СВЕРХПРОВОДНИКОВЫЙ КЛЮЧ-ПЕРЕМЫЧКА С МАГНИТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ РАБОТОЙ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2004 года по МПК H01L39/16 

Изобретение относится к электроэнергетической импульсной технике и касается сверхпроводниковых ключей-перемычек (СКП) из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя (СПИН) преимущественно тороидального типа, предназначенного для питания импульсных нагрузок, например индуктивной нагрузки через промежуточный многокаскадный емкостной генератор (фиг.1, 2, 3, 4).

Известен сверхпроводниковый ключ-перемычка с тепловым управлением, содержащий основную сверхпроводниковую обмотку, намотанную бифилярно на цилиндрический каркас вместе с нагревательной обмоткой теплового управления, которые помещены в криостат и связаны теплоизолированными трубопроводами с криогенной установкой /1/.

Достоинство такого СКП - простота и сравнительно малые масса и объем.

Основной его недостаток связан с необходимостью сравнительно длительное время охлаждать основную сверхпроводниковую обмотку после перевода ее из сверхпроводящего в резистивное состояние снова в сверхпроводящее состояние для маломощных ключей от одной до нескольких минут, а для мощных ключей большой массы - до нескольких десятков минут /2, 1/. Этот недостаток ограничивает функциональные возможности теплового управления работой СПИН только запиткой его током в режим "замороженного" потока.

Также известен сверхпроводящий ключ-перемычка с магнитным управлением, предназначенный для сверхпроводниковых диодов, тиристоров и инверторов на их основе и содержащий два коаксиальных соленоида, намотанных лентами из высокотемпературных сверхпроводящих пленок.

Внутренний основной соленоид является силовым, а внешний - упраляющим /2/. Соленоиды помещены в криостат и снабжены каналами их охлаждения, связанными теплоизолированными трубопроводами с криорефрижераторной установкой.

Достоинство такого СКП в повышенном быстродействии, так как время восстановления сверхпроводящих свойств основного внутреннего силового соленоида после отключения тока в управляющем соленоиде составляет порядка одной миллисекунды /2/. При приведенных в /2/ параметрах такого СКП из иттрий-бариевых ВТСП пленок: критической магнитной индукции В_кр=12 Тл при нулевом транспортном токе и критической плотности тока j_кр≈_{1· 10^-9 А/м², что возможно только при температуре охлаждения ВТСП пленок порядка 85 К /3/, область применения СКП ограничена только указанными выше целями для сравнительно маломощных сверхпроводниковых приборов, рассчитанных на ток порядка 25 А и меньше.}

Однако при применении висмутсодержащих ВТСП пленок в соленоидах СКП, широко известном бифилярном способе намотки лент основного силового соленоида /1/ и более высокой рабочей температуре ВТСП пленок соленоидов. Такой СКП с магнитным управлением может использоваться для управления работой СПИН и в этом случае служить основой следующего ближайшего аналога или прототипа предлагаемого изобретения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковый ключ-перемычка с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, содержащий (см. фиг.8 и 9) основную бифилярную обмотку 1 на основе пленок или лент высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас 2, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами 4' с входным 5 и выходным 6 коллекторами хладоагента, соосную с основной управляющую обмотку 7 из многожильного провода с высокотемпературными сверхпроводниками, намотанного на цилиндрический трубчатый каркас 2’, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрижераторной установки, соосные основная 1 и управляющая 7 обмотки помещены в криостат 8 с внутренними и наружными стенками 8.1, между которыми расположены теплоизоляция 8.2 и силовые опоры, выводы основной обмотки 1 подключены к выводам а и б обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 преимущественно тороидального типа и к выходам его зарядного устройства 10 преимущественно на основе преобразователя с неизменной зарядной мощностью, входные выводы которого связаны с шинами источника 11 электропитания, выводы управляющей обмотки 7 через датчик тока ДТ подключены к выходам устройства 12 ее питания, причем криорефрижераторная установка связана теплоизолированными трубопроводами 4 с обмоткой сверхпроводникового индуктивного накопителя 9, а управляющие входы и выходы устройства 12 питания управляющей обмотки 7, зарядного устройства 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 и датчиков тока, напряжения и температуры связаны с соответствующими выходами и входами блока управления /4/.

Недостатки такого базового устройства-прототипа /4/: недопустимо большая масса обмотки магнитного управления 7, а значит, масса СКП, и чрезмерно большая масса и стоимость ее высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), а также сравнительно большая потребляемая им мощность от источника 11 электропитания.

Например, для висмутсодержащего ВТСП с критической температурой 105,75 К и массовой плотностью 3790 кг/м³ /5/ при: его рабочей температуре 99 К; запасаемой в тороидальном СПИН9 энергии W_9M=5 мДж; минимальной магнитной индукции управляющей обмотки 7 B_YOmin=6,8 Тл в области расположения основной обмотки 1, при которой ВТСП пленки всей основной обмотки переходят из сверхпроводящего в резистивное состояние; критической плотности транспортного тока в ВТСП пленках при нулевой магнитной индукции j_плк(0)=1· 10⁹ А/м²; максимальной магнитной индукции в управляющей обмотке 7 B_муо>10 Тл, которой соответствует плотность тока /5/ в ВТ ее ВТСП пленках

где р=1,36±0,01 - полученный экспериментально коэффициент /5/;

рабочей плотности тока j_плр≈_{1,13· 10⁷ А/м²; среднем радиусе управляющей обмотки 6,261 м и максимальном токе в управляющей обмотке 7 1000 А суммарная масса СКП составила 318,8 или 137,4 тонн при массе управляющей обмотки 7 257,5 или 92,63 тонн для медной и алюминиевой матрицы в ней соответственно, а масса ВТСП - 12,43 тонн. При этом максимальная потребляемая СКП мощность составила 107,84 кВт.}

Технический результат или цель изобретения - уменьшение массы и стоимости сверхпроводникового ключа-перемычки с сопутствующим оборудованием за счет уменьшения массы и стоимости управляющей обмотки 7 и уменьшение потребляемой им мощности от источника 11 электроэнергии.

1. Технический результат или цель изобретения достигается тем, что в сверхпроводниковом ключе-перемычке с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, содержащем (см. фиг.1, 2, 3, 4) основную бифилярную обмотку 1 на основе лент из пленок высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас 2, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолираванными трубопроводами 4’ с входным 5 и выходным 6 коллекторами хладоагента, соосную с основной 1 внешнюю управляющую обмотку 7 из многоканального провода с высокотемпературными сверхпроводниками, намотанного на цилиндрический каркас 2’, и снабженную каналами 3 для протоки хладоагента криорефрижераторной установки, соосные основная 1 и управляющая 7 обмотки с коллекторами хладоагрегата помещены в криостат 8 с внутренними и наружными стенками 8.1, между которыми помещены теплоизоляция 8.2 и силовые опоры, выводы основной обмотки 1 подключены к выводам а и б обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 преимущественно тороидального типа и к выходам его зарядного устройства 10, входные выводы которого связаны с шинами источника 11 электроэнергии, выводы управляющей обмотки 7 через датчик тока ДТ подключены к выходам устройства 12 ее питания, причем криорефрижераторная установка связана теплоизолированными трубопроводами 4 с обмоткой сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 и снабжена отдельными трубопроводами 4’ с выходной температурой хладоагента большей, чем у трубопроводов 4 охлаждения обмотки сверхпроводящего индуктивного накопителя 9, а управляющие входы и выходы устройства 12 питания управляющей обмотки 7, зарядного устройства 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 и датчиков тока, напряжения и температуры связаны с соответствующими выходами и входами блока управления, входной 5 и выходной 6 коллекторы хладоагента разделены диаметральной перегородкой, образованной продолжением трубчатого каркаса 2’ с теплоизоляцией обмотки управление 7 на наружную 5, 6 и внутреннюю 5’, 6’ части, первая из которых связана с теплоизолированными трубопроводами 4 с пониженной выходной температурой хладоагента, а другая - с отдельными трубопроводами 4 с повышенной выходной температурой хладоагента, при этом устройство 12 питания управляющей обмотки 7 включает в себя емкостной накопитель 12.1, выводы которого через параллельно включенные прямой 12.2 и обратный 12.2’ полностью управляемые ключи односторонней проводимости подключены к выводам управляющей обмотки 7, зашунтированным блокирующими параллельно включенными прямым 12.3 и обратным 12.3’ полностью управляемыми ключами односторонней проводимости, и два зарядных устройства 12.4 и 12.4’ емкостного накопителя 12.1, разнополярные выходы которых через развязывающие диоды или тиристоры 12.5 и 12.5’ связаны с выводами емкостного накопителя 12.1, входы зарядных устройств 12.4 и 12.4’ подключены к шинам источника 11 электроэнергии, а также два преобразователя 12.6 и 12.6’ практически неизменного выходного тока с разнополярными выходами, каждый из которых содержит низковольтную часть в виде мостовой схемы на четырех низковольтных полностью управляемых ключах односторонней проводимости 12.6.1-12.6.4 и дозирующий конденсатор 12.6.5 в диагонали мостовой схемы, и высоковольтную часть в виде диода 12.6.6, аноды двух управляемых ключей 12.6.1, 12.6.3 мостовой схемы связаны с одним из выходов преобразователя 12.6.7 напряжения источника 11 электроэнергии, а катоды остальных управляемых ключей 12.6.2, 12.6.4 мостовой схемы - с катодом высоковольтного диода 12.6.6 и через развязывающий тиристор 12.6.8 с одним из выводов управляющей обмотки 7, другой вывод преобразователя 12.6.7 напряжении источника 11 электроэнергии подключен к аноду высоковольтного диода 12.6.6 и к другому выводу обмотки управления 7.

2. Дополнительный технический результат или цель изобретения - уменьшение джоулевых потерь энергии в основной обмотке 1 и связанной с этим хладопроизводительности криорефрижераторной установки и потребляемой ею мощности от источника 11 электропитания при заряде и подзаряде сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 достигается тем, что в сверхпроводящем ключе-перемычке с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии по п.1 зарядное устройство 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии выполнено в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощности, содержащего регулируемый преобразователь 10.1 осредненной за период величины выходного напряжения прямоугольной формы с трансформаторным выходом 10.2, например, инвертора регулируемой частоты, а значит, и выходного напряжения, или инвертора по полумостовой схеме (см. фиг.4а и 4б), выходное напряжение которого регулируется методом широтно-импульсной модуляции, и однотактного двухфазного выпрямителя 10.3 на двух диодах 1-.3.1 и 10.3.2, вторичная обмотка трансформатора 10.2 регулируемого преобразователя 10.1 снабжена отводом от ее средней точки, крайние выводы вторичной обмотки упомянутого трансформатора через диоды 10.3.1 и 10.3.2 однотактного двухфазного мостового выпрямителя 10.3 подключены к одному из выводов обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя 9, а другой вывод обмотки последнего связан через развязывающий тиристор 10.4 с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора 10.2 регулируемого преобразователя.

На фиг.1а и 1б представлена конструктивная схема предлагаемого сверхпроводникового ключа-перемычки с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии согласно изобретению.

На фиг.2 приведена функциональная схема предлагаемого СКП с магнитным управлением работой СПИН согласно изобретению, на которой указаны связи между элементами СКП и последнего с обмоткой СПИН9.

На фиг.3 представлена развернутая функциональная схема устройства 12 питания управляющей обмотки 7 предлагаемого СКП согласно изобретению.

На фиг.4а приведена детальная схема зарядного устройства 10 СПИН9 типа преобразователя 10 в основном неизменной зарядной мощности на основе регулируемого преобразователя 1 осредненной за период величины выходного напряжения прямоугольной формы с трансформаторным выходом, в котором осредненное выходное напряжение регулируется методом импульсной модуляции.

На фиг.4б и 5б представлены графические зависимости осредненного и выходного напряжения U_тр трансформатора 10.2 регулируемого преобразователя 10.1 по фиг.4а и тока заряда i₉ тороидального СПИН от устройства 10 по фиг.4а от времени t. На нем обозначены:

U_трм - максимальное неизменное выходное напряжение от времени t=0 до времени t=t_oн начала заряда СПИН9 неизменной зарядной мощности Р_з9=Р_трн=I_9mU_трн=const;

i_oн и I_9m - ток заряда СПИН в момент начала заряда его неизменной зарядной мощности (при времени t=t_oн) и максимальный ток заряда СПИН в конце его заряда (t=t_зк=t_зм) неизменной зарядной мощности;

U_трк - выходное напряжение трансформатора 10.2 регулируемого 10.1 преобразователя 10.1 в момент конца заряда СПИН9 неизменной зарядной мощности (при t=t_зк), а

- номинальное выходное напряжение трансформатора при установившемся максимальном токе заряда СПИН9 i₉=I_9m=const от t=t_зм до момента перехода основной обмотки 1 СКП из резисторного в сверхпроводящее состояние длительностью от десятых долей секунд до нескольких секунд 1 при U_FM и U_FT1 - пороговым напряжением диода 10.2.1 или 10.2.2 однотактного двухфазного выпрямителя (ОТДФВ) 10.3 и развязывающего тиристора 10.3, а их дифференциальном сопротивлении r_дД и r_дт соответственно.

1. Предлагаемый СКП с магнитным управлением работой СПИН9 по фиг.1, 2 и 3 содержит основную бифилярную обмотку 1 на основе лент из пленок высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией, например из полиэтилена или фторопласта-4, и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас 2, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрежераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами 4’ с повышенной выходной температурой хладоагента с внутренней частью входного 5’ и выходного 6’ коллекторов хладоагента, ограниченной диаметральным продолжением цилиндрического трубчатого каркаса 2 основной обмотки 1 и диаметральным продолжением трубчатого каркаса 2 внешней управляющей обмотки 7; соосную с основной 1 управляющую обмотку 7 из многожильного провода с высокотемпературными сверхпроводниками пленками, намотанную на трубчатый каркас 2' с теплоизоляцией, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами 4 с пониженной выходной температурой хладоагента с наружной частью входного 5 и выходного 6 коллекторов хладоагента; соосные основная 1 и управляющая 7 обмотки с коллекторами хладоагента помещены в криостат 8 с внутренними и наружными стенками 8.1, между которыми расположены теплоизоляция 8.2 и силовые опоры. Выводы основной обмотки 1 подключены к выводам а и б обмотки сверхпроводящего индуктивного накопителя 9 преимущественно тороидального типа и к входам его зарядного устройства 10 преимущественных на основе преобразователя с неизменной зарядной мощностью, входные выводы которого связаны с шинами источника 11 электропитания. Выводы управляющей обмотки 7 через датчик тока ДТ подключены в выходам устройства 12 ее питания, включающего в себя емкостной накопитель 12.1, выводы которого через параллельно включенные прямой 12.2 и обратной 12.2’ полностью управляемые ключи односторонней проводимости связаны с выводами управляющей обмотки 7, зашунтированными блокирующими параллельно включенными прямым 12.3 и обратным 12.3’ полностью управляемыми ключами односторонней проводимости, и два зарядных устройства 12.4 и 12.4’ емкостного накопителя 12.1, разнополярные выходы которых через развязывающие диоды или тиристоры 12.5 и 12.5’ подключены к выводам емкостного накопителя 12.1, а входы зарядных устройств 12.4 и 12.4’ подключены к шинам источника 11 электропитания. Кроме того, устройство 12 питания управляющей обмотки содержит два двухтактных преобразователя 12.6 и 12.6’ практически неизменного выходного тока /5/ с разнополярными выходами, каждый из которых включает в себя низковольтную часть в виде мостовой схемы на четырех низковольтных полностью управляемых ключах односторонней проводимости 12.6.1-12.6.4 и дозирующий конденсатор 12.6.5 в диагонали мостовой схемы; и высоковольтную часть в виде диода 12.6.6; аноды двух управляемых ключей 12.6.1, 12.6.3 мостовой схемы связаны с одним из выходов преобразователя 12.6.7 напряжения источника 11 электропитания в пониженное выходное напряжение, а катоды остальных управляемых ключей 12.6.2, 12.6.4 мостовой схемы - с катодом высоковольтного диода 12.6.6 и через развязывающий тиристор 12.6.8 - с одним из выводов управляющей обмотки, другой вывод преобразователя 12.6.7 напряжения источника 11 электропитания подключен к аноду высоковольтного диода 12.6.6 и к другому выводу обмотки управления 7. При этом управляющие входы и выходы зарядного устройства 10 СПИН9, устройства 12 питания управляющей обмотки 7 СКП, криорефрижераторной установки и датчиков их тока, напряжения и температуры, а также температуры обмоток СКП и СПИН, связаны с управляющими входами и выходами блока управления.

2. С целью уменьшения джоулевых потерь энергии в основной обмотке 1 сверхпроводящего ключа-перемычки по п.1 и связанной с этим уменьшением хладопроизводительности криорефрижераторной установки и потребляемой ею мощности при заряде и подзаряде СПИН9 предложено зарядное устройство 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 выполнить в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощности, содержащее регулируемый преобразователь 10.1 осредненного за период выходного напряжения с трансформаторным выходом, например, инвертора регулируемой частоты, а значит, и выходного напряжения (см. фиг.4а и 4б) или полумостовой схемы (см.фиг.5а и 56), прямоугольное напряжение которой регулируется методом широтно-импульсной модуляции, и однотактного двухфазного выпрямителя (ОТДФВ) 10.2 (см. фиг.4а) на двух диодах 10.2.1 и 10.2.2; вторичная обмотка трансформатора Тр регулируемого преобразователя 10.1 снабжена отводом от ее средней точки; крайние выводы вторичной обмотки трансформатора Тр упомянутого преобразователя 10.1 подключены через диоды 10.2.1 и 10.2.2 ОТДФВ 10.2 к одному из выводов обмотки СПИН9, а другой вывод обмотки СПИН9 связан через развязывающий тиристор 10.3 с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора Тр регулируемого преобразователя 10.1.

Работа предлагаемых СКП с магнитным управлением работой СПИН9 в различных режимах функционирования последнего поясняется фиг.2; 3; 4а; 4б; 5а и 5б.

После охлаждения основной 1 и управляющей 7 обмоток СКП хладоагентом криорефрижераторной установки до устойчивого сверхпроводящего состояния (например, при выполнении обмоток 1 и 7 СКП из висмутосодержащих ВТСП приводов - основной обмотки 1 до 99 К, а управляющей обмотки 7 - до температуры 77 К) ВТСП пленки этих проводов находятся в сверхпроводящем состоянии с практически нулевым сопротивлением и возможны следующие режимы функционирования СПИН9 и предлагаемого СКП:

во-первых, режим первого заряда СПИН9 до максимального тока I_9m или энергии и перевод его в режим хранения накопленной энергии;

во-вторых, режим разряда СПИН9 на емкостные накопители (ЕН) многокаскадного емкостного генератора (ЕГ) - см. фиг.10 для их заряда до требуемого максимального напряжения U_згm;

в-третьих, режим предзаряда СПИН9 энергией перезаряда ЕН ЕГ недоиспользованной в индуктивной нагрузке магнитной энергией;

в четвертых, режим последующих дозарядов СПИН9 от источника 11 электропитания через зарядное устройство 10.

Режим первого заряда СПИН9 до максимального тока I_9m или энергии W_9m осуществляется следующим образом. Приблизительно за 90-300 с до начала его заряда СПИН9 от источника 11 электроэнергии через зарядное устройство 12.4, например, типа двухфазного преобразователя неизменной мощности (ДПИМ) /8/ заряжают (см. фиг.3) емкостной накопитель (ЕН) 12.1 до требуемого максимального напряжения U_12.1m. Затем открывают прямой управляемый ключ 12.2 и накопленная в ЕН 12.1 энергия за время его разряда t_p12.1 порядка десятых долей секунды - несколько секунд передается в управляющую обмотку 7 СКП, заряжая ее практически по синусоиде током i₇≈_{I7msinω 2t до требуемого максимального тока (при круговой частоте}

где L₇ - индуктивность управляющей обмотки 7, а С_12.1 - емкость ЕН 12.1, по цепи: верхний вывод ЕН 12.1 - ключ 12.2 - датчик тока ДТ - обмотка 7 - нижний вывод ЕН 12.1. Когда ток i₇ достигает своего максимального значения I_7m, открывают прямой блокирующий ключ 12.3 и одновременно закрывают управляемый прямой ключ 12.2. Затем через преобразователь 12.6.7 пониженное им напряжение источника 11 электропитания подается на двухтактный преобразователь 12.6 /5/ с практически неизменным выходным током I_12.6.7=I_7m≈_{const. Этот ток I12.6.7=I7m по цепи: катоды низковольтных ключей 12.6.2 и 12.6.4 мостовой схемы - открытый развязывающий тиристор 12.6.8 - датчик тока ДТ - обмотка 7 - анод высоковольтного диода 12.6.6 - выходной вывод преобразователя 12.6.7 подается на управляющую обмотку 7 СКП, а блокирующий прямой ключ 12.3 закрывают блоком управления. При токе i7=I7m создаваемая им магнитная индукция управляющей обмотки 7 во всей области расположения основной обмотки 1 СКП превышает ее критическое значение и последняя переходит из сверхпроводящего в резистивное состояние со сравнительно большим активным сопротивлением порядка несколько тысяч ом - нескольких десятков тысяч ом. После этого осуществляют заряд СПИН9 от источника 11 электропитания через зарядное устройство 10 в основном неизменной зарядной мощностью с учетом выражения (2), определяемой выражением:}

и который поясняется на примере фиг.5а и 5б.

Полумостовая схема регулируемого преобразователя 10.1 с трансформаторным выходом 10.1.3 поочередным переключением двух ее транзисторов 10.1.1 10.1.2 преобразует выходное напряжение делителя напряжения (на двух конденсаторах 10.1.4.и 20.1.5) постоянной величины U_10.1.4=U_10.1.5 U₁₁/2 в разнополярные прямоугольные импульсы неизменных амплитуды U_тр.вх=U₁₁/2 и частоты f, но разной длительности t_n, на первичной обмотке трансформатора 10.1.3. Длительность импульса определяется скважностью q=T_n/(2t_n), где T_n=1/f - длительность периода следования разнополярных импульсов. Так как длительность каждого разнополярного импульса t_n=T_n/(2q)=l/(2qf) много меньше постоянной времени зарядной цепи СПИН9 τ _зу9=L₉/r_зу9, составляющей несколько тысяч секунд (где r_зу9 - приведенное ко вторичной обмотке трансформатора 10.1.3 активное сопротивление зарядной цепи СПИН9), то эти разнополярные импульсы напряжения создают в первичной обмотке трансформатора 10.1.3 поочередно линейно увеличивающиеся по абсолютной величине импульсы тока разной полярности, а значит и такие же импульсы магнитного потока в сердечнике трансформатора 10.1.3. Эти импульсы магнитного потока индуцируют в половинках вторичной обмотки трансформатора 10.1.3 прямоугольные разнополярные импульсы разной длительности t_n, но постоянной амплитуды U_тp.2=U_тр.вхW₂/W₁, где W₂ и W₁ - число витков в половинках вторичной обмотки и в первичной обмотке трансформатора и частоты f. Среднее за период напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора 10.1.3 определяется очевидным соотношением:

где k_тр.=w₂/w₁ - коэффициент трансформации трансформатора.

В начале первого заряда СПИН9 блок управления устанавливает максимальную величину среднего за период напряжения при q=1 u_тр.=U_тр.м=U_тр.вхk_Tp порядка десяти вольт и поддерживает его неизменным в течение времени t заряда от t=0 до времени t=t_он начала заряда ТСПИН9 неизменной зарядной мощностью (см.фиг.4б). При u_тр.=U_тр.м=const ток i₉ заряда СПИН9 увеличивается по экспоненциальному закону.

которое при t_он≤_{0,2 τ зу9 с относительной погрешностью меньше 2,14% примет более простой вид}

При времени заряда в диапазоне t_oн≤_{t≤ tзк=tзм, когда Uтрк≤uтр≤Uтрм, заряд СПИН9 осуществляется неизменной зарядной мощностью Рз9=Ртрн=const в соответствии с выражением (4), а ток i9 его заряда определяется выражением:}

где L₉ – индуктивность СПИН9, а τ _зу9=_{L9/rзу9 – постоянная времени его зарядной цепи.}

При этом выходное напряжение трансформатора 10.1.3 должно изменяться в соответствии с соотношением:

Время начала заряда неизменной зарядной мощностью t_онс, соответствующий ему ток i₉=i_oн и величину максимального выходного напряжения трансформатора 10.1.3 определяют совместным решением выражений (6 и 7), (8) и (9).

В конце заряда СПИН9 при t=t_зк=t_зм ток заряда i₉ достигает своего максимального значения I_9m, а соответствующее этому моменту конечное выходное напряжение трансформатора с учетом выражения (2)

При кратковременной полочке неизменного тока i₉=I_9m=const ЭДС самоиндукции СПИН9 L₉di₉/dt=0, Р_з9=0 и выходное напряжение трансформатора U_трн равно падению напряжения на диоде 10.2.1 или 10.2.2 и развязывающем тиристоре 10.3 Δ U_д,т.=r_д,тI_9m, где

- их среднее активное сопротивление.

Так как среднеквадратичное напряжение самоиндукции на СПИН9 всегда меньше максимального выходного напряжения трансформатора 10.1.3.

то при принятом нами активном сопротивлении основной обмотки 1 в ее резистивном состоянии r_1p=4000 Ом джоулевы потери мощности в ней Δ Р_1Дж и дополнительная хладопроизводительность криорефрижераторной установки Qку1Дж

или пренебрежимо малы, так как составляют для предлагаемого СКП менее одного процента от требуемой суммарной хладопроизводительности криорефрижераторной установки.

Для перевода СПИН9 в режим хранения накопления в нем магнитной энергии в момент достижения требуемого максимального зарядного тока i₉=I_9m блок управления скачком уменьшает выходное напряжение трансформатора 10.1.3 от его конечной (V_три) до номинальной (U_трн) величины, что устанавливает кратковременную полочку неизменного тока I_9m=const (см. фиг.4б и 5б), прекращает подачу практически неизменного тока i₇=I_7m≈_{const через низковольтную мостовую схему преобразователя 12.6 на управляющую обмотку и одновременно открывает прямой управляемый ключ 12.2 блока 12 питания управляющей обмотки 7 СКП. Накопленная в обмотке 7 магнитная энергия по цепи: обмотка 7 - EH 12.1-управляемый ключ 12.2 - датчик тока ДТ - обмотка 7 возвращается в емкостной накопитель (ЕН) 12.1 и заряжает его обратной полярностью напряжения, ток (7) уменьшается практически по косинусоиде i7≈I7mcosω 7t от i7≈I7m при w7t= 0 до i7=0 при ω 7tπ /2=π /2 за время tπ /2 порядка нескольких десятых долей секунды - нескольких секунд, и при приближении тока i7 к нулю прямой управляемый ключ 12.2 естественным образом закрывается. При уменьшении тока в управляющей обмотке 7 уменьшается создаваемая ей в области расположения основной обмотки 1 магнитная индукция и при уменьшении последней ниже критического значения за время порядка 1 мс /1, 3/ основная обмотка 7 СКП снова переходит в сверхпроводящее состояние и замыкает через себя максимальный ток I7m СПИН9, а блок управления скачком уменьшает выходное напряжение трансформатора 10.1.3 до нуля. После этого включается зарядное устройство 12.4’ и ЕН 12.1 периодически дозаряжается до требуемого максимального напряжения –U10.1m обратной полярности, компенсируя его саморазряд и потери энергии в ключе 10.2 во время описанного выше перезаряда ЕН 12.1 магнитной энергией управляющей обмотки.}

Режим разряда СПИН9 на емкостные накопители (ЕН) многокаскадного емкостного генератора (ЕГ) Аркадьева-Маркса (см. фиг.10), для их заряда до требуемого максимального напряжения U_згm осуществляется следующим образом. Блок управления открывает обратный управляемый ключ 12.2’ и накопленная в ЕН 12.1 энергия передается в обмотку управления 7 по цепи: нижний вывод ЕН 12.1 - обмотка 7 - датчик тока ДТ - обратный ключ 12.2’ обмотка 7 описанным выше путем за время tπ _/2 запитывает ее практически по синусоиде от i₇=0 до максимального тока – I_7m обратного направления. Затем блок управления включает преобразователь 12.6’ практически неизменного выходного тока обратного направления и описанным выше путем этот ток i₇=I_7m≈_{const передается в управляющую обмотку 7 и поддерживается в ней неизменным в течение времени}

порядка нескольких десятков секунд, где С_зг - зарядная емкость многокаскадного ЕН. Основная обмотка 1 СКП описанным выше путем переходит в резистивное состояние, которое поддерживается током I_7m в течение времени tπ _/2(ЕГ), а накопленная в СПИН9 магнитная энергия при открытом в начале этого времени развязывающем управляемом ключе Т3 ЕГ через блокирующие индуктивности L_б передается в емкостные накопители всех n_к каскадов ЕГ, заряжая их практически косинусоидально изменяющимся током i₉≈_{I9mcosω 9гt в течение времени tπ /2(ЕГ) до требуемого максимального зарядного напряжения Uзгm порядка ~1000 В. При приближении разрядного тока i9 СПИН9 к нулю развязывающий тиристор Т3 ЕГ естественным образом закрывается, затем описанным выше путем при открытии обратного ключа 12.2’ магнитная энергия обмотки управления 7 возвращается в ЕН 12.1, перезаряжая его прямой полярностью напряжения, а основная обмотка 1 СКП, как описано выше, переводится снова в сверхпроводящее состояние, а ЕН 12.1 периодически подзаряжается от источника 11 электропитания через зарядное устройство 12.4. В этом режиме средние за время tπ /2(ЕГ) джоулевы потери мощности и энергии в основной обмотке 1 СКП определяются соотношениями и составят порядка нескольких сотен ватт и несколько тысяч джоулей соответственно. После этого блок управления открывает сверхмощные быстродействующие ключи КК односторонней проводимости (преимущественно тиристорного типа) в каскадах емкостного генератора, емкостные накопители каскадов Ск ЕГ соединяются последовательно-согласно друг с другом и с импульсной индуктивной нагрузкой (ИН) и к последней прикладывается максимальное разрядное напряжение ЕГ Uprm=nkUзгm порядка нескольких десятков вольт. Следует разряд ЕН ЕГ на импульсную индуктивную нагрузку, при котором энергия разряда ЕГ с кпд, например, порядка η иин≈5-10 процентов, преобразуется в полезную энергию, а основная доля недоиспользованной магнитной энергии ИН возвращается в ЕН ЕГ, перезаряжая их напряжением обратной полярности.}

Режим перезаряда СПИН9 энергией перезаряда ЕН ЕГ недоиспользованной в импульсной индуктивной нагрузке (ИИН) энергией осуществляется следующим образом. Описанным выше путем энергия емкостного накопителя 12.1 за время tπ _/2 передается в обмотку управления 7 СКП, запитывая ее до максимального тока i₇=I_7m. Затем блок управления включает преобразователь 12.6 практически неизменного выходного тока i₇=I_7m≈_{const и поддерживает этот ток неизменным в течение времени разряда ЕН ЕГ СПИН9 tpг9=tπ /2(EГ) - см. выражение (13) - порядка нескольких десятков секунд. В начале этого времени, когда основная обмотка 1 СКП перейдет в резистивное состояние, блок управления открывает развязывающий тиристор Т3 ЕГ и энергия перезаряда ЕН ЕГ}

где η _иин - кпд преобразования энергии ЕГ индуктивной импульсной нагрузкой в полезную энергию (работу);

τ _ср - постоянная времени саморазряда импульсных емкостных накопителей порядка 3000 с;

Δ t_ож - время ожидания между концом перезаряда ЕН ЕГ излишней энергией магнитного поля ИИМ;

η _зг и η _рпг – кпд заряда ЕН ЕГ от СПИН9 и кпд разряда-перезаряда ЕГ на ИИН и наоборот ИИН на ЕГ порядка 0,99 и 0,983 соответственно передается в СПИН с КПД η _пр9 порядка 0,99 и перезаряжает его энергией W_пр9=_{Wпзгη пр9. Например, при W9m=5 МДж; η ИИН=0,05; tπ /2 ( ЕГ) =16,6; Δ tож≈103 с; η р≈η зг≈0,99 и η ргг≈0,983 и τ ср=3000 с с учетом выражения ( 14) получим Wпр9≈4,14 мДж. Затем следует описанный выше перевод СПИН9 в режим хранения накопленной энергии.}

Режим последующих дозарядов СПИН9 от начального тока до требуемого максимального тока I_9m (энергии W_9m) осуществляется следующим образом. Описанным выше путем основная обмотка 1 СКП переводится из сверхпроводящего в резистивное состояние. Затем бок управления включает регулируемый преобразователь 10.1 и устанавливает соответсвующее начальному току дозаряда I_од9 выходное напряжение трансформатора 10.1.3 и путем уменьшения выходного напряжения трансформатора u_тр (см. фиг.4б и 5б) в соответствии с выражением (9) осуществляет дозаряд СПИН9 в режиме неизменной мощности Р_з9=Р_трн=const от начального тока дозаряда i₉=I_од9 до требуемого максимального тока i₉=I_9m. После описанным выше путем СПИН9 переводится в режим хранения накопленной в нем энергии W_9m. И так далее циклически.

Время последующего дозаряда СПИН9 неизменной зарядной мощностью Р_трн=const определяется следующим очевидным соотношением

и для рассмотренного выше примера при Р_трн=3120 Вт составит 279 с. Так как при разряде СПИН9 на ЕН ЕГ и предзаряде СПИН9 от ЕН ЕГ в основной обмотке 1 СКП энергия джоулевых потерь за время tπ _/2(ЕГ) составит

а время отвода этой энергии из криостата криорефрижераторной установки t_oxл.1=t_дз9+Δ t_ож+2tπ _/2(EГ), то дополнительная мощность криорефрижераторной установки в ее формированном режиме работы для отвода джоулевых потерь энергии в основной обмотке 1 СКП определяется следующим выражением

Например, для параметров приведенного выше примера: при U_згm=945 В; tπ _/2(ЕГ)=16,6 с; r_1p=4000 Ом; t_oxл.1=399 с и U_трОД≈_{7В по выражению (17) получим Δ Qку охл.1≈26,3 Вт.}

Для доказательства выполнения поставленного технического результата или цели изобретения были произведены сравнительные расчеты основных характеристик предлагемого и базового /1, 4/ СКП с магнитным управлением работой тороидального сверхпроводящего индуктивного накопителя при следующих исходных параметрах:

- рабочая температура основной 1 и управляющей 7 обмоток 99 К и 77 К у предлагаемого СКП, а у базового СКП - 99 К и 99 К соответственно;

- удельное электрическое сопротивление ВТСП пленок основной обмотки 1 ρ _пл=1· 10^-7 Ом/м /1, 4/;

- минимальная магнитная индукция управляющей обмотки 7 в области расположения основной обмотки 1, при которой вся обмотка 1 переходит в резистивное состояние при нулевом транспортном токе 6,8 Тл - см. фиг.7а и 7б - построенные по данным /3, 9/;

- критическая и рабочая плотности тока в ВТСП пленках основной обмотки и 1 от транспортного тока при отсутствии тока в управляющей обмотке j_мк≈_{1,1· 10⁹ А/м² и jплр≈0,7· 10⁹ А/м² (при температуре 99 К);}

- характеристики тороидального СПИН9: максимальный рабочий ток в обмотке I_9m=1000 A; запасаемая в нем магнитная энергия при I_9m W_9m=5 МДж; индуктивность L₉=10 Гн; требуемая для охлаждения обмотки СПИН9 до температуры 77 К максимальная и минимальная хладопроизводительность криорефрижераторной установки Q_ку9м=2,288 Bт и Q_ку9м=1,655 Вт;

- характеристики импульсной индуктивной нагрузки (ИИН): передаваемая от ЕН ЕГ в ИИН энергия 4900 кДж; кпд преобразования этой энергии в полезную работу (энергию) η _иин=0,05; индуктивность L_иин=1,562· 10^-6 Гн; время передачи энергии от ЕН ЕГ в ИИН 0,001 с;

- характеристики емкостного генератора: требуемые разрядная емкость и разрядное напряжение С_рг=0,06485 Ф и U_prm=12290 В; максимальное зарядное напряжение ЕН ЕГ U_згm=945 В; зарядная емкость ЕН ЕГ С_эг=11,17 Ф; время передачи энергии из СПИН9 в Ен ЕГ tπ _/2(ЕГ)=16,6 с;

- активное сопротивление основной обмотки 1 в резистивном состоянии r_1p=4000 Ом;

- средний радиус и длина основной обмотки 1 R₀₀₁=0,25 м и l₀₀₁=0,34 м;

- электроизоляция ВТСП ленты основной обмотки со стандартной толщиной h_из=0,05 мм выполнена из полиэтилена с массовой плотностью 940 кг/м³, а электроизоляция обмотки управления 7 - из высокопрочного оргопластика с массовой плотностью 1350 кг/м³;

- толщина многослойной экранно-вакуумной теплоизоляции криостата СКП толщиной 0,5 см, рассчитанный по данным /10/ удельный теплоприток в криостат через ее поверхность с учетом краевых эффектов 0,17 Вт/м², а ее средняя массовая плотность 120 кг/м³;

- стенки криостата (СКП) и его опоры длиной 0,5 см выполнены из высокопрочного углепластика, а каждая опора представляет собой стопку углепластиковых дисков с толщиной каждого 0,02 мм и с удельной теплопроводностью опор 0,0026 Вт (см. град) /10/, при которой рассчитанный в соответствии с методикой /10/ удельный теплоприток в криостат СКП через его опоры при перепаде температур от 300 К до 77 К составит q_oп=Q_oп/F_oп=1,444· 10^-5 Вт/Н, где F_oп - действующая на опоры сила;

- удельная энергия импульсного емкостного накопителя 12.1, 2 кДж/кг /11/;

- массовая плотность висмутосодержащей ВТСП пленки 3790 кг/м³ /9/;

- отношение ширины ВТСП ленты в проводе основной обмотки 1 к ее толщине равно 10-и;

- максимальный и минимальный удельный теплоприток через термодинамически оптимизированные медные или алюминиевые тоководы длиной 3,0 см в криостат СКП при их средней в диапазоне температур от 300 К до 77 К удельных теплопроводности и электропроводности 0,045 Вт/ (см. град) или 0,0205 Вт/ (см. град) и (1 или 1,45)· 10^-8 Ом· м составил q_твм=Q_твм/I_тв=(6,33 или 5,15)· 10^-4 Вт/А и q_тpm=Q_твm/I_тв=(3,16 или 2,575)· 10^-4 Вт/А;

- в качестве ЗУ 10 СКПБ применено известное трехфазное ЗУ неизменной мощности /12/ с максимальным выходным напряжением U_10вых=150 В.

По разработанной нами методике получены следующие характеристики предлагаемого СКП и базового СКП (СКПБ):

- длина ленты основной обмотки 1 57200 м и ее масса m_мл=310 кг для СКПП и СКПБ;

- масса обмоточного провода основной обмотки 1 m_пр1=330,4 кг для СКПП и СКПБ;

- перегрев основной обмотки 1 джоулевыми потерями энергии при разряде перезаряде СПИН9 за время 16,6 с и 16,6 с (суммарное время 33,2 с) составил всего 0,0806 К, что пренебрежимо мало;

- средний радиус основной обмотки 10,25 м и ее длина 0,34 м для СКПП и СКПБ;

- средний радиус обмотки управления 7 0,4715 м для СКПП и 6,261 м для СКПБ;

- масса обмотки управления 7 989,3 кг или 396,3 кг для СКПП и 257,5 тонн или 92,63 тонн для СКПБ при медной и алюминиевой матрице в ней соответственно;

- масса емкостного накопителя (ЕН) 12.1 при его удельной энергии 2 кДж/кг /11/) 599 кг для СКПП и 12080 кг для СКПБ;

- масса двух зарядных устройств 12.4 и 12.4’ ЕН 12.1 20,7 кг для СКПП и 805,3 кг для СКПБ при их выходной зарядной мощности 2,07 кВт для СКПП и 80,54 кВт для СКПБ;

- масса криостата СКП 81,9 кг для СКПП и 20110 кг для СКПБ;

- суммарная хладопроизводительность общей криорефрижераторной установки для охлаждения обмоток СКП и обмотки СПИН9 10,38 Вт или 9,95 Вт при СКПП и 221,6 Вт или 198,1 Вт при СКПБ для медной и алюминиевой матриц;

- масса общей криорефрижераторной установки 8,9 кг или 8,9 кг для СКПП и 108 кг для СКПБ, а потребляемая ею максимальная мощность 1,4 кВт или 1,35 кВт для СКПП и ~13,1 кВт для СКПБ при медной и алюминиевой матрице;

- суммарная масса СКП с сопутствующим оборудованием 2253 кг или 1546 кг для СКПП и 318,8 тонн или 137,4 тонн для СКПБ при медной и алюминиевой матрице соответственно;

- масса высокотемпературных сверхпроводников в СКП 440,7 кг для СКПП и 1243 кг для СКПБ;

- максимальная мощность, потребляемая СКП с сопутствующим оборудованием от источника 11 электроэнергии 3,28 кВт для СПКП и 107,84 кВт для СКПБ.

Следовательно, во-первых, суммарная масса предлагаемого СКП с сопутствующим оборудованием с вышеуказанными характеристиками в 141,5 раз или в 88,9 раз меньше, чем у базового СКП - прототипа /4/, во-вторых, масса высокотемпературных сверхпроводников в предлагаемом СКП и их стоимость в 28,2 раза меньше, чем у базового СКП; в-третьих, максимальная мощность, потребляемая предлагаемым СКП с сопутствующим оборудованием, почти в 32,4 раз меньше, чем у базового СКП с сопутствующим оборудованием.

Таким образом, указанные в формуле изобретения и описании заявки отличительные признаки сверхпроводникового ключа-перемычки с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя, существенно отличая предложенный СКП от базового объекта-прототипа /4/, позволяет: во-первых, в десятки раз уменьшить суммарную массу СКП с сопутствующим оборудованием в основном за счет соответствующего уменьшения массы обмотки магнитного управления 7; во-вторых, более чем в 20 раз уменьшить массу и стоимость высокотемпературных сверхпроводников в СКП; в-третьих, в несколько десятков раз уменьшить максимальную мощность, потребляемую СКП с сопутствующим оборудованием от источника 1.1 электропитания.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Исследование сверхпроводящих ключей-перемычек /B.C. Высоцкий, В.Р. Карасик, А.А. Конюхов, В.А. Маликов; труды Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР и "Вопросы прикладной сверхпроводимости. -М.: "Наука″ , 1980, том 121, с.76-82.

2. Мощные тонкопленочные сверхпроводящие коммутаторы. Реф. журнал Электротехника, выпуск 21 И Электрические машины и трансформаторы. - М.: ВИНИТИ, 1990, №4, реферат 4И271.

3. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии.: Учеб. пособие для вузов. - В 2-х кн. Кн.2 (А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин и др.; Под. ред. Б.Л. Алиевского - 2-е изд. перераб. и доп. - М.; Энергоатомиздат, 1993. – 368 с.: Подраздел 9.4 Высокотемпературные сверхпроводящие материалы на с.121-133.

4. Thin film suhtrcondacting power switch /Gattozzi A.L. //Proc. 24th Interoc. Energy Convrs. Eng. Conf., Washington, D.C. Aug. 6-11, 1989. Vol 1. - New York (N.Y), 1989. - с.465-470. (см. Мощные тонкопленочные сверхпроводящие коммутаторы. Реф. журнал ВИНИТИ Электроника, выпуск 21 И Электрические машины и трансформаторы. - М.: 1990, №4, реферат 4И271) - ПРОТОТИП.

5. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии /О.Г. Булатов, А.И. Царенко, В.Д. Поляков. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 200 с.: рис. 2.3 на с.29.

6. Тиристорные генераторы и инверторы. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1982. - 223 с.: рис. 3.1 на с.52 и с.68.

7. Импульсные источники питания /А. Гореславу, А. Бахметьев //СНИР NEWS, 1996, №8-9, с.2-9.: Рис. 2,в на с.2.

8. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. - Л.: Энергоиздат, Ленингр. отделение, 1981. - 160 с.: рис. 4.11 на с.145.

9. Транспортный критический ток гнанулярных высокотемпературных сверхпроводников /Н.А. Боголюбов// "Физика низких температур", 1999. - т.25, №12. - с.1243-1250.

10. Сверхпроводящие магнитные системы /Е.Я. Казовский, В.П. Каруев, В.Н. Шахтарин; Под общ. ред. E.Я. Казовского. - Л.: "Наука", Ленингр. отделение, 1967. – 320 с.: с.192 и 193.

11. High tntrgy density capaciters of spac power conditioning /Rose M.Frank// IEEE Aerospace and Electronic Sienc Magasin. - 1989. - Vol. 4, №11. - с.17-22.

12. Система питания импульсного индуктивного накопителя; патент 2030101 РФ, МКИ⁶ 3/53/ Додотченко В.В., Николаев А.Г.; ВИКИ им. А.Ф. Можайского, №4928143/21, заявл. 16.04.91, опубл. 27.02.95. Бюл. №6.

Изобретение относится к электроэнергетической импульсной технике и касается сверхпроводниковых ключей-перемычек (СКП) из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя (СПИН) преимущественно тороидального типа, предназначенного для питания импульсных нагрузок, например индуктивной нагрузки через промежуточный многокаскадный емкостной генератор (ЕГ). Технический результат изобретения - уменьшение массы и стоимости сверхпроводникового ключа-перемычки с сопутствующим оборудованием за счет уменьшения массы и стоимости его управляющей обмотки и уменьшения потребляемой им мощности от источника электроэнергии. СКП содержит основную обмотку на основе лент из пленок ВТСП, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами с повышенной входной температурой хладоагента с внутренней частью входного и выходного коллекторов хладоагента. А также соосную с основной наружную обмотку из многожильного провода с ВТСП пленками, намотанную на трубчатый каркас с теплоизоляцией и снабженную каналами протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами с пониженной выходной температурой хладоагента с наружной частью входного и выходного коллекторов хладоагента. Основная и управляющая обмотки помещены в криостат. Выводы основной обмотки подключены к выводам обмотки СПИН и выходам его зарядного устройства в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощности. Кроме того, СКП содержит устройство питания управляющей обмотки с емкостным накопителем с коммутирующими управляющими ключами, его двумя разнополярыми зарядными устройствами и два разнополярных двухтактных преобразователя практически неизменного выходного тока, блок управления. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Сверхпроводниковый ключ-перемычка с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, содержащий внутреннюю основную обмотку на основе лент из пленок высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами с входным и выходным коллекторами хладоагента, соосную с основной внешнюю управляющую обмотку из многожильного провода с высокотемпературными сверхпроводниками, намотанного на трубчатый каркас, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, соосные основная и управляющая обмотки с коллекторами хладоагента помещены в криостат с внутренними и наружными стенками, между которыми расположена теплоизоляция и силовые опоры, выводы основной обмотки подключены к вводам обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя преимущественно тороидального типа и к выходам его зарядного устройства, входные выводы которого связаны с шинами источника электропитания, выводы управляющей обмотки через датчик тока подключены к выходам устройства ее питания, причем криорефрижераторная установка связана теплоизолированными трубопроводами с обмоткой сверхпроводникового индуктивного накопителя и снабжена отдельными трубопроводами с выходной температурой хладоагента большей, чем у трубопроводов охлаждения обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя, а управляющие входы и выходы устройства питания управляющей обмотки зарядного устройства сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, криорефрижераторной установки и датчиков тока, напряжения и температуры связаны с соответствующими выходами и входами блока управления, отличающийся тем, что в нем входной и выходной коллекторы хладоагента разделены диаметральной перегородкой, образованной продолжением трубчатого каркаса с теплоизоляцией обмотки управления, на наружную и внутреннюю части, первая из которых связана с теплоизолированными трубопроводами с пониженной температурой хладоагента, а другая - с отдельными трубопроводами с повышенной температурой хладоагента, при этом устройство питания управляющей обмотки включает в себя емкостной накопитель, выводы которого через параллельно включенные прямой и обратный полностью управляемые ключи односторонней проводимости подключены к выводам управляющей обмотки, зашунтированным блокирующими параллельно включенными прямым и обратным полностью управляемыми ключами односторонней проводимости, и два зарядных устройства емкостного накопителя, разнополярные выходы которых через развязывающие диоды или тиристоры связаны с выводами емкостного накопителя, входы зарядных устройств подключены к шинам источника электропитания, а также два преобразователя практически неизменного выходного тока с разнополярными выходами, каждый из которых содержит низковольтную часть в виде мостовой схемы на четырех низковольтных полностью управляемых ключах односторонней проводимости и дозирующий конденсатор в диагонали мостовой схемы, и высоковольтную часть в виде диода, аноды двух управляемых ключей мостовой схемы связаны с одним из выходов преобразователя напряжения источника электропитания, а катоды остальных управляемых ключей мостовой схемы - с катодом высоковольтного диода и через развязывающий тиристор - с одним из выводов управляющей обмотки, другой вывод преобразователя напряжения источника электропитания подключен к аноду высоковольтного диода и к другому выводу обмотки управления.2. Сверхпроводниковый ключ-перемычка с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергий по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения джоулевых потерь энергии в основной обмотке и связанной с этим уменьшением хладопроизводительности криорефрижераторной установки и потребляемой ею мощности при заряде и дозаряде сверхпроводникового индуктивного накопителя, зарядное устройство сверхпроводникового индуктивного накопителя выполнено в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощностью, содержащего регулируемый преобразователь осредненной за период величины выходного напряжения прямоугольной формы с трансформаторным выходом, например инвертора регулируемой частоты, а значит и выходного напряжения, или полумостового преобразователя, выходное прямоугольное напряжение которого регулируется методом широтно-импульсной модуляции, и однотактного двухфазного выпрямителя на двух диодах, вторичная обмотка трансформатора регулируемого преобразователя снабжена отводом от ее средней точки, крайние выводы вторичной обмотки упомянутого трансформатора подключены через диоды однотактного двухфазного выпрямителя к одному из выводов обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя, а другой вывод обмотки последнего связан через развязывающий тиристор с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора регулируемого преобразователя.