Устройство для передачи магнитной энергии Советский патент 1979 года по МПК H01F21/12 

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам для передачи магнитной энергии из катушки индуктивносги в сопротивление нагрузки. Оно находит применение в электротехнике, а именно в областях, где используют устройства, содержащие накопительные катушки (например, для создания магнитньгх полей), накапливающие значительную энергию, которую желательно было бы выделить с возможно лучшим КПД.

В Известных устройствах для передач энергии , если через индуктивность величины L протекает ток г, то магнитная энергия, накапливаемая в этой катушке,

, а магнитный поток Ф Ы.

Эту индуктивность подключают при помощи выключателя к другой индуктивности, прИ этом величину ее для -простоты берут равной первой. Так как поток остается неизменным, то после замыкания выключателя в каждой из индуктивностей поток равен Li/2, а накопленная магнитная энергия Li. В этих условиях передача маг8

нитной энергии от первой индуктивности к второй осуществляется с КПД 25%. Эти

устройства для передачи применяют в основном в лабораторных услов-иях из-за простоты, но их нельзя применять в цепях, в которых магнитная энергия достигает значительной величины, так как их низкий КПД приводит к слишком большим потерям энергии.

Цель изобретения - повышение КПД передачи магнитной энергии. Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве, содержащем накопительную и нагрузочную обмотки, отводы которых соединены коммутирующими элементами, одна из обмоток выполнена из нескольких индуктивно связан.ных частей с отводами от каждой части, соединенными последовательно, с возможностью последовательного переключения коммутирующих элементов с отводами другой обмотки, например накопительной.

Кроме того, индуктивное сопротивление одной из обмоток имеет постоянную величину, а индуктивное сопротивление каждой из частей другой обмотки имеет величину

r.(p-l)

L,L

части,

номер

где р - порядковый l P ft-1;

я - количество частей. Коммутирующие элементы снабжены трансформатором с коэффициентом трансформации

-

k 1/ i +„ /

- У 1г ё-27Г

где q - целое число, .

На фиг. 1 показана принципиальная схема передачи энергии от переменной индуктивности к постоянной индуктивности; на фиг. 2 - схема цепи по первому варианту, где средствами коммутации являются выключатели; на фиг. 3 - схема цепи по второму варианту, который отличается от предыдущего расположением выключателей; на фиг. 4 - схема варианта устройства, в котором используется промежуточная индуктивность; па фиг. 5 представлен вариант устройства, в котором обе индукти-вности изменяются одновременно; на фиг. 6 прив едена принципиальная схема передачи между двумя Постоянными индуктивностями, соединенными при помощи трансформатора с переменным коэффициентом трансформации; на фиг. 7 показан вариант устройства, в котором трансформатор имеет переменные первичную и вторичную обмотки; па фиг. 8 дано общее изменение тока во вспомогательной цепи для передачи между переменной и постоянной индуктивности; на фиг. 9 показано изменение токов для передачи между двумя постоянными индуктивностями, соединенными при помощи трансформатора с переменным коэффициентом трансформации; на фиг. 10 представлено симметричное устройство, в котором передающая индуктивность состоит из двух симметричных частей; на фиг. 11 приведено изменение токов в двух вспомогательных цепях в случае сим.метричной схемы; на фиг. 12 дана схема устройства с равномерной передачей энергии, содержащего два симметричных трансформатора.

Устройство содержит (фиг. 1) две идеальные индуктивности 1 и 2, величины которых равны соответственно L и Lg, имеющие нулевое внутреннее сопротивление, по ним протекают токи соответственно /i и iz; В генераторной схеме 3 протекает ток ZG; соединительное устройство 4, нейтральное с энергетической точки зрения (индуктивность, емкость и сопротивление нулевое) обеспечивает между тремя токами гс, i, iz линейное соотнощение вида

io ii+ i Пользуясь этой формулой, можно изучить обмен энергией между тремя элементами LI, LZ и генераторпой схемой 3. Предположим, что коэффициенты аир постоянны. Магнитная энергия, накопленная в каждой из ипдуктивностей, равна WT(-

Для эта энергия составляет всего одну сотую от полной энергии WT, для по первому варианту (фиг. 2) составляет 757о, тогда как теоретический КПД согласно второму варианту изобретения равен 100%.

Рассмотрим устройство в случае, когда индуктивности, между которыми осуществляется передача энергии, соединены при помощи системы коммутации, и в случае, когда индуктивности являются постоянными и соединены при помощи трансформатора с переменным коэффициентом трансформации. На фиг. 7 представлена принципиальная схема передачи эпергии для конкретного расположения постоянной индуктивности 1 величины LZ и переменной индуктивности 2 величиной Lt. В этой схеме индуктивность 2 связана полной взаимной индукцией с вспомогательной схемой 3, в которой протекает ток IG. Цепь 3 может сОДержать или не содержать реактивный элемент типа конденсатора. Передача эпергии осуществляется при помощи средства, схематически представляющего собой переключатель, который последовательно справа .налево замыкает -индуктивность 2, причем стрелка указывает направление движения. Заштрихованный участок представляет собой часть индуктивности 2, которую за-мыкают. Изменение магнитного потока компенсирует изменение потока в цепи 3 так, что, когда ток (с становится равным нулю, ток через короткозамкнутые витки также равен нулю и можно переходить к следующему контакту. В устройстве, показанном на фиг. 1, конечное состояние характеризуется тем, что магнитная энергия локализована в одной индуктивности 1.

На фиг. 1 элементом коммутации является переключатель, но для преобразований цепи можно также использовать множество выключателей (фиг. 2, 3 и 4).

На фиг. 2 индуктивность 4 состоит из одной обмотки, а индуктивность 5 образовапа совокупностью из п частных ипдуктивностей величины LP, соединенных последовательно и полностью связанных взаимной индукцией, причем р измепяется от 1 до п включительно. Каждая частная индуктивность соедипепа с двумя выключателями 6i и 62, 6з, ..., &п, выключатель 7 параллелен индуктивности 4.

Это устройство работает следующим образом. Предположим сначала, что передача магнитной энергии осуществляется от индуктивности 5 к единой индуктивности 4. В начальный момент все выключатели 6i, 62,..., 6п замкнуты, как И выключатель 7, а выключатели 64, , 6ri разомкнуты. Ток, протекающий через индуктивность 4, равен нулю, а ток, протекающий последовательно в совокупности частных индуктивностей Lp не равен нулю. Чтобы передать магнитную анергию от индуктивности 5 к индуктивности 4, выполняют следующие последовательные операщги: размыкают выключатель 7; замыкают выключатель 6п; размыкают выключатель 6„; замыкают выключатель Оа-ь размыкают выключатель замыкают выключатель размыкают выключатель бь В конечном состоянии все выключатели 6 замкнуты, а все выключатели 6п разомкнуты: произошла передача энергии от индуктивности 5 к индуктивности 4. Передача может симметрично происходить от индуктивлости 4 к индуктивности 5. Рассмотрим для этого новое начальное состояние, в котором выключатель 7 разомкнут, выключатели 6п замкнуты, выключатели 6„ разомкнуты. Ток, протекающий в индуктивностях Lp, равен нулю, а ток, протекающий в индуктивности 4, не равен . Это новое начальное состояние есть конечное состояние, полученное в предыдущем случае. Для передачи магнитной энергии, содержащейся в индуктгивности 4, к индуктивности 5, образованной множеством частных индуктивностей Lp, производят следующие послехдовательные действия; замыкают выключатель бь размыкают выключатель замыкают выключатель 62; размыкают выключатель замыкают выключатель 6«; размыкают выключатель 6„; замыкают выключатель 7. Полученное конечное состояние есть начальное состояние предыдущей передачи. Для того, чтобы устройство, показанное на фиг. 8, обладало значительным КПД передачи, величины Lp частных индуктивностей, составляюЩИх индуктивность 5, не могут -выбираться произвольно. Пусть л - число таких индуктивностей, а L - величина индуктивности 4, тогда величина частной индуктивности с индексом р должна быть как можно ближе к веЛИчине () i,«g Если эти условия выполняются и если частные индуктивности имеют взаимную индукцию, максимально близкую к полной, то передача осуществляется с КПД, равным величине / («2)л V In ДЛЯ больщих значений л имее.м - Если выражение (1) удовлетворяется нестрого, то КПД будет немного меньше теоретической величины, но расчеты показали, что закон не очень критичен. Последняя частная индуктивность Ln физически нереализуема, так как tg-- oo. Следовательно, на практике ограничиваются последней передачей, относящейся к индуктивности с индексом . Если по конструктивным причинам постоянную величину имеет накопительная индуктлвкость, передача к индуктивности нагрузки осуществляется путем последовательного включения индуктивностей величины LP от до л-1 включительно. Наоборот, если постоянную величину имеет индуктивность нагрузки, средства коммутации включаются таким образом, чтобы последовательно замыкать индуктив1 ости LP от р л-1 до . В случае когда индуктивности образованы постоянным числом (Пр витков, выражение (1) относительно Lp переходит в простое выражение относительно гпр-. . где - консганта, зависящая от цели, и р изменяется от 1 до л-1 включительно. На фиг. 3 показаны индуктивность 4, образованная одной обмоткой, и индуктивность 5, образованная множеством частных индуктивностей, соединенных с выключателями 8р и 9р, причем р изменяется от 1 до л. В этой конструкции каждая частная индуктивность соединена параллельно со звеном, состоящим из трех ветвей, содержащих каждая один выключатель, причем каждое звено имеет один выключатель, общий с предыдущим звеном, и один выключатель, обЩИЙ с последующим звеном. Таким образом, индуктивность Lp соединена со звеном, которое содержит кроме выключателя Эа выключатель 82, который является общим с предыдущей индуктивностью LI, и выключатель 8з, который является общим со следующей индуктивностью La. Чтобы осуществить передачу между индуктивностью 5 и индуктивностью 4, применяют последовательность операций, аналогичную ранее описанной, с выключателями 8р и 9р. В конструкциях, показанных на фиг. 2 и 3, индуктивности 4 и 5 обладают разными свойствами, так как одна 4 образована единственной индуктивностью, а другая 5 составлена из мнол ества частных индуктивностей. Так как эти требования не всегда совместимы с практикой, можно избежать этого Положения, используя симметричную схему (фиг. 4). Pia фиг. 4 представлена схе.ма электрической системы, в которой использована промежуточная индуктивность. Индуктивности 10 и 11, между которыми необходими осуществить передачу энергии, могут быть, если не идентичными, то по крайней мере очень близкими по свойствам. Индуктивность 12, используемая как промежуточная накопительная индуктивность, составлена из мнолсества частных индуктивностей (фиг. 2 и 3). Сначала производят передачу магнитной энергии, содержащей в индуктивности 10 к индуктивности 12, затем на втором этапе передают энергию, содержащуюся в индуктивности 12 к индуктивности 11. Эти передачи могут осуществляться при помощи множества выключателей 8 и 9 (фиг. 3) и двух выключателей 13 и 14.

Устройства, представленные на фиг. 2, 3 и 4, соде-ржат одну переменную индуктивность. В конструкции, показанной на ф.иг. 5, обе индуктивности (.накопительная и нагрузочная) могут быть изменяемы одновременно. Индуктивности образованы совокупностью частных индуктивностей 15 и 16, включеннь1х последовательно и связанных полной взаимной индукцией, величины которых соответственно равны

/.,.11 :: -С05- Г;

L2л2п J

L -ifsin ) L,. --sm 2„ J

Устройство коммутации представлено множеством выключателей 8 и 9. Индуктивности связаны ИЛИ не связаны €0 вспомогательными целями 17 и 18. В этом устройстве состояние порядка р-1 таково, что выключатели 9 разомкнуты до включительно и замкнуты далее, а выключатели 8/, замкнуты до fe p-1 включительно и разомкнуты далее. Чтобы получить следующее состояние порядка р, замыкают выключатель 8р и размыкают выключатель .

Если индуктивности 15 и 16 образованы равномерными обмотками, то количество витков, необходимых для образования этих частных индуктивностей, равно соответственно

„„ ;,-с„,-.й.-2 соз|- ;

В устройстве, показанном на фиг. 5, две индуктивности могут составлять одну, которую последовательно замыкают. В этом случае намотка осуществляется равномерно вдоль цилиндра и взаимная индукция витков убывает с ростом их расстояний друг от друга. Магнитная энергия, первоначально сосредоточенная во всей обмотке, оказывается постепенно переданной на конец катушКИ.

Во всех вариантах, представленных на фиг. 2-5, вспомогательная цепь 3 связана полной взаимной индукцией с индуктивностью, величину которой постепенно заставляют изменяться, и она содержит или не содержит емкостный элемент, который

приводит к колебаниям тока fc, с которыми синхронизируют преобразования основной схемы так, как это было объяснено выше.

Рассмотрим теперь вариант, отличающийся тем, что обе индуктивности постоянны и связаны трансформатором с переменным коэффициентом трансформации. На фиг. 6 Показаны индуктивности 1 и 2,

между которыми осуществляется передача; их связывает трансформатор 17, а переключатель 18 позволяет изменять коэффициент трансформации трансформатора 17; количество контактов равно т, произвольный контакт обозначен индексом q. Вспомогательная схема 3 связана посредСТВОЛ1 магнитного сердечника трансформатора с основной схемой. Она может содержать или не содержать емкостный элемент

(например, конденсатор, изображенный пунктирной линией).

Каждому положению равновесия всей схемы соответствует нулевой ток IQ вспомогательной схемы; так как отношение

первичного и вторичного токов прямо связано с коэффициентом трансформации трансформатора 17, то в результате соотношение чисел витков первичной и вторичной цепей трансформатора должно изменяться по определенному закону, чтобы КПД передачи был так близок к единице, как это можно было предвидеть, исходя из приведенного выше анализа. Таким образом, в этом варианте, использующем

трансформатор для передачи, осуществляющейся от индуктивности 1 к индуктивности 2, коэффициент трансформации /Cq трансформатора, связывающего индуктивности 1 и 2, величины которых равны соответственно и LI, 2, должен быть следующим:

К - -

(3) ч- У L, g 2w

где принимает носледовательно все значения от 1 до т. В действительности конечное значение для д т физически нереализуемо, так как , так что на практике выражение (3) проверено только от до g m-1 включительно. Для передачи от индуктивности 2 к индуктивности 1 необходимо изменять индекс q от т-1 до 1.

Трансформатор может быть снабжен переменными первичной и вторичной обмотками (фнг. 7). Индуктивности 1 и 2 связаны с помощью трансформатора 19, первичная обмотка 20 и вторичная обмотка 21 которого могут благодаря переключателям 22 -и 23, содержащим по т контактов, пронумерованных от 1 до т, принимать все дискретные значения:

(m,) M,cos (т,) - М, sin , т причем q изменяется от 1 до т, как Т/MI Ж Г2М Это устройство и соотношение 4 является только частным случаем устройства, по; азанного на фиг. 6, и соотношения (3). В некоторых вариантах, в частности содержащих катушки с магнитным полем, иногда полезно нолучить изменение тока в нагрузочной индуктивности, которое не подвержено резким разрывам или даже которое является монотонно возрастающей функцией времени. Для этого нужно знать изменения тока, текущего в нагрузочной индуктивности, или изменения тока IG, протекающего во вспомогательной цепи. Еслн представить изменения тока IG в различных фаз передачи, то получается характеристика, аналогичная характеристике на фиг. 8, связанной с изменяемым элементом основной цепи, и где цепь 3 содержит емкостный элемент, приводящий к колебаниям тока IG. На фиг. 8 время отложено по оси абсrufcc, а произведение тс,1г, - по оси ордират. Пиковый ток. проходящий по актив1ГОЙ цепи 3, неодинаков, если /Пг, - постоянно. Максимальные амплитуды определены точками MO, MI, М-ч и т. д., обозначения MTI+S и MI,-g представляют состояние, предществуюшее Мр и следующее за Мр до и после переключений элементов, которые позволяют изменять основную цепь. Точки нулевого тока, имеющие дробный индекс, соответствуют прохождению через минимальное значение полной энергли Wi. Отрезки прямой, обозначенные пояицией 24, представляют передачи энергии между ДВУМЯ обмотками, а отрезки прямой, обозначенные позицией 25,- фазы исчезновения тока в замкнутых витках. Изменение амплитуды тока i происходит благодаря несимметричной функции, выполняемой обмотками LI н Lj в схеме, изображенной на фиг. 1. Чтобы сделать эти функции более симметричными, надо применить схему, показанную на фиг. 7. Здесь трансформатор имеет переменные первичную и вторичную обмотки и пиковая ямплитуда тока постоянна (см. фиг. 9). ПрИ этих условиях изменения тока tc представлены треугольными сигналами 26, а изменения тока г в основной цепи-характеристикой 27, тогда в симметричных схел1ах, аналогичных показанной на фиг. 7, передача энергии между индуктивностями осуществляется с последовательным и горизонтальными площадками 28, связанными с прохождением верщнн Мр, соответствующих участкам характеристики 29 на типичном графике изменений тока in. Чтобы избел ать существования площадок на характеристике 27 и вообще резких изменений тока, которые вызывают значительные перенапряжения в индуктивностях, в изобретении предусмотрено использование симметричных схем, аналогичных показанным на фиг. 10 и П. На фиг. 10 индуктивность 30 величиной /., образованная одной обмоткой, связана с ИНДУКТИВНОСТЬЮ 31, содержащей идентичные половины 32 и 36, каждая из которых образована из - частных индуктивностей. обозначенных z и z величиной соединенных последовательно и связанных полной взаимной индукцией, причем величины /.г близки к .,,....,(5, где г и z представляют собой целые числа и изменяются от 1 до -. Эти индуктивности связаны со средствами коммутации, служащими для последовательного синхронного замыкания индуктивностей LгL Z. Очев1;дно, что практически крайние индуктивности и п L п очень велики, но 2Т небссконечны и что выражение 5 точно удовлетворяется только для I-1| первых частных индуктивностей. В случае, показанном на фиг. 10, средства коммутации образованы двумя синхронными переключателями 22 и 23, каждый из которых имеет - контактов, пронумерованных от 1 до-. В симметричной схеме такого тина можно заметить, что изменения тока /и легко могут быть получены суммированием двух пилообразных характеристик, таких, как показанная на фиг. 8, сдвинутых на один период, так как нагрузочные индуктивности 32 и 33 поочередно принимают энергию накопительной индуктивности 30, причем фаза замыкания одной из катушек осуществляется вместе с передачей энергии в другую катушку. В активных цепях 34 и 35 тогда протекают симметрично распределенные токи, и изменения тока в основной цепи больше не содержат горизонтальных участков. В другом, полностью симметричном варианте устройства, изображенном на фиг. 12, эта цепь снабжена трансформатором 36, имеющим первичную обмотку 37, которая образована из двух одинаковых симметричных частей 38 и 39, включенных встречно, величина каждой -из них может принимать - дискретных значений

Л

(m, ( --cos(6)

и втооичную обмотку 40, которая образована ия двух одинаковых частей 41 и 42, включенных симметрично навстречу одна другой, величина каждой из которых мот

жст принимать - дискретных значении

(т,)„-.. (4 :- 8Ш--,(7)

где q принимает значения от

Тогда во вспомогательных ценях 34 и 35 п-потекяют симметрично распределенные токи (фиг. И).

В приведенных выше вариантах устройства зс;юмо-гател -.иая цепь образована индуктивностью и конденсатором, что приводит к колебаниям тока IG. В другом устройстве эта вспомогательная цепь содержит ИНДУКТИВНОСТЬ, связанную взаимной иядукцяея с изменяемым элементом цепи, и генетатор тока, вводящий во вспомогатольную цепь периодический ток, период которого равен периоду последовательных преобразований цепи. В частности, этот генератор может генерировать пилообразный ток. который показан, например, на фиг. 9.

В конкретных устройствах согласно изобретению в выключатели были изображены условно; на практике в некоторых слуьтях, касающихся выключателей с замыканием, Предусматривается их реализация нутем косого перемещения металлической пластины по последовательным контактам, соединенным с концами различных «ндуктивностей, а в случаях, касающихся выключателей с размыканием (разъединителей),-путем расплавляемых проводников. Перемещение металлической пластины может осуществляться с иснользованием давления газа (например, давления взрывчатой смеси) «ли магнитным путем с помоигью сил Лапласа, связанных с электрическн т; токами, протекающими в системе.

В некоторых вариантах (фиг. 5) сечение расплавляемых проводников может быть рассчитано так, что они разрываются в соответствующем порядке один за другим единствоттто благодаря прохолсдению по ННМ тока. Это как паз случай выключателей 9ft на фиг. 5. Выключатели 8/ также могут быть реализованы в виде проводников, питаемых внещними импульсами тока, которые расплавляясь, разрывают промежуточную пластинку. Выключатели 8 могут также изготовляться в виде проводников, питаемых основным током, причем их сечение таково, что они расплавляются раньше, чем проводники 9, что дает таким образом систему с автоматическим запуском.

Аналогично этому для индуктивностей, показанных условными обозначениями, легко найти форму, наиболее соответствующую практическим требованиям: катушки, соленоиды, плоские галентные катушки, витки и т. д. Изобретение предусматривает в одном конкретном варианте реализации получение обмоток этих различных индуктивностей из сверхпроводящего материала. В этом случае магнитная энергия, накопленная в соответствующих цепях, достигает очень больщой величины, что оправдывает стремление осуществить ее восстановление с высоким КПД, используя

Предлагаемое устройство.

Формула изобретения

1.Устройство для передачи магнитной энергии, содержащ.ее накопительную и нагрузочную обмотки, отводы которых соединг:: коммутирующими элементами, отлиы п ю ц е е с я тем, что, с целью повышения КПД передачи, Эдна из обмоток, например нагрузочная, выполнена из нескольких индуктивно связанных частей с отводами от каждой части, соединенными последовательно, с возможностью последовательного переключения коммутирующих элементов с отводами другой обмотки, например накопительной.

2.Устройство но п. 1, отличающееся тем, что индуктивное сопротивление одной из обмоток имеет постоянную величину, а индуктивное сопротивление каждой из

частей другой обмотки имеет величину

,.K te-| f.

номер

части.

где р - порядковый

п - количество частей. 3. Устройство по н. 1, отличающеес я тем, что коммутирующие элементы снабЖены трансформатором с коэффициентом трансформации

.-/E-tg-.

где q - целое число, .

Источники -информации, принятые во Внимание при экспертизе 1. Родщтейн Л. А. Электрические аппараты низкого напряжения. М.-Л., «Энергия, 1964, с. 16.

k.UJШШLУШULUMMJlUJШU

7

уиг. 1

.jШLOДUJ JШL9JШШШl JШLOJ.,5jt

-.jl9ДlJl(llMMlMil JШШ), i 15, SJIQ. i U,W-2 UJ

/

.J

МАШиШ1 ШШШиа 5. U -U 5 i i-HJlQJUL/ « ovMHJШLйJJ JlftJliШLMJШL lJJUШUi ,4

J

;

w

сригЛ

n-

Pui.a

32

-| 1Я|Т р|Ту f TfSYr,

,

6

N5

22

лAMjШШШШШlJlJШLl

J5

/

33

tM±fc I I Jr

/

/ч (У

о -v

2J

.SIMJJJJJ

tid/г. /i

-put. 11

3i