Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для питания импульсной нагрузки от разделенного на две равные части индуктивного, преимущественно сверхпроводящего или криорезистивного, накопителя (СПИН или КРИН) энергии, заряжаемого от источника переменного напряжения через выпрямитель и дозирующий конденсатор (ДК), в режиме неизменной мощности за много периодов изменения напряжения источника.
Цель изобретения улучшение удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника переменного напряжения за счет увеличения коэффициента его использования по мощности и увеличение КПД системы, что дополнительно уменьшает расход топлива для работы энергетической установки с упомянутым источником и мощность потерь энергии в системе, а значит и массу ее подсистемы охлаждения.
На чертеже изображена схема предлагаемой системы.
Система содержит первый коммутатор 1, включенный между анодом первого диода 2 и первым выводом индуктивного накопителя (ИН) 3, второй коммутатор 4, включенный между катодом первого диода 2 и вторым выводом ИН 3, первый и второй выводы которого соединены с нагрузкой 5, источник 6 переменного напряжения, первый вывод которого соединен с анодом второго диода 7 и катодом третьего диода 8, катод второго диода 7 соединен с катодом первого диода 2, анод третьего диода 8 с анодом первого диода 2, а катод четвертого диода 9 с анодом пятого диода 10, конденсатор 11, включенный между средним выводом ИН 3 и вторым выводом источника 6 переменного напряжения, первый вывод которого соединен с катодом четвертого диода 9, анод которого соединен с анодом третьего диода 8, а катод пятого диода 10 с катодом второго диода 7.
Система работает следующим образом.
Система работоспособна и обеспечивает заряд ИН 3 в режиме неизменной средней за период изменения напряжения источника 6 его мощности при резонансной собственной частоте f системы, равной частоте fн изменения напряжения источника 6 (f fн), и при собственной частоте f системы, равной удвоенной частоте fн источника 6 переменного напряжения (f2fн). Однако работа системы проще описывается при f 2fн. Поэтому при описании работы системы и доказательстве ее технико-экономических преимуществ принимаем условие равенства собственной частоты f системы частоте fн изменения напряжения источника 6, при котором емкость дозирующего конденсатора (ДК) 11 при полной индуктивности всего ИН 3 L рассчитывается по выражению
С (1)
где Q - добротность системы при заряде нижней или верхней секции ИН 3 через ДК 11;
r Rои + Rвп + Rк + Rш + Rин/2 активное сопротивление системы при заряде секций ИН 3 через ДК 11;
Rои внутреннее сопротивление источника 6 на его выходе;
Rвп среднее сопротивление двух параллельно включенных диодов 7 и 10 или 8 и 9 в проводящем направлении;
Rк сопротивление замкнутых контактов коммутатора 1 или 4;
Rш активное сопротивление токопроводящих шин;
Rин полное активное сопротивление всего индуктивного накопителя 3 (для СПИН Rин ≈0, а для КРИН Rин L/πLl где πLl= 50-70 с постоянная времени для тороидального КРИН 3 с обмоткой из сверхчистого алюминия, охлаждаемой жидким или кипящим водородом при 20,3 К при этом заряд ИН 3 начинается от начального тока Iзо, оставшегося в нем после его предыдущего разряда.
Система работает следующим образом.
При выполнении соотношения (1) в ИН 3 начального тока Iзо и положительном полупериоде изменения напряжения источника 6, когда потенциал его первого вывода выше потенциала второго вывода, происходит подзаряд верхней секции, ИН 3 через дозирующий конденсатор 11 по цепи: источник 6 диоды 7 и 10 коммутатор 4 верхняя секция ИН 3 ДК 11 источник 6 током i Um(sin ωнt)/r, который достигает своего максимального значения Im Um/r через половину этого полупериода. Этот максимальный ток Im по определенному ниже закону суммируется с начальным током Iзо заряда ИН 3 и полученный ток заряда в оставшуюся часть положительного полупериода замыкается через первый диод 2 со сравнительно малым сопротивлением ≅1 мОм и сохраняется практически неизменным до следующего отрицательного полупериода изменения напряжения источника 6, при этом суммарный ток верхней емкости ИН 3 замыкается через диод по цепи: верхняя секция ИН 3 нижняя секция ИН 3 коммутатор 1 диод 2 коммутатор 4 верхняя секция ИН 3.
При отрицательном полупериоде изменения напряжения источника, когда потенциал его второго вывода выше потенциала первого вывода, происходит подзаряд нижней секции ИН 3 через ДК 11 по цепи: источник 6 ДК 11 нижняя секция ИН 3 коммутатор 1 диоды 8 и 9 источник 6, током i который достигает своего максимального значения Im через половину отрицательного полупериода и по определенному закону суммируется с предыдущим током iз' подзаряда ИН 3. Полученный в результате этого суммирования ток подзаряда нижней секции ИН 3 в оставшуюся часть отрицательного полупериода замыкается через диод по цепи: нижняя секция ИН 3 коммутатор 1 диод 2 коммутатор 4 верхняя секция ИН 3 нижняя секция ИН 3 и сохраняется практически неизменным до следующего положительного полупериода изменения напряжения источника 6.
В последующие положительный и отрицательный полупериоды изменения напряжения источника 6 описанным выше путем происходит дальнейший подзаряд верхней и нижней секций ИН 3. И так далее, циклически каждый последующий период изменения напряжения источника 6. Как следует из закона сохранения энергии и баланса энергии, в системе текущий ток подзаряда индуктивного накопителя от начального тока Iзо до тока iз за время tз определяется выражением
iз I/, (2) где fнtз текущее число периодов изменения напряжения источника 6 за время tз;
k Iзо/Iзm относительный начальный ток заряда ИН 3, нормированный по максимальному току Iзm его заряда.
Как следует из выражения (2) максимальный ток Iзm заряда СПИН или КРИН 3 достигается в конце его заряда за время tз tзk и находится по выражению
Iзм=I /=U /.
Идеальный коэффициент использования источника 6 по мощности, под которым понимается отношение средней мощности Рср источника 6 к его максимальной мощности Рm, равен средней относительной мощности R*сристочника Кинm Pcp/Pm P*cp≈ 2 / π≈0,637 для источника 6 переменного напряжения прямоугольной формы и Кинm Р*ср 0,5 для источника 6 переменного напряжения синусоидальной формы.
КПД заряда индуктивного накопителя 3 определяется следующим выведенным выражением:
ηз= 1/[1 + π(1 k2)/(τLωн)] (3) где τL/r постоянная времени системы при заряде СПИН или КРИH 3;
ωн= 2πfн круговая частота изменения напряжения источника 6.
Практический коэффициент использования источника 6 по мощности, под которым понимается отношение средней мощности последующих зарядов индуктивного накопителя
Рзср L(Iзm2 Iзо2)/(2tзk)
LIзm2(1 k2)/2tзk ≈Епи/tзk к максимальной мощности источника, определяется следующим очевидным выражением:
Кинm Рср/Рm Кипm ηз. (4)
Здесь Епи энергия импульса питания нагрузки 5.
Максимальная установленная мощность источника 6 переменного напряжения Рmн Рзср/Кипm тем меньше, чем больше практический коэффициент Кипm использования источника 6 по мощности.
Потери мощности в системе определяются следующим очевидным выражением: ΔРсп Рзср(1 -ηз)ηз и тем меньше, чем больше КПД ηзсистемы.
Когда индуктивный накопитель 3 заряжается до заданного максимального тока Iзm блок управления системой открывает управляемый ключ (если он есть в системе), и размыкает контакты коммутаторов 1 и 4. В результате этого ИН 3 разряжается на импульсную нагрузку 5 током iр, изменяющимся в процессе разряда от максимального Iро Iзm до конечного Iр Ipk. Когда ток разряда ИН 3 достигает заданного конечного значения ip Ipk Iзо, блок управления системой замыкает контакты коммутаторов 1 и 4, оставшийся в индуктивном накопителе ток Ipk Iзо замыкается через первый диодный вентиль и происходит следующий цикл заряда ИН 3 от начального (Iзо) до максимального (Iзm) тока, а затем его разряд на импульсную нагрузку. И так далее циклически с частотой fпи 1/(tзk + tпи), где tпи время разряда ИН 3 на импульсную нагрузку 5.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СИСТЕМА ПИТАНИЯ МОЩНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ | 1990 |
|
RU2030099C1 |
СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ | 1992 |
|
RU2031540C1 |
СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ | 1991 |
|
RU2030101C1 |
СИСТЕМА ЗАРЯДА ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ | 1990 |
|
RU2032983C1 |
СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ | 1990 |
|
RU2030100C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ | 1992 |
|
RU2031541C1 |
Система питания импульсной нагрузки | 1989 |
|
SU1677849A1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ | 1992 |
|
RU2010420C1 |
СИСТЕМА ДЛЯ ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ | 1992 |
|
RU2021643C1 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ | 1992 |
|
RU2032985C1 |
Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано, например, для питания индуктивного накопителя энергии. Цель изобретения - улучшение удельных энергетических показателей системы при одновременном увеличении КПД. Система питания содержит диоды 2,7,8,9 и 10, индуктивный накопитель 3, коммутаторы 1 и 4, источник 6 переменного напряжения, нагрузку 5. 1 ил.
СИСТЕМА ПИТАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ ОТ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ, содержащая первый коммутатор, включенный между анодом первого диода и первым выводом индуктивного накопителя, второй коммутатор, включенный между катодом первого диода и вторым выводом индуктивного накопителя, первый и второй выводы которого соединены с нагрузкой, источник переменного напряжения, первый вывод которого соединен с анодом второго и катодом третьего диодов, катод второго диода соединен с катодом первого диода, анод третьего диода соединен с анодом первого диода, катод четвертого диода соединен с анодом пятого диода, конденсатор, отличающаяся тем, что, с целью улучшения удельных энергетических показателей системы путем уменьшения установленной мощности источника переменного напряжения, конденсатор включен между средним выводом индуктивного накопителя и вторым выводом источника переменного напряжения, первый вывод которого соединен с катодом четвертого диода, анод которого соединен с анодом третьего диода, а катод пятого диода соединен с катодом второго диода.
Система питания импульсной нагрузки | 1989 |
|
SU1677849A1 |
Переносная печь для варки пищи и отопления в окопах, походных помещениях и т.п. | 1921 |
|
SU3A1 |
Авторы
Даты
1995-04-10—Публикация
1990-05-17—Подача