Преобразователь переменного тока в постоянный Советский патент 1983 года по МПК H02M7/02 H01L49/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может применятьс в источниках питания в качестве выпрямительного устройства. Известны устройства для вьшрямле ния Переменного тока с помощью элек тронно-вакуумных ламп (кенотронов), газотронов, ртутных ламп, твердотел ных полупроводников, электроконтакт ных элементов, в основе, которых лежит использование вентильных эффе стов различной физической природы в специальном рабочем элементе, включаемом в цепь выпрямляемого тока, в результате чего осуществляется разделение -.тока на прямую и обратную составляющие Clj. Недостаткс1ми устройств являются малая надежность, характерная прежд всего для электроконтактных устройств и сравнительная слаботочность,что накладывает труднопреодолимые огран чения на величину рабочего тока. Наиболее близким техническим реш нием к изобретению является преобра зователь переменного тока.в постоян ный, выполненный на основе полупроводникового вентильного элемента (диода).. С2 J. Этот преобразователь хотя и обеспечивает высокую надежность и допускает существенно более высокие плотности тока, тем не менее ограни чен суммарными токовыми нагрузками порядка 200 - 500 А (на единичный элемент), и при использовании в сил ;ноточных ( с уровнем токов 1000-:. 10000 А) системах должен комплектоваться в. громоздкие блоки, что приводит к ухудшению массогабаритных показателей и повБвиает стоимость Оборудования. Цель изобретения - улучшение массога-баритных ц стоимостных показа . тел ей путем получения высокой плот-«ности тока. Эта цель достигается тем, что в преобразователе перетленного тока в, постоянный, содержащем вентильный элемент/ указанный элемент выпсотнен в виде гиперпроводящей, преимущественно из высокочистого алюминия, пластины с общим торцовым контактом со стороны подключения источника переменного тока и раздельными, разнесенными к боковым граням, токосъемами выпрямленного тока, соответству нвдими положительной и отрицательной полуволнам переменного тока, при этсм пластина расположена в магнитном поле электромагнита, ось которого перпендикулярна к плоскости плас:тины и проходит через ось ее симметрии, а направление тока в обмотке возбуждения электромагнита синфазно переменному току. На фиг. 1 представлена схема уст.ройства с диаграммами, поясняющими его работу; на фиг. 2 и 3 - пояснение механизма возникновения эффекта полу чения высокой платности тока. Преобразователь (фиг. 1) содержит обмотку 1 электромагнита, его сердечник 2 с конусным 1полюсным наконечником. Ось электромагнита пер пендикулярна. к плоскости, пластины 3, охваченной криостатом 4 i К торцовому контакту 5 подключен источник 6 переменного (генератор) .К токосъе:йам 7 и 8 подключены нагрузки 3 и 1б, питаемые постоянным током разной полярности. Ток в обмотке возбуждения электромагнита возбуждается от источника 11 (генератора), и направление этого тока синфазко направлению тока от источника 6. В основу работы устройства положен эффект S-образного шнурования тока в гиперпроводнике, помещенном в сильное эффективное неоднородное нарастающее-спадаквдее по величине поперечное магнитное поле, причем так, что на участке нарастания поля линии тока смецаются перпендикулярно полю к одной из боковых граней проводника, а на участке спадания к противоположной. Для иллюстрации этого эффекта на фиг. 2 представлена диагрг1мма распределения дрейфовой состабляющей плотности тока по сече11ИЮ образца высокочистого (гиперпроврдящего) алюминия при ,2 К с относительным сопротивлением у ,2«1900Q нор ально направлению магнитного поля Н напряженностью до 47 кЭ при уровне неоднородности поля 0,8%/см. Процесс стягивания тока в шнур усиливается при увеличении неоднородности магнитного поля и повышении величины эффективного- поля, т.е. произведения Напряженности фактического магнитного поля на коэффициент снижения электросопротивления гиперпроводников по сравнению с обычным уровнем. Облегчается он также в так называемых нескомпенсированных металлах (с неравными электронными и дырочными объемами) и металлах, имиосцих. зам|Кнутую поверхность Ферми, примером КОТОРЫХ являются алюминий и индий. На транспортный ток в пластине 3, помещенной в поперечное магнитное поле, действует сила Лоренца (Ампера), в результате, чего в ней возникает перпендикулярная этому току и полю от электромагнита ЭДС Холла и, соответственно, ток Холла. В неоднородном магнитном поле ЭДС Холла также неоднородна, а силу чего вдоль проводника, в обе стороны от центра магнитного поля, возникают уравнительные токи Холла, также отклоняемые силой Лоренца, в результате чего образуются два симметрично расположенных вихря тока Холла с противоположным вращением. В металле с малым сопротивлением, примером которого является высокорчистый алюминий при температуре жидкого гелия Чего сопротивление ниже, чем у обычных проводников, в 10000 - 20000 раз), и в поле с большой индукцией тока Холла велик и сравним с транспортнь током, и их алгебраическое суммирование дает эффект воз-никновения S-образного шнура транспортного тока. При изменении направления магнитного поля шнур TOka зеркально отображается, что и положено в основу работы устройства (фиг. 3). Это позволяет реализовать эффект выпрямления переменного (по. направлению) тока путем синхронизации изменения направлений тока в гиперпроводящей пластине, выполняющей в данном случа роль своеобразного электрического ве тиля или, что точнее, электрического разделителя-сепаратора, и в управляю щей обмотке возбуждения электромагни та. Выделение прямой и обратной составляющих тока может быть обеспечено например,трехэлектродной контактной системой, состоящей из одного Общего (по всему торцу) контакта 5 и двух ргъзнесенных к бокам с противоположной стороны пластины контактов - токосъемов 7 и 8 выпрямленных то,ков, ; выделяемых в соответствующих нагрузках . На фиг. 1 диаграммы токов в основаных элементах устройства (ген.ераторе 6 рабочего тока, генераторе 11 питания обмотки электромагни та, цепях нагрузок 9 и 10). Очевидно что электромагнит может запитываться и из основной рабочей цепи, а также могут использоваться любые другие способы. .. . Предпочтительным материале выпр мительного элемента является высокочистый алгалиний, в частности промьаиЛеино выпускаемый алюминий особой истоты А999 ГОСТ 11069-74 ТУ 48-5-24-72 чистотой 99,999%, электросопротивление которого при охлаждении до температуры жидкого гелия Т ,2 К снижается до р4, Ом-см, что более чем в 7000 раз ниже обычного уровня (практически отмечаются, значения 293/р4 , 2 7000-20000) . Необходимое для создания эффекта шнурования тока сильное магнитное,поле олжно иметь порядок 10-30 к Э(этому соответствует известное физическое условиеwT l,где со- циклотронная частота; Т- время бесстолкновительного движения электрона). В случае алюминия желательная неоднородность магнитного поля должна быть не менее 1% на 1 см длины. Pro легко достигается особенно за счет подбора соответствующей конфигурации сердечника магнита, прежде всего его полюсных наконечников. Ширина гиперпроврдящей выпрямительной пластины должна быть существенна больше длины свободного пробега электронов. В частности можно рекомендовать следущие размерал: ширина 5 мм, длина 25 мм, толщина 0,5 мм. Малые размеры выпрямительного элемента облегчает его криостатирование йри уровнях температур жидкого гелияили водорода (неона), наиболее целесообразных для п.рактики. Этим определяется и компактность устройства в целом и небольшие затраты энергии на его работу. В то же время выпрямляемые токи могут быть крайне велики на уровне килоампер, при устойчиво поддерживаемых плотностях (1-5 кДУмм).. Основные области применения подобного выпрямителя .- сильноточные цепи и прежде всего гиперпроводяцие .и Сверхпроводящие системы. Отсутствие изнашиваквдихся или стареющих элементов определяет его высокую .надежность. Дополнительные достоинства - простота технического выполнения и слабая чувствительность к внешним воздействиям. Коэффициент выпрямления составляет 0,95.

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГ ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ, содержащий вентильный элемент, отлкчаюци с я тем, что, с целью улучшения мас .. ..а 7 согабарнтных и стоимостных показателей путем получения высокой плотности тока, вентильный элемент выполнен IB виде гиперпроводящей, преимущест- , венно из высокочистого алюминия, пластины с общим торцовым контактом со стороны подключения источника переменного тока и раздельньв«и, раз не- , сенными к боковым граням, токосъемами выпрямленного тока, соответствующими положительной и отрицательной полуволнам переменного тока, при зтом пластина расположена в магнитнем поле электромагнита, ось которого перпендикулярна к плоскости пластины и проходит через ось ее симметрии, а направление тока в обмотке возбуждения электромагнита синфазно переменному току.

W 2JI

а.о

и.в

Ф1Л.2

©Г