. СПТ на основе трансформатора переменного тока, работающий со сверхпроводящими ключами (СПК1 вместо диодов, разработан Бухольдом (2).

Для исключения теплопритоков через токовводы,наиболее эффективно испольэовать охемы СПТ с трансформатором тока и выпрямителем на (СПК) °

Первичная обмотка сверхпроводящего трансформатора питается через токовводы малым переменным током (единицы — десятки ампер), а вторичная об- . мотка с выпрямителем на СПК создает выпрямленный ток большой величины (сотни — тысячи ампер) для питания !5 сверхпроводящей магнитной системы.

Сверхпроводящие трансформатор, ключи и магнитная система находятся в зоне низких температур. Целесообразно применять СПТ в гелиевой среде, когда мощность, требуемая на компенсацию всех потерь в нем, не больше мощности, требуемой на компенсацию теплопритока по токовводам при запитке от генератора постоянного тока. Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение выходной мощности к сумме выходной мощности и мощности тепловых потерь, выделившихся в жидком гелии, 3()

КПД

Р+ дР где Р— выходная мощность; ьР— мощность тепловых потерь, выделившихся в жидком гелии.

КПД может быть определен И как отношение запасенной энергии в сверхпроводящем магните к сумме запасенной энергии и энергии, выделившейся в зоне низких температур (Т = 4,2 К), 4О

КПД

Е+ дЕ где E — - запасенная энергия;

ЬŠ— энергия, выделившаяся в жидкoM гелии.

Тепловые потери энергии в жидком гелии при работе СПТ,. определяющие его КПД, суммируются из следующих составляющих, потерь энергии в ключах, находящихся в резистивном несверхпроводящем состоянии за счет протекания обратного тока, вызванного конечным сопротивлением ключей;

S5 гестерезисных и вихревых потерь .при цилиндрическом перемагничивании сверпроводящих обмоток трансформатора потерь энергии в сердечнике транс- 60 форматора; .потерь энергии в криогенной среде эа счет теплопритока по токовводам из среды комнатной температурой; потерь энергии,,вь|деливш ьхся в СПК 65 при переводе их в резистивное состояние при нулевом токе через них; потерь энергии, выделившихся в жидком гелии при переводе СПК в резистивное состояние, особенно при тепловом способе их перевода.

Коэффициент полезного действия существующих СПТ имеет очень большой разброс в зависимости от применяемых схем. Так, если самая экономичная схема Т.A.Áóõoëüäà, где применена оригинальная комбинация СПК и дросселей с прямоугольной петлей гистерезиса, позволяющая переводить ключи в реэистивное состояние при нулевом токе через них, име т КПД несколько выше 90%, то большинство других схем имеют КПД порядка 20-30%. Так как целесообразность использования

СПТ для питания сверхпроводящих магнитных систем определяется соотношением потерь энергии в жидком гелии с йакопленной энергией в нагрузке, то основной проблемой является увеличение КПД СПТ при одновременном повы-. шении его выходной мощности.

Известен СПТ со сверхпроводящими ключами на 1000 А и максимальной частотой переключения 40 Гц (31. Сопротивление СПК, изготовленного из сплава 4% Sb, составляет в резистивном состоянии 6 мОм. Токовводы, по которым протекает переменный ток,. подсоединены к первичной обмотке сверхпроводящего трансформатора тока. В цепи вторичной обмотки трансформатора переменный ток выпрямляется и добавляется к постоянному току, протекающему через сверхпроводящую нагрузку.

Чтобы ток вторичной обмотки трансформатора поступал в нагрузку все время в одном направлении, в выпрямителе используются СПК, переключающиеся с частотой источника переменного тока, СПК переводятся в резистивное состояние магнитным полем управляющей обмотки. Данный СПТ работает с высокой частотой переключения СПК (40 Гц), что позволяет увеличить мощность

СПТ (3).

Недостатком, данного СПТ является его низкий КПД за сче-. малого сопротивления (6 мОм) ключа в резистивном состоянии.

Описан аналогичный по конструкции

СПТ с максимальным. током в нагрузке

1600 Ai Ho c другим режимом работы и с СПК,которые переводятся в резистивное состояние тепловым способом.

СПК помещен в вакуумную камеру, чтобы довести до минимума потери энергии в нем, в резистивном состоянии. Для перевода ключа в сверхпроводящее состояние нарушается вакуум введением холодного газообразного гелия.

Такие СПК имеют потери энергии от 0,5до 1,5 Вт независимо от объема, но большое время переключения (длительность одного цикла составляет 2 мин).

730232

Сопротивление ключа в резистнвном состоянии составляет 1 Ом. Данный СПТ обладает малыми потерями энергии и ключах, находящихся в реэистивном состоя,нии, ио при увеличении мощности СНТ

1за счет большой длительности одного цикла (2 мин) в первичную обмотку трансформатора через токовводы заводится большой Переменный ток (сотни ампер), что ведет к уменьшению КПД

CIIT .

16

Наиболее близким tro технической сущности является СПТ (4J, еверхпроводящая нагрузка которого эапитана постоянным током через.сверхпроводящий трансформатор така, первичная обмотка которого соединена с источни- 1э ком переменного тока, а ко вторичной обмотке в средней точке ее присоеди.нена. двухполупериодиая выпрямительная схема, содержащая в каждом плече по одному сверхиреводящему ключу и 20 по одному иасыщающемуся дросселю, подключенные к блоку управления, который соединен с электронным ключом„ вход которОгО соединен.с блоком эталонного напряжения, а выход - с источником переменного тока.

Работой СПК управляет блок управлейия отслеживающий. состояние иамаг.ниченйости двух насыцающихся дросселей, иа каждом нз которых имеется рЕ сверхпроводящая обмотка, включенная последовательно с .ьагрузкой. В такой схеме переменное насыщение дросселей приводит к поочередиому переклю,чению СПК в плечах пепи питания нагруЭ- щ5 ки и, следовательно, к непрерывному возрастанию тока через. нагрузку с каждым полупериодом переменного тока, поступающего в первичную обмотку тран. сформатора. Магнитный поток из трансформатора перекачивается в сверхпроводящую нагрузку. Для того, чтобы увеличить КНД СПТ, перевод СПК в реэистивное состояние и обратно: должен осуществляться при нулевом токе через него. Поэтому последовательно со СПК 45 включен нааыщающийся дроссель. Если

СЛК находится в сверхпроводящем состоянии и через него протекает полный ток, то дроасель работает в режиме насыщения и не вызывает падения напря-яо жения. Если ток уменьшится и стРемится изменить свою полярность,то даос сель становится ненасмценным и иа нем выделяется. все напряжение. Теперь будет протекать небольшой ток намагничивания, Пока Не будет достигну о насыщение другой полярности за нуомежуток.времениМ..

В начальный яомеит первый СПК..вы.ходится и сверхпроводящем еостсмнии, а второй - в .резнативном. К первйчной обмотке т)рансформатора.прикла-. дывается напряжение, которое вийзывает возникновеии@ ЭДС во вторичной..е5sroexe.crepes.первый .CI1K и нагрузку проходит постепенно возрастающий,лЪ<и . 6$

Когда напряжение на первичной обмОтке меняет полярность, второй СПК переводится в сверхпроводящее состояние и, следовательно, обе вторичные обмотки трансформатора замыкаются накоротко через индуктивностн рассеяния транс„форматора и дросселей и через них протекает ток короткого замыкания.

Во второй выпрямительной цепи ток увеличивается, а в первой уменьшается.

Как только ток в первой цепи станет равным нулю, дроссель посылает сигнал в блок управления для перевода первого СПК в резистивное состояние. Tare как скорость нарастания тока короткого замыкания большая и существует задержка порядка О,1-0,2 с с момента получения сигнала управления от дросселя до того, как СПК полностью перейдет в реэистивное состояние, ток через первый СПК перейдет через ноль н перевод его в резистивное состояние произойдет при нулевом токе через него. Это приведет к выделению -" энергии в объеме СПК, и следовательно к -уменыаению КПД СПТ. Поэтому для уменьшения скорости тока короткого замыкания и осуществления задержки тока через СПК на нулевом уровне при переводе СПК в СНТ имеются электронный ключ, соединенный с блоком управления, и блок эталонного напряжения, соединенный через электронный ключ с источником переменного тока. В этом случае перед изменением полярности напряжения иа первичной обмотке траксформатора включается электронный ключ, который действует таким образом, чтобы на время переключения CIIK из одного состояния в другое напряжение иа первичиой обмотке трансформатора бытйэ равно нулю. Затем включается небольмое напряжение противоположной полярности.для перевода тока из одной выпрямительной цепи в другую.

Так как зто нарряжение небольшое, то и скорость тока короткого заьикания небольшая. ТаКим образом, предотвращено вЫделение энергии в объеме СПК при их переключении, что ведет к увеличению КОД СПТ.

Недостатком известного CIIT является уменьшение его КПД при увеличении мощности 4"ПТ. Максимальная выходная мощность CIIT равна

Р

И6ЖС Ь „ с где.Х„. - максимальный ток в нагруэ-.

МФФБ

Qg — амплитуда напряжения на вторичной обмотке сверхпроводящего трансформатораi

При линейном изменении тока в первичйой обмотке трансформатора получим .1

730232 где М - коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора;

- максимальный ток в первичл мсек с ной обмотке трансформатора;

- время одного цикла работы л

СПТ, соответствующее времени изменения I от минимального значения до максимального и наоборот.

Отсюда р 1 14мс кс маКс „г, макс

Видно, что мощность СПТ увеличивается при увеличении I или при умел нвшеиии ГПл пРи фиксиРованных1 „ и

М . Уменьшение Го„ приводит к увеличению частоты переключения СПК:. Однако при существующих сверхпроводящих материалах и способах их перевода н резистинное состояние увеличить быстродействие мощных СПК при малых потерях энергии невозможно, так как ныбор сверхпроводника для СПК представляет трудность, т.к. он должен выдерживать большой ток н сверхпроводящем состоянии; обладать большим сопротивлением в резистивном состоянии; обладать достаточно высоким критическим магнитным полем, чтобы надежно работь в магнитных полях рассеивания; иметь достаточно низкое критическое магнитное поле, поэзо- 39 ляющее произвести эффективное переключение с ПК (от 200 до 2000 Гс}, Уменьшение КПД СПТ при быстром переключении мощных СПК происходит за счет увеличения количества энергии, затраченной на период СПК в резистивное состояние, и улучшения теплового койтакта СПК с жидким гелием для быстрого охлаждения СПК при переходе его в сверхпроводящее состояние. При увеличении мощности также увеличи вается Uy и, следовательно, потери энергии ь Р д в СПК, находящихся в резистивном состоянии, 4Uz т

Кл р где кк - сопротивление СПК, находящегоая в резистинном состоянии 50

В связи с этим в существующих мощных СПТ увеличение мощности производится за счет увеличения тока 7..( мс<кс через первичную обмотку трансформато.ра .при низкой частоте переключения

СПК. Это также ведет к уменьшению КПД

СПТ так как увеличиваются теплопритоки через токовводы н криогенную среду.и которые равны 1 мВт/A. Создание мощных низкочастотных (6U,=l 2 мин) CIIK с малыми потерями энергии 60 на йеревод их в резистивное состояние не представляют особой трудности.

Целью изобретения является унеличение коэффициента полезного дейст- 65 ния сверхпроводящего преобразователя тока.

Поставленная цель достигается тем, что в известную конструкцию СПТ введен второй сверхпроводящий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в диагональ первой двухполупериодной выпрямительной схемы и ко вторичной его обмотке присоединена вторая двухполупериодная выПрямительная схема, содержащая в каждом из двух плеч по одному сверхпроводяшему ключу и по одному насыщающемуся дросселю, подключенные к блоку управления, а снерхпроводящая нагрузка включена в иагональ второй двухполупериодной выпрямительной схемы, а также введен блоК циклического рЕнерсирования, соединенный с блоком управления и с источником переменного тока.

На фиг.1 изображена структурная схема сверхпроводящего преобразователя тока; на Фиг.2 — нременные диаграммы токов и напряжений в элементах

СПТ при первом цикле заведения тока в снерхпроводящую нагрузку1 на фиг ° 3 временные диаграммы токов и напряжений в элементах СПТ при втором цикле заведения тока н сверхпроводящую нагрузку.

СПТ содержит источник переменного тока 1, первый сверхпроводящий трансформатор тока 2, состоящий из первичной обмотки 3 и вторичных обмоток 4 и 5, первый СПК 6 и его обмотку управления 7, первый насыщающийся .дроссель 8 и его сигнальную обмотку 9, второй СПК 10 и его обмотку управления 11, второй насыщающийся дроссель 12 и его сигнальную обмотку 13, второй снерхпроводящий трансформатор тока 14, состоящий из первичной обмотки 15 и вторичных обмоток 16 и 17, третий СПК 1.8 и его обмотку управления 19; третий насыщающийся дроссель 20 и его сигнальную обмотку 21; четвертый СПК 22 и его обмотку управления 23, четвертый насыщающийся дроссель 24 и его сигнальную обмотку 25, сверхпронодящую нагрузку 26, блок управления 27 электронный ключ 28, блок 29 эталонного напряжения, блок 30 циклического реверсирон.ания.

В момент времени (.„-, когда первый СПК 6 находится в сверхпроводящем состоянии (Фиг.2r), а второй

СПК 10 - в резистивном (Фиг.2ж), в перничную.обмотку 3 трансформатора

2 от источника переменного тока 1 заводится линейно нарастающий ток, меняющийся от значения -Х, до 1 (Фиг.2в). На первичной обмотке 3 создается. напряжение ()„, а во вторичных обмотках 4 и 5 возникают ЭДС

Ц2 т„„. (Фиг. 2Д.} и Qz p< . (Фиг. 2 3) . По цепи,. состоящей иэ вторичной обмотки 4, СПК 6,: дросселя 8, первичной

730232 \ обмотки 15, трансформатора 14, протекает постепенно возрастающий ток

1 „„ . С целью упрощения временных дйаграмм обратный ток, протекающий через СПК 10 от {) р не показан. Ток

1„. ц (Фиг.2Л), пратркающий по первй4йой обмотке 15 трансформатора 14, создает напряжение 0 тр { фиг. 2 к) . Во вторйчных обмотках 16 и 17 возникают ЭДСU< и-0" (фиг.2р) соответственно. Во время 4<- а третий СПК 18 10 находится в сверхпроводящем .состоянии (Фиг.2м), а четвертый СНК 22 в резистивном (фиг.2п). Поэтому под действием напряжения Ц < по пепи, состоящей иэ вторичной обмотки 16 трансформатора 14, третьего СНК 18, третьего дросселя 20, сверхпроводящей нагрузки 26, протекает постепенно возрастающий ток си„ з (Фиг.2c), который равен току через сверхпроводящую нагрузку 1 1н (фиг.2v). Напря-. 20 жение иа нагрузке Ц1 д (фиг.2т) . В.момент времени f, прекращается рост тока4„(фиг. 23) . Напряжение У п цреэко- умейбшается до нуля (Фиг.26) и блоком управления 27 формируется сигнал 25 управления (фиг.2А), который прекра-. щает действие унравлякицей обмотки 11 второго СПК 10 и он начинает nepezoдить в сверхпроводящее состояние. Токи {(тр "спкь "втоа ° "спи 48 {4t, в это 3() время остаются постоянными. В момент времени 1 э, когда СПК 10 перешел.в сверхпроводящее состояние из блока управления 27, поступает сигнал управления (фиг.2а), который поступает на электронный ключ 28. Он открывается и с блока 29 поступает нанряжение, которое вызывает уменьшение тока,в первичной обмотке 3 до значения I< qpq (Фиг. 2в) . На первичной обмотке 3 возникает напряжение — 8„ .ц 40 (фиг.25),êoòîðîå по абсолютной величине меньше О - р . Во вторичных обмотках 4 и 5 возникает ЭДС - 6 2т 4 (фиг.2g и f » (фмг.23) . Так как первый СНК 6. и второй СПК 10 находя си в свеРх" g$ проводящем состоянии, через них протекает ток короткога замыкания .(„ (фиг.1), который вызывает уменьшение. тока (сякь (Фиг.2е) и увеличение тока .

{сцк (Фиг° . 2н) . Скорость переключения 5() тоКа небольШая„ так как напряжение.

В,2тр и 0q ) q небольшие и поэтому ток

1сциь не успевает изменить свою полярность до полного перехода СПК 6 в резистивное состояние.

С целью упрощения временных диаг-. рамм время задержки, осуществляемое насыщающимися дросселями, не показано.

В момент времени т, ток через CIIK б достигает нулевого значения, происходит перемагничивание первого дроссе- 60 ля 8 и все напряжение gg .+ 6" т 1 выделяется на ием. С сигнальной об мотки. 9 поступает импульс (фиг.2; А) в блок управления. 27, который подает сигнал в обмотку управления 7 Cm 6 . б5 для перевода его в рееистивное сос-. тояние (Фиг.2Г) . В это же время из блока управления 27 поступает сигнал на электронный ключ 28. Ключ закры» вается,ток(„ прекращает уменьшать-, ся и остаетсй постоянным до момента времени t>. За время т4-t пеРвый

CI1K 6 переходит полностью а резистивйое состояние. B этот период времени напряжения О тр,О и -р, Ug yg . равны нулю и ток через СПК 6 тоже равен нулю. Так как переключение СПК

6 происходит прил „ка= О, когда CIIK

6 находится в Резйстивном состоянии, а СПК. 10 — в сверхпроводящем, источник переменного тока.1 автоматически изменяет ток через первичную обмотку

3 от значения 1„до .,, для сохранения одинаковой длительности рабочих циклов 6g Ь Е 6 — ф,.у и т аде (фиг.28) . B связи с изменением полярности напряжений Ц„ О ц

Ф Р 2тР4> 4тР ь

/gyp g 0 (, н происходйт незначительное уменьшение токов 1с о, три, ñïõ<8 которое не влияет йа .КПД и мощ ность СПТ. В момент времени ь- источник переменного тока изменяет ток в первичной обмоткЕ 3 от значенияI„>p„ ро-1 (Фиг.2в). В первичной обмотке 3 возникает напряжение -0 . (фиг.2б) и к току, протекающему по цепи, состоящей из вторичной обмотки

5, СПК 10, второго дросселя 12, нервичной обмотки 15, второго трансформатора 14, добавляется возрастающий

ToK { фиг. 2и) под действием ЭДС 3Tpq (фиг.23), возникшей во вторичной обмотке 5. Напрнжение 0>zpz (фиг. 2 и) на вторичной обмотке 16 второго трансформатора 14 создает дополнительный импульс тока (Фиг.2о) в цепи, содержащей вторичнуто обмотку .16, третий

ОИ(18, третий дроссель 20, сверхпроводящую нагрузку 26, который добавляется к току, протеканицему через сверхпроводящую нагрузку (фиг.2У).

В момейт времени 4q прекращается изменение тока 1, (Фиг.2&) . Напряжение Вцр становится Равньве нулю (фйг.2b) и блок управления 27 формирует сигнал управления (фиг,2А), который прекращает действие управляющей обмотки 7 первого СПК 6 и он начинает переходить в сверхпроводящее состояние. Токи ) тр 1спк о, (щи { ц,из (ьн в это время остаются постоянными.

В момент времени t g когда первый

СПИ 6 перешел в сверхпроводящее Состояйие, из блока управления 27 поступает сигнал управления (фиг.2A), который подается на электронный ключ

28. Он открывается и с блока эталонного напряжения 29 поступает напряжение, которое вызйвает изменение тока в первичной обмотке 3 до значения — 1;{тр((фиг.2В). На первичной обмотке 3 возникает напряжение 6„z« (фиг.26) которое по обсолютной вели730232 чине меньше U»z>», Bo вторичных обмотках 4 и 5 возникают ЭДС 2. р» (Фиг.2д) и - Я" ., » (Фиг.2з) .. Так как первый СПК 6 и второй СПК 10 наха- дятс в сверхпроводящем состоянии, через них протекает ток короткого замыкания, который вызывает увеличение тока ) сякое (Фиг. 2 с) и уменьшение тока (ся »о(фиг. 2.и) . Скорость переключения тока небольшая, так как напря"° р жениЯ Востр» и 6zypg небольшие и поэтому ток»ся„„ не успевает изменять свою полярность до полного перехода CIIK

10 в резистивное состояние.

8 момент времени ty ток .через СПК

10 достигает нулевого значения, ripoисходит перемагничивание второго дрос- "5

Селя 12 и все напряжение, выделяется иа нем. С сигнальной обмотки 13 пос туйает импульс .в блок управления 27, который подает сигнал (фиг.2А) в обмотку управления 11 СПК 10 для пере- 20 вода его в реэистивное состояние. В это же время иэ блока управления 27 поступает сигнал Иа электронный клич

28. Ключ 28 закрывается, ток .(прекращает изменяться и остается йостоян- р5 ным до момента времени 4< . За время

Ьу-6ввторой СПК 10 переходит полнОстью в резистивное состояние. В этот период времени напряжения 0» р», 1) () . равны нулю и ток через СПК 10 30 .тле равен .нулю. Так как переключение СПК 10 происходит при Cga = О, это ведет к увеличению коэффициента

Полезного действия CIIT. В период времени 6 -.6»», когда CIIK 6 находится в сверхйроводящем состоянии, а СПК 10 . is резистивнам, источник переменного тока 1 автоматически изменяет ток через первичную обмотку 3 от значе.ния "4тР» до + „ » (Фиг. 2в) . Работа .

С11Т в период врйь(ени6„- Ь (фиг.2) 40 аналогична его работе в период времЕйи

Ю заканчивается первый цикл. РаботЫ . СПТ, За период времени (,„t<7â первичнОй обмотке 15 трансформатора 14. ток 45 вырастает до максимального своего. э"ачения »тр мокс о р а реал вых СПТ может составлять сотни ампер, Этот ток I» ðïðeäåëÿeòcÿ СПК б и

10 которые должны иметь критический 50 ток, превышающий Татр макс, работать с эмсокой частотрй переключения: при малых потеряХ энергии на перевод СПК в: реэистивное "состояние и иметь большое сопротивление в резистивном состоянии, Be время второго. цикла работы CIIT (Фиг,3) ток в первичной обмотке 15 второго трансформатора уменьшается ддо нуля (Фиг.Зл) или может уменьшатьci до отрицательного значения тока - 6О

Е< > « . При этом ток 1ьн в оверх- лроводящей нагрузке. продолжает возрастать (фиг.Зу).. В момент времени Ь,когда ток в первичной обмотке 15 достиг своего максимального значения, 65 иэ блока циклического реверсиро-( вания 30 поступает импульс управления (Фиг.За), который подается на источник переменного тока 1, прекраt щая изменение тока » р ., подается в блок управления 27, изменяя его режим работы. В новом режиме работы блока управления 27 в период времени

6 I-Ь ВСПК 6 остается в реэистивном состоянии, СПК 10 — в сверхпроводящем состоянии, третий СПК 18 остается в сверхпроводящем состоянии, а с управляющей обмотки 23 четвертого

СПК 22 в момент времени Ф снимается управляющий сигнал И СПК 22 начинает переходить в сверхпроводящее состояние.

За время.4< - .(НСПК 22 полностью переходит в сверхпроводящее состояние (фиг.зп). это время значительно превышает время возврата в сверхпроводящее состояние СПК 6 и СПК 10, так как третий и четвертый СПК представляют собой сложные в управлении мощные расчитанные на большие токи " (от нескольких тысяч до десятков тысяч ампер), низкочастотные СПИ с малыми потерями энергии при их переключении-и большим сопротивлением в реэистивном состоянии. В.момент времени (8 с блока управления 27 поступает импульс (фиг.За) в блок цилиндрического реверсирования 30, который изменяет ток 4.(»(фиг. Зв) . На вторичных обмотках 4 и 5 возникают

ЭДС ()

16 и 17, четвертого СПК 22., четвертого дросселя 24, третьего дросселя 20, третьего СПК 18. Ток короткого замыкания(,1к .вЫзывает уменьшение тока CIIK 18 (фиг.Ço) и увеличение тока CIIK 22 (фиг.Çc).

В момент .времени Б ) ток через

СПК 18 достигает, нулевого значения, происходит перемагничивание третьего дросселя 20 и все напряжение выделяется на нем. С сигнальной обмотки 19

:поступает импульс (Фиг.Ça) в блок управления 27, который подает сиг.нал в обмотку управления 19 СПК 18 для перевода его в резистивное состояние {фиг.Зм). В это время из бло-.ка циклического реверсирования 30 поступает сигнал,(фиг.За) в источник п»ременного тока 1, токТ прекращает изменяться и остается"7остоян- ным до.момент времени Ф.эо. За это время 62 -6 © третий СПК. 18 переходит полностью в резистивное состояние.

Так. как переключение СПК 18 происходит гцэи @ц О, то не происходит i выделения энергии на реэистивном

13

7-30232

14 участке СПК 18, что ведет к увеличению КПД СПТ.. 3a время 1о-, когда

CfIK 18 находится в резистивном состоянии (фиг. Зм), а СПК 22 — в сверхпроводяцем (фиг. Зп), блок циклического реверсирования 30 изменяет ток через первичную обмотку 3 до .значения "14тр1 (Фиг. Зв) . В период времени 1 -+, когда первый СПК б находится в резистивном состоянии (фиг.Зв), второй СПК 10 - в сверхпроводящем состоянии, третий СПК 18— в резистивном состоянии (фиг.Зм)четвертый СПК 22 — в сверхпроводящем состоянии (Фиг.Зн), в первичную обмотку 3 трансформатора 2 от источника переменного тока 1 заводится линейно нарастающий ток, меняющийся от значения -7„„.,„ доТ< <.((фиг.Зв).

На первичной обмотке 3 создается напРяжение О„ <, во вторичных обмотках

4 и 5 возйикают ЭДСО (Фиг. Зд) и 20 ()2т (фиг. Зэ) . По цепи, состоящей из вторичной обмотки 5, СПК 10, дросселя 12, первичной обмотки 15, протекают постепенно уменьшающиеся токи {спк еи < ypz (Фиг. Зи,ь) - Ток " тра 25 (фиг. Зл) создает напряжение () (фиг.Зк). Во вторичных обмотках 16 и 17 возникают ЗДС вЂ” 0,(фиг,Зн) и

Qg z (Фиг ° ЗР) . В период времени1 -148 третйй СПК 18 находится в резистивном состоянии (фиг,З ), а четвертый

СПК 22 - в сверхпроводящем состоянии (фиг,Зи). Поэтому под действием О тр по цепи, состоящей из вторичной обмотки 17 трансформатора 14, четвертого СПК .22, четвертого дросселя 24, сверхпроводящей нагрузки 26„ протекает постепенно возрастающий ток .СПК 22 (фиг.Зс), который равен току через сверхпроводяцую нагрузку ).н (фиг.3y}. Напряжение на нагрузке сос- 0 тавляет U((фиг;Зт).

В момент времени + прекращается рост тока („ „{фиг.3B). Напряжение Ц резко уменьшается до нуля (фиг.Зб) и блоком управления 27 формируется 45 сигнал управления (фиг.За), который прекращает действие управляюцей обмотки 7 первого СПК б, и он начинает переходить в сверхпроводяцее состояние (фиг.Зг) . Токи { т, (п„ь,{„г,,(„„,$0 с„„ ц в это время остаются пастор янными, В момент времени 1, когда СЙК б перешел в сверхпроводяцее состояние из блока управления 27 поступает сигнал (фиг.За), который подается на электронный ключ 28. Он открывается и с блока эталонного напряжения 29. поступает напряжение, которое вызывает увеличение тока в первичной обмотке 3 до значения1 р (фиг.Зв). На 60 первичной обмотке 3 возникает наПряжение тр (фиг.Зб), которое по абсолютной величине не меньше 04тр, Во вторичных обмотках 4 и 5 возникают

ЭДС 0 утр (фиг. Зд) и В тр (фиг. Çe) . Так как первый СПК б и второй СПК 10 находятся в сверхпроводящем состоянии, через них протекает ток короткого замыкания -4g q, который вызывает уве личение тока(„„ффиг.Зе) и. уменьшение .тока „„,(Фиг.Зи). В момент времени 1 4ток через СПК 10 достигает нулевого значения, происходит перемагничивание второго дросселя 12 и все напряжение выделяется на- нем. С сигнальной обмотки 13 поступает импульс (фиг,3a) в блок управления 27, который подает сигнал в обмотку управления 11 СПК 10 для перехода его в резистивное состояние (фиг.3r) . В это же время из блока управления 27 поступает сигнал на электронный ключ 28. Ключ 28 закрывается, ток т прекращает увеличиваться и остается постоянным до момента времени 11 .

За время -Е СПК 10 переходит полнос4 э5 тью в резистивное состояние (фиг,4ж).

B этот период времени напряжения О <, О т,О р равны нулю и Tok СПК 10 тоже равен нулю. Так как переключение СПК 10 происходит при1 д О, то не происходит выделения .энергии на резистивном участке СПК 10, что ведет к увеличению КПД СПТ.

В период времени б .- ь, когда

СПК б находится в сверхпроводяцем состоянии, а СПК 10 — в резистивном, источник переменного тока 1 изменяет ток через первичную обмотку 3 от значенияЦтр до — 1 т, (Фиг.Зв) . В пер,вичной обмотке 3 возникает напряжение ()„ (Фиг.Зв) и ток, протекающий по цепй, состоящей из вторичной обмотки 4, СПК б, дросселя 8, первичной обмотки 15 второго трансформатора

l4, постене уменьшается (фиг.Çe), t

Под действием ЗДС напряжение () (фиг,Зд) возникает во вторичной обмотке 4. Напряжение 0z z (фиг. 3p) на .вторичной обмотке 17 создает дополнительный импульс тока (фиг.3c) в цепи, содержащей вторичную обмотку

17, четвертый СПК 22, дроссель на.сыцения 24, CH нагрузку 26, и который добавляется к току, протекающему через сверхпроводяцую нагрузку

26. {Фнг.З ) . В момент времени 6 6 прекращается изменение тока1,щМ. Напряжеиие U становится равным нулю и блок управления 27 формирует сигнал управления (фиг.ЗД), который прекрацает действие управляющей обмотки 11

СПК 10 и он начинает переходить в сверхпроводящее состояние. Токи т, спк1о i сп 1 ь Atpz с к 19> > cpy zxq LH в это время остаются постоянными. В момент времени б, когда второй СПК

l0 перешел в сверхпроводящее состояние из блока управления 27 поступает сигнал управления (фиг.3A), котоРый подается на электронный ключ 28.

ОН открывается и с блока эталонного напряжения 29 поступает напряжение, которое вызывает изменение тока в

730232

16 перничной обмотке 3 до значения -1 Р, (фиг.38). На первичной обмотке 3 возникает напряжение -8„ (фиг.36), которое по абсолютной величине меньше ()(т . Во вторичных обмотках 4 и 5 возникают ЭДС -82тр (фиг. 3*) и (5 (фиг.З Э) . Так как СПК 6 и 10 нахо-. . 2TP4 дятся в СП состоянии, через них протекает ток короткого замыкания, который вызывает уменьшение тока (спкб (фиг.Зе) и увеличение тока д „Дфиг.34)fQ

В момент времени 38ток через

СПК 6 достигает нулевого значения (фиг.Зе) . Произойдет перемагничивание первого дросселя 8 и все напряжение выделится на нем. С сигнальной обмотки 9 поступает импульс в блок управления 27, который подает сигнал (фиг.За)1) в обмотку 7 для перевода

СПК б в реэистивное состояние.. В это же время из .блока управления 27 .поступает сигнал (фиг.ЗА) на элек.— тронный ключ 28. Ключ 28 закрывается, ток(-г прекращает изменяться и остается постоянным до момента времениФ .

За время 4>>-t>y первый СПК б переходит полностью в реэистивное состояние. 25

В этот период времени напряжения О грб

f II ()2 qI()zypg равны нулю.и ток через СПК б тоже равен нулю. Так как переключение СПК 6 происходит при(од = 0р то не происходит выделения энергии Я() на резистивном участке СПК б, что ведет к увеличению КПД СПТ.

Работа СПТ в период временит 9-4<В (фиг.3) аналогична его работе в период времени t y B момент времени 4 8 заканчивается второй цикл работы СПТ. Далее первый и.второй циклы (44-148) повторяются до достижения В сверхпроводящей нагрузке требуемого тока I

l Í

Исйользование второго сверхпроводящего тра н сформатора, второй ныпр ямительной схемы, блока циклического ренерсирования выгодно отличает предлагаемый сверхпроводяций преобраэо- 45 .ватель тока, так как позволяет сконструировать СПТ большой мощности при высоком коэффициенте полезного действия вследствие того, что увеличивается КПД эа счет уменьшения 5О тока в первйчной обмотке первого трансформатора использования маломощных быстродействующих сверхпроводящих ключей в первой выпрямительной схеме СПТ, которые не требуют больших ьатрат энергии для перевода их в резистивное состояние и обладают большим сопротивлением в резистивном состоянии;

2) увеличивается коэффициент полезного действия эа счет малой бО энергии, требуемой на перевод мощных СПК но второй ныпрямительной схеме СПТ, так как они работают с низкой частотой переключения, что требует незначительной затраты энер- б5 гни на переключение и поддержание их в резистинном состоянии.

Продолжительная запитка сверхпроводяцих магнитов постоянным током от источников энергии, имеющих комнатную температуру, затруднительна и дорога. Сверхпроводящий преобразователь тока с высокими коэффициентом полезного действия и ныходной мощностью, расположенный в гелиевой среде (Т = 4,2 К) решит обе эти задачи. Для сверхпроводяцих магнитов, эапитываемых током свыше 1000 А, сверхпроводящий преобразователь тока с его управлением более дешев, чем источник .полезного тока, работающий при комнатной температуре. При выходной мощности порядка 50 Вт,вес

СПТ с его управлением составляет только лишь одну десятую от веса выпускаемых источников, работаюцих при комнатной температуре.

Формула изобретения

Сверхпроводяций преобразователь тока, содержащий сверхпроводяцую нагрузку, запитываемую постоянным током через сверхпроводящий трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с источником переменного тока, а ко вторичной обмогке и средней точке .ее присоединена двухполупериодная выпрямителЬная схема, содержацая в каждом плече по одному сверхпронодящему ключу и по одному насыщающемуся дросселю, подключенные к блоку управлении, который соединен с электронным ключем, вход которого соединен с блоком эталонного напряжения, а выход — с источником переменного тока, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного дейстния, н сверхпронодящий преобразователь тока включен второй сверхпроводящий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена.н диагональ первой двухполупериодной выпрямительной схемы, и ко вторичной обмотке присоединена вторая двухполупериодная нынрямительная схема, содержащая н каждом плече по одному сверхпронодящему ключу и по одному насыщающемуся дросселю, подключенные к блоку управления, при этом в диагональ. второй двухполупериодной ныпрямительной схемы включена сверхпроводящая нагрузка, а с блоком управлении и источником тока соединен блок циклического реверсирова-, ния.

Источники информации, принятые во внимание при. экспертизе

1. Иеййе8еэо)1п К. Ha t y re, 132, 1933, р.602.

2. ВцаЫ оИ Т, Cryoqenics, 4, УШ, 1964," 9 4, рр. 212»217.

30232

3 ° Atherton. D.L., ViEbikatis B. Þ, Rev Sei Justrum 45, 1974, Р 12, рр. 1520-1522., ЯМБ Уд б6> Ю 3 Х б/Б 17l8 сЯд721 222j У 2Б2б м

Е1 и

Ъ

АУ ñïð syph

4жГб

4пю, irpr

4. Патент СШЛ Р 38481б2у кл. 317-123, опублик. 1974 (прототип) °

730232

0

_#_S7 И33 34О ур уЯ ИН М яННЮН

4ти

Vgrpf е)

Ю слкд

e)

77cWt0

PZtPt3)

4иш

77)

P7FP! )

Cirpl л)

4@9

ИJ

pgpg «J

47и 777

"атл О, й.

4 777/ )

Иик 87

c) "м

Составитель В.Данилин

Редактор О.филиппова Техред A. Бабинец Корректор Л.Иван

Заказ 6729/62 Тираж 784 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113Î35, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

° i ф» «Ф

ФИлиал ППП Патент, г, Ужгород. Ул. Проектная, 4