Индуктивный накопитель энергии Советский патент 1983 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к электро технике, в частности к устройствам накопления и передачи энергии, используемым для генерации сильных магнитных полей в термоядерных уста новках типа 0 -пинч или Токамак. Известны устройства для передачи электррмагнитной энергии, содержащи секционированную накопительную катушку, источник тока, размыкатели и нагрузочную катушку с замыкателями 1 .. В этом устройстве размыкатели включены между секциями накопительной катушки, а замыкатели присоединены одной клеммой к выводам каждой секции, а другой - к выводу нагрузк Однако в таких устройствах передача энергии производится -при синхронном срабатывании размыкателей и замыкателей после зарядки накопительной катушки от источника тока. Максимальный коэффициент передачи энергии при этим достигает всего лишь 0,25. Кроме того при отсутстви индуктивной связи между секциями накопительной катушки удельная энергоемкость накопителя значительно ниже оптимальной за счет уменьше ний полной индуктивности накопитель ной катушки при разделении длинного соленоида (или тора на отдельные катушки. Наиболее близким к предлагаемом по технической сущности является индуктивный накопитель с трансформаторной СВЯЗЬЮ- В этом накопителе первичная обмотка, подсоединенная к.источнику тока через выключатель, располагается снаружи вторичной обмотки. К одному из выводов вторичной обмотки через замыкатель подсоединена нагрузка, а второй вывод присоединен к другому выводу нагруз ки.. Накопитель работает следующим об разом. Ток от источника питания про текает по первичной обмотке. При заданном значении тока выключатель начинает прерывать ток первичной обмотки,а замыкатель включает нагру . ку в цель вторичной обмотки. Ток первичной обмотки убывает, а во вторичной обмотке и в нагрузке при этом индуцируется импульс тока С2. Однако и в данном случае максимал ный КПД передачи энергии тйкже составляет всего 0,25. Целью изобретения является увеличение КПД передачи энергии при сохранении оптимальной удельной энергоемкости накопителя. Указанная цельдостигается тем, что в индуктивном накопителе энергии, содержащем первичную обмотку,подсоединенную к.генератору тока через выключатель, и вторичную обмотку,к одному из выводов которой через замыкатель присоединена индуктивная нагрузка, вторичная обмотка разделена на N секций., у каждой из которых один из выводов подсоединен через один из N замыкателей первой группы к первому выводу индуктивной нагрузки, второй вывод которой через один из (М замыкателей второй группы присоединен к другим выводам секций, соединенным одним из N размыкателей с. первым выводом индуктивной нагрузки, причем секции расположены внутри первичной обмотки, а длина каждой из секций равна длине первичной обмотки. Каждая из секций в поперечном сечении имеет вид сектора с углом раствора 2J//Nи с радиусом, равным радиусу внутренней окружности первичной обмотки, где N - целое число На фиг.Ч представлена принципиальная схема индуктивного накопителя энергии; на фиг.2 - накопительная катушка, поперечный разрез. Первичная обмотка 1 () через выключатель 2 соединена с генератором. тока 3. Секции - 4 | вторичной обмотки через замыкатели 5 -,- 5 ервой группы присоединены к одному из выводов индуктивной нагрузки 6. Второй вывод индуктивной нагрузки присоединен через замыкатели 7-,- 7 второй группы к другим выводам секций, которые, в свбю очередь, соединены размыкателями 8 - 8pj с первым выводом индуктивной нагрузки..Управление коммутаторами позволяет осуществить последовательное во времени подклочение секций - tj вторичной обмотки к индуктивной нагрузке 6.N- целое число. Устройство работает следующим образом. Генератор тока 3 возбуждает ток JQ в первичной обмотке 1. При этом происходит Накопление энергии в ма1-нитном поле накопителя. После достижения задаИного значения тока 5i 5м включают замыкатели и прерывеют ток. выключателем 1, запирая 3 . магнитное поле в объеме секций При этом в секциях ,- 4, наводятся токи, протекающие через размыкатели 8f. В еличина токов зависит от соотношения числа витков первичной обмотки 1 и числа витков каждой сек ции k -.вторичной-обмотки. После этого включается замыкат.ель 7 и пре в размыкателе 8 Ток рывается .3- секции ч пер.еключается в индуктивную йагрузку 6. Аналогичным образом производят подключение секции 2, 2 т.д. последовательно во времени. При подключении каждой следующей секции к (.к 4N)Ha ее выводах возникает ЗДС и ток в ней убывает на величину DQ -Л . Так как в качестве эффективной нагрузки для каждой подключаемой секции из +р можно рассматривать цепочку параллельно соединенных секций k, 2 индуктивную нагрузку 6 (а индуктивность такой цепочки мала по сравнению с , то энергия, рас.сеиваемая в размыкателе 8, также мала. Одновременно в секциях t, А,.. ;.j ток также убывает на вег ицину ъ, Поскольку индуктивности секции равны а. все секции находятся под одинаковым ротенциалом при. подключении к .индуктивной нагруз-ке 6. Следовательно, в подключенных секциях энергия убывает. В силу закона сохранения энергии эта энергия без рассеяния передается в индуктивную нагрузку 6. Таким образом малые потери при коммутации секции t (,... N) и бёздиссипативная передача энергии .из ранее подключе;нных секций в индуктивнунз нагрузку Л обуславливают высокий КПД предлагаемого устройст ва, достигающий при N 1 величины 0,65. .Точный расчет показывает,, что уже при числе секций вторичной обмотки N 6КПД передачи энергии достигает 0,5, т.е. увеличивается вдвое по от ношению к КПД, реализуемом в извест иых устройствах. Требование к отсут ствию индуктивной связи между подклю чаемыми секциями накопителя в данно конструкции накопителя удовлетворяется расположением обмоток накопительной катушки, приведенном, напри мер, .на фиг.2. Каждая секция 4.- k вторичной обмотки имеет длину, равну 1 2 длине, первичной обмотки. 1, и установлена в несущем каркасе9, выполненном из изоляционного материала. Сверху размещена первичная обмотка 1, изолированная от вторичной обмотки изоляционными прокладками 10. Выводы вторичной обмотки размещены между витками первичной обмотки 1 при торсидальной первичной обмотке или по ее. краям (при соленоидальной первич-i ной обмотке). В данном примере поперечное сечение каждой секции k - мвторичной обмотки представляет собой сектор круга с .углом раствора if и радиусом,равным внутреннему радиусу первичной обмоткий 1.Такая конфигурация обеспечивает равное активное сопротивление секци вторичной обмотки при наименьшей суммарной длине намоточной шиныJ а следовательно, имеет малые потери энергии на нагрев. Если же потери на нагрев за времена передачи энергии неаначительны по сравнению с запасенной энергией то форма поперечного сечения AI . вторичной обмотки моиет быть другая. ВЭжно лишь, чтобы намотка каждой секции k, охватывала свою часть магнитного потока первичной обмотки 1, т.е. не была связана с другими секциями вторичной ., обмотки по магнитному полю т.е. не обладала взаимной (индуктивностью с другими секциями). При создании крупных энергоисточни ков на базе индуктивных накопителей, предназначенных для питания индуктивных нагрузок, целесообразно накопительную катушку выполнять из модулей, подобных изображенным на фиг,2, с последующей сборкой модулей в тороидальную систему.В этом случае участки первичной обмотки соединяются по следовательно, а участки секций вто- ричной оПмотки, расположенных тично по азимуту (по углуо, соединяются параллельно.Индуктивный Накопитель энергии в совокупности с описанием конструкцией обмоток накопительной -катушки поз во- ляет более чем в два раза увеличить эффективность передачи энергии а индуктивную нагрузку п(5и сохранении габаритов устройства вследствие резкого уменьшения коммутационных потерь и бездиссипативной передачи

.большей части энергии. Значительное уменьшении энергии, рассеиваемой в размыкателях при последовательном подключении секций вторичной обмотки к индуктивной нагрузке, позволяет при облегчении конструкции увеличить надежность срабатывания.

Применение предлагаемого устройства сделает возможным без увеличения энергоснабжения и при незначительном увеличении капитальных затрат вдвое увеличить энергию магнитного поля в камерах крупных термоядерных установок типа Токамак.

1. ИНДУКТИВНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ, содержащий первичную обмотку, подсоединенную к генератору тока через выключатель, и вторичную обмотку, к Ьд ному из выводов которой через замыкатель присоединена индуктивная нагрузка, отличающ и и тем, что,с целью увеличения КПД передачи энергии при сохранении оптимальной удельной энергоемкости накопителя, вторичная обмотка разделена на N секций, у каждой из которых один из выводов подсоединен через один из N замыкателей первой группы к первому выводу индуктивной нагрузки, второй вывод которой через один из N замыкателей второй группы присоединен к другим выводам секций, соединенным одним из М размыкателей с первым выводом индуктивной разрузки, причем секции расположены внутри первичной обмотки, а длина каждой из секций равна длине первичной обмотки. 2. Накопитель по п.1, о т л и ч аi ю щ и и с я тем, что каждая из сек(Л ций в поперечном сечении имеет вид сектора круга с углом раствора ZJT/N и с радиусом, равным радиусу внутренней окружности первичной обмотки, .где N- целое число. 1C со 4 О Is2