СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и касается систем питания импульсной нагрузки от индуктивного, преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного, накопителя энергии, заряжаемого от источника знакопостоянного тока (ИЗПТ) практически неизменных напряжения или ЭДС через трехфазный преобразователь неизменной мощности, преобразуемый при отказе одной из его фаз в двухфазный преобразователь неизменной мощности.

Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности ИЗПТ и трансформатора преобразователя напряжения (НП) за счет увеличения коэффициента их использования по мощности и увеличение надежности системы.

Система содержит ИЗПТ, выходные шины которого соединены с входами трех одинаковых НП с трансформаторными выходами, индуктивный накопитель (ИН), выходные шины которого связаны через управляемый замыкающий коммутатор с импульсной нагрузкой, датчик тока, управляемый размыкающий коммутатор, три одинаковых токоограничивающе-дозирующих блока (ТДБ) с тремя входными и двумя выходными клеммами у каждого ТДБ содержит токоограничивающе-дозирующий конденсатор, зарядный тиристор, подзарядный вентиль, линейный дроссель, индуктивность которого определяется приведенным в формуле изобретения выражением, блокирующий вентиль, шунтирующий тиристор, дополнительный датчик тока и блок управления, дополнительный блок управления системой, причем оптимальное отношение части витков W_o вторичной обмотки трансформатора НПко всем ее виткам W определяется приведенным в отличительной части формулы изобретения выражением.

На фиг. 1 приведена схема системы питания импульсного индуктивного накопителя согласно изобретению; на фиг. 2 - схема управления токоограничивающе-дозирующим блоком; на фиг. 3 - схема выполнения дополнительного блока управления системой; на фиг. 4 - эквивалентные схемы заряда токоограничивающе-дозирующего конденсатора через линейный дроссель и индуктивного накопителя через токоограничивающе-дозирующий конденсатор; на фиг. 5 - эпюры токов i_13з1, i_13з2 и i_13з3 при заряде ТДК и токов i₁₄1, i₁₄2 и i₁₄3, при заряде индуктивного накопителя через ТДК; на фиг. 6 - графические зависимости КПД заряда ТДК через линейный дроссель (ЛД) в предлагаемой системе η_зс и в прототипе η_зспр, идеального коэффициента использования ИЗПТ и трансформаторов преобразователей при заряде ТДК через ЛД в предлагаемой системе К_ипс и в прототипе К_ииспр и при заряде индуктивного накопителя (ИН) через ТДК в предлагаемой системе К_пиL и в прототипе К_ипLпр, практического коэффициента использования ИЗПТ и трансформаторов преобразователей по мощности в предлагаемой системе К_ипm = (К_ипс η_зс + К_ипL η_зн)/2 и в прототипе К_ипmпр = (К_ипспр η_зспр + К_ипLпр η_зспр)/2 от добротности Q системы при заряде ТДК через ЛД.

Система питания импульсного индуктивного накопителя (фиг. 1) содержит источник 1 знакопостоянного тока с практически неизменным напряжением U ≈ const (например, аккумуляторную батарею большой емкости в течение одного заряда индуктивного накопителя 3) или ЭДС E ≈ const, эксплуатируемый при условии 2 ΔU/E ≅ 0,1, где ΔU - максимальное отклонение напряжения источника 1 от своего номинального значения U_н, с положительной (+) и отрицательной (-) выходными шинами; первый 2.1, второй 2.2 и третий 2.3 одинаковые преобразователи напряжения с трансформаторными выходами, образованными вторичными обмотками трансформаторов преобразователей напряжения с двумя выводами и отводом от
части ее витков в каждом, выполненных, например по однофазной нулевой схеме на двух тиристорных ключах К1.1 и К2.1 (К1.2 и К2.2 или К1.3 и К2.3), коммутирующем токи намагничивания трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) конденсаторе С_к (С_к.2 или С_к.3) и трансформаторе; индуктивный, преимущественный сверхпроводящий или криорезистивный,
накопитель 3 энергии с двумя выводами; положительную 4 и отрицательную 5 выходные шины системы, между которыми через управляемый замыкающий коммутатор 6 типа тиристорного ключа или управляемого разрядника подключена импульсная нагрузка 7, один вывод которой соединен с положительной выходной шиной 4 системы и с одним выводом индуктивного накопителя 3; первый 8.1, второй 8.2 и третий 8.3 одинаковые токоограничивающе-дозирующие блоки (ТДБ), каждый
с тремя входными клеммами: первым и вторым выводами вторичных обмоток 9.1, 10.1 и отводом от части витков вторичной обмотки преобразователя 2 и двумя выходными клеммами 11.1 и 12.1 (11.2 и 12.2 или 11.3 и 12.3), включающие в себя токоограничивающе-дозирующий конденсатор (ТДК) 13.1 (13.2 или 13.3), зарядный тиристор 14.1 (14.2 или 14.3), подзарядный вентиль 15.1 (15.2 или 15.3), линейный дроссель 16.1 (16.2 или 16.3), включенный между анодом подзарядного вентиля 15.1 (15.2 или 15.3) и первой входной клеммой 9.1 (9.2 или 9.3) ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3), блокирующий вентиль 17, включенный между объединенными первыми выходными клеммами 11.1, 11.2, 11.3 и объединенными вторыми выходными клеммами 12.1, 12.2, 12.3, ТДБ 8.1, 8.2, 8.3, анодом к последним, шунтирующий тиристор 18.1 (18.2 или 18.3), катод которого подключен к отводу вторичной обмотки преобразователя ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3), блок 19.1 (19.2 или 19.3) управления с восемью выводами и дополнительный датчик тока
20.1 (20.2 или 20.3), включенный силовыми клеммами между второй выходной клеммой 12.1 (12.2 или 12.3) ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3) и точкой соединения его первой входной клеммы 9.1 (9.2 или 9.3) с одним из выводов линейного дросселя 16.1 (16.2 или 16.3), управляемый размыкающий коммутатор 21.1 с управляющим механизмом 21.2; датчик тока 22 с двумя силовыми и двумя потенциальными клеммами и дополнительный блок 23 управления системой с двадцатью тремя выводами. Положительные входы первого 2.1, второго 2.2 и третьего 2.3 преобразователей напряжения объединены и подключены
к положительной выходной шине источника 1. Отрицательные входы первого 2.1, второго 2.2 и третьего 2.3 преобразователей напряжения объединены и подключены к отрицательной выходной шине источника 1. Объединенные первые выходные клеммы 11.1, 11.2 и 11.3 ТДБ 8.1, 8.2 и 8.3 через управляемый размыкающий коммутатор (УРК) 20.1 подключены к отрицательной выходной шине 5 системы, связанной через датчик тока 21 с другим выводом индуктивного накопителя 3. Объединенные вторые выходные клеммы 12.1, 12.2 и 12.3 ТДБ 8.1, 8.2 и 8.3 подключены к положительной выходной шине 4 системы. Первый вывод преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) соединен со второй входной клеммой 10.1 (10.2 или 10.3) ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3) и анодом зарядного тиристора
14.1 (14.2 или 14.3), второй вывод преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) - с первой входной клеммой 9.1 (9.2 или 9.3) ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3), а отвод от части витков вторичной обмотки преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) - с третьей входной клеммой ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3). Первый вывод блока 19.1 (19.2 или 19.3) управления связан с третьей входной клеммой ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3), а второй вывод блока 19.1 (19.2 или 19.3) управления - с первой входной клеммой 9.1 (9.2 или 9.3) ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3). Третий и четвертый выводы блока 19.1 (19.2 или 19.3) управления подключены к управляющему электроду и катоду зарядного тиристора 14.1 (14.2 или 14.3), катод которого соединен с анодом шунтирующего тиристора 18.1 (18.2 или 18.3) и первым выводом ТДК 13.1 (13.2 или 13.3). Пятый и шестой выводы блока
19.1 (19.2 или 19.3) управления подключены к управляющему электроду и катоду шунтирующего тиристора 18.1 (18.2 или 18.3). Второй вывод токоограничивающе-дозирующего конденсатора (ТДК) 13.1 (13.2 или 13.3) связан с катодом подзарядного вентиля 15.1 (15.2 или 15.3) и первой выходной клеммой 11.1 (11.2 или 11.3) ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3). Первый и второй выводы дополнительного блока 23 управления системой связаны с потенциальными клеммами датчика 22 тока, а третий и четвертый его выводы - с положительной и отрицательной выходными шинами источника 1. Пятый и шестой выводы дополнительного блока 23 управления системой соединены с управляющими электродами
первого К1.1 и второго К2.1 тиристорных ключей первого преобразователя 2 напряжения, седьмой и восьмой его выводы - с управляющими электродами первого К1.2 и второго К2.2 тиристорных ключей второго преобразователя 2.2 напряжения, а девятый и десятый его выводы - с управляющими электродами первого К1.3 и второго К2.3 тиристорных ключей преобразователя 2.3 напряжения. Одиннадцатый и двенадцатый выводы дополнительного блока 23 управления системой связаны с потенциальными клеммами дополнительного датчика 20 тока ТДБ 8, тринадцатый и четырнадцатый его выводы - с потенциальными клеммами дополнительного датчика 20.2 тока ТДБ 8.2, а пятнадцатый и шестнадцатый его выводы - с потенциальными кламмами
дополнительного датчика 20.3 тока ТДБ 8.3. Семнадцатый и восемнадцатый выводы дополнительного блока 23 управления системой связаны с управляющим (поджигающим) электродом и катодом управляемого замыкающего коммутатора 6, а его девятнадцатый, двадцатый и двадцать первый выводы - с тремя выводами управляющего механизма 21.2 управляемого размыкающего коммутатора 21.1. Двадцать второй и двадцать третий выводы дополнительного блока 23 управления системой подключены к седьмому и восьмому выводам блоков 19.1, 19.2 и 19.3 управления. При этом оптимальная индуктивность L линейного дросселя 16.1 (16.2 или 16.3) определяется выражением:
L ≅ - L_рт, (1) где С - емкость ТДК 13.1 (13.2 или 13.3);
f - частота изменения выходных напряжений трансформаторов преобразователей 2.1 (2.2 или 2.3) напряжения;
L_рт - индуктивность рассеяния трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) напряжения;
Q= /(R_иo+R_лд+R_пв+R_шт - добротность системы при заряде ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) через линейный дроссель 16.1 (16.2 или 16.3) с активным сопротивлением R_LD;
R_ио - внутреннее сопротивление источника 1 и преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) напряжения, приведенное к первой 9.1 (9.2 или 9.3) и третьей входным клеммам ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3);
R_пв и R_шт - среднее значение сопротивления подзарядного вентиля 15.1 (15.2 или 15.3) и шунтирующего тиристора 18.1 (18.2 или 18.3) ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3) в проводящем направлении.

Управляющие импульсы пятого и шестого, седьмого и восьмого, девятого и десятого выводов дополнительного блока 23 управления системой k первому 2.1, второму 2.2 и третьему 2.3 преобразователям напряжения в исправной системе сдвинуты относительно друг друга на электрический угол π/3 и образуют трехфазную систему, а при отказе одной из фаз такой трехфазной системы в оставшихся двух исправных фазах системы - на электрический угол π/2 и образуют двухфазную систему, причем отношение части витков W_o вторичной обмотки трансформатора из преобразователей 2.1 (2.2 или 2.3) напряжения между отводом с и вторым выходным выводом δ упомянутого преобразователя напряжения ко всем виткам W вторичной обмотки определяется выражением:
= + , (2) где η_зL - КПД системы при заряде индуктивного накопителя 3 через ТДК 13.1 (13.2 или 13.3); k = l_зо/l_зm - отношение начального тока I_зо последующих зарядов индуктивного накопителя 3 к максимальному току I_зm его заряда.

Блок 19.1 (19.2 или 19.3) управления, примерная схема которого и его подключение между входными и выходными клеммами ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3) приведены на фиг. 2, содержит импульсный трансформатор 24 управления с первичной и вторичной обмотками; двоичный счетчик 25 первых двух положительных полупериодов изменения выходного напряжения трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) напряжения, когда потенциал клеммы 9.1 (9.2 или 9.3) выше потенциала третьей входной клеммы ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3); управляющий запираемый тиристор 26, первый диод 27, второй диод 28, делитель выходного напряжения трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) на двух резисторах 29 и 30, параллельно резистору 30 которого включена первичная обмотка импульсного трансформатора 24 управления; источник 31 стабилизированного напряжения трансформатора с двумя выходными клеммами 32 и 33 для питания двоичного счетчика 25 и дополнительного блока 23 управления системой. Один конец вторичной обмотки импульсного трансформатора 24 управления связан через диод 28 с управляющим электродом шунтирующего тиристора 18.1 (18.2 или 18.3) и с одним входом двоичного счетчика 25, а другой ее конец - с катодом шунтирующего тиристора 18.1 (18.2 или 18.3) и через диод 27 - с другим входом двоичного счетчика 25, два выхода которого подключены к управляющему переходу управляющего запираемого тиристора 26.

Дополнительный блок 23 управления системой, примерная схема которого и его подключение к управляющим переходам первого К1.1, К1.2 и К1.3 и второго К2.1, К2.2, К2.3 первого 2.1, второго 2.2 и третьего 2.3 преобразователей напряжения, к потенциальным клеммам датчика тока 22, к потенциальным клеммам дополнительных датчиков 20.1, 20.2 и 20.3 тока, к управляющему (поджигающему) электроду и катоду управляемого замыкающего коммутатора 6, к трем выводам управляющего механизма 21.1 управляемого размыкающего коммутатора 21.2 к положительной и отрицательной выходным шинам источника 1, приведенные на фиг. 3, содержит стабилизатор 31 напряжения источника 1 с двумя выходными клеммами 32 и 33 питания этого блока и блоков 19.1, 19.2 и 19.3 управления; генератор 34 импульусов, например, кварцевого типа; три переключаемых фазосдвигающих устройства 35, 36 и 37, первое 35 из которых в исправной трехфазной предлагаемой системе имеет нулевой сдвиг по фазе и может переключаться на сдвиг по фазе на электрический угол π/2; второе устройство 36 в исправной трехфазной системе имеет сдвиг по
фазе на электрический угол π/3 и может переключаться на сдвиг по фазе на элеткрический угол ноль или π/2; третье устройство 37 в исправной трехфазной системе имеет сдвиг по фазе на электрический угол 2 π/3 и может переключаться на сдвиг по фазе ноль или π/2; три одинаковых импульсных трансформатора 38, 39 и 40 с одной первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками в каждом; интегрирующе-логический блок 41, включающий в себя три интегрирующих RC зарядно-разрядных цепочки с тремя усилителями и логическое устройство, которое при равенстве выходных напряжений всех трех усилителей одинаковым трем опорным напряжениям не выдает управляющих сигналов, а при отсутствии или значительного отличия напряжения на выходе одного из усилителей от опорного напряжения, когда отказывает одна из фаз системы, выдает управляющие сигналы на переключение двух из переключаемых фазосдвигающих устройств исправных двух фаз системы: одного на эл. угол сдвига по фазе "ноль", а другого - на эл. угол сдвига по фазе π/2; компаратор 42 с усилителем и двумя
опорными напряжениями, обеспечивающий замыкание управляемого замыкающего коммутатора 6, замыкание и размыкание контактов (через управляющий механизм 21.2) УРК 21.1 и подачу и снятие постоянного запирающего напряжения на тиристоры (с тиристоров) 26 управления блоков 19.1, 19.2 и 19.3 управления. Два входа стабилизатора 31 напряжения источника 1 подключены к положительной и отрицательной выходным шинам источника 1. Выходные клеммы 32 и 33 стабилизатора 31 напряжения источника 1 соединены с двумя входами задающего генератора 34, интегрирующе-логического устройства 41, компаратора 42 и двоичного счетчика 25 в блоках 19.1, 19.2 и 19.3 управления. Один выход задающего генератора 34 через переключаемые фазосдвигающие устройства 35, 36 и 37 подключены к началам первичных обмоток импульсных трансформаторов первой 38, второй 39 и третьей 40 фаз системы, а концы первичных обмоток этих импульсных трансформаторов - непосредственно к другому выходу задающего генератора 34. Вторичные обмотки импульсных трансформаторов 38, 39 и 40 через развязывающие диоды
связаны с управляющими электродами тиристорных ключей К1.1 и К2.1, К1.2 и К2.2 и К1.3 и К2.3 первого 2.1, второго 2.2 и третьего 2.3 преобразователей напряжения первой, второй и третьей фаз предложенной системы. Потенциальные клеммы дополнительных датчиков 20.1, 20.2 и 20.3 тока первого 8.1, второго 8.2 и третьего 8.3 ТДБ первой, второй и третьей фаз соответственно связаны с четырьмя входами интегрирующе-логического устройства 41, шесть выходов логических устройств которого соединены с двумя входами каждого из трех переключаемых фазосдвигающих устройств 35, 36 и 37. Два входа компаратора 42 соединены с потенциальными клеммами датчика 22 тока, два его выхода - с управляющим (поджигающим) электродом и катодом управляемого замыкающего коммутатора 6, еще три его выхода - с тремя выводами управляющего механизма 21.2 управляемого размыкающего коммутатора 21.1, а еще два выхода ж и з - с управляющим переходом запираемого тиристора 28 управления блоков 19.1, 19.2 и 19.3 управления ТДБ 8.1, 8.2 и 8.3.

Работа системы. Энергия источника 1 знакопостоянного тока с практически неизменными напряжением U ≈ const или ЭДС E ≈ const, эксплуатируемого при условии 2 ΔU/E ≅ 0,1, где ΔU - максимальное отклонение напряжения источника 1 от своего номинального значения преобразуется првым 2.1, вторым 2.2 и третьим 2.3 преобразователями напряжения первой, второй и третьей фаз системы соответственно в энергию переменного тока с практически неизменным в течение времени полупериода напряжением U_н = Uk_тр ≈const между второй 10 (10.2 или 10.3) и первой 9.1 (9.2 или 9.3) входными клеммами ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3) и U_ио = U k_тро≈ const между первой 9.1 (9.2 или 9.3) и третьей (отводом) входными клеммами ТДБ 8.1 (8.2 или 8.3), где k_тр и k_тро - коэффициенты трансформации трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 между входными клеммами ТДБ 8.1, 8.2 и 8.3, которые в исправной системе на входе в первый 8.1, второй 8.2 и третий 8.3 токоограничивающе-дозирующие блоки сдвинуты по фазе относительно друг друга на электрический угол π/3.

При положительном полупериоде изменения выходного напряжения U_ботрансформаторов преобразователей 2.1 (2.2 или 2.3) напряжения, когда потенциал клеммы 9.1 (9.2 или 9.3) выше потенциала клеммы отвода, импульсный трансформатор 24 управления (фиг.2) открывает по переднему фронту напряжения U_бо шунтирующий тиристор 18 и происходит заряд токоограничивающе-дозирующего конденсатора (ТДК) 13.1 (13.2 или 13.3) с емкостью С через линейный дроссель (ЛД) 16.1 (16.2 или 16.3) с индуктивностью L в квазирезистивном режиме, когда оптимальная (по максимуму КПД заряда ТДК и максимуму идеального коэффициента использования источника 1 и трансформатора преобразователей 2.1, или 2.2, или 2.3 по мощности при заряде ТДК 13.1,или 13.2, или 13.3) индуктивность зарядной цепи L_c = L + L_рт системы определяется выражением:
L_c=L+L_рт = , (3) где L_рт - индуктивность рассеяния трансформатора преобразователя 2.1, или 2.2, или 2.3 по цепи (см. фиг. 4, г): трансформатор преобразователя 2.1 (3.2 или 2.3) - клемма 9.1 (9.2 или 9.3) - ЛД 16.1 (16.2 или 16.3) - подзарядный вентиль 15.1 (15.2 или 15.3) - ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) - шунтирующий тиристор 18.1 (18.2 или 18.3) - клемма отвода трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) током
U_с=U_ио/(ωL_c) esinωt, где ω = 2 πf - круговая частота изменения выходных напряжений трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3;
Q= r_c - добротность системы при заряде ТДК через ЛД;
r_c = R_ио + R_лд + R_пв + R_шт - активное сопротивление системы при заряде ТДК через ЛД;
t - время (остальные обозначения такие же, как и в выражении (1) - до максимального напряжения в конце положительного полупериода (при t = t_π = π / ω) U_см=U1+e, когда ток i_с заряда ТДК приближается к нулю и шунтирующий тиристор 18.1 (18.2 или 18.3) естественным образом закрывается (самопогасает).

При первом отрицательном полупериоде изменения выходного напряжения U_ба и U_бс трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) (когда потенциал 10.1 (10.2 или 10.3) выше потенциала клеммы 9.1 (9.2 или 9.3) пропорциональная часть U_бо которого снимается с резистора 30 делителя напряжения U_бо трансформатора и поступает на первичную обмотку импульсного трансформатора 24 управления, с его вторичной обмотки на два входа двоичного счетчика 25 через диод 27 подается положительный импульс напряжения, соответствующий переднему фронту отрицательного полупериода изменения напряжений U_ба и U_бс. Двоичный счетчик 25 отсчитывает первый импульс.

Работа системы при положительнoм полупериоде изменения напряжения U_бс трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) описана выше. При втором отрицательном полупериоде изменения напряжения U_ба и U_бстрансформаторов преобразователей двоичный счетчик 25 описанным путем отсчитывает второй положительный импульс вторичной обмотки импульсного трансформатора 24 управления и, насыщаясь, выдает с двух своих выводов на управляющий переход управляющего запираемого тиристора 26 открывающее напряжение и он открывается. С вторичной обмотки импульсного трансформатора 24 управления через открытый запираемый тиристор 26 на управляющий переход зарядного тиристора 14.1 (14.2 или 14.3) подаются в начале каждого следующего отрицательного полупериода изменения напряжений U_ба и U_бс трансформаторов преобразователей отпирающие импульсы напряжения, и он открывается и остается открытым весь отирцательный полупериод в течение времени t_π = π / ω. При открытии зарядного тиристора 14.1 (14.2 или 14.3) в любой отрицательный полупериод изменения напряжения U_ба (U_бс) трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 вся вторичная обмотка этих трансформаторов соединяется последовательно-согласно с ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) и от них к выходным шинам 4 и 5 системы прикладывается максимальное суммарное напряжение
U_и+U_см=U1+1+eU_ио/U. Под действием этого напряжения через индуктивный накопитель 3 с индуктивностью Lн по цепи (фиг. 8, б): вторичная обмотка трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) - вывод а - клемма 10.1 (10.2 или 10.3) - зарядный тиристор 14.1 (14.2 или 14.3) - ТДК 13.1 (13.2 или 13.2) - клемма 11.1 (11.2 или 11.3) - УРК 21.1 - шина 5 - датчик 22 тока - индуктивный накопитель 3 - шина 4 - клемма 12.1 (12.2 или 12.3) - датчик 20.1 (20.2 или 20.3) тока - клемма 9.1 (9.2 или 9.3) - вывод б - вторичная обмотка трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) будет протекать ток i_L≈U1+1+eU_ио/Ut/L_н. Этот ток максимален в конце отрицательного полупериода при t = t_π= π / ω и достигает величины
I_Lm≈U1+1+eU_ио/U/(ωL_н).

В следующий после рабочего отрицательного полупериода положительный полупериод снова происходит заряд ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) до максимального напряжения U_ст, а ток заряда i_з индуктивного накопителя 3, замыкаясь через блокирующий вентиль 17 с весьма малым сопротивлением (порядка тысячной доли Ома) по цепи (см. фиг. 4, б): индуктивный накопитель 3 - шина 4 - клемма 12 - блокирующий вентиль 17 - клемма 11 - УРК 21.1 - шина 5 - датчик 22 тока - индуктивный накопитель 3, суммируется по определенному закону с приращением тока I_Lm подзаряда индуктивного накопителя 3. И т.д. циклически с частотой изменения выходных напряжений U_ба и U_бс трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3. При этом текущий ток i_з заряда индуктивного накопителя 3 определяется по следующему из закона сохранения энергии выражению:
i_з= L/, где t_з - текущее время заряда индуктивного накопителя (ИН) 3 от начального тока I_зо до тока i_з;
k = I_зо/I_зm - относительный начальный ток заряда ИН 3, нормированный по максимальному току I_зm его заряда, а заряд индуктивного накопителя 3 происходит в режиме неизменной средней за период изменения напряжений U_ба и U_бс трансформаторов преобразователей 2.1 (2.2 или 2.3) потребляемой от источника 1 мощности.

Когда ток заряда индуктивного накопителя 3 достигнет заданного максимального значения
i_з=I_зm=I/, где t_зк - конечное время заряда ИН 3 от начального I_зо до максимального I_зm тока, усиленное усилителем компаратора 42 падение напряжения на сопротивлении R_ш датчика 22 тока (например шунта) U_ш = R_ш Iзm становится равным опорному напряжению v_om компаратора 42, и компаратор 42 выдает постоянный управляющий импульс напряжения на управляющий переход запираемого тиристора 26 управления, который закрывает этот тиристор и прекращает подачу положительных импульсов вторичной обмотки импульсного трансформатора 24 управления на открытие зарядного тиристора 14.1 (14.2 или 14.3). Процесс заряда индуктивного накопителя 3 прекращается. Одновременно с компаратора 42 дополнительного блока 23 управления системой подается открывающий (поджигающий) импульс управления на управляющий (поджигающий) электрод и катод управляемого замыкающего коммутатора 6, например, типа тиристорного ключа, и он открывается, а на управляющий механизм 21.2 управляемого размыкающего коммутатора (УРК) 21.1 - импульс тока, размыкающий контакты УРК 21.1. Управляемый размыкающий коммутатор 21.1 размыкает свои контакты и накопленная в индуктивном накопителе 3 энергия передается через управляемый замыкающий коммутатор 6 в мощную импульсную нагрузку 7. Когда ток в импульсной нагрузке 7 достигает величины начального тока заряда ИН 3, усиленное усилителем компаратора 42 падение напряжения на датчике 22 тока (шунте) U_mo = R_ш I_зо становится равным второму опорному напряжению U_оокомпаратора 42, и последний подает управляющий импульс тока на управляющий механизм 21.2 УРК 21.1, который замыкает свои контакты и запирающий импульс напряжения с управляющего перехода запираемого тиристора 26 управления снимается, и он открывается выходным сигналам насыщенного двоичного счетчика 25. Происходит следующий описанный выше цикл заряда индуктивного накопителя 3 от начального I_зо до максимального I_зm тока и его последующий заряд на импульсную нагрузку 7. И т.д. циклически.

Из оптимального для работы каждой из трех фаз системы (каждая фаза состоит из преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) напряжения и токоограничивающе-дозирующего блока 8.1 (8.2 или 8.3) условия равенства средней относительной мощности трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) при заряде ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) через ЛД 16.1 (16.2 или 16.3)
P_*сср=P_сср/P_н = (i_c/I_пн)(U_по/U_и)dt и при заряде индуктивного накопителя 3 через ТДК 13.1 (13.2 или 13.3).

P_*нср=P_нср/P_н = (i_L/I_ин)dt
(P_*ccp ≈ P_*нср) где Р_н = U_ин I_ин - номинальная мощность трансформатора при его номинальных токе I_ин и напряжении U_ин ≈ U_и, с учетом выведенного нами из уравнения баланса энергии системы выражения для емкости ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) нами выведено соотношение для определения оптимального отношения выходных напряжений U_но/U_и трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3), равного отношению части витков W_o вторичной обмотки трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) между отводом О и вторым выводом б упомянутого преобразователя ко всем виткам W вторичной обмотки:
+, (4) где η_зL = 1/[1 + 1/(3f τ_Lн)] (5) - КПД системы при заряде ИНЗ через ТДК 13.1 (13.2 или 13.3)
τ_Lн = L_н/r_н - постоянная времени системы
r_н ≈ R_оп + R_зт + R_ин + R_урк - активное сопротивление системы при заряде индуктивного накопителя 3 через ТДК 13.1 (13.2 или 13.3);
R_он - приведенное к входным клеммам 10.1 (10.2 или 10.3) и 9.1 (9.2 или 9.3) ТБД 8,1 (8,2 или 8,3) внутреннее сопротивление источника 1 и преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3);
R_зт - среднее значение сопротивления зарядного тиристора 14.1 (14.2 или 14.3) в проводящем направлении;
R_ин - активное сопротивление индуктивного накопителя 3, которое для сверхпроводящего индуктивного накопителя (СПИН) 3 равно нулю (R_ин ≈ 0), а для охлаждаемого жидким или кипящим водородом тороидального криорезистивного индуктивного накопителя (КРИН) 3 R_ин = L_н/τ_Lн',
τ_Lн' ≈ L_н/R_ин≈ 40-70 с - постоянная времени КРИН 3;
R_урк≈ (1-3) ^. 10^-4 Ом - активное сопротивление замкнутых контактов управляемого размыкающего коммутатора 21.1.

Рассчитанная по выведенному нами выражению графическая зависимость КПД предложенной системы η_зс при заряде ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) через ЛД 16.1 (16.2 или 16.3) и КПД прототипа η_зспр (η_зспр ≈ η_зс) при заряде ТДК 13 через ЛД 16 от добротности Q системы приведена на диаграмме фиг.6.

Рассчитанная по выражению (5) графическая зависимость КПД предложенной системы η_зL при заряде индуктивного накопителя 3 через ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) и КПД прототипа η_зLпр (η_зLпр ≈ η_зL) от добротности Q системы приведена на фиг.6.

Рассчитанная по выведенному нами выражению для эпюр токов i_13.1, i_13.2 и i_13.2 заряда ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) через линейный дроссель 16.1 (16.2 или 16.3) (фиг. 5, а) графическая зависимость идеального коэффициента использования источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1 (2.2 или 2.3) по мощности К_инс, под которым понимается отношение средней мощности этих источников к их максимальной мощности, от добротности Q системы приведена на фиг. 6. Для сравнения там же приведена графическая зависимость идеального коэффициента использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 прототипа по мощности К_инспр при заряде ТДК 13 через ЛД 16 от добротности Q системы. Видим, что при Q ≥ 2 К_инс = 0,720 = const, а К_инстр ≈0,637 = const.

Рассчитанная по выведенному нами выражению для эпюр токов i_14.1, i_14.2 и i_14.3 предложенной системы при подзаряде индуктивного накопителя 3 через ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) (см. фиг. 5, б) графическая зависимость идеального коэффициента использования источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 по мощности К_инL от добротности Q системы приведена на фиг. 6. Там же для сравнения приведена графическая зависимость идеального коэффициента использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 прототипа по мощности К_инLпр при заряде ИН 3 через ТДК 13 от добротности Q системы. Видим, что при Q ≥ 2K_ииL≈ 0,667≈const, а К_инLпр = 0,5 = const.

Практический коэффициент использования источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 по мощности К_ипm при заряде индуктивного накопителя 3 через описанный трехфазный преобразователь неизменной мощности (ТПИМ), под которым понимается отношение средней зарядной мощности ИН 3 Р_зср = L_н (I_зm² - I_зо²)/(2t_зк) ≈ Е_пи/t_зк к максимальной мощности Р_m источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 Р_трm (Р_трm ≈ Р_m), определяется выражением:
К_ипm = Р_зср/Р_m = (К_ипc η_зс + К_ипL η_зL)/2, (6) а практический коэффициент использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 прототипа по мощности К_ипmпр при зaряде индуктивного накопителя 3 через однофазный преобразователь неизменной мощности (ОПИМ) - выражением:
К_ипmпр = Р_зср/Р_mпр =
= (К_ииспр η_зспр + К_инLпр η_зLпр)/2 (7)
Рассчитанные по выражениям (6) и (7) графические зависимости практического коэффициента использования источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 предложенной системы К_ипm и источника 1 и трансформатора преобразователя 2 прототипа К_ипmпр по мощности от добротности Q системы приведены на фиг. 6. Видим, что при увеличении добротности Q системы от 4 до 20 К_ипm монотонно увеличивается от 0,552 до 0,668, а К_ипmпр монотонно увеличивается от 0,413 до 0,558.

Так как максимальная установленная мощность источника 1 и трансформаторов 2.2, 2.3 и 2.3 Р_m ≈ Р_трm = Р_зср/К_ипm обратно пропорциональна практическому коэффициенту их использования по мощности К_ипm, то чем больше этот коэффициент К_ипm, тем при заданной средней зарядной мощности Р_зср индуктивного накопителя 3 энергии меньше максимальная установленная мощность источника 1 Р_m и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 Р_трm и их масса, составляющая основную долю массы системы m_пс, а это улучшает (увеличивает) удельную энергию предложенной системы по массе (W_Emпс = Е_пи/m_пс, где Е_пи - эрергия импульса питания импульсной нагрузки 7).

При выходе из строя , т.е. отказе одной из трех фаз предложенной трехфазной системы по фиг. 1 (например, первой фазы, состоящей из преобразователя 2 напряжения и токоограничивающе-дозирующего блока 8) значительно уменьшается или становится равным нулю пропорциональное току i_L подразряда индуктивного накопителя 3 падение напряжения на дополнительном датчике 20 тока (шунте), а значит, и выходное напряжение первой интегрирующей зарядно-разрядной RC-цепочки интегрирующе-логического блока 41 и его первого усилителя, а выходные напряжения усилителей напряжения остальных двух (второй и третьей) интегрирующих зарядно-разрядных цепочек будут иметь расчетную величину и совпадать с опорными напряжениями интегрирующе-логического блока 41. Логическое устройство этого блока 41 выдает сигналы на переключаемые фазосдвигающие устройства 36 и 37 и переключает первое (36) на нулевой сдвиг по фазе и второе (37) на сдвиг по фазе π/2, а переключающее фазосдвигающее устройство 35 первой фазы системы прекращает подачу переменного напряжения с генератора 34 на первый импульсный трансформатор 38. В результате этого трехфазная система с трехфазным преобразователем неизменной мощности (ТПНМ) преобразуется в двухфазную систему с двухфазным преобразователем неизменной мощности (ДПНМ) и система остается работоспособной при некотором ухудшении ее удельных энергетических показателей, а это существенно увеличивает надежности предложенной системы. Аналогично происходит преобразование трехфазной системы (с ТПНМ) в двухфазную систему (с ДПНМ) и при отказе второй или третьей фазы и исправных двух других фазах системы.

При преобразовании трехфазной системы в двухфазную (ТПНМ в ДПНМ) нами показаны следующие параметры преобразованной системы: идеальный коэффициент использования источника 1 и трансформаторов ДПНМ по мощности при заряде ТДК через ЛД К_инс = 0,675, а при заряде индуктивного накопителя 3 через ТДК К_инL = 0,625; КПД системы при заряде ТДК через ЛД η_зс = 0,985, а при заряде ИН 3 через ТДК η_зс ≈ 0,993; подсчитаный по выражению (6) практический коэффициент использования источника 1 и трансформаторов ДПНМ по мощности при заряде индуктивного накопителя 3 через ДПНМ К_ипm = 0,643, а время заряда СПИН или КРИН 3 в двухфазной системе с ДПНМ увеличивается в 1,47 раз по сравнению с исходной трехфазной системой с ТПНМ.

Для обоснования технико-экономических преимуществ предложенной системы над базовой системой-прототипом (индекс ПР) предположим, что мощная импульсная нагрузка 7 и применяемый в системе и прототипе сверхпроводящий индуктивный накопитель (СПИН) 3 характеризуются общими для обеих систем параметрами: энергия импульса питания нагрузки 7 Е_пи =5 МДж; длительность импульса питания нагрузки 7 τ_пи = 0,02 с; длительность последующих зарядов СПИН 3 от начального I_зо до максимального I_зm тока t_зк=10 с; среднее напряжение импульса питания нагрузки 7 U_писр = 10 кВ; максимальная запасаемая в СПИН 3 энергия Е_зm = 10 МДж; энегия последующих зарядов СПИН 3 от начального I_зо до максимального I_зm тока Е_зп = Е_зm - Е_зо = L_н(I_зm² - I_зо²)/2 ≈ Е_пи = 5 МДж; откуда следует, что начальный ток последующих зарядов СПИН 3 I_зо= I_зm = kI_зm = 0,707 I_зm, где k = I_зо/I_зm = 0,707; удельная энергия СПИН 3 с соосно расположенными накопительной и компенсирующей катушками, выполненными из ниобий-титанового сверхпроводника НТ 50 в алюминиевой матрице вместе с криогенной установкой W_Еmин = 6 кДж/кг; удельная масса токоограничивающе-дозирующего конденсатора (ТДК) α_ТДК = 0,065 кВтр; частота изменения выходных напряжений трансформаторов преобразователей f = 1000 Гц; удельная масса и объем трансформаторов преобразователей напряжения и линейных дросселей α_тр≈α_ЛД = 1,31 кг/кВт и γ_тр ≈ γ_ЛД = 0,210 дм³/кВт и не зависят от их мощности; удельная масса управляемого размыкающего коммутатора (УРК) 21.1 вместе с управляющим механизмом 21.2 α_урк ≈ 0,03 кг/кДж.

В результате расчета по разработанной нами методике получены следующие технико-экономические параметры предложенной системы питания импульсного индуктивного накопителя энергии с ТПНМ: максимальный ток заряда СПИН 3 I_зm = 29,2 кА и его начальный ток последующих зарядов I_зо= 20,7 кА; индуктивность СПИН 3 L_н = 0,0234 Гн и его индуктивность, приходящаяся на одну фазу ТПНМ L_иф = 3L_н ≈ 0,07 Гн; максимальный ток через зарядный тиристор 14.1 или 14.2 или 14.3 (ток одного импульса подзаряда СПИН 3) I_Lm = 69 А; средняя зарядная мощность СПИН 3 Р_зср ≈ Е_пи/t_зк = 500 кВт; идеальные коэффициенты использования источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 по мощности при заряде ТДК 13.1, 13.2 и 13.3 через ЛД 16.1, 16.2 и 16.3 К_инс = 0,720, а при заряде СПИН 3 через ТДК 13.1, 13.2 и 13.3 - К_инL = 0,667; полученная методом последовательных приближений добротность Q системы при заряде ТДК через ЛД Q ≈ 40; КПД заряда ТДК через ЛД η_зс = 0,985 и КПД заряда СПИН 3 через ТДK η_зL = 0,9933; подсчитанный по выражению (6) практический коэффициент использования источника 1 и трансформаторов преобразователей мощности К_ипm = 0,668; максимальная установленная мощность источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 Р_m ≈ Р_трm = Р_зср/К_ипm = 726 кВт; найденное по выражению (2) или (4) отношение выходных напряжений трансформатора преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) U_по/U_н и отношение числа витков его вторичной обмотки между отводом с и выводом б W_о к числу витков W всей обмотки W_o/W = U_по/U_п = 0,654; выходное напряжение трансформатoров преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 между выводами б и а U_п = 4220 В, а между выводом б и отводом с - U_по = 2760 В; максимальная установленная мощность трансформатора преобразователя Р_трmср = Р_трm/3 = 263 кВт; приведенное к входным выводам 9 и отводам ТДБ 8 (при 2 ΔU/E = 0,075) внутреннее сопротивление источника 1, приходящееся на одну фазу ТПНМ, и преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) R_но = 0,587 Ом; емкость ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) С = 6,04^.10^-6 Ф; индуктивность контуров заряда ТДК L_c =L + L_рт = 4,2^.10^-3 Гн и их волновое сопротивление ρ==26,4 Ом, приведенное к входным клеммам 10.1 и 9.1 (10.2 и 9.2 или 10.3 и 9.3) сопротивление источника 1, приходящееся на одну фазу ТПНМ, и преобразователя 2.1 (2.2 или 2.3) R_он = 1.37 Ом; максимальное напряжение заряда ТДК U_сm = 5420 В и запасаемая в нем энергия Е_cm = 86,5 Дж и его мощность и масса трех ТДК Q_cm = 86,5 кВтр и m_ТДК = 16,9 кг; максимальный и средний ток заряда ТДК через ЛД I_cm = 105 А и I_cср = 67 A; масса всех трех подзарядных вентилей, набранных каждый из трех последовательно включенных частотных диодов типа ДЧ 151-100 вместе с шунтирующими резисторами и ошиновкой m_пв = 2 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_пв ≅ 5,1^.10^-3 Ом; масса всех трех шунтирующих тиристоров, набранных каждый из трех последовательно включенных тиристоров типа ТБ 133-250 вместе с шунтирующими резисторами, элементами управления и ошиновкой m_шт = 2,7 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_шт ≅ 3,9 ^. 10^-3 Ом; активное сопротивление каждого линейного дросселя при его сравнительно невысокой (для частоты f = 1000 Гц) добротности QL ≈ωL_c/R_ЛД ≈ 250 составит R_ЛД = 5,28 ^.10^-2 Ом; активное сопротивление системы при заряде ТДК через ЛД r_c = R_по + R_ЛД + R_тв + R_шт ≈ 0,649 Ом; средний ток через зарядный тиристор I_зтср = IL_m/2 = 25 А и его максимальное напряжение в закрытом состоянии U_зmз = 9620 В; масса всех трех зарядных тиристоров, набранных каждый из 10 последовательно включенных быстродействующих тиристоров типа ТБ 151-63, вместе с шунтирующими резисторами, элементами управления и ошиновкой m_зт= 8,1 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_зт ≅ 0,0375 Ом; активное сопротивление каждой фазы системы при заряде СПИН 3 через ТДК 13.1 (13.2 или 13.3) r_L = R_он + R_зт + R_урк = 1,408 Ом, где R_урк ≈ 3 ^.10^-4 Ом - сопротивление замкнутых контактов УРК 20; масса и объем всех трех трансформаторов ТПНМ m_тр = 3 α_тр Р_трmф = 1050 кг и V_тр = 3 γ_трР_трmф = 155 дм³ максимальная энергия, запасаемая в ЛД 16.1 (16.2 или 16.3) Е_ЛДm = 23,1 Дж и его действующая мощность Р_ЛД = 11,6кВт; масса и объем трех линейных дросселей ТПНМ m_ЛД = 47,2 кг и V_лд = 7,55 дм³; масса блокирующего вентиля 17, набранного из восьми последовательно включенных групп диодов по 30 параллельно включенных диодов типа ДЧ148 = 1000 в группе, с шунтирующими резисторами и ошиновкой m_бв = 75 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_бв ≅ 1,04 ^.10^-4 Ом; средний ток через тиристорные ключи К1 и К2 при номинальном напряжении источника 1 v_н = 220 В составит I_ткср = Р_m/(3v_н) = 1100 А; масса всех шести тиристорных ключей преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3, каждый из которых набран из двух параллельно включенных тиристоров типа ТБ 153-800 с элементами управления и ошиновкой m_тк = 10,1 кг, а сопротивление каждого тиристорного ключа в проводящем направлении R_тк ≅ 1,2 ^. 10^-4 Ом; примерная масса трех коммутирующих конденсаторов С_к.1, С_к.2 и С_к.3 преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3, предназначенных для коммутации тока намагничивания трансформаторов преобразователей, m_ск ≈ 0,9 кг; масса и объем всех трех преобразователей с крепежными элементами и ошиновкой m_п2= 1255 кг и v_п2 = 209 дм³; масса и объем всех трех токоограничивающе-дозирующих блоков с крепежными элементами и ошиновкой m_тдБ = 163 кг и v_тдБ = 108 дм³; масса и объем трехфазного преобразователя неизменной мощности m_тпнм = 1418 кг и v_тпнм = 317 дм³ и его удельные масса и объем по средней зарядной мощности СПИН 3 α_тпнм = m_тпнм/Р_зcр= 2,836 кг/кВт и γ_тпнм =V_тпнм/Р_зср = 0,634 дм³/кВт; масса и объем управляемого размыкающего коммутатора 20 m_урк = α_урк Е_пи = 150 кг и V_урк = 180 дм³; масса и объем СПИН 3 с криогенной установкой m_ин = Е_зт/W_еmин = 1330 кг и γ_ин ≈ 1200 дм³; масса и объем управляемого замыкающего коммутатора 6 типа тиристорного ключа, набранного из 10 последовательно включенных групп тиристоров по 24 параллельно включенных тиристора типа Т253-1250 в группе с шунтирующими резисторами, элементами управления и ошиновкой m_узк = 180 кг и V_узк = 150 дм³ масса и объем энергетической установки (ЗУ) с источником 1 без подсистемы ее охлаждения при ее удельной массе α_эу = 4,7 кг/кВт составит m_эу = α_эу/P_m = 3400 кг и V_эу ≈1700 дм³; масса и объем предложенной системы с ТПНМ m_пс = m_тпнм + m_эу + m_пн + m_узк +m_урк = 6468 кг и V_пс = V_тпнм + V_эу + V_ин + +V_узк + V_урк = 3547 дм³ и ее удельные энергия и объем W_еmпс = Е_пн/m_пс = 0,772 кДж/кг и W_еvпс = Е_пн/V_пс = 1,33 кДж/дм³.

Для сравнения у прототипа получены следующие параметры базовой системы: максимальный и начальный токи заряда СПИН 3 I_зm = 29,2 кА и I_зо= 20,7 кА; максимальный ток через зарядный тиристор 14 I_Lm = 207 А; средняя зарядная мощность СПИН 3 Р_зср = 500 кВт; идеальные коэффициенты использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности при заряде ТДК 13 через ЛД16 К_инспр = 2/ ≈0,637, а при заряде СПИН 3 через ТДК 13 - К_инLпр = 0,5; найденная методом последовательных приближений добротность базовой системы при заряде ТДК 13 через ЛД 16 Q_пр ≈ 48; КПД заряда ТДК 13 через ЛД 16 η_зcпр = 0,985 и КПД заряда СПИН 3 через ТДК 13 η_зLпр = 0,994; подсчитанный по выражению (7) практический коэффициент использования источника 1 и трансформатора преобразователя 2 по мощности К_ипmпр = 0,562; максимальная установленная мощность источника 1 и трансформатора преобразователя 2 Р_mпр ≈ Р_трmпр =Р_зcр/К_ипmпр = 890 кВт; найденное по выражению (2) или (4) отношение выходных напряжений (U_по/U_п) трансформатора преобразователя 2 или отношение витков вторичной обмотки трансформатора преобразователя 2 между отводом и выводом б W_о ко всем виткам W вторичной обмотки (W_o/W)_пр= (U_по/U_п)_пр = 0,652; напряжение трансформатора преобразователя 2 между клеммами 10 и 9 ТДБ 8 U_ипр = 4220 В, а между клеммами 9 и отводом - U_попр = 2760 В; приведенное к входным клеммам 9 и отводом ТДБ 8 внутреннее сопротивление источника 1 и преобразователя 2 при 2 ΔU/E = 0,075 составит R_нопр = 0,160 Ом; емкость ТДК 13 С_пр = 1,81 ^. 10^-5 Ф; индуктивность системы при заряде ТДК 13 через ЛД 16 L_спр =(L + L_рт)пр =1,49 ^. 10^-3 Гн и ее волновое сопротивление ρ_пр==8,8 Ом; внутреннее сопротивление источника 1 и преобразователя 2, приведенное к входным клеммам 10 и 9 ТДБ 8, R_оипр = 0,376 Ом; максимальное напряжение заряда ТДК 13 U_сmпр = 5440 В, запасаемая в нем энергия Е_сmпр = 269 Дж и его максимальная мощность и масса Q_сmпр = 269 кВтр и m_тдкпр =α_тдкQ_сmпр = 17,4 кг; максимальный и средний ток заряда ТДК 13 через ЛД 16 I_сmпр =314 А и I_сmсрпр = 220 А; масса подзарядного вентиля 15, набранного из трех последовательно включенных диодов типа ДЧ171-320, с шунтирующими резисторами и ошиновкой m_пвпр = 1,91 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_пвпр ≅ 1,95 ^. 10^-3 Ом; масса шунтирующего тиристора 18, выбранного из трех последовательно включенных тиристоров типа ТБ 143-400, с шунтирующими резисторами, элементами управления и ошиновкой m_штпр = 1,26 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_штпр ≅ 2,4 ^. 10^-3 Ом; активное сопротивление линейного дросселя 16 при его сравнительно невысокой (для частоты f = 1000 Гц) добротности Q_L = 250 составит R_лдпр =ωL_спр/Q_L = 0,0176 Ом; активное сопротивление системы при заряде ТДК 13 через ЛД 16 r_спр = R_попр + R_лдпр + R_пвпр + R_штпр≈ 0,182 Ом; средний ток через зарядный тиристор 14 I_зтсрпр = 104 А и его максимальное напряжение в закрытом состоянии U_зтзпр = 9640 В; масса зарядного тиристора 14, выбранного из 10 последовательно включенных тиристоров ТБ 133-250, вместе с шунтирующими резисторами, элементами управления и ошиновкой m_зтпр = 3 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_зтпр ≅ 0,0125 Ом; активное сопротивление системы при заряде СПИН 3 через ТДК 13 r_L = R_оп + R_зт + R_урк = 0,389 Ом, где R_урк ≈ 3 ^. 10^-3 Ом - сопротивление замкнутых контакторов УРК 20; масса и объем трансформатора преобразователя 2 m_трпр = =α_тр Р_трmпр = 1170 кг и U_трпр = γ_тр Р_трmпр ≈ 187 дм³; максимальная энергия, запасаемая в линейном дросселе 16 Е_ЛДmпр = 69,4 Дж, его мощность и масса Р_лдпр ≈35 кВт и m_ЛДпр = α_ЛД Р_ЛДпр = 45,8 кг; масса блокирующего вентиля 17 такая же, как и в предложенной трехфазной системе m_бвпр = m_бв =75 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_бвпр = R_бв≅1,04x x10^-4 Ом; средний ток через тиристорные ключи К1 и К2 преобразователя 2 при номинальном напряжении источника 1 U_н = 220 В, I_тксрпр =2280 А; масса тиристорных ключей К1 и К2 преобразователя 2, набранных каждый из трех параллельно включенных диодов типа ТБ 253-1000, с элементами управления и ошиновкой m_ткпр = 4,32 кг, а его сопротивление в проводящем направлении R_ткпр ≅ 6,67 ^.10^-5 Ом; примерная масса коммутирующего конденсатора С_к составит m_скпр≈0,8 кг; масса и объем преобразователя 2 с крепежными элементами и ошиновкой m_п2пр = 1410 кг и U_п2пр = 246 дм³; масса и объем токоорганичивающе-дозирующего блока 8 с крепежными элементами и ошиновкой m_тдбпр= 158 кг и U_тдбпр = 106 дм³; масса и объем однофазного преобразователя неизменной мощности (ОПНМ) без подсистемы его охлаждения m_опим = m_п2пр + +m_тдбпр = 1570 кг и U_опим = U_п2пр + U_тдбпр =352 дм³; удельные масса и объем ОПНМ по средней зарядной мощности СПИН 3 α_опим = m_опим/Р_зср = 3,14 кг/кВт и γ_опим =U_опим/Р_зcр = 0,704 дм³/кВт; масса и объем управляемого размыкающего коммутатора 21.1 с управляющим механизмом 21.2 такие же, как и в трехфазной системе m_урк = 150 кг и U_урк = 180 дм³; масса и объем управляемого замыкающего коммутатора 6 типа тиристорного ключа такие же, как и в трехфазной системе m_узк = 180 кг и U_узк = 150 дм³; масса и объем энергетической установки с источником 1 без подсистемы ее охлаждения при удельной массе ЭУ α_эупр≈ 4,5 кг/кВт m_эупр = α_эупр Р_mпр = 4000 кг и U_эупр≈ 2000 дм³; масса и объем СПИН 3 с криогенной установкой такие же, как и в трехфазной системе m_ин = 1330 кг и U_ин = 1200 дм³; масса и объем базовой системы-прототипа m_пр = m_опим + m_эупр + m_узк + m_урк + m_ин = 7380 кг и V_пр = V_опим + V_эупр + V_узк + V_урк + V_ин = 4022 дм³ и ее удельная энергия по массе и объему W_еmпр = Е_пн/m_пр = 0,676 кДж/кг и V_еvпр = Е_пн/v_пр = 1,24 кДж/дм³.

Следовательно, такие удельные энергетические показатели предложенной системы с ТПНМ, как удельная энергия по массе и объему улучшаются, т.е. увеличиваются по сравнению с базовой системой-прототипом в 1,14 раз путем уменьшения максимальной установленной мощности источника 1 и трансформаторов преобразователей напряжения в 1,23 раз за счет увеличения практического коэффициента их использования по мощности в 1,23 раз, а отказ одной из трех фаз ТПНМ не приводит к отказу системы питания импульсного индуктивного накопителя энергии, которая способна выполнять поставленную задачу питания импульсной нагрузки 7 при увеличенном в 1,47 раз времени заряда СПИН 3 от начального I_зо до максимального I_зm тока, что существенно увеличивает эксплуатационную надежность предлагаемой системы.

Таким образом, снабжение в системе питания импульсного индуктивного накопителя первого токоограничивающего-дозирующего блока (ТДБ) 8 дополнительным датчиком 20 тока, а системы в целом - дополнительно вторым и третьим, точно такими же, как и первый, преобразователями напряжения, вторым и третьим, такими же, как и первый, токоограничивающе-дозирующими блоками, блоком 23 управления системой, новыми связями между ее элементами, выбор отношения части витков W₂вторичной обмотки трансформатора любого из преобразователей напряжения системы между отводом и вторым выводом б упомянутого преобразователя ко всем виткам W вторичной обмотки в соответствии с выражением (2) и (4) и преобразование при отказе одной из трех фаз системы ТПНМ в ДПНМ обеспечивает неочевидность схемно-технического и параметрического решения задачи и, отличая заявленную систему от прототипа, в 1,14 раз улучшает удельные энергетические показатели системы путем уменьшения максимальной установленной мощности источника 1 и трансформаторов преобразователей 2.1, 2.2 и 2.3 напряжения в 1,23 раз за счет увеличения практического коэфициента их использования по мощности в 1,23 раз, а также увеличивает надежность системы.

Изобретение относится к импульсной технике и касается систем питания импульсной нагрузки от индуктивного, преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного, накопителя энергии, заряжаемого от источника знакопостоянного тока (ИЗПТ) практически неизменных напряжения или ЭДС через трехфазный преобразователь неизменной мощности, преобразуемый при отказе одной из его фаз в двухфазный преобразователь неизменной мощности. Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности ИЗПТ и трансформатора преобразователя напряжения (ПН) за счет увеличения коэффициента их использования по мощности и увеличения надежности системы. Система содержит ИЗПТ, три одинаковых ПН с трансформаторным выходом, индуктивный накопитель (ИН), датчик тока, управляемый размыкающий коммутатор, три одинаковых токоограничивающе-дозирующих блока (ТДБ) с тремя входными и двумя выходными клеммами у каждого, ТДБ содержит токоограничивающе-дозирующий конденсатор, зарядный тиристор, подзарядный вентиль, линейный дроссель, блокирующий вентиль, шунтирующий тиристор, дополнительный датчик тока, блок управления, дополнительный блок управления системой. 2 з. п. ф-лы, 6 ил.

1. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащая источник знакопостоянного тока с практически неизменным напряжением или ЭДС, положительная и отрицательная выходные шины которого соединены с входом первого преобразователя напряжения с трансформаторным выходом, образованным вторичной обмоткой трансформатора преобразователя с двумя выводами и отводом от части ее витков, индуктивный накопитель энергии с двумя выводами, положительную и отрицательную выходные шины системы, между которыми через управляемый замыкающий коммутатор подключена импульсная нагрузка, один вывод которой связан с положительной выходной шиной системы и с одним выводом индуктивного накопителя, первый токоограничивающе-дозирующий блок с тремя входными и двумя выходными клеммами, включающий в себя токоограничивающе-дозирующий конденсатор, зарядный тиристор, подзарядный вентиль, линейный дроссель, включенный между анодом подзарядного вентиля и первой входной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока, блокирующий вентиль, включенный между первой и второй выходными клеммами токоограничивающе-дозирующего блока, анодом к последней, шунтирующий тиристор, блок управления с восемью выводами, управляемый размыкающий коммутатор с управляющим механизмом, включенный между первой выходной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока и отрицательной выходной шиной системы, датчик тока с двумя силовыми и двумя потенциальными клеммами, при этом второй вывод преобразователя напряжения соединен с первой входной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока, первый вывод преобразователя напряжения соединен с второй входной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока и анодом зарядного тиристора, а отвод от части витков вторичной обмотки трансформатора преобразователя напряжения с третьей входной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока и катодом шунтирующего тиристора, первый вывод блока управления связан с третьей входной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока, а второй вывод соединен с первой входной клеммой, третий и четвертый выводы блока управления подключены к управляющему электроду и катоду зарядного тиристора, катод которого соединен с анодом шунтирующего тиристора и первым выводом токоограничивающе-дозирующего конденсатора, пятый и шестой выводы блока управления подключены к управляющему электроду и катоду шунтирующего тиристора, второй вывод токоограничивающе-дозирующего конденсатора связан с катодом подзарядного вентиля и первой выходной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока, а индуктивность L линейного дросселя определяется выражением

где C - емкость токоограничивающе-дозирующего конденсатора;
f - частота изменения выходных напряжения преобразователя напряжения;
L_р.т - индуктивность рассеяния трансформатора преобразователя напряжения;

добротность системы при заряде токоограничивающе-дозирующего конденсатора через линейный дроссель с активным сопротивлением R_л.д;
R_и.о - приведенное к первой и третьей входным клеммам токоограничивающе-дозирующего блока внутреннее сопротивление источника и преобразователя напряжения;
R_п.в и R_ш.т - среднее значение сопротивления подзарядного вентиля и шунтирующего тиристора в проводящем направлении,
отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения максимальной установленной мощности источника и трансформатора преобразователя напряжения за счет увеличения коэффициента их использования по мощности и увеличения надежности системы, ее первый токоограничивающе-дозирующий блок снабжен дополнительным датчиком тока, включенным своими силовыми клеммами между второй выходной клеммой токоограничивающе-дозирующего блока и точкой соединения его первой входной клеммы с одним из выводов линейного дросселя, а система снабжена дополнительно вторым и третьим такими же, как и первый, токоограничивающе-дозирующими блоками и блоком управления системой с двадцатью тремя выводами, входы второго и третьего преобразователей напряжения подключены к положительной и отрицательной выходным шинам источника, первые выходные клеммы всех трех токоограничивающе-дозирующих блоков объединены вместе, вторые выходные клеммы всех трех токоограничивающе-дозирующих блоков объединены вместе, датчик тока своими силовыми клеммами включен между отрицательной выходной шиной системы и другим выводом индуктивного накопителя, а своими потенциальными клеммами соединен с первым и вторым выводами дополнительного блока управления системой, третий и четвертый выводы которого соединены с положительной и отрицательной выходными шинами источника, пятый и шестой выводы дополнительного блока управления системой связаны с управляющими электродами первого и второго тиристорных ключей первого преобразователя напряжения, седьмой и восьмой выводы блока управления системой - с управляющими электродами первого и второго тиристорных ключей второго преобразователя напряжения, девятый и десятый выводы блока управления системой - с управляющими электродами первого и второго тиристорных ключей третьего преобразователя напряжения, одиннадцатый и двенадцатый выводы блока управления системой - с потенциальными клеммами дополнительного датчика тока первого токоограничивающе-дозирующего блока, тринадцатый и четырнадцатый выводы блока управления системой - с потенциальными клеммами дополнительного датчика тока второго токоограничивающе-дозирующего блока, пятнадцатый и шестнадцатый выводы блока управления системой - с потенциальными клеммами дополнительного датчика тока третьего токоограничивающе-дозирующего блока, семнадцатый и восемнадцатый выводы блока управления системой - с управляющим электродом и катодом управляемого замыкающего коммутатора, девятнадцатый, двадцатый и двадцать первый выводы блока управления системой - с тремя выводами управляющего механизма управляемого размыкающего коммутатора, двадцать второй и двадцать третий выводы блока управления системой - с седьмым и восьмым выводами трех блоков управления. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что в ней применен индуктивный накопитель преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного типа. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что отношение части витков ω_o вторичной обмотки трансформатора любого из преобразователей напряжения между отводом и вторым выходным выводом упомянутого преобразователя напряжения ко всем виткам ω вторичной обмотки определяется по формуле

где η_зL - КПД системы при заряде индуктивного накопителя через токоограничивающе-дозирующий конденсатор;
K= I_зо/I_зm - отношение начального тока I_з.о последующих зарядов индуктивного накопителя к максимальному току I_зm от его заряда.