СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ Российский патент 1995 года по МПК H03K3/53 

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

Целью изобретения является улучшение удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока за счет уменьшения несимметрии фазовых токов, увеличения коэффициента мощности упомянутого источника и коэффициента его использования по мощности и сокращение времени заряда индуктивного накопителя.

На чертеже приведена электрическая схема системы питания импульсной нагрузки от индуктивного накопителя.

Система питания импульсной нагрузки содержит трехфазный источник 1 переменного тока с тремя линейными выводами 2 - 4, индуктивный, преимущественно сверхпроводящий или криорезистивный, накопитель 5 энергии с двумя выводами 6, 7 и отводом 0 от середины его обмотки, к выводам 6 и 7 которого через управляемый ключ 8 подключена импульсная нагрузка 9, четыре вентиля 10 - 13, включенных по схеме четырехплечного выпрямительного моста 17 с положительным выходом, образованным точкой соединения катодов первого 10 и третьего 12 вентилей, отрицательным выходом, образованным точкой соединения анодов второго 11 и четвертого 13 вентилей, первым и вторым входами, образованными точкой соединения анода первого 10 и катода четвертого 13 вентилей и точкой соединения катода второго 11 и анода третьего 12 вентилей соответственно, размыкающий коммутатор с двумя парами контактов 14, 14', блокирующий вентиль 15, катод которого связан с положительным выходом выпрямительного моста (ВМ) 17, и через первую пару контактов 14 размыкающего коммутатора - с первым выводом 6 индуктивного накопителя 5, а анод - с отрицательным выходом ВМ 17 и через вторую пару контактов 14' - с вторым выводом 7 индуктивного накопителя 5, дозирующий конденсатор (ДК) 16, включенный между отводом 0 от середины обмотки индуктивного накопителя 5 и первым выводом 2 трехфазного источника 1, второй 3 и третий 4 выводы которого подключены к второму и первому входам выпрямительного моста 17 соответственно. При этом емкость С дозирующего конденсатора 16 определяется выражением
C = , (1) где L - индуктивность индуктивного накопителя (ИН) 5 между его первым 6 и вторым 7 выводами;
f - частота изменения напряжения трехфазного источника 1;
Q= /(R_ли+R_ин/2+ R_в+ R_к) - добротность системы при заряде секций (полуобмоток) ИН 5 через ДК 16;
R_ли - внутреннее активное линейное сопротивление трехфазного источника 1 переменного тока;
R_ин - активное сопротивление ИН 5 между его выводами 6 и 7 (для СПИН R_ин ≈0, а для тороидального КРИН, алюминиевая обмотка которого охлаждается жидким или кипящим водородом R_ин= L/τ_L', где τ_L'= L/R_ин = 40-70 с - постоянная времени КРИН;
R_в - среднее сопротивление вентиля ВМ 17 в проводящем направлении;
R_к - активное сопротивление замкнутой пары контактов 14 или 14' размыкающего коммутатора.

Система питания импульсной нагрузки работает следующим образом.

Энергия трехфазного источника 1 переменного тока (ТИПТ) преобразуется вентилями выпрямительного моста (ВМ) 17 в энергию постоянного тока и периодически с частотой f источника 1 запасается в дозирующем конденсаторе (ДК) 16 и заряжаемом за много периодов (Т = 1/f) индуктивном накопителе (ИН) 5, а затем из него через управляемый замыкающий коммутатор (УЗК) 8 передается в импульсную нагрузку 9. Затем вновь производится заряд ИН 5 до требуемого тока (энергии) и его разряд на импульсную нагрузку 9 и далее процессы заряда-разряда повторяются циклически с частотой f_ли = 1/(t_зк +τ_ли), где t_зк - время заряда ИН 5 до максимального тока I_зт; τ_ли- время разряда ИН 5 на импульсную нагрузку 9. По окончании разряда ИН 5 на импульсную нагрузку 9 в обмотке этого накопителя может быть ненулевое значение тока I_зо, составляющего начальный ток заряда индуктивного накопителя 5.

Наличие в составе этой системы пяти вентилей 10 - 15 и трехточечное включение обмотки ИН 5 (секции которого имеют взаимоиндуктивную связь друг с другом с коэффициентом связи, близким к единице) к выпрямительному мосту 17 и ТИПТ 1 обуславливают циклическую реконфигурацию электрических цепей с трехфазным источником 1, в результате чего энергия источника 1 передается в двухсекционный индуктивный накопитель 5 одновременно электрическим и электромагнитным путями.

Рассматривая электромагнитные процессы в этой существенно нелинейной системе, будем считать, что линейные напряжения U₂₃, U₃₄ и U₄₂ сдвинуты на электрический (эл.) угол 120 град, и отсчет времени заряда ИН 5 начинается с нулевого значения возрастающего линейного напряжения U₂₃ ТИПТ 1, а добротность системы Q > 10.

При выполнении соотношения (1), наличии в индуктивном накопителе 5 начального тока I_зо, электромагнитной (взаимоиндуктивной) связи секций ИН 5 с коэффициентом связи, равным единице (что характерно для тороидальных конструкций СПИН или КРИН) для первого положительного полупериода линейного напряжения U₂₃ (когда потенциал вывода 2 выше потенциала вывода 3 ТИПТ 1) и со сдвигом на 60 эл.град. для первого отрицательного полупериода линейного напряжения U₄₂ (когда потенциал вывода 2 ТИПТ 1 выше потенциала вывода 4), происходит квазирезонансный заряд нижней (по чертежу) секции ИН 5 через ДК 16 по цепям: источник 1 - вывод 2 - ДК 16 - отвод 0 - нижняя секция ИН 5 - вывод 7 - замкнутая пара контактов 14' управляемого размыкающего коммутатора (УРК) - вентиль 11 ВМ 17 - вывод 3 - источник 1 и источник 1 - вывод 2 - ДК 16 - отвод 0 - нижняя секция ИН 5 - вывод 7 - замкнутая пара контактов 14' УРК - вентиль 13 ВМ 17 - вывод 4 - источник 1 током
i_C1= sin ωt + sin (ωt- 240^°),
который достигнет своего максимального значения I_ст1 ≈3,46 U_тл/( ωL) при ω t = 120^о, где U_тл - амплитуда линейного напряжения ТИПТ 1; ω = 2π f - круговая частота изменения линейных напряжений ТИПТ 1; t - время, а ДК 16 при ω t = 120^о зарядится до максимального напряжения U_ст1≈ C_C1 dt = 1,50 U_тл. Максимальный ток I_ст1 по определенному ниже закону суммируется с начальным током I_зо заряда ИН 5, и полученный ток i_з заряда индуктивного накопителя 5 замыкается через блокирующий вентиль 15 со сравнительно малым сопротивлением по цепи: нижняя секция ИН 5 - вывод 7 - пара контактов 14' УРК - вентиль 15 - пара контактов 14 УРК - вывод 6 - верхняя секция ИН 5 и сохраняется практически неизменным до следующего приращения тока I_ст1'. При этом приращение максимального тока I_ст1 во всем индуктивном накопителе 5 уменьшается в два раза, так как индуктивность одной секции ИН 5 L/2 в два раза меньше индуктивности L всего индуктивного накопителя из-за взаимоиндуктивной связи его в нижней и верхней секциях с коэффициентом связи, равным единице, для тороидального СПИН или КРИН.

При первом отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₂₃ ТИПТ 1 и со сдвигом на 60 эл.град. при первом положительном полупериоде изменения линейного напряжения U₄₂ линейные напряжения U₂₃ и U₄₂ ТИПТ 1 соединяются последовательно-согласно с напряжением U_ст1 = 1,5 U_тл на ДК 16 и происходит подзаряд верхней секции ИН 5 по цепям: источник 1 - вывод 3 - вентиль 12 - пара контактов 14 УРК - вывод 6 - верхняя секция ИН 5 - отвод 0 - ДК 16 - вывод 2 - источник 1 и источник 1 - вывод 4 - вентиль 10 - пара контактов 14 УРК - вывод 6 - верхняя секция ИН 5 - отвод 0 - ДК 16 - вывод 2 - источник 1 током
i3,50 sinωt + 3,50 sin (ωt - 240^°) e который достигает своего максимального значения
I 6,06 U_тл e / (ωL) ≈ 5,68 U_тл/(ωL) при ω t = 300^о и добротности системы Q≈20, а ДК 16 при ω t = 300^озарядится до максимального напряжения
U i dt≈ 1,75 · 1,5 U_тл ×
× 1+ e/2[1-1/(4Q²)] ≈ 2,56 U_тл обратной полярности при Q≈20. Максимальный ток I_ст1' по определенному закону суммируется с предыдущим током i_з заряда ИН 5 и, замыкаясь по описанной выше цепи через блокирующий вентиль 15, приращение тока I_ст1' уменьшается во всем ИН 5 в два раза до величины I_ст1'/2 и сохраняется практически неизменным до следующего приращения тока I_Lт1.

При первом отрицательном полупериоде изменения линейного напряжения U₃₄ (когда потенциал вывода 4 выше потенциала вывода 3) происходит подзаряд всего ИН 5 по цепи: источник 1 - вывод 4 - вентиль 10 - пара контактов 14 УРК - вывод 6 - ИН 5 - вывод 7 - пара контактов 14 - вентиль 11 - вывод 3 - источник 1 током i_L1 ≈ [U_тл/(ωL )] sin ( ωt-120^o-90^o), который достигает своего максимального значения I_Lт1≈U_тл/(ω L) при ωt = 420^о. Этот максимальный ток I_Lт1 суммируется по определенному ниже закону с током i_з во всей обмотке ИН 5 и полученный ток замыкается по описанной выше цепи через блокирующий вентиль 15 и сохраняется практически неизменным до следующего приращения тока I_ст2.

И так далее в течение шести периодов изменения линейных напряжений ТИПТ 1, в течение которых максимальное приращение тока в нижней и верхней секциях ИН 5 I_стi и I_стi' и максимальное напряжение заряда ДК 16 U_стi и U_стi' возрастают, насыщаясь в конце 6-го периода изменения линейного напряжения U₄₂, когда наступает установившийся режим заряда индуктивного накопителя 5, где i = 2,3,4,5 и 6 - номер отсчитываемого периода.

В установившемся режиме заряда нижней и верхней секций индуктивного накопителя 5 (i > 6) ток подзаряда нижней I_ст и верхней I_ст' секций ИН 5 при добротности системы Q = 20 определяется следующим выражением:
i_C= i esin ωt + sin (ωt - 240^°), (2) где U_ст≈ U ≈ 0,5 (2 U_тл+ U_ст) 1,51+ e/2 ≈ 5,85 U_тл максимальное напряжение заряда и подзаряда ДК 16, а максимальный ток подзаряда нижней I_ст и верхней I_ст' секций ИН 5 в каждом последующем периоде (i > 6) определяется при Q = 20 соотношением:
I_ст= I e(0,866 +0,866) = . (3) Максимальные приращения тока I_ст и I'_ст1 в нижней и верхней секциях ИН 5 замыкаются через блокирующий вентиль 15, уменьшаются в два раза до I_ст/2 = I_ст'/2 и по определенному ниже закону суммируются с предыдущим током i_з заряда индуктивного накопителя 5, который тоже по описанной выше цепи замыкается через блокирующий вентиль 15 и сохраняется практически неизменным до следующего приращения токов I_Lт, I_ст и U_ст', причем ток I_Lт подзаряда всего ИН 5 от линейного напряжения U₃₄ в любом периоде (от i = 1 до i = n_к = ft_зк, где t_зк - время заряда ИН 5 до максимального тока I_зт) неизменен.

Как следует из закона сохранения энергии и баланса энергии, в системе при заряде ИН 5 в установившемся режиме текущий ток i_з подзаряда ИН 5 от начального тока I_зо до тока i_з за время t_з определяется выражением
i_з≈ ≈ , (4) где k = I_зо/I_зт - относительный начальный ток заряда индуктивного накопителя 5, нормированный по максимальному току I_зт его заряда.

Как следует из выражения (4), максимальный ток заряда индуктивного накопителя 5 достигается в конце цикла его заряда за время t_зк и находится по выражению
i_зт≈ ≈ , (5) а в прототипе по авт.св. N 1677849 - по выражению I_зтпр ≈4,4 U / (ωL ) . Поэтому при одинаковых в сопоставляемых системах амплитуде линейного напряжения U_тл ТИПТ 1, частоте f и круговой частоте ω=2πf изменение напряжений ТИПТ 1, индуктивности L всего ИН 5, относительном начальном токе k = I_зо/I_зт заряда ИН 5 и максимальном токе I_зтпр = I_зт заряда индуктивного накопителя 5 отношение времен заряда ИН 5 в предложенной системе и в прототипе (индекс Пр) определяется при добротности системы Q=20 соотношением:
t_*зк= t_зк/t_зкпр ≈ + . (6) Например, для f = 50 Гц и t_зкпр = 4 с время заряда индуктивного накопителя 5 предложенной системы t_зк≈0,110 t_зкпр приблизительно в 9 раз меньше, чем в прототипе.

Выражения (4) - (6) получены при резонансном режиме заряда секций ИН 5 через ДК 16, а при отсутствии резонанса в системе они примут вид
i_з≈ 5,25 U/ωL , I_зт≈ 5,25 U_тл× /(ωL ) и t_*зк= t_зк/t_зкпр≈(4,4/5,25)²=0,700 соответственно.

Видно, что заряд секционированного ИН 5 в резонансном режиме осуществляется большим током и из-за этого время заряда индуктивного накопителя 5 сокращается.

Как следует из выражения (4), установившийся процесс заряда индуктивного накопителя 5 будет протекать в режиме неизменной средней за период потребляемой от трехфазного источника 1 переменного тока мощности.

Идеальный коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности, под которым, как принято, понимается отношение средней за период мощности Р_ср источника 1 типа трехфазного трансформатора к его максимальной мощности Р_т, составляет величину К_ин=Р_ср/Р_т ≈ К_иит (1-0,75/6) = 0,91˙0,875 = 0,795, где К_иит = 0,91 - идеальный коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности при симметричной нагрузке и равномерном использовании всех его трех фаз по мощности. Для сравнения у прототипа идеальный коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности в 1,31 раз меньше, чем в предложенной системе, и составляет К_питр≈ ≈К_пит(1-2/6)= 0,91 ˙0,667 = 0,607, что объясняется большей неравномерностью нагрузки фаз по мощности, в два раза меньшей, чем в предложенной системе, идеальным коэффициентом использования линий 2-3 и 4-2 ТИПТ 1 по мощности при заряде ДК, а также отсутствием наложения токов линий ТИПТ 1 при заряде секций ИН 5, что оптимальным образом осуществляется в предложенной системе.

Коэффициент мощности ТИПТ 1 χ≈ χ_m(1-0,75/6) = 0,854, где χ_m= 0,97-0,98 - максимальный коэффициент мощности ТИПТ 1 при симметричной нагрузке и равномерном использовании его фаз по мощности. Для сравнения в прототипе по тем же причинам коэффициент мощности ТИПТ 1 приблизительно в 1,3 раза меньше и составляет χ_пр≈χ_m (1-2/6) = 0,650.

При определении емкости С дозирующего конденсатора 16 по выражению (1) КПД заряда верхней или нижней секции индуктивного накопителя 5 определяется выведенным нами соотношением:
η_з≈ , (7) где τ_L= L/(R_ли+R_ин/2+R_в+R_к) - постоянная времени системы; k = I_зо/I_зт - относительный начальный ток заряда ИН 5; ω= 2πf; остальные обозначения такие же, как и в выражении (1). Например, для реальной добротности системы Q ≥20 КПД заряда нижней и верхней секций ИН 5 η_з≈0,99.

Для сравнения в прототипе КПД заряда ДК η_зепр≈ 0,98, КПД заряда верхней и нижней секций ИН 5 через ДК η_зLпр≈0,99 и общий КПД заряда ИН 5 η_зпр≈(η_зепр+η_зLпр)/2 = 0,985.

Практический коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности, под которым, как принято, понимается отношение средней зарядной мощности последующих (кроме первого) зарядов индуктивного накопителя 5 Р_зср=L(I_зт² - I_зо²)/(2t_зк) = LI_зт²(1-k²)/(2t_зк) к максимальной мощности Р_т трехфазного источника 1, определяется следующим очевидным выражением:
K_ип= = K_ипχη_з≈ 0,795˙0,854·0,99 = 0,674. (8) Для сравнения в прототипе практический коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности в 1,74 раз меньше и составляет К_иппр = (К_ин χη_з) _пр ≈ 0,607˙0,65˙0,985 = 0,388.

Максимальная установленная мощность трехфазного источника 1 переменного тока Р_т = Р_зср/К_ип тем меньше, чем больше практический коэффициент использования ТИПТ 1 по мощности К_ип и составляет Р_т = 1,48 Р_зср. Для сравнения в прототипе максимальная установленная мощность ТИПТ 1 в 1,74 раза больше и составляет при той же средней мощности заряда ИН Р_зcр величину Р_тпр=Р_зcр/К_иппр = =2,58 Р_зср.

Когда индуктивный накопитель 5 зарядится до заданного максимального тока I_зт, не показанный на чертеже блок управления системой замыкает управляемый замыкающий коммутатор 8, например типа тиристорного ключа или управляемого разрядника, и размыкает две пары контактов 14 и 14' управляемого размыкающего коммутатора (УРК).

В результате этого ИН 5 разряжается на импульсную нагрузку 9 током i_p, изменяющимся в процессе разряда от максимального I_ро = I_зт (в начале разряда) до конечного значения i_p = I_pк = I_зо (в конце разряда) за время τ_пи. Когда ток разряда ИН 5 достигает заданного конечного значения i_p = I_pк = I_зо, блок управления системой замыкает две пары контактов 14 и 14' УРК, оставшийся в индуктивном накопителе 5 ток I_рк = I_зо замыкается через блокирующий вентиль 15 и происходит следующий цикл заряда индуктивного накопителя 5 от начального I_зо до максимального I_зт тока и последующий его разряд на импульсную нагрузку 9. И так далее циклически с частотой f_пи = 1/(t_зк + τ_пи).

Так как трехфазный источник 1 переменного тока типа трехфазного трансформатора с удельной массой α_и является самым тяжелым агрегатом системы и его масса m_и, составляющая приблизительно 0,8-0,85 от массы m_пс системы, пропорциональна максимальной установленной мощности ТИПТ 1 m_и = α_иР_т =α_и 1,48 Р_зср в рассматриваемой системе с массой m_пс = =m_и/0,8 = α_и 1,48 Р_зср/0,8, а в прототипе m_ипр = α_и Р_тпр = α_и 2,58 Р_зсе с массой m_пр = = m_ипр(0,85 = α_и 2,58 Р_зср /0,85, то такие важнейшие удельные энергетические показатели предложенной системы, как удельная энергия W_ет = Е_пи /m_пс ≈ I_зт² (1 - k²) /(2 m_лс) и удельная мощность W_рт = Р_зср/m_пс LI_зт² (1-k²)/(2_tзкm_пс) будут в 1,65 раза лучше (больше), чем в прототипе W_Етпр = Е_пи/m_прLI_зт² (1-k²)/(2_mпр) и W_ртпр =Р_зср/m_пр=LI_зт²(1-k²)/(2t_зкпрm_пр) при одинаковых для сопоставления систем энергии импульса питания нагрузки 9 Е_пи и средней зарядной мощности индуктивного накопителя 5 Р_зср(W_Eт/W_Eтпр = W_рт/W_рт.пр = m_пр/m_пс = =(2,58˙0,8)/(1,48˙0,85)=1,65.

Следовательно, удельные энергетические показатели предложенной системы улучшаются по сравнению с базовой системой-прототипом в 1,65 раз путем уменьшения максимальной установленной мощности трехфазного источника 1 тока в 1,74 раза за счет уменьшения несимметрии фазовых токов ТИПТ 1, увеличения коэффициента мощности упомянутого источника 1 в 1,31 раза и увеличения практического коэффициента использования его по мощности в 1,74 раза, а время заряда индуктивного накопителя сокращается в 9 раз.

Использование: изобретение относится к импульсной технике и предназначено для питания импульсной нагрузки от разделенного на две разные секции индуктивного, преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного, накопителя энергии, заряжаемого от трехфазного источника тока (ТИПТ) через дозирующий конденсатор и четырехплечный выпрямительный мост в режиме неизменной мощности за много периодов изменения напряжения источника. Сущность изобретения: с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности ТИПТ за счет уменьшения несимметрии фазовых токов, увеличения коэффициента мощности упомянутого источника и коэффициента использования его по мощности, а также сокращения времени заряда индуктивного накопителя система содержит ТИПТ с тремя линейными выводами, индуктивный накопитель с двумя выводами и отводом от середины его обмотки, управляемый ключ, импульсную нагрузку, четыре вентиля, включенных по схеме однофазного четырехплечного выпрямительного моста, размыкающий коммутатор с двумя парами контактов и дозирующий конденсатор. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащая трехфазный источник переменного тока с тремя линейными выводами, индуктивный, преимущественно сверхпроводящий или криорезистивный, накопитель энергии с двумя выводами и отводом от середины его обмотки, к выводам которого через управляемый ключ подключена импульсная нагрузка, четыре вентиля, размыкающий коммутатор с двумя парами контактов, блокирующий вентиль, катод которого связан с катодом первого вентиля и через первую пару контактов размыкающего коммутатора - с первым выводом индуктивного накопителя, а анод - с анодом второго вентиля и через вторую пару контактов размыкающего коммутатора - с вторым выводом индуктивного накопителя, дозирующий конденсатор, отличающаяся тем, что, с целью улучщения ее удельных энергетических показателей путем уменьшения установленной мощности трехфазного источника переменного тока за счет уменьшения несимметрии фазовых токов, увеличения значения коэффициента мощности упомянутого источника и коэффициента использования его по мощности, а также сокращения времени заряда индуктивного накопителя, четыре вентиля включены по схеме однофазного четырехплечего выпрямительного моста, при этом анод первого вентиля соединен с третьим выводом трехфазного источника переменного тока и с катодом четвертого вентиля, анод которого связан с анодом второго вентиля, подключенного катодом к второму выводу трехфазного источника переменного тока и аноду третьего вентиля, связанного катодом с катодом первого вентиля, причем первый вывод трехфазного источника переменного тока через дозирующий конденсатор подключен к отводу от середины обмотки индуктивного накопителя. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что емкость C дозирующего конденсатора определяется выражением

где L - индуктивность индуктивного накопителя между его первым и вторым выводами;
f - частота изменения напряжений трехфазного источника;
- добротность системы при заряде полуобмоток (секций) индуктивного накопителя через дозирующий конденсатор;
R_ли - внутренне активное линейное сопротивление трехфазного источника переменного тока;
R_ин - активное сопротивление индуктивного накопителя между его первым и вторым выводами;
R_в - среднее значение сопротивления одного вентиля выпрямительного моста в проводящем направлении;
R_к - активное сопротивление замкнутой пары контактов размыкающего коммутатора.