СПОСОБ БЕЗДУГОВОГО ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ТОКА НАКАЧКИ ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ НА НАГРУЗКУ Российский патент 1999 года по МПК H02J15/00 H02J3/28 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в мощных импульсных источниках энергии с индуктивными накопителями.

Развитие исследований в области управляемого термоядерного синтеза привело к необходимости создания импульсных источников, способных генерировать импульсы с энергозапасом 10⁷-10⁸ Дж при мощности 10¹⁰-10¹² Вт. Главной и наиболее трудной проблемой при практическом осуществлении мощных импульсных источников энергии с индуктивными накопителями является создание мощной размыкающей коммутационной аппаратуры.

В настоящее время принято (см. Импульсные источники энергии на основе индуктивных накопителей, В. А. Глухих и др., Препринт Б-0299, НИИЭФА, Л., 1976 г. ) условное деление основных способов коммутации (переключения тока накачки индуктивных накопителей энергии на нагрузку) на две группы: дуговую коммутацию, сопровождающуюся возникновением дуги в контактном промежутке и с последующим ее гашением; и бездуговую коммутацию, когда в процессе коммутации созданы условия, исключающие возможность возникновения дугового разряда.

Из предшествующего уровня техники известен способ бездугового переключения тока накачки индуктивных носителей энергии на нагрузку (см. М.Н. Быстров и др. Термические нелинейные сопротивления в системах вывода энергии из индуктивных накопителей. Индуктивные накопители энергии и коммутационная аппаратура для термоядерных установок, в книге "Доклады советских специалистов на совместном семинаре СССР-США, Л. изд. НИИЭФА, 1974 г., доклад N 5), при котором формируют импульс тока в нагрузочной цепи путем быстрого увеличения сопротивления в коммутируемом участке цепи, включенном параллельно нагрузочной цепи.

Для высокоэффективной передачи энергии из накопителя в нагрузку омическое сопротивление коммутируемого участка цепи должно быть много меньше омического сопротивления нагрузочной цепи при накоплении энергии и много больше - при выводе энергии. Иными словами, кратность изменения сопротивления в коммутируемом участке цепи должна быть не менее 10⁴.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокоэффективной передачи энергии из индуктивного накопителя в нагрузку, так как при использовании неразрушаемых термических сопротивлений достигнутая кратность изменения сопротивления составляет не более 10² при изменении температуры от 77 до 1000 К, что существенно ниже требуемой. Дальнейшее изменение температурного диапазона в сторону его увеличения приведет к существенному усложнению средств для осуществления известного способа.

Известен также способ бездугового переключения тока накачки индуктивных накопителей энергии на нагрузку (см. авторское свидетельство СССР N 460585, кл. H 01 H 77/10, 1975 г.), взятый в качестве прототипа. Согласно известному способу формируют импульс тока в нагрузочной цепи путем увеличения собственной индуктивности коммутируемого участка цепи, включенного параллельно нагрузочной цепи, со скоростью, превышающей сопротивление нагрузочной цепи. При реализации известного способа используется свойство системы, обладающей индуктивностью, изменять свои геометрические размеры под действием электродинамических сил.

Недостаток известного способа заключается в том, что он не обеспечивает высокоэффективной передачи энергии из индуктивного накопителя, поскольку время переключения достаточно большое, порядка единиц миллисекунд.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ бездугового переключения тока накачки индуктивных накопителей энергии на нагрузку, обеспечивающего высокоэффективную передачу энергии из накопителя в нагрузку за счет уменьшения времени переключения тока накачки накопителя энергии на нагрузку до (1-5)•10^-6 с при кратности изменения собственной индуктивности коммутируемого участка цепи не менее 10⁴.

Поставленная задача решена тем, что в способе бездугового переключения тока накачки индуктивного накопителя энергии на нагрузку, при котором формируют импульс тока в нагрузочной цепи путем изменения величины индуктивного сопротивления коммутируемого участка цепи, включенного параллельно нагрузочной цепи, со скоростью, превышающей сопротивление нагрузочной цепи, согласно изобретению включают в коммутируемый участок цепи первичную обмотку двухобмоточного трансформатора с сердечником, выполненным из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, а перед пропусканием через первичную обмотку трансформатора тока накачки индуктивного накопителя энергии осуществляют насыщение сердечника трансформатора путем пропускания по его вторичной обмотке, включенной встречно первичной, постоянного тока от дополнительного источника, при этом величину тока во вторичной обмотке, имеющей меньшее число витков, устанавливают такой, чтобы после пропускания по первичной обмотке трансформатора тока накачки индуктивного накопителя энергии сохранилось состояние насыщения сердечника, а изменение величины индуктивного сопротивления коммутируемого участка цепи осуществляют путем отключения дополнительного источника.

Преимущество предложенного способа перед известным заключается в том, что даже при использовании в цепи вторичной обмотки трансформатора с сердечником из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания обычных контактных размыкателей с временем коммутации 10^-3 - 10^-4 с увеличение эффективности передачи энергии от индуктивного накопителя в нагрузку обеспечивается за счет не ступенчатого, а импульсного изменения величины индуктивного сопротивления коммутируемого участка цепи. Действительно, при размыкании цепи вторичной обмотки трансформатора за счет тока накачки происходит перемагничивание сердечника трансформатора (переход его из насыщенного состояния с индукцией магнитного поля, равной B_о, в насыщенное состояние с индукцией магнитного поля -B_о). В процессе перемагничивания сердечника индуктивность первичной обмотки сначала скачкообразно увеличивается в μ_D/μ_н ≃ 10⁴ раз, где μ_D = 10⁵ - динамическая магнитная проницаемость материала сердечника в ненасыщенном состоянии, а μ_н = 2-7 -магнитная проницаемость сердечника в насыщенном состоянии. Затем (в результате повторного насыщения сердечника) μ также быстро уменьшается до прежней величины (μ_н). Таким образом, индуктивное сопротивление коммутируемого участка цепи за время перемагничивания сердечника, равное примерно (1-5)•10^-6 с, изменяется по закону, близкому по форме к прямоугольному импульсу, при этом длительность импульса меньше или равна времени перехода сердечника из одного насыщенного состояния в другое. Таким образом, уменьшение времени переключения тока накачки индуктивного накопителя энергии на нагрузку приводит к повышению эффективности передачи энергии.

В дальнейшем настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения ожидаемого технического результата приведенной в формуле изобретения совокупностью существенных признаков.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства для осуществления предложенного способа; на фиг. 2 - то же, но с несколькими индуктивными накопителями энергии.

Устройство для осуществления способа бездугового переключения тока накачки индуктивного накопителя энергии на нагрузку (фиг. 1) содержит источник 1 питания, индуктивный накопитель 2 энергии, трансформатор 3 с сердечником из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, а также первичной 4 и вторичной 5 обмотками, включенными встречно. Кроме того, устройство содержит дополнительный источник 6 питания, размыкатель 7, нагрузку 8 и разрядник 9. В предпочтительном варианте используется импульсный источник питания.

К незаземленному выводу источника 1 питания подключены последовательно соединенные индуктивный накопитель 2 энергии и первичная обмотка 4 трансформатора 3, второй вывод которой заземлен. Незаземленный вывод дополнительного источника 6 питания через размыкатель 7 соединен со вторичной обмоткой 5 трансформатора 3, второй вывод которой заземлен. Параллельно первичной обмотке 4 трансформатора 3 через разрядник 9 подключена нагрузка 8.

На фиг. 2 используются следующие обозначения: 1 - источник питания, 2', 2'', . . . , 2^N - индуктивные накопители энергии; 3', 3'', ..., 3^N - трансформаторы с сердечником из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, 4', 4'', ..., 4^N - первичные и 5', 5'', ..., 5^N - вторичные обмотки соответствующих трансформаторов 3', 3'', ..., 3^N; 6 - дополнительный источник питания, 7', 7'', ..., 7^N- размыкатели; 8 - нагрузка; 9', 9'', ..., 9^N - разрядники, a 10', 10'', ..., 10^N - замыкатели. Индуктивные накопители 2', 2'', ..., 2^N соединены между собой последовательно через соответственно первичные обмотки 4', 4'', ..., 4^N трансформаторов 3', 3'', ..., 3^N. Выводы первичных обмоток 4', 4'', ... 4^N, помеченные точкой на фиг. 2, через соответствующий разрядник 9', 9'', . .., 9^N соединены с нагрузкой 8, а другие выводы первичных обмоток 4', 4'', ..., 4^N-1 через соответствующие замыкатели 10', 10'', ..., 10^N-1 заземлена. Незаземленный вывод дополнительного источника 6 питания соединен через соответствующий размыкатель 7', 7'', ..., 7^N с первыми выводами вторичных обмоток 5', 5'', ..., 5^N, вторые выводы которых заземлены.

Способ бездугового переключения тока накачки индуктивного накопителя энергии на нагрузку осуществляется следующим образом.

Устанавливают исходный режим работы трансформатора 3 (фиг. 1). Для этого сначала от дополнительного источника 6 питания через размыкатель 7 пропускают по вторичной обмотке 5 трансформатора 3 постоянный ток, величина которого обеспечивает не только насыщение сердечника трансформатора 3, но и сохранение состояния насыщения сердечника после пропускания через первичную обмотку 4 трансформатора 3, включенную встречно вторичной обмотке 5, тока накачки индуктивного накопителя 2 энергии от источника 1 питания. При этом результирующая напряженность магнитного поля в сердечнике трансформатора 3 должна иметь значение, близкое к значению напряженности магнитного поля, соответствующему началу излома кривой намагничивания.

При срабатывании размыкателя 7 ток во вторичной обмотке 5 трансформатора 3 уменьшается до нуля, а знак напряженности магнитного поля в сердечнике изменяется на противоположный. При достижении разностным током значения, соответствующего излому кривой намагничивания (B становится меньше B_о), сердечник переходит в ненасыщенное состояние и индуктивность первичной обмотки трансформатора возрастает (как уже отмечалось выше) примерно в μ_D раз. После достижения значения, соответствующего излому кривой намагничивания |B| ≃ |-B_o|, индуктивность первичной обмотки трансформатора уменьшается до прежней величины, соответствующей магнитной проницаемости сердечника -μ_н.
Изменение тока в цепи источника питания 1 во время перемагничивания сердечника трансформатора 3 приводит к возникновению скачка потенциала в точке соединения элементов 2, 4 и 9 между собой. В результате происходят пробой разрядника 9 и переключение тока накачки индуктивного накопителя 2 на нагрузку 8. Здесь необходимо отметить, что скачок разности потенциалов на первичной обмотке 4 трансформатора 3 не вызовет возникновения дуги в размыкателе 7, поскольку число витков в обмотке 5 на порядок меньше числа витков в обмотке 4. Следовательно, индуцируемое во вторичной обмотке 5 ЭДС не превысит напряжения пробоя межконтактного промежутка размыкателя 7.

Представленный на фиг. 2 вариант выполнения устройства, реализующего предложенный способ, отличается от вышеприведенного использованием нескольких индуктивных накопителей 2', 2'' ..., 2^N энергии при одной общей нагрузке 8.

Исходный режим работы трансформаторов 3', 3'', ..., 3^N устанавливают в описанной выше последовательности, при этом замыкатели 10', 10'', ..., 10^N-1 находятся в разомкнутом состоянии. При срабатывании размыкателей 7', 7'', .. . , 7^N одновременно срабатывают замыкатели 10', 10'', ..., 10^N-1, в результате первичные обмотки всех трансформаторов включаются через соответствующий разрядник 9', 9'', ..., 9^N параллельно общей нагрузке 8.

Таким образом, предложенный способ обеспечивает высокую эффективность передачи энергии от индуктивного накопителя в нагрузку за счет изменения величины индуктивного сопротивления коммутируемого участка цепи по закону, близкому к прямоугольному импульсу.

Использование: импульсная техника. Сущность изобретения: способ бездугового переключения тока накачки индуктивного накопителя энергии на нагрузку характеризуется тем, что включают в коммутируемый участок цепи первичную обмотку двухобмоточного трансформатора с сердечником, выполненным из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания. Перед пропусканием через первичную обмотку трансформатора тока накачки индуктивного накопителя энергии осуществляют насыщение сердечника трансформатора путем пропускания по его вторичной обмотке, включенной встречно первичной, постоянного тока от дополнительного источника. Величину тока во вторичной обмотке, имеющей меньшее число витков, устанавливают такой, чтобы после пропускания по первичной обмотке трансформатора тока накачки индуктивного накопителя энергии сохранилось состояние насыщения сердечника. Изменение величины индуктивного сопротивления коммутируемого участка цепи осуществляют отключением дополнительного источника. Технический результат: повышение эффективности передачи энергии от индуктивного накопителя в нагрузку. 2 ил.

Способ бездугового переключения тока накачки индуктивного накопителя энергии на нагрузку, при котором формируют импульс тока в нагрузочной цепи путем изменения величины индуктивного сопротивления коммутируемого участка цепи, включенного параллельно нагрузочной цепи, со скоростью, превышающей сопротивление нагрузочной цепи, отличающийся тем, что включает в коммутируемый участок цепи первичную обмотку двухобмоточного трансформатора с сердечником, выполненным из материала с узкой прямоугольной петлей намагничивания, а перед пропусканием через первичную обмотку трансформатора тока накачки индуктивного накопителя энергии осуществляют насыщение сердечника трансформатора путем пропускания по его вторичной обмотке, включенной встречно первичной, постоянного тока от дополнительного источника, при этом величину тока во вторичной обмотке, имеющей меньшее число витков, устанавливают такой, чтобы после пропускания по первичной обмотке трансформатора тока накачки индуктивного накопителя энергии сохранилось состояние насыщения сердечника, а изменение величины индуктивного сопротивления коммутируемого участка цепи осуществляют путем отключения дополнительного источника.