СПОСОБ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H01J45/00 H02M7/06 

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике и может найти применение в сильноточных низковольтных выпрямителях переменного тока.

Известен способ выпрямления переменного напряжения путем подачи ее на преобразователь напряжения в виде полупроводникового диода (см. Г. Хениш. - Полупроводниковые выпрямители. - М.: Иностранная литература, 1951, с. 45).

Недостатком этого способа выпрямления переменного напряжения является наличие прямого падения напряжения в полупроводниковом диоде при прохождении тока в пропускном направлении, что обусловлено энергозатратами на обеспечение проводимости в p-n переходе.

Наиболее близким к заявляемому способу выпрямления переменного напряжения по числу общих существенных признаков является способ выпрямления, включающий подачу переменного напряжения на газоразрядный электрический вентиль с подогреваемым катодом и снятие с вентиля выпрямленного напряжения. Катод такого вентиля изготавливают из материала, имеющего работу выхода электрона по величине, меньшую работу выхода электрона из материала анода. С этой целью катод покрывают слоем щелочно-земельных окислов или используют тарированный катод (см. Вологдин В.П. - Выпрямители. - М.-Л.:ОНТИ НКТП СССР, 1936, с. 98-102).

Недостатком известного способа выпрямления переменного напряжения-прототипа является возникновение прямого падения напряжения величиной dU при прохождении тока в пропускном направлении, вызванного энергозатратами на обеспечение проводимости между электродами вентиля. Это прямое падение напряжения составляет, например, для газотронов величину порядка 10-15 В, для полупроводниковых приборов: от 3 - 4 В для вентиля из карбида кремния до 0,5 - 1,0 В для германиевых вентилей. Оно уменьшает коэффициент полезного действия преобразования на величину примерно dU/U, где U - среднеквадратичное выпрямляемое напряжение.

Задачей изобретения является создание такого способа выпрямления переменного напряжения, который бы обеспечил повышение коэффициента полезного действия при преобразовании переменного напряжения в постоянное.

Указанная задача решается тем, что в способе выпрямления переменного напряжения, включающем подачу переменного напряжения на электрический вентиль с подогреваемым катодом и снятия с вентиля выпрямленного напряжения упомянутое напряжение подают на термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую (ТЭП) с катодом и анодом, выполненными из материалов с работами выхода электрода, удовлетворяющими соотношению:
E_к > E_а,
где
E_к - работа выхода электрона материала поверхности катода, Дж;
E_а - работа выхода электрона материала поверхности анода, Дж;
при этом ток эмиссии анода I_А и ток эмиссии катода I_к выбирают из соотношения:
I_a < U₀/R_н < I_к,
где
I_а= S_а•A•T2a

•exp(-E_a/k•T_a), A;
I_к= S_к•A•T2к•exp(-E_к/k•T_к), A;
S_а - площадь эмиттирующей поверхности анода, м²;
S_к - площадь эмиттирующей поверхности катода, м²;
U₀ - амплитудное значение выпрямляемого переменного напряжения, В;
R_Н - сопротивление нагрузки, Ом;
A - постоянная Ричардсона, А/К², м²;
T_а - температура анода, K;
T_к - температура катода, K;
k - постоянная Больцмана, Дж/К.

Термоэмиссионный преобразователь может быть как вакуумный, так и наполненный парами металлов, газами или их смесью, например наполненный парами цезия, или смесью паров цезия и бария.

При таком выполнении способа выпрямления при подаче переменного напряжения на ТЭП за счет разности температур и контактной разности потенциалов между катодом и анодом происходит преобразование подводимой извне тепловой энергии в электрическую и одновременно осуществляется выпрямление переменного напряжения. При этом практически отсутствует прямое падение напряжения при прохождении тока в пропускном направлении, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия выпрямления. Рассмотрим подробнее процессы, которые происходят в заявляемом способе. При подведении к катоду ТЭП тепловой энергии от внешнего источника и охлаждении анода эта энергия Q_к будет затрачиваться (за вычетом потерь Q_п на излучение, теплопроводность по выводам и т.д.) на испарение электронного газа:
;
При конденсации электронного газа на аноде выделяется тепловая энергия Q_а:
.

Тепловая энергия, равная Q_к и Q_а за вычетом потерь преобразуется в электрическую и выделяется на нагрузке:
.

Таким образом, при условии E_к > E_а ТЭП будет генерировать в оптимальном режиме во внешнюю цепь электродвижущую силу (ЭДС) E₀, прямо пропорциональную разности работ выхода электрона материалов поверхности катода E_к и анода E_а : E₀ = (E_к - E_а)/q. При условии E_к < E_а будет осуществлять режим работы обычного электрического вентиля без генерации ЭДС.

При подаче переменного внешнего (например, синусоидального) напряжения на нагрузку R_н через ТЭП напряжение U_н на нагрузке R_н будет равно сумме сторонней (выпрямляемой) ЭДС U_в = U₀•sin(wt + a) и ЭДС, генерируемой ТЭП:
U_н = I_н • R_н = E₀ + U₀ • sin(wt + a), (6)
где
w - угловая частота, 1/с;
t - время, с;
a - начальная фаза.

На нагрузке R_н будет выделяться вся мощность, генерируемая как источником выпрямляемого напряжения, так и ТЭП. Выпрямление переменного напряжения будет происходить при нулевом прямом падении напряжения на ТЭП, когда U_н достигнет нуля, т.е. когда /U₀ • sin(wt + a)/ = E₀. В этом момент времени обратится в нуль ток в нагрузке R_н и ток, протекающий через ТЭП. Поскольку ТЭП как вентиль имеет нулевое прямое падение напряжения и вдобавок генерирует напряжение E₀, то возрастает коэффициент полезного действия при преобразовании переменного тока в постоянный. В реальных условиях работы ТЭП будет иметь место незначительное падение напряжения на нагрузке в обратном напряжении U_обр из-за наличия обратного тока I_обр = I_а, обусловленного эмиссией электронов с анода.

Следует отметить, что этот результат будет достигнут при соотношениях токов, удовлетворяющих соотношению (2). Если не выполняется условие I_к > U₀/R_н, то в положительный полупериод произойдет ограничение тока в ТЭП и в нагрузке на уровне I_к = I_н. Избыточное выпрямляемое напряжение источника будет падать при этом на межэлектродном промежутке ТЭП и там же будет выделяться соответствующая мощность I_к • (U_ст - I_к•R_н + E₀), а не на нагрузке, что приведет к уменьшению коэффициента полезного действия преобразования и будет технически не выгодно. При I_а > U₀/R_н эффекта выпрямления не будет вообще.

В дуговом режиме ТЭП ионы, компенсирующие объемный заряд электронов, создаются за счет ступенчатой ионизации атомов цезия электронами разрядной плазмы в объеме межэлектродного промежутка. На ионизацию и протягивание иона затрачивается часть контактной разности потенциалов катод-анод (V₀), поэтому дуговая ветвь ВАХ оказывается смещенной в область меньших выходных напряжений на эту величину (в оптимальных условиях V_о примерно равно 0,5 В). Вследствие этого обстоятельства КПД n преобразования при использовании дугового ТЭП в оптимальном режиме оказывается несколько меньше, чем при использовании вакуумного ТЭП с малым межэлектродным расстоянием, а также кнудсеновского ТЭП с поверхностной ионизацией. Однако возможность за счет объемной ионизации снимать большие токи и мощности при технологически легко достижимых межэлектродных промежутках (0,2-0,5) мм обусловило широкое применение дуговых ТЭП.

На фиг. 1 приведена однополупериодная схема выпрямления тока; на фиг. 2 - 1 - вольтамперная характеристика (ВАХ) идеализированного ТЭП (отсутствует рассеяние электронов и влияние их объемного заряда, I_а = 0), точка 1 - оптимальная рабочая точка ТЭП; 2 - ВАХ ТЭП при I_а < I_к; на фиг. 3 - временная зависимость величины напряжения на нагрузке R_н; на фиг. 4 - временная зависимость величины тока I_н через нагрузку R_н.

Заявляемый способ выпрямления переменного напряжения осуществляют следующим образом. При подаче переменного напряжения, например синусоидального U_в = U₀ • sin(wt + a), на нагрузку R_н через ТЭП в момент времени t = 0 (U_в = 0, a = 0) ток через нагрузку I_н будет определяться ЭДС ТЭП E': I_н = E'/R_н, при этом "рабочая точка" ТЭП и величина E' (смотри фиг. 2) будут определяться пересечением ВАХ ТЭП с нагрузочной прямой R = R_н (так как генерируемая ТЭП ЭДС E' обычно меньше 1В, а выпрямляемое напряжение U_в составляет несколько Вольт, то с достаточной степенью точности можно принять, что E' примерно равно E₀ = (E_к - E_а)/q, соответственно ток нагрузки I_н = E₀/R_н. При увеличении внешнего выпрямляемого напряжения U_в в положительной по отношению к аноду ТЭП полярности напряжение на нагрузке будет равно сумме ЭДС ТЭП и выпрямляемого внешнего напряжения U_в:
U_н = E₀ + U₀•sin wt; (8)
а ток
I_н = U_н/R_н = E₀/R_н + U₀/R_н•sin wt. (9)
При увеличении внешнего напряжения U_в в отрицательном направлении U_н достигнет нуля при /U₀•sin wt/ = E₀, в этот момент обратится в нуль ток I_н и через ТЭП. При дальнейшем росте U_в в отрицательном направлении U_н достигнет величины:
U_н = U_обр = I_обр • R_н
В дальнейшем при возрастании U_в в положительном направлении U_н и I_н вновь станут равными нулю, когда /U₀•sin wt/ = E₀, а затем к окончанию периода достигнут соответственно величин E₀ и E₀/R_н. Далее весь цикл будет повторяться.

Рассмотрим возможные варианты реализации заявляемого способа выпрямления переменного напряжения. Наиболее подходящим для использования в заявляемом способе является ТЭП, предназначенный для высокотемпературной надстройки к обычным паросиловым электрогенераторам и рассчитанный на нагрев катода до температуры T_к = (1400-1500)K пламенем при сжигании обычных топлив (газ, нефть, уголь). Для обеспечения эффективности преобразования в основной ступени температура анода T_а составляет примерно 800K. В парах цезия при давлениях от 10² до 10³ Па обычные тугоплавкие металлы обеспечивают эмиссию до 10⁵ А/м² при указанной выше T_к. Работа выхода электрона с анода E_а при T_а = 800K может быть получена равной (1,3-1,4) эВ за счет ввода кислорода. При таких параметрах ТЭП (T_к = 1450K; T_а = 800K; E_к = 2,2 эВ; E_а = 1,4 эВ; I_к = 5•10⁴ А/м²) и при межэлектродном расстоянии около 5 мкм (расстояния такого порядка реализованы в демонстрационных образцах ТЭП) возможно снятие с анода тока порядка 0,8•I_к с затратой напряжения около 0,18 В из полной контактной разности 0,8 В. Это обеспечивает генерацию мощности W₀ = 2,5•10⁴ Вт/м₂. Термоэмиссионное охлаждение катода будет при этом составлять (2,2 + 0,25)•4 = 9,8•10⁴ Вт. Перенос тепла излучением на анод (при приведенном коэффициенте лучеиспускания , где e_а и e_к - соответственно коэффициенты лучеиспускания анода и катода, равные примерно 0,3, что соответствует, например, молибдену) составит 4,3•10⁴ Вт/м². Перенос тепла парами цезия при давлении 10 Па составит 0,18•10⁴ Вт/м²; тепловые утечки с электрического вывода катода (при градиенте температур 500K, средний температуре катода и вывода 1000K и потере напряжения на выводе 0,02 В) составят 2•10⁴ Вт/м².

Поскольку ТЭП как вентиль имеет нулевое прямое падение напряжения и к тому же генерирует напряжение около 0,6 В, то для обеспечения выпрямленного напряжения 6 В необходимо на ТЭП подать среднеквадратичное переменное напряжение 5,4 В, а для получения выпрямленного напряжения 12 В - 11,4 В. При этом мощность, генерируемая ТЭП на нагрузке, будет поступать только один полупериод и вследствие изменения тока по синусоидальному закону (смотри фиг. 4) составит около 0,32•W₀. С учетом обстоятельства термоэмиссионное охлаждение катода уменьшится до 3,1•10⁴ Вт/м². Полная тепловая мощность, подводимая к катоду, должна составлять 9,1•10⁴ Вт/м². Из этой мощности 0,8•10⁴ Вт/м² (примерно 9%) преобразуется в электроэнергию, а 6,3•10⁴ Вт/м² (69%) выделяется на аноде. Генерация в рассмотренном выше примере 0,8•10⁴ Вт/м² вырабатываемой ТЭП электроэнергии эквивалентна тепловой мощности 2,7•10⁴ Вт/м². Так как эта электроэнергия генерируется за счет тех же 0,8•10⁴ Вт/м² тепловой энергии (остальная энергия, как показано выше, может быть использована без снижения эффективности использования), то генерация электроэнергии ТЭП означает экономию 1,9•10⁴ Вт/м² тепловой энергии. Учитывая, что потери на теплопроводность электрического вывода в приведенном примере составляют практически ту же величину (2•10⁴ Вт/м²), то генерация напряжения ТЭП компенсирует потери на теплопроводность. В этом случае эффективный КПД всего процесса выпрямления определяется лишь потерями в подводящих проводах и т.д., которые можно принять такими же, как и в известных способах выпрямления, т.е. 2% (что составит около 0,5•10⁴ Вт/м²). Необходимо также учесть потери на обратный ток в ТЭП. При T_а = 750K и E_а = 1,4 эВ обратный ток составит около 0,05•10⁴ Вт/м², а потеря мощности составит 0,25•10⁴ Вт/м², т.е. 1% общей мощности. В итоге эффективный КПД преобразования будет равен 97%. Если будут утилизированы тепловые утечки с катода (1,9•10⁴ Вт/м²), то это позволит компенсировать часть остальных потерь. В пересчете на электроэнергию эта компенсация составит примерно 0,57•10⁴ Вт/м². В итоге общие потери составят:
(0,5 + 0,25 - 0,57)•10⁴ Вт/м² = 0,18•10⁴ Вт/м²,
а эффективный КПД преобразования составит 99%, т.е. выпрямление осуществляется практически без потерь.

Утилизация тепла, отводимого от охлаждаемых водой вентилей, в известных способах преобразования также может несколько поднять их КПД, однако из-за того, что это тепло выделяется за счет потерь электроэнергии даже при полной его утилизации будет использовано лишь 30% израсходованной на получение электроэнергии первоначальной тепловой энергии. Таким образом, эффективный КПД известного способа (для U = 6 В, dU = 1 В) увеличится с 83 всего лишь до 87,5%.

Даже без использования отработанного тепла с анода эффективный КПД заявляемого способа будет выше, чем у известного способа. Для рассмотренного примера, когда к катоду подводится 9,1•10⁴ Вт/м² тепловой мощности, а преобразуется в электроэнергию 0,8•10⁴ Вт/м², эффективные потери составят: (9,1-0,8/0,3)•10⁴ = 6,4•10⁴ Вт/м². В пересчете на электроэнергию это равно 2,1•10⁴ Вт/м². В результате для выпрямленного напряжения 6 В эффективный КПД составит 86,5%, а для выпрямленного напряжения 12 В - 94%.

Заявляемый способ выпрямления переменного напряжения был реализован на лабораторном макете ТЭП, работавшем в дуговом режиме. Рабочая площадь электродов ТЭП составляла: S_к = S_а = 0,78•10⁴ м², межэлектродное расстояние d = 0,5•10^-3 м. В рабочем объеме ТЭП присутствовал в небольшом количестве кислород, что повышало эмиссию катода и снижало работу выхода анода. Выпрямляемое напряжение составляло U = 5 В (U₀ = 7,0 В). Перед подачей выпрямляемого напряжения ТЭП вводили в рабочий режим. Для этого его катод разогревали до температуры T_к = 1350K, при этом сам макет ТЭП нагревался до температуры примерно 700K за исключением резервуара с жидким цезием, охлаждаемого продувкой сжатого воздуха. Температуру резервуара с цезием устанавливали равной 546K, что соответствует давлению его паров P_ц = 130 Па, и поддерживали на этом уровне с точностью 0,5K специальным стабилизатором. Далее температуру катода повышали до T_к = 1550K, при которой ток эмиссии катода оказывался на 30% больше максимального тока в нагрузке. Температуру анода при этом поддерживали на уровне 750K регулировкой скорости продувки сжатого воздуха, охлаждающего анод. После установки рабочего режима ТЭП выпрямляемое напряжение подавали на нагрузку. Без утилизации тепла эффективный КПД преобразования составил примерно 85%, а при условии утилизации тепла - 98%.

Сущность: способ выпрямления переменного напряжения относится к электротехнике и электроэнергетике и может найти применение в сильноточных низковольтных выпрямителях переменного тока. Способ включает подачу переменного напряжения на термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом ток эмиссии катода и ток эмиссии анода выбирают из определенного соотношения. 4 ил.

Способ выпрямления переменного напряжения путем подачи его через электрический вентиль с подогреваемым катодом на нагрузку и выделения на ней выпрямленного напряжения, отличающийся тем, что упомянутое напряжение подают через термоэмиссионный преобразователь тепловой энергии в электрическую, при этом ток эмиссии анода I_а и ток эмиссии катода I_а выбирают из соотношения
I_а<U₀/R_н<I_к,
где
I_a= S_a•A•T2a

exp(-E_a/kT_a), A;
I_к= S_к•A•T2кexp(-E_к/kT_к), A;
S_а - площадь эмиттирующей поверхности анода, м²;
S_к - площадь эмиттирующей поверхности катода, м²;
U₀ - амплитудное значение выпрямляемого переменного напряжения, B;
R_н - сопротивление нагрузки, Ом;
A - постоянная Ричардсона, A/K²•м²;
T_а - температура поверхности анода, K;
T_к - температура поверхности катода, K;
E_а - работа выхода электрона материала анода, Дж;
E_к - работа выхода электрона материала катода, Дж;
k - постоянная Больцмана, Дж/К.