Генератор с улучшенной формой выходного напряжения на основе ядерной энергетической установки Российский патент 2021 года по МПК H02M7/497 

I. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области электротехники и ядерной энергетики. Электроснабжение летательных аппаратов осуществляется от генераторов постоянного и переменного тока различной величины напряжения или тока. К качеству электроэнергии генераторов переменного тока предъявляются различные требования. Например, системы обогрева не предъявляют высоких требований к качеству электроэнергии, ряд других устройств предъявляют повышенные требования к качеству электроэнергии. Форма вырабатываемого этими генераторами напряжения должна приближаться к синусоидальной форме, уровень гармоник не должен превышать допустимого значения. Предлагаемое устройство предназначено для генерирования синусоидального напряжения с использованием для этого модулей из электрогенерирующих элементов (ЭГЭ) ядерной энергетической установки. В качестве ЭГЭ могут использоваться термоэлектрические, термоэмиссионные или термо-электрохимические преобразователи, при помощи которых осуществляется преобразование энергии, вырабатываемой ядерной энергетической установкой (ЯЭУ), в электрическую. Одна из таких установок описана в работе [1]. В описываемом генераторе получение выходного напряжения устройства, по форме приближающегося к синусоидальной функции, основано на аппроксимации синусоидальной функции последовательностью из 24 импульсных функций. Используемая в устройстве аппроксимация синусоидальной функции последовательностью из 24 импульсных функций позволяет повысить качество вырабатываемого генератором напряжения, приближающегося по форме к синусоидальной функции времени, уменьшить количество и амплитуды высших гармоник, искажающих синусоидальную форму напряжения, повысить энергетические показатели установки за счет исключения или снижения энергии высших гармоник, понизить требования к фильтрам высших и в результате понизить стоимость генератора.

II. Уровень техники

II.1 Сравнение с предшествующими уровнями техники

В системах энергоснабжения космических аппаратов (КА) в настоящее время для получения высоковольтного постоянного или переменного напряжения применяются преобразователи (инверторы), включающие повышающие трансформаторы, либо электромашинные генераторы. К потребителям высоковольтного напряжения КА относятся электрореактивные двигатели (ЭРД). Для их работы требуется напряжение, достигающее по величине нескольких десятков киловольт. Массогабаритные характеристики устройств, содержащих повышающий трансформатор на ферромагнитном сердечнике, или электромашинные генераторы велики и составляют величины от γ = (3…5) кг/кВт до γ = 30 кг/кВт. Характеристики повышающего трансформатора, используемого в системе энергоснабжения КА приведен в работе [1]. Для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой ядерным реактором, в электрическую энергию используются термоэлектрические, термо-электрохимические (ТЭХГ) и термоэмиссионные преобразователи. В таких преобразователях электрическая энергия вырабатывается отдельными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ). Каждый ЭГЭ вырабатывает электрическую энергию постоянного тока небольшой величины напряжения, порядка 1 В. Для получения напряжения и тока требуемой величины используется последовательно- параллельное соединение ЭГЭ. Для получения требуемой величины постоянного напряжения используется последовательное соединение ЭГЭ, для получения требуемой величины тока используется параллельное соединение ЭГЭ. Для получения требуемой величины постоянного напряжения и тока отдельные ЭГЭ объединяются в модули. В каждом модуле ЭГЭ соединяются параллельно в группы для получения необходимой величины тока, для получения требуемой величины напряжения отдельные ЭГЭ, либо группы с параллельным соединением ЭГЭ, соединяются последовательно. Это показано на рисунке фиг. 1. На рисунке фиг. 1 показано параллельно - последовательное соединение ЭГЭ. Группа из к параллельно соединенных ЭГЭ с током Iэ обеспечивает ток модуля Iм = к⋅Iэ, последовательное соединение р таких групп обеспечивает получение напряжения модуля Uм = р⋅Uэ. В результате модуль МЭ будет иметь номинальные параметры-напряжение Uм и ток Iм.

Фигура 1. Последовательно - параллельное соединение ЭГЭ

Параметры одного ЭГЭ приведены в таблице 1, соответственно опубликованным в работе [1] данным.

Всего в описанном в работе [1] термо-электрохимическом генераторе для получения электрической мощности 30 кВт (или 90 кВт на повышенной частоте) потребовалось 1344 ЭГЭ. При помощи описанного в работе [1] трансформатора напряжение повышалось от 120 В до 3000 В.

Для улучшения массо-габаритных характеристик системы энергоснабжения КА целесообразно получение высокого напряжения переменного тока осуществлять при помощи предлагаемого полупроводникового генератора. Описываемый далее генератор позволяет получить высокое напряжение переменного тока высокого качества в результате объединения отдельных ЭГЭ в модули и коммутации модулей для получения требуемых значений переменных напряжений и токов.

II.2 Цель изобретения.

Целью изобретения является разработка устройства для генерирования переменного напряжения, форма которого наиболее полно приближается к синусоидальной за счет аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций, состоящей из 24 импульсов. Для этого используются модули, содержащие последовательно-параллельное соединение ЭГЭ. При этом первичным источником энергии является ЯЭУ. При помощи ЭГЭ тепловая энергия ЯЭУ преобразуется в электрическую энергию постоянного напряжения, которая затем преобразуется в электрическую энергию переменного напряжения с применением предлагаемого устройства. Преобразование осуществляется с использованием импульсной техники и ключей на полупроводниковых приборах. Вследствие использования импульсной техники и полупроводниковых ключей улучшаются массо-габаритные характеристики устройства. Характерным для предлагаемого генератора является использование последовательности импульсов напряжения одинаковой величины и полярности, количество которых на периоде синусоидальной функции равно 24. Для получения импульсов отрицательной полярности используется коммутатор импульсов.

II. 3. Изобретательский уровень.

Предлагаемое устройство для генерирования переменного высоковольтного напряжения синусоидальной формы с использованием энергии ЯЭУ отличается от устройств, в которых переменное высоковольтное синусоидальное напряжение получается в результате использования инверторов и повышающих трансформаторов, либо с помощью электромашинных генераторов [2, 3] тем, что:

- синусоидальное напряжение генерируется в результате аппроксимации синусоидальной функции выходного напряжения последовательностью 24 импульсных функций;

- импульсные функции напряжения генерируются модулями, каждый из которых содержит последовательно - параллельное соединение ЭГЭ для получения необходимой величины напряжения и тока модуля. Напряжение и ток модуля равны Uм и Iм;

- количество импульсных функций на периоде синусоидальной функции задается блоком управления. Напряжение на выходе генератора формируется совокупностью прямоугольных импульсов напряжения заданной величины и одинаковой длительности TI, повторяющихся с заданной частотой. Число импульсов на периоде T равно n = Т/ТI. Далее принято значение числа импульсов на периоде равном n = 24. Величина напряжения каждого импульса на интервале четверти периода Т/4 кратна величине напряжения одного источника питания (модуля) равного Е1, т.е. Е₂ = 2Е₁, Е₃ = 3Е₁, Е₄ = 4Е₁, Е₅ = 5Е₁, Е₆ = 6Е₁. Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью 24 импульсных функций показана на рисунке фиг. 2;

- амплитудные значения импульсов кратны по отношению к напряжению модуля. Например, если напряжение модуля равно Uм, то при n = 24 амплитуда первого и двенадцатого импульсов принимается равной E₁ = E₁₂ = Uм, амплитуда второго и одиннадцатого импульсов принимается равной E₂ = E₁₁ = 2E₁, Е₃ = Е₁₀ = 3Е₁, E₄ = E₉ = 4E₁, E₅ = E₈ = 5E₁, Е₆ = Е₇ = 6Е₁. Аналогичные соотношения выполняются для импульсов, аппроксимирующих отрицательную полуволну синусоидального напряжения. Кратные значения напряжений импульсов получаются в результате последовательного соединения модулей;

- использование коммутатора импульсов позволяет аппроксимировать положительную и отрицательную полуволны синусоидального напряжения;

- Для подключения источников питания (модулей) к выходным полюсам генератора используется блок коммутации, при помощи которого осуществляется подключение напряжений требуемой величины и полярности к выходу устройства в последовательности, задаваемой блоком управления.

III. Раскрытие сущности изобретения

III.1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций

На рисунке фиг. 2 показана аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций, когда число импульсных функций на периоде синусоидальной функции T равно n = 24.

Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций при n = 24

На фиг. 2 представлен отрезок синусоидальной функции с амплитудой Еm на интервале Т = 0…2π;. Синусоидальная функция на этом интервале аппроксимируется последовательностью n = 24 импульсных функций с кратными значениями амплитуд импульсов. Для показанной на фиг. 2 аппроксимации E₁ = Uм, Ek = kE₁, где k = 2…6, E₁ - амплитудное значение первого импульса, Uм-напряжение одного электрогенерирующего модуля. Для аппроксимации отрицательной полуволны синусоиды амплитуда E₁₃ = E₂₄ = -E₁, амплитуда E₁₄ = E₂₃ = -2E₁, E₁₅ = E₂₂ = -3E₁, E₁₆ = E₂₁ = -4E₁, E₁₇ = E₂₀ = -5E₁, E₁₈ = E₁₉ = -6E₁

Установление значений амплитуд импульсов для случая n = 24

В таблице 2 в соответствии с рисунком фиг. 2 записаны значения амплитуд импульсов для каждого из 1…24 интервалов аппроксимации.

III.2 Структурная схема устройства

Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 3.

Фигура 3 Структурная схема генератора

На рисунке фиг. 3 показаны блоки БУ, БКИ, БКП, БМЭ, входные и выходные полюсы, при помощи которых блоки соединяются между собой и с внешними устройствами. На рисунке изображены следующие блоки устройства:

III.2.1. Блок управления БУ. Блок управления обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов, которые управляют открытием электронных силовых ключей КС1…КС6, расположенных в блоке коммутации БКИ. При помощи управляющих импульсов, генерируемых блоком управления, также осуществляется управление полярностью импульсов на выходе устройства с использованием управляемых ключей К1…К4, расположенных в блоке БКП. Входными полюсами блока являются 6₁ и 6₂;

III.2.2. Блок коммутации импульсов (БКИ). Блок коммутации импульсов (БКИ) обеспечивает подключение постоянных напряжений требуемой величины E₁…Е₆ в заданные блоком управления интервалы времени с требуемой для получения синусоидальной функции полярностью к выходным клеммам блока коммутации 10₁ и 10₂. Постоянные напряжения E1..Е6 поступают от блока питания БМЭ с полюсов 11₁…11₆ и "земля" на управляемые ключи КС1…КС6. Выходными для блока БКИ являются полюсы 10₁ и 10₂, при помощи которых блок подключается к блоку БКП.

III.2.3. Блок коммутации полярности (БКП). Блок обеспечивает положительную или отрицательную полярность выходных импульсов для аппроксимации положительной или отрицательной полуволны синусоиды. Полюсами 10₁ и 10₂ блок подключается к блоку БКИ, выходными полюсами блока являются полюсы 12₁ и 12₂. Эти полюсы являются выходными для устройства в целом.

Управление работой блока осуществляется при помощи управляющих импульсов, поступающих от полюсов 8₁…8₂₄ блока управления БУ. III.2.4. Блок модулей электрических (БМЭ). Блок включает шесть последовательно соединенных электрических модулей МЭ1…МЭ6 с напряжением Uм и номинальным значением тока Iм каждый. Полюс модуля МЭ1 с отрицательной полярностью подключен к "земле", модули МЭ1…МЭ6 между собой соединены полюсами 11₁…11₆, блок БМЭ подключается к блоку коммутации БКИ.

III.3 Блок управления

Блок управления БУ, рисунок фиг. 4, предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности 77. Управляющие импульсы с полюсов 8₁…8₂₄ подаются на управляющие электроды силовых ключей КС1…КС6 блока БКИ и на одноименные электроды блока БКП для управления открытым или закрытым состоянием ключей К1…К4. При помощи ключей К1…К4 формируются импульсы с положительной и отрицательной полярностью. Генератор тактовых импульсов ГТИ (1) формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость. В рассматриваемом устройстве число импульсов на периоде равно n = 24. При помощи электронных ключей КС1…КС6, расположенных в блоке коммутации импульсов БКИ, источники ЭДС E₁…Е₆, генерируемые модулями электропитания МЭ1…МЭ6, подключаются в заданные блоком управления моменты времени к выходным полюсам блока коммутации 10₁ и 10₂. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа КС1….КС6 равна TI. Амплитуды ЭДС импульсов для n = 24 приведены в таблице 2.

Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 4. Фигура 4 Принципиальная схема блока управления

Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов ГТИ (1), логический элемент И (2), счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с выходными полюсами 8₁…8_n. На рисунке фиг. 2 число n = 24. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6₁. По входу 6₂ с использованием регистра 5 осуществляется запись кода числа временных интервалов n = 24. Когда число импульсов на выходе счетчика 3 становится равным числу, записанному в регистр 5 и равному 24, схема сравнения 4 вырабатывает прямоугольный импульс. Этот импульс поступает на второй вход счетчика 3 и обнуляет его. В результате происходит периодический процесс с заданным периодом Т = nТи. В этом выражении Ти - длительность одного импульса, вырабатываемого генератором ГТИ (1).

Выход ГТИ (1) подсоединен к первому входу элемента И (2), второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к входу схемы сравнения 4, выход схемы сравнения соединен с регистром 5. Выход счетчика 3 соединен с входом дешифратора 7. Каждый импульс, поступающий на вход дешифратора 7 от счетчика 3, вызывает появление импульса на очередном выходе дешифратора. Так, первый импульс вызывает появление импульса на первом выходе дешифратора 8₁, второй импульс, поступающий от счетчика 3 на вход дешифратора, вызывает появление прямоугольного импульса на втором выходе 8₂ дешифратора. Этот процесс продолжается до 24 импульса. Импульсы с полюсов 8₁…8₂₄ поступают как на вход блока БКИ, так и на вход блока БКП.

III.4 Блок коммутации импульсов БКИ. Схема БКИ показана на рисунке 5. Фиг. 5 Схема блока коммутации импульсов

При помощи блока коммутации БКИ напряжения E₁…Е₆, генерируемые блоком БМЭ, поступают в соответствующие интервалы времени на выходные полюсы блока 10₁ и 10₂. Напряжение E1 поступает на выходные полюсы блока при замкнутом положении ключа КС1 в первый, двенадцатый, тринадцатый и двадцать четвертый интервалы времени длительностью TI. С полюсов 8₁, 8₁₂, 8₁₃, 8₂₄ блока управления сигналы поступают посредством диодов D₁, D₂, D₃, D₄ на управляющий электрод ключа КС1. Напряжение Е2 поступает на интервале действия второго, одиннадцатого, четырнадцатого и двадцать третьего импульсов на выходные полюсы 10₁ и 10₂ в открытом состоянии ключа КС2. Управление открытым состоянием ключа КС2 осуществляется в результате поступления управляющих сигналов с полюсов 8₂, 8₁₁, 8₁₄, 8₂₃ посредством диодов D₅, D₆, D₇, D₈ на управляющий электрод ключа КС2. Номера управляющих импульсов, поступающих на управляющий электрод ключа, задаются в соответствии с таблицей 2. Из таблицы 2 следует, что напряжение Е₂ будет одинаковым по модулю у второго, одиннадцатого, четырнадцатого и двадцать третьего импульсов. Аналогично производится управление передачей импульсов с амплитудными по модулю значениями напряжений Е₃…Е₆. Эти напряжения также поступают в соответствующие интервалы времени на выходные полюсы 10₁ и 10₂ блока БКИ.

III.5 Блок коммутации полярности импульсов (БКП). Для формирования на выходе генератора последовательности импульсных функций, аппроксимирующей положительную и отрицательную полуволны синусоидальной функции выходного напряжения, используется блок коммутации полярности импульсов. Схема БКП показана на рисунке фиг. 6. На рисунке показана нагрузка генератора с сопротивлением R, которая подключается к выходным полюсам блока 12₁ и 12₂.

Фиг. 6 Схема блока коммутации полярности импульсов БКП

Блок включает ключи K₁…K₄, управление открытым состоянием которых осуществляется в результате подачи управляющих импульсов на управляющие электроды ключей. При поступлении сигнала на управляющий электрод ключа он открывается и пропускает импульс напряжения, снимаемого с входных полюсов 10₁ и 10₂, на выходные полюсы генератора 12₁ и 12₂. Для передачи импульсов с положительной полярностью открываются ключи К₁ и К₃, ключи К₂ и К₄ при этом закрыты. Полюс 101 в этом случае соединяется с полюсом 12₁, а полюс 10₂ соединяется с полюсом 12₂. Для формирования на выходе устройства импульсов с отрицательной полярностью открываются ключи К₂ и К₄, ключи К₁ и К₃ при этом закрыты. Полюс 10₁ в этом случае соединяется с полюсом 12₂, а полюс 10₂ соединяется с полюсом 121. Ключи К₁ и К₃ управляются управляющими импульсами, поступающими с полюсов 8₁…8₁₂ блока управления, через диоды DK₁…DK₁₂. Ключи К₂ и К₄ открываются управляющими импульсами, поступающими с полюсов 8₁₃…8₂₄ блока управления через диоды DK₁₃…DK₂₄. Управляющие сигналы поступают на управляющие электроды ключей.

Графики напряжений U_упр1 и U_упр2, поступающих на управляющие электроды ключей, показаны на рисунке фиг. 7.

Фиг. 7 Графики управляющих напряжений

На рисунке фиг. 7 амплитуды управляющих импульсов приняты равными 1 и 0.

III.6 Блок модулей электропитания МЭ

Блок модулей электропитания (БМЭ) состоит из модулей МЭ₁…МЭ₆, включенных последовательно. Каждый модуль состоит из последовательно-параллельно соединенных элементов электропитания ЭГЭ, как это показано на рисунке фиг. 1. Каждый модуль характеризуется напряжением модуля Um и номинальным током модуля Iм. Полюс модуля МЭ₁ с отрицательной полярностью подключен к клемме "земля", общей для всего устройства. С положительного полюса модуля МЭ₁ посредством полюса 11₁ напряжение E₁ = Uм поступает на вход блока коммутации импульсов БКИ. Этот полюс также соединен с отрицательным полюсом модуля МЭ₂. Напряжение E₂ = 2E₁ с полюса 11₂ поступает на вход блока БКИ, как показано на рисунке фиг. 5. Аналогично соединяются остальные модули МЭ₂…МЭ₆ блока БМЭ.

Принципиальная схема блока модулей электропитания БМЭ показана на рисунке фиг. 8.

Фиг. 8 Принципиальная схема блока БМЭ

IV. Краткое описание чертежей

Фиг. 1 Последовательно-параллельное соединение ЭГЭ

Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций при n = 24

Фиг. 3 Структурная схема гененратора

Фиг. 4 Принципиальная схема блока управления

Фиг. 5 Принципиальная схема блока коммутации импульсов БКИ

Фиг. 6 Схема блока коммутации полярности импульсов БКП

Фиг. 7 Графики управляющих напряжений

Фиг. 8 Принципиальная схема блока БМЭ

V. Осуществление изобретения

Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 62 записан код числа временных интервалов п. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 61 логического элемента И (2). После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И (2) начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i = 1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока коммутации посредством одного из полюсов 8i, i = 1…n, который подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей KС₁…KС₆. Подключение осуществляется через один из диодов.

Для ключа KC₁ это диоды D₁…D₄, для ключа KС₂ это диоды D₅…D₈. Для ключа KС₃ это диоды D₉…D₁₂. Для ключа КС₄ это диоды D₁₃…D₁₆. Для ключа КС₅ это диоды D₁₇…D₂₀. Для ключа КС₆ это диоды D₂₁…D₂₄. Так, управляющий импульс с полюса 8₁ в первый интервал времени поступает на диод D1 и затем на управляющий электрод ключа КС₁. На этот же управляющий электрод в двенадцатый интервал времени с полюса 8₁₂ поступает управляющий импульс через диод D₂, в тринадцатый интервал времени с полюса 8₁₃ через диод D₃ и в двадцать четвертый интервал времени с полюса 8₂₄ через диод D₄. При поступлении на управляющий электрод сигнала ключ КC₁ открывается и пропускает напряжение E1, которое поступает с полюса 11₁ блока БКИ. Аналогично осуществляется открытие ключа КС2 при поступлении управляющего импульса во второй временной интервал с полюса 8₂ через диод D₅, в одиннадцатый временной интервал импульс поступает с полюса 8₃ через диод D₆, в четырнадцатый временной интервал с полюса 8₆ через диод D₇, в двадцать третий временной интервал с полюса 8₈ через диод D₈. При открытом ключе КС₂ напряжение Е₂ передается с полюса 11₂ на выход блока устройства. Управление открытым состоянием ключей КС₃…КС₆ и передача импульсов с напряжениями Е₃…Е₆ от блока БМЭ к полюсам 10₁, 10₂ блока БКИ осуществляется аналогично.

Посредством ключей К₁, К₃ или К₂, К₄ напряжения с полюсов 10₁, 10₂ передаются на выходные полюсы генератора 12₁ и 12₂, либо непосредственно, либо инверсно. Ключи К₁ и К₃ одновременно либо включены, либо выключены. Во включенном или выключенном состоянии они находятся в течение интервала времени равном Т/2. Пи непосредственной передаче импульсов управление осуществляется в результате подачи управляющих импульсов с полюсов 8₁…8₁₂ блока управления через диоды DK₁…DK₁₂ на управляющие электроды ключей К₁ и К₃. Аналогично работают ключи К₂ и К₄. Когда пара ключей К₁ и К₃ находится во включенном состоянии, пара ключей К₂ и К₄ находится в выключенном состоянии и наоборот. Управление открытым или закрытым состоянием ключей К₂ и К₄ осуществляется в результате подачи управляющих импульсов с полюсов 8₁₃…8₂₄ посредством диодов DK₁₃…DK₂₄ на управляющие электроды ключей К₂ и К₄. Зависимость от времени на периоде Т управляющих импульсов U_упр1, которые поступают на управляющие электроды ключей К₁ и К₃, и управляющих импульсов U_упр2, которые поступают на управляющие электроды ключей К₂ и К₄, показана на рисунке фиг. 7. Управляющие импульсы поступают со сдвигом на интервал времени Т/2. Это позволяет сформировать на выходных полюсах 12₁ и 12₂ полуволны с положительными и отрицательными значениями, которые аппроксимируют синусоидальную функцию выходного напряжения.

VI. Литература

1. Синявский В.В. Научно- технический задел по ядерному электроракетному МБ «ГЕРКУЛЕС» // КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИ № 3/2013

2. Смирнов И.А., Морозов В.И., Дерягин Ю.А., Середников М.Н., Дубовицкий А.В. Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии Патент RU 586797 С1 Опубликовано: 2016.06.10

3. Морозов В.И., Середников М.Н., Негрецкий Б. Ф. Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии Патент RU2 716766 Опубликовано: 2020.03.16

4. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Патент 2671539 от 01.11.2018

5. Гаврилов Л.П. Генератор синусоидального напряжения на основе ядерной энергетической установки Патент №2735021 от 01 июня 2020

6. Гаврилов Л.П. Генератор синусоидального напряжения с синтезатором импульсов разной полярности на основе ЯЭУ Патент №2734725 от 01 июня 2020

Изобретение относится к области электротехники и ядерной энергетики и предназначено для генерирования переменной синусоидальной ЭДС при помощи модулей с последовательно-параллельным соединением электрогенерирующих элементов (ЭГЭ), преобразующих тепловую энергию ядерной энергетической установки космического аппарата (КА) в энергию электрического тока постоянного напряжения. Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в создании генератора переменного напряжения с улучшенной формой выходного напряжения на основе ядерной энергетической установки. Улучшенная форма выходного напряжения генератора достигается в результате аппроксимации синусоидальной функции выходного напряжения последовательностью импульсных функций, число которых на периоде синусоидальной функции принято равным 24. Генератор может использоваться для питания устройств КА без использования инверторов и аккумуляторных батарей либо электромашинных преобразователей. В устройстве можно выделить следующие функциональные блоки: 1. Блок управления, который обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т поочередную подачу управляющих импульсов, которые управляют открытием электронных ключей, расположенных в блоке коммутации; 2. Блок коммутации импульсов, который обеспечивает подключение к выходным клеммам блока коммутации источников постоянного напряжения, генерируемых блоком модулей электропитания (БМЭ), генерирование последовательности импульсов требуемой амплитуды. В генераторе получение выходного напряжения, по форме приближающегося к синусоидальной функции, основано на аппроксимации синусоидальной функции последовательностью из 24 импульсных функций. Используемая в устройстве аппроксимация синусоидальной функции последовательностью из 24 импульсных функций позволяет повысить качество вырабатываемого генератором напряжения, приближающегося по форме к синусоидальной функции времени, уменьшить количество и амплитуды высших гармоник, искажающих синусоидальную форму напряжения, повысить энергетические показатели установки за счет исключения или снижения энергии высших гармоник, понизить требования к фильтрам высших гармоник и в результате понизить стоимость генератора. 8 ил., 2 табл.

Генератор с улучшенной формой выходного напряжения на основе ядерной энергетической установки содержит блок управления БУ, блок коммутации импульсов (БКИ), блок коммутации полярности импульсов (БКП), блок модулей электрических (БМЭ), блок управления БУ состоит из генератора тактовых импульсов ГТИ (1), элемента И (2), счетчика (3), схемы сравнения (4), регистра (5), кнопки запуска (6₁), дешифратора (7), входа устройства (6₂), предназначенного для установки на регистре кода числа импульсов, выход ГТИ (1) подсоединен к первому входу элемента И (2), ко второму входу элемента И (2) подключена кнопка запуска (6₁), выход элемента И (2) подсоединен к первому входу счетчика (3), выход которого подсоединен к входу дешифратора (7) и к первому входу схемы сравнения (4), выход схемы сравнения (4) соединен со вторым входом счетчика (3), ко второму входу схемы сравнения (4) подсоединен регистр (5) по входу (6₂) которого заносится число временных интервалов на периоде Т, выходным для блока управления является i-ый выход (i = 1,…, n) дешифратора 7 с полюсами 8i (i = 1,…, n), отличающийся тем, что:

- БКИ полюсами 8₁…8_n соединен с блоком управления БУ, генерируемые блоком управления прямоугольные импульсы с полюсов 8₁…8_n поступают на управляющие электроды полупроводниковых ключей (КС1…КС6) блока БКИ посредством диодов D₁…D₂₄, полюсами 11₁…11₆ блок БКИ подключается к БМЭ, состоящему из модулей электропитания (МЭ₁…МЭ₆), источник напряжения (E₁) блока БМЭ на время действия импульса TI посредством полюса 11₁ подключается к управляемому ключу КС1 и при открытом состоянии ключа напряжение E₁ передается на полюс 10₁, который является выходным для этого блока, источник напряжения Е₂ посредством полюса 11₂ подключается к управляемому ключу КС2, и при открытом состоянии ключа напряжение передается на полюс 10₁, источник напряжения Е₃ подключается к управляемому ключу КС3 и при открытом состоянии ключа передается на полюс 10₁, источник напряжения Е₄ подключается к управляемому ключу КС4 и при открытом состоянии ключа напряжение передается на полюс 10₁, источник напряжения Е₅ подключается к управляемому ключу КС5 и при открытом состоянии ключа напряжение передается на полюс 10₁, источник напряжения Е₆ подключается к управляемому ключу КС6 и при открытом состоянии ключа напряжение передается на полюс 10₁, полюс "земля" блока БМЭ соединяется с полюсом 10₂ БКИ, этот полюс является выходным для всего устройства, сформированная БКИ последовательность импульсов положительной полярности поступает через полюсы 10₁ и 10₂ на вход БКП, посредством ключей К₁, К₃ или К₂, К₄ напряжения с полюсов 10₁, 10₂ передаются либо непосредственно на выходные полюсы генератора 12₁ и 12₂, либо инверсно, при инверсном соединении ключи К₂, К₄ открыты, полюс 10₁ соединяется с полюсом 12₂, а полюс 10₂ соединяется с полюсом 12₁, при открытом состоянии ключей К₁, К₃ полюс 10₁ соединяется с полюсом 12₁, а полюс 10₂ соединяется с полюсом 12₂, ключи К₁ и К₃ одновременно либо включены, либо выключены, управление осуществляется в результате подачи управляющих импульсов с полюсов 8₁…8₁₂ блока управления через диоды DK₁…DK₁₂ на управляющие электроды ключей К₁ и К₃, ключи К₁ и К₃ одновременно либо включены, либо выключены, управление открытым или закрытым состоянием ключей К₂ и К₄ осуществляется в результате подачи управляющих импульсов с полюсов 8₁₃…8₂₄ посредством диодов DK₁₃…DK₂₄ на управляющие электроды ключей К₂ и К₄, напряжения E₁…Е₆ поступают от модулей МЭ₁, МЭ₂, МЭ₃, МЭ₄, МЭ₅, МЭ₆, которые между собой включены последовательно так, что полюс модуля МЭ₁ с отрицательной полярностью подключен к клемме "земля", общей для всего устройства, с положительного полюса модуля МЭ₁ посредством полюса 11₁ напряжение E₁ поступает на вход блока коммутации импульсов БКИ, этот полюс также соединен с отрицательным полюсом модуля МЭ₂, напряжение E₂ = 2E₁ с полюса 11₂ поступает на вход блока БКИ, аналогично модулю МЭ₁ соединяются модули МЭ₂…МЭ₆ блока БМЭ.