Сверхпроводящий преобразователь тока Советский патент 1981 года по МПК H01L39/02 H01F6/00 

1

Изобретение относится к области сверхпроводящих источников питания и может быть использовано для питания постоянным током энергетических уст-рсйств, таких как сверхпроводящие магниты, накопители энергии, обмотки возбуждения турбогенераторов.

Использование постоянного тока б сверхпроводя(дих цепях энергетического применения представляет безусловный интерес, так как в настоящее время разработаны и изготовлены сверхпроводящие материа.пы, способные сохранять при температуре жидкого гелия сверхпроводящее состояние в сильных магнитных полях и ток плотностью сзкие 10 .

Однако прямой ввод постоянного тока от генератора постоянного тока в криогеннзпо сресу, в котороП располагаются сверхпроводящие устройства неизбежно влечет значительные теплопритоки. Для опт1й изированных токовБодов, при условии хорсяпего . теплообмена между материалом токоввода и испаряющимся охлаждающим газом, удель ные теплопритоки составляютI мВТ/А. Расход жидкого гелия за счет теплопритоков могут компенсировать рефрежераторные установки, которые, имеют

низкий коэффициент полезного действия Так для компенсации 1 Вт потерь энергии, выделившихся в гелиевой среде, необходимо затратить 1000 Вт. Поэтому для уменьшения тегшопритоков в i криогенную среду применяют сверхпроводящий преобразователь тока (СПТ), позволяющий вводить в сверхпроводящую обмотку большие токи (тысячи ам10пер) без специгшьнах мощных токовводов в криостат и мощных источников питания.

Преобразователь должен иметь следуювдае показатели: высокую выходную

15 мощность при больших токах в сверхпроводящей нагрузке; высокий коэффициент полезного действия (КПД); способность работать в меняющемся магнитном поле; быть компактньвл и надежным..

20

Сверхпроводящий источник питания . ,представляетсобой устройство, с помой№ю которого механическим или электрическим способом можно заводить

25 в об.ласть низких температур (Т-4,2 К энергию мальиин порциями и -там преобразовывать ее в энергию большого тока и низкого напряжения. Первые модели предложены Мендельсо30ном (1 . В них использованы трансформаторы постоянного тока. СПТ на основе тран сформатора переменного тока, работающий со сверхпроводящими ключами (СПК1 вместо диодов, разработан Бухольдом {2}. Для исключения теплопритоков через токовводы .наиболее эффективно использовать схемы СПТ с трансформатором тока и выпрямителем на (СПК). Первичная обмотка сверхпроводящего трансформатора питается через токовводы малым переменным током (единицы - десятки ампер), а вторичная обмотка с выпрямителем на СПК создает вьгпрямленный ток -большой величины (сотни - тысячи ампер) для питания сверхпроводящей магнитной системы. Сверхпроводящие трансформатор, ключи и магнитная система находятся в зоне НИЗ.КИХ температур. Целесообразно применять СПТ в гелиевой среде, когда мощность, требуемая на компенсаци всех потерь в нем, не больше мощности, требуемой на компенсацию теплопритока по токовводам при запитке от генератора постоянного тока. Коэффициент полезного действия (КПД) определяется как отношение выходной мощности к сумме выходной мощности и мощности тепловых потерь, выделившихся в жидком гелии, кпд где Р - выходная мощность дР - мощность тепловых потерь, выделившихся в жидком гелии КПД может быть определен и как отношение запасенной энергии в сверх проводящем магните к сумме запасенной энергии и энергии, выделившейся в зоне низких температур (Т 4, Е - запасённая энергия; ДЕ- энергия, выделившаяся в жидком гелии. Тепловые потери энергии в жидком гелии при работе СПТ, определяющие его КПД, суммируются из следующих составляющих; потерь энергии в ключах, находящихся в резистивном несверхпроводя щем состоянии за счет протекания обратного тока, вызванного конечны сопротивлением ключей; гестерезисных и вихревых потерь .При цилиндрическом перемагничивании сверпроводящих обмоток транс.форматора; . потерь энергии в сердечнике транс форматора; .потерь энергии в криогенной сгреде за счет теплопритока пб токовво дам из среды комнатной температурой потерь Э1;ергйи, .вьГделившн кся-в СП при переводе их в резистивное состояние при нулевом токе через них; потерь энергии, вьоделившихся в жидком гелии при переводе СПК в резистивное состояние, особенно при тепловом способе их перевода. Коэффршиент полезного действия существующих СПТ имеет очень большой разброс в зависимости от применяемых схем. Так, если самая экономичная схема Т.А.Бухольда, где применена оригинальная комбинация СПК и дросселей с прямоугольной петлей гистерезиса, позволяющая переводить ключи в резистивное состояние при нулевом токе через них, име т КПД несколько вьтше 90%, то большинство других схем имеют КПД порядка 20-30%. Так как целесообразность использования СПТ для питания сверхпроводящих магнитных систем определяется соотношением потерь энергии в жидком с накопленной энергией в н агрузке, то основной проблемой является увеличение КПД СПТ при одновременном повышении его выходной мощности. Известен СПТ со сверхпроводящими ключами на 1000 А и максимальной частотой переключения 40 Гц 3, Сопротивление СПК, изготовленного из сплава 4% Sb, составляет в резистивном состоянии б мОм. Токовводы, по которым протекает переменный ток,, подсоединены к первичной обмотке сверхпроводящего трансформатора тока. В цепи вторичной обмотки трансформатора переменный ток выпрямляется и добавляется к постоянному току, протекающему через сверхпроводящую нагрузку. Чтобы ток вторичной обмотки трансформатора поступал в нагрузку все время в одном направлении, в выпрямителе используются СПК, переключающиеся с частотой источника переменного тока. СПК переводятся в резистивное состояние магнитным полем управляющей обмотки. Данный СПТ работает с высокой частотой переключения СПК (40 Гц), что позволяет увеличить мощность СПТ (3 . Недостатком.данного СПТ является его низкий КПД за счет малого сопротивления (6 мОм) ключа в резистивном состоянии. Описан аналогичный по конструкции СПТ с максимальнь1м. током в нагрузке 1600 А, но с другим режимом.работы и с СПК,которые переводятся в резистивное состояние тепловым способом. СПК помеще:н в вакуумную камеру, чтобы довести до минимума потери энергии в нем, в резистивном состоянии. Для перевода ключа в сверхпроводящее состояние нар5{шается вакуум введением холодного газообразного гелия. Такие СПК имеют потери энергии от 0,5до 1,5 Вт независимо от объема, но большое время-переключения (длительность одного.цикла составляет 2 мин). Сопротивление ключа в резнстивном сос тоянии составляет 1 Ом. Данный СГГГ обладает малыми потерями энергии в кл чах, находящихся в резистивном состоя ЛИИ, но при увеличении мощности СПТ эа счет большой длительности одного цикла {2 мин) в первичную обмотку трансформатора через токовводы заводится большой 11еременный ток (сотни гошер) , что ведет к уменьшению КПД СПТ. . . . : , . . Наиболее близкюл по технической сущности является СПТ (41, сверхпроводящая нагрузка которого эапитана постоянным током через сверхпроводяШЕИЙ трансформатор тока, первичная oCMOTKai которого соединена с источни ком переменного тока, а ко вторичной обмотке в средней точке ее присоединена двухполупериодная вьтрш ительная схема, содержадая в казкдом шгеЧв по одному саерхпрбводящему кл«очу. и по одному насыпающемуся иросселв), подключенные к блоку управления, который соедийвн с электронным KJB04OM вход которого соединен. с блоком эТа лонного напряжения, а выход - с источником nepeMieMHoro тока. Работой СПКуправляет блок управления, отслеживающий состояние намаг ниченности двух насьвдающйхся дросселей, на каждом из которлх имёетсй сверхпроводящая обмотка включенная посшедовательно с ьагруэкрй. В такой схеме племенное насыщение дросселей приводит к поочередному Переклю.ченшоСПК в плечах иепй питания нагруёки и, следовательно, к нёпрврывнояу возрастанию тока через нагрузку с ка дьам пoлyпepиo №M переменного тока, поступающего в первичную о «этку тра .сформатс а. Магнитный поток из трансформатора перекачивается в сверхпроводяс ю нагруаку. Для того, тобы увеличить КПД СПТ, Пёрейод СПК в р«эисти ное состояние и обратно должен осуществляться при Нулевом токе чере него, поэтому последовательно со СПК включен насз:1щактшйся дроссель. Если СПК находится Б сверхпроводящем COCT янии и через него протекает полный ток, то дфоссель работает в режиме насыщения и не шлзывает падения ншф жения. Если ток уменьшится и ся изменить свою полярность,то rtpotJсель становится ненасыщенным и. на ве выделяется всё напрйженйе. fertept бу дет npoTeKjiTb неболшюй то« намагн чивания, пока №в будет достигнуто насыщение другой полярности за жуток времени ui:/ В начальный момент первый СПК находится в сверхпроводящем состояйии а второй - в резистивном. К первйчной обмотке т8 ансфЬ 1атора прикла дывается напряжение, ТШЗЧВ&& возникновение ЭДС во вторичной обмотке.ерез первый СПК и нагруэк г проходит постепенно возрастающий Когда напряжение на первичной обмотке меняет полярность, второй СПК переводится в сверхпроводящее состояние и, следовательно, обе вторичные обмотки трансформатора замыкаются накоротко через индуктивности рассеяния транецформатора и дросселей и через них протекает ток короткого замыкания. вЬ второй выпрямительной цепи ток увеличивается, а в первой уменьшается. Как только ток в первой цепи станет равным нулю, щ оссель посылает сигнал в блок управления для перевода первого СПК в резистивное состояние. Так как скорость нарастания тока короткого эамакаяяя большая и существует задержка порядка 0,1-0,2 с с мсячента получения сигвала управления от дросселя дО того, как СПК полностью перейдет в реэистивное состояние, ток через первый СПК перейдет через ноль и перевод его в резистйвное состояние произойдет при нулевом токе через него. Это приведет к выделению энергии в объеме СПК, и следовательно к уменьшёниго КПД СПТ. Поэтому для уменьшения скорости тока короткого замыкания и осуществления задержки тока через СПК на нулевом уровне при переводе СПК в СПТ имеются электронный ключ, соеднненный с блокс « управления, и блок эталонного напряжения, сое шненный через электронный ключ с источнадсом переменного тока. В этом сяучае перед изменением полярности напряжения на первичной обмотке тран с эрматора включается электронный ключ, который действует таким образом, чтобы на время переключения СПК из одного состояния в другое напряжение ИА первичной обмотке трансформатора алло равно нулю. Затем включается н@6оШэ«ш е напряжение противоположной полярности для Перевода тока из одвой вьйрдалительной цепи в другую. Так как это напр яжение небольшое, то и скорость тока короткого замыкания небольшая. образом, предотвравдно выделение энергии в объеме СПК ири их переключении, что ведет к увеличению КЯД СПТ. Недостатком известного СПТ является уменьшение его КПД при увеличении мощности ;СПТ. Максимальная выходная моЕИКзсть сПт равна (Шкс4 дакс. . - макснмалышй ток в нагрузт ttg, Wj - амплитуда напряжения на втор11чной обмотке сверхпроводящего трансформаторайри /игнейном изменении тока в пер&й г}дй Обмотке трансформатора получи -- . и,--№-% - -№. М - коэффициент связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора; максимальный ток в первич ной обмотке трансформатор Си - время одного цикла работы СПТ, соответствующее времени изменения 1 от минимального значения до максимального и нарборот ./ууакс Отсюда Рг-Т макс ь. и Видно, что мощность СПТ увеличивается при увеличении 1 или при уме ньшении tTu при фиксированных ,,,-и М . Уменьшение приводит к увеличению частоты переключения СПК Од нако при существующих сверхпроводящих материалах и способах их перево да в резистивное состояние увеличить быстродействие мощных СПК при малых потерях энергии невозможно, так как выбор сверхпроводника для СПК предстазвляет трудность, т.к. он должен выдерживать большой,ток в сверхпро.водящем .состоянии; обладать большим сопротивлением в резистивном состоя нии; обладать достаточно высоким критическим магнитным полем, чтобы надежно работь в магнитных полях ра сеивания; иметь достаточно низкое критическое ма гнитное поле, позволяющее произвести эффективное.переключение епк (от 200 до 2000 Гс). Уменьшение КПД СПТ при быстром.пере ключении мощных . СПК происходит за, счет- увеличения количества энергии,, затраченной на период СПК в резистив ное состояние, и улучшения теплового койтакт,а СПК с жидким гелием для быстрого охлаждения СПК при переход его в сверхпроводящее состояние.,0ри увеличении мощности также увеличивается Ua и, следовательно, потери энергии U Р((;д в СПК, находящихся в резистивном состоянии, где Рк;л сопротивление СПК, находящегося в резистивном. состояний. . В связи с этим в существуюраих мощ ных СПТ увеличение мощности произво дится за счет увеличения тока 1 ллакс 4e,,3 первичную обмотку трансформато „ра,при низкой частоте переключения СПК Это также веде,т к уменьшению КП со так как увеличиваются теплопрйтоки через токовводы в криогенную среду .и которые равны л 1 мВт/А. Создание мощных низкочастотных ,мин,)/ СПК с малыми потерями энергии на перевод их в резистивное -состояние не представляют особой трудности; ; ; ;,--,,: , Целью.изобретения является увеличение коэффициента полезного деистВИЯ сверхпроводящего преобразователя тока. Поставленная цель достигается тем, что в известную конструкцию СПТ введен второй сверхпроводящий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в диагональ первой двухполупериодной выпрямительнойсхемы и ко вторичной его обмотке присоединена вторая двухполупериодная выП ямите.льная схема, содержащая в каждом из двух плеч по одному сверхпроводящему ключу и по одному насыщающемуся дросселю, подключенные к блоку управления, а сверхпроводящая нагрузка включена в иагональ второй двухполупериодной выпрямительной схемы, а также введен блок циклического реверсирования, соединенный с блоком управления и с источником переменного .тока. . На фиг.1 изображена структурная схема сверхпроводящего преобразователя тока; на фиг.2 - временные диаз; ра лмы ,:токов и напряжений в элементах СПТ при первом цикле заведения тока в сверхпроводящую нагрузку; на фиг.3временные диаграммы токов и напряжений, в элементах СПТ При втором цикле заведения тока в сверхпроводящую нагрузку. СПТ содержит ИСТОЧНИК переменного тока 1, первый сверхпроводящий трансформатор тока 2, состоящий из первичной Обмотки- 3 и вторичных обмотОк 4 и 5; первый СПК 6 и его обмотку управления 7, первый насыщающийся дроссель 8 и его сигнальную обмотку 9, второй СПК 10 и его обйогку управления 11, второй насыщающий-ся дроссель 12 и его сигнальную обмотку 13, второй сверхпроводящий трансформатор тока 14, состоящий из первичной;обмотки- 15 и вторичных обмоток 16 и ,1-7; , третий СПК 1,8 и-егоodNfOTKy управления 19; третий насыщающийся дроссель 20 и его сигнальную обмотку 21; четвертый СПК 22 и,его обмотку ,управления 23; четвертый, насыщающийся дроссель 24 и его сигнальную обМотку 25, сверхпроводящую н.агрузку 26, блок управления 27, электронйый ключ 28, блок 29 .эталонного напряжения, блок 30 циклического реверсирования. , , В момен-т ,времени когда первый СПК б находится в сверхпроводящем состоянии (фиг.2г), а второй СПК ГО - в резистивном (фиг.2ж), в первичную. Обмотку 3 трансформатора 2 .от источника переменного тока 1 заводится лин-ейно . нарастающий ток, меняющийся от значения , до+1 (фиг.2в). На первичной обмотке 3 создается: налряжение з во вторичных {Эбмотйах 4 и 5 возникают ЭДС UJtpi .( Jltp-i (Фиг.23) . По цепи,. соафбящёй из вторичной обмотки 4, СДК бу дросселя 8, первичной

обмотки 15, трансформатора 14, протекает постепенно возрастающий ток спкб целью .упрощения временных диаграмм обратный ток, протекающий через СПК 10 от показан. Ток 1„Р2 (фиг.2А) , протекающий по пербичной обмотке 15 трансформатора 14, создает напряжение U трг (фиг.2к.). во вторичных обмотках 16 и 17 возникают эдсигтра 2тра.(фиг.2р) соответственно, во время t -fc27 третий СПК 18 находится в сверхпроводящем .аостоянии (фиг.2лл), а четвертый СПК 22 в резистивном (фиг.2гг} . Поэтому под действием напряжения (jj-ri)2 по цепи, cocTOHuieft из вторичной обмотки 16 трансформатора 14, третьего СПК 18, третьего дросселя 20, сверхпроводящей нагрузки 26, протекает постепенно возрастающий ток (фиг.2с) , который равен току сверхпроводящую нагрузку (фиг.2у) . Напря жение на нагрузке .2т). В момент времени fci прекращается рост тока- мц фиг. 2В} .Напряжение и то резко уменШаетёя до нуля {фкг,2) и блоком управления 27 формируется сигнал управления (фиг.2ft), который прекраг щает действие управляющей обмотки 11 второго СПК 10 и он начинает переходить в сверхпроводящее состояние. Токи .|7р,-1спкб IcnKie Нь в это время остаются постоянньпии. В момент времени t , когда СПК 10 перешел, в сверхпроводящее состояние из блока управления 27, поступает сигнал управления (фиг.2а), который поступает на электронный ключ 28. Он открывается и с блока 29 поступает напряжение, которое вызывает уменьвгание тока в первичной обмотке 3 до значения .Зв) . На первичной обйотке 3 возникает напряжение (фиг.28Vкоторое по абсолютной величине Меньше Во вторичных обмотках 4 и 5 возникает ЭДС - 2174 СФи1°« и ClTp-t () . Так как первый СПК 6 и второй СПК 10 находятся в сверхпроводящем СОСТОЯНИЙ, через них протекает ток короткого замыкания ixfK, (фиг. 1) , который вызывает умёншенне токаfcRKb Фиг.2е) и увеличение тока (фиг.2и). Скорость переключения тока небольшая, так как напряжение liTp-t и BIi7p небольшие и поэтому ток 1спИ, не успевает изменить свою полярность до полного перехода СЙК 6 в резистивное состояние.

С целью упрощения/временных даагpartM время а адержки, осуществляемое насыщающимися дросселями, не показан В момент времени д ток через СЙК б достигает нулевого значения, происходит перемагничиванйе первого дросселя 8 и все напряжение €2тр выделяется на нем, С сигнальной обмотки 9 поступает импульс {фиг.)в блок управления 27, который иодает сигнал в оеЗмотку управления 7 СПК б

для перевода его в резистинное состояние (фиг.2г). в это же время из блока управления 27 поступает сигнал на электронный ключ 28. Ключ закрывается, ток прекращает уменьшать-, ся и остается постоянным до момента времени tj. За время первый СЯК б переходит полностью в резистивное состояние. В этот период времени напряжения ,U yjyi, равны нулю и ток через CIiK б тоже равен нулю. Так как переключение СПК б происходит при1, О, когда СПК б находится в резистивном состоянии, а СПК 10 - в сверхпроводящем, источник переменного тока 1 автоматически изменяет ток через первичную ойиотку 3 от значения 1 Для сохранения одинаковой длительности рабочих циклов ,.7 т-Л« (фиг.2Б). В связи с изменением полярности напряжений .,, , происходит незначительно уменьшение токов .t-iTpiz, fctiKie, f j,H , которое не влияет на КПД и мо ность СПТ. В момент времени i.(,-i.-r источник переменного тока изменяет ток в первичной обмотке 3 от значен ия1 р до-1 (Фиг.2в) . В первично обмотке 3 возникает напряжение (фиг.26) и к току, протёкакядему по цепи, состоящей из вторичной обмотки 5, СПК 10, второго дросселя 12, первичной обмотки 15, второго трансформатора 14, добавляется возрастающий ток ( фиг.2и) под действием ЭДС O -rpf (фиг.2), возникшей во вторичной обмотке 5. Напряжение Одтрг (фиг-2ь)на вторичной обмОтке 16 второго трансфо| 4атора 14 создает дополнительный иг й1ульс тока (.2о) в цепи, содержавшей вторичную обмотку 16, третий епК IS, третий дроссель 20, сверхпроводящую нагрузку 26, который добаляется к току, протекающему через сверхпроводящую нагрузку (фиг.2У). В момент времени -bj прекращается измене-няе тока i (фиг.2в). Напряжение становится равньвч нулю (фиг. 25} и блок управления 27 формирует сигнал управления (фиг,2А), кото рай прекрагцает действие управляющей обглотки 7 первого СПК б и он начинает переходить в сверхпроводящее состояние. ToKH(i-(tpf, Чспкю, ,, ьМ в это время остаются постоянными.

в toMeHT времени t8 когда первый СПК 6 перешел в сверхпроводтцее состояйие, из блока управления 27 поступает сигнал управления (фиг.2А), который подается на электронный ключ 28. Он отк1млвается и с блока эталонН огО напряжения 29 поступает напрЧ енйё, которое вызЕлвает изменение тока в первичной обмотке 3 до значения - .(иг.2в). На первичной обмотке 3 возникает напряжение rp-t (фиг.2Б), которое по-обсолютной величине меньше ° вторичных обмотках 4 и 5 возникают ЭДС ватр (фиг,2д) и - f-iTp-f (Фиг.2з) . Так как первый еПК б и второй СПК 10 находятш н сверхпроводящем состоянии, через них протекает ток короткого замыканияУ который вызывает увеличение тока {спкъСФиг. уменьшение тока спк-ю(Фиг.2и) . Скорость переключения тока небольшая , так как капряжения в2.тр и fc2tpa большие и поэтому ток i,-, успевает изменять свою полярйость до полного перехода СПк 10 в резистивное состояние. В момент времени t9 ток через СПК 10 достигает нулевого значения, происходит перемагничивание второго дро йвля 12 и все на:пряжение, выделяется на нем. С сигнальной обмотки 13 постуйает импульс в блок управления 27, который подает сигнал (фиг.2А) в об мотку управления 11 СПК 10 для пере бдда его в резистивное состояние, в это же время из блока управления 27 поступает сигнал Sa электронный ключ Й8 Ключ 28 закрывается, ток 1,.прек ращает изменяться и остается посто.ян йым до момента времени . За время ,pBTOpoft СПК 10 переходит полностью в резистивное состояние. В период времени напряжения вны нулю и Ток через СПК 1 .тоже равен нулю. Так как переключение СПК 1.0 происходит при -Г спи О это -ведет к увеличению коэффициента. полезного действия СПТ. В период вре MeHHii ff b f когда СПК б находится в сверхпроводящем состоянии, а СПК 10 в разистйвном, источник переменного 6ка 1 автоматически изменяет ток Через, первичную обмотку 3 6т значения . до (фиг.2в) . Работа СЦТ в период вpё feниi fc27 Фиг. 2) ан:алОгична его работе в период вреMetin -k . в момент времени t заканчивается первый цикл работы СИТ. За период времени-Ьг-1/27 первичной обмотке 15 J paнcфo.pмaтopa 14 ток вырастает до максимального своего, значен-ия .Т рамакс которое в реальных СПТ может составлять сотни ампер Этот TOKl ny j npeKertneTca СПК 6 и 10;.Которые должны иметь критический так, превышающий l Tp ftvanc Работать с высокойчастотой переключения при ьлллых потерях энергии на перевод СПК в резистивное суостоянйе и иметь боль июе сопротивление в резистивном соетоянии. Во время второго цикла работы СПТ (фиг.З) ток в первичной обмотке 15 орЬго трансформатора уменьшается ЙО нуля {фиг.ЗА) или может уменьшать ся до отрицательного значения тока f-ttplMoiKC При этом ток IbH в сверхгфоврдяыей нагрузке продолжает воз| астать (фиг.ЗУ). В момент времени 4J7г когда ток в первичной обмотке 15 достиг своего максимального значений из блока циклического . вания 30 поступа-ет импульс управления (фиг.За), который подается на ИСТОЧНИК переменного тока 1, прекращая изменение тока , подается в блок управления 27, изменяя его режим работы. В новсм режиме работы блока управления 27 в период времени б остается в резистивном состоянии, СПК 10 - в сверхпроводящем состоянии, третий СПК 18 остается в сверхпроводящем состоянии, а с управляющей обмотки 23 четвертого СПК 22 в момент времени itg снимается управляющий сигнал И СПК 22 начинает переходить в сверхпроводящее состояние, - . . За время t27: t2gCПK 22 полностью переходит в сверхпроводящее состояние (фиг.п). Это время значит ель но превышает время возврата в сверхпроводящее состояние СПК б и СПК 10, так как третий.: и четвертый СПК представляют собой сложные в управлении мощные расчитанмые на большие токи (от нескольких тысяч до десятков тысяч ампер)., низкочастотные СПК с малыми потерями энергии при их переключении и большим сопротивлением в резиетивном состоянии. В.момент времени tfg с блока управления 27 поступает (фиг. За), в блок цилиндрического реверсирования 30, который изменяет 1ок1 1-р.1(фкг.3в), На вторичных Обмотках 4 и 5 возникают ЭДС игтр-(() к .Зз). Под действием -Ujtrp-f уменьшается ток1,р2. в первичной обмотке 15. На вторичных обмотках 1б к 17 появляйтся напряжения - Uitpi СфйР.Зн) и J2T:p(Kr.) которые вызывают протекание тока короткого замыкания Фиг.1) по цепи , состоящей из вторичных обмоток 16 и 17, четвертого СПК 22., четвертого дросселя 24, третьего дросселя 20, третьего СПК 18. Ток короткого замыкания li ц э . уменьшение тока СПК 1.8 (фиг.Зо) и увеличение. тока СПК 22 (фиг.3с). В момент времени 29 через СПК 18 достигает .нулевого значения, происходит перемагничивание третьего дросселя 20 и йсе напряжение выделяется на «ем. С сигнальной обмотки Id .поступае-зг ймпуйьс (фиг.За) в блок упрайяенйя 27, который подает сигг нал в обмотку управления 19 СПК 18 для Перевода его в резистивное состояние (фиг. 3м) . В это время из бяо-. ка, циклического реверсирования 30 поступает сигнал. (фиг.За) в источник пё Е ейенногЬ тока 1, ток 1,. прекращает изменяться и остается постоянным до момент времени -tao За это время третий СПК 18 переходит полностью в реэнСтивное состояние. Так. как .йереключёние СПК 18 происходит при-icn О, то не .происходит i выделения энергии на резистивном

участке СПК 18, что ведет к увеличению КПД СПТ, За время tjQ-t, когда СПК 18 находится в резистивном состоянии (фиг.3м), а СПК 22 -в сверхпроводящем (фиг. Зп) , блок циклического реверсирования 30 изменяет ток через первичную обмотку 3 до .значения - I-iTp-l (фиг.Зв). В период времени -fc -fcjz , когда первый СПК б находится в резистивном состоянии (фиг.Зв), второй СПК 10 - в сверхпроводящем состоянии, третий СПК 18 в резистивном состоянии (фиг.3м),четвертый СПК 22 - в сверхпроводящем состоянии (фиг.Зн), в первичную обмотку 3 трансформатора 2.. от источника переменного тока 1 заводится линейно нарастающий ток, меняющийся от значения (Фиг,Зв) . На первичной обмотке 3 создается напряжение ° вторичных обмотках 4 и 5 возникают 3Jl,(iir.3) и Uarpi -Зэ) . По цепи, состоящей из вторичной обмотки 5, СПК 10, дросселя 12, первичной обмотки 15/ Протекают постепенно уменьшающиеся токи чспкюи (фиг,3и,л). Ток fVrpz (фиг.3л) создает напряжение (фиг.Зк). Во вторичных обмотках 16 и 17 возникают эдс - Огтрг Фиг,Зн) и период вpeмeниi5,i-t4g третий СПК 18 нахогдится в резистинном состоянии (фиг.З ), а четвертый СПК 22 - в сверхпроводящем состоянии (фиг.Зн). Поэтому под действием . по цепи, состоящей из вторичной обмотки 17 трансформатора 14, четвертого СПК 22, четвертого дросселя 24, сверхпроводящей нагрузки 26, протекает постепенно возрастающий ток СПК 22 (фиг.3с), который равен току через сверхпроводящую нагрузку -t цц (фиг.ЗУ). Напряжение на нагрузке coc тавляет ULH (фиг-. 3т).

В момент времени -tj прекращается рост тока1 -|-р(фиг. Зв) . Напряжение Ц резко уменьшается до нуля (фиг.Зб) и блоком управления 27 формируется сигнал управления (фиг.За), который прекращает действие управляющей обмотки 7 первого СПК 6, и он начинает переходить в сверхпроводящее состояние (ФИГ.ЗГ). Токи -1,-г(Ч,-|спкьИ1т 2,1свц

спк аг, iiH время остаются постоянными.

В момент време-ни когда СПК 6 перешел в сверхпроводящее состояние, из блока управления 27 поступает сигнал (фиг.За), который подается на электронный ключ 28. Он открывается и с блока эталонного напряжения 29 поступает напряжение, которое вызывает увеличение тока в первичной обмотке 3 до значенияХ тр- (фиг. Зв) . На первичной обмотке 3 возникает напряжение (фиг.Зб), которое по абсолютной величине не меньше , Во вторичных обмотках 4 и 5 возникают ЭДсеа-гр(фиг.Зд) и еатр (Фиг.Зе) . Так

как первый СПК б и второй СПК Ю нахдятся в сверхпроводящем состоянии, через них .протекает ток короткого замыкания -V.xi I который вызывает увеличение тока%пц фиг. Зе) и уменьшение тока(J,.,Q(фиг. Зи) . В момент времени к через СПК 10 достигает нулевого значения, происходит перемагничивание второго- дросселя 12 и все напряжение выделяется на нем. С сигнальной обмотки 13 поступает импульс (фиг.За) в блок управления 27, который подает сигнал в обмотку управления 11 СПК 10 для перехода его в резистивнре состояние (фиг.Зг). В это же время из блока управления 27 поступает сигнал на.электронный ключ 28. Ключ 28 закрывается, прекращает увеличиваться и остается постоянным до момента времени -(,35. За время-Ц Ь СПК 10 переходит полностью в резистивное состояние (фиг,4ж) В этот .период времени напряжения Wp-tLl Tp-i равны нулю и ток СПК 10 тоже равен нулю. Так как переключение СПК 10 происходит при1(ц О, то не происходит выделения .эне1ргии /на резистивном участке СПК 10, что ведет к увеличению КПД СПТ.

В период времени i когда СПК 6 находится в сверхпроводящем состоянии, а СПК 10 - в резистивном, источник переменного тока 1 изменяет ток через первичную обмотку 3 от значенияТ }-гр ло - ., (фиг.Зв). В пер.вичной обмотке 3 возникает напряжени (фиг-Зб) и ток, протекающий по цепи, состоящей из вторичной обмотки 4, СПК 6, дросселя 8, первичной обмотки 15 второго трансформатора 14у постепенно уменьшается (фиг.Зе), Под действием ЭДС напряжение (фиг,3д) возникает во вторичной обмотке 4 . Напряжение UiTpi .вторичной 17 создает дополнительный импульс тока (фиг.3с) в цепи, содержащей вторичную обмотку 17, четвертый СПК 22, дроссель насыщения 24, СП нагрузку 26, и который добавляется к току, протекающему через сверхпроводящую нагрузку 26. (фиг.Зб). В момент времени tj преращается изменение . Напряжение ,становится равным нулю и блок управления 27 формирует сигнал управления {фиг.ЗА), который прекращает действие управляющей обмотки 11 СПК 10 и он начинает переходить в сверхпроводящее состояние. Токи ,

спччосп((,ь. 1ТР2, IcnKie, спчаа, ьн в это время остаются-постоянными. В момент времени когда второй СПК 10 перешел в сверхпроводящее состоя ние, из блока управления 27 поступа ет сигнал управления (фиг.ЗА), который подается на электронный ключ 28. iOH открывается и с блока эталонного напряжения 29 поступает напряжение, которое вызывает изменение тока в,. первичной обмотке 3 до значения -I (фиг.30). На первичной обмоткбЗ воз никает напряжение -С(фиг. 36) , которое по абсолютной величине меньше . во вторичных обмотках 4 и 5 возникают ЭДС -eiTp4(фиг. ЗА) и (Фиг. 35). Так как СПК б и 10 нахо дятся в СП состоянии, через них про текает ток короткого замыкания, который вызывает уменьшение тока 1спкб фиг.Зе) и увеличение тока1р(,.фиг. В момент времени tjg ток через СПК б достигает нулевого значения (фиг.Зе). Произойдет перемагничивание первого дросселя 8 и все напряжение выделится на нем. С сигнальной обмотки 9 поступает импульс в блок управления 27, который подает сигнал (фиг. За)} в обмотку 7 для перевода СПК б в резистивное состояние. В это же время из .блока управления 27 поступает сигнал (фиг.ЗА) на электронный ключ 28. Ключ 28 закрнваето ток {;,7р прекращает изменяться и остается постоянным до момента времениig За время первый СПК 6 переходит полностью в резистивное состояние. В этот период времени напряжения U -jtJ2Tp-i 2Tpa равны ток через СПК б тоже равен нулю.. Так как переключение СПК 6 происходит при fcnKO ТС) не происходит выделения энергии fia резистивном участке СОК б, что ведет к увеличению КПД СПТ. Работа СПТ в период времениЬз5 48 (фиг.3) аналогична его работе в пе. риод времени t, В момент времени заканчивается второй цикл работы СПТ. Далее первый и. второй циклы fe -b48 повторяются до достижения в сверхпроводящей нагрузке требуемого тока I им . Использование второго сверхпрово .дящего трансфс матора, второй выпря мительной схелй, блока циклического реверсирования выгодно отличает пред лагаемый сверхпроводящий преобразо. гэатель тока, так как позволяет скон струировать СПТ большой мощности при высоком коэффициенте полезного действия вследствие того, что увеличивается КПД за счет уменьшения тока в первичной обмотке первого трансформатора использования малом&щных быстродействующих сверхпрово дящих ключей в первой выпрямительно схема СПТ, которые не требуют больших ьатрат энергии для перевода их резистивное состояние и обладают е: оЛьшим сопротивлением в резистивйом состоянии; 2) увеличивается коэффициент полеЭного действия за счет малой энергии, требуемой на перевод мощных СПК во второй выпрямительной схеме СИТ, так как они работают с низкой частотой переключения/ что требует незначительной затраты энер гии на переключение и поддержание их в резистивном состоянии. Продолжительная запитка сверхпроводящих магнитов постояннь№1 током от источников энергии, имеющих комнатную температуру, затруднительна и дорога. Сверхпроводящий преобразователь тока с высокими коэффициентом полезного действия и выходной мощностью, расположенный в гелиевой среде ( Т 4,2°К) решит обе эти задачи. Для сверхпроводящих магнитов, запитываемых током свыше 1000 А, сверхпроводящий преобразователь тока с его упрайлениеи более дешев, чем источник полезного тока, работающий при комнатной температуре. При выходной мощности порядка 50 Вт,вес СПТ с его управлением составляет только лишь одну десятую от веса выпускаемых источников, работающих при комнатной температуре. Формула изобретения Сверхпроводящий преобразователь згока, содержащий сверхпроводящую нагрузку, запитываемую постоянным током через сверхпроводящий трансформатор тока, первичная обмотка которого соединена с источником переменного тока, а ко вторичной обмотке и средней точке :ее присоединена двухполупериодная выпрямительная схема, содержащая в каждом плече по одному сверхпроводящему ключу и по одному насыщающемуся дросселю, подключенные к блоку управления, который соединен с электронным ключем, вход которого соединен с блоком эталонного напряжения а выход - с источником переменного тока, отличающий с я тем, что, с целью увеличения коэффициента полезного действия, в сверхпроводящий преобразователь тока включен второй сверхпроводящий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в диагональ первой двухполупериодной выпрямительной , и ко вторичной обмотке присоединена вторая двухполупериодная выпрямительная схема, содержащая в каждом плече по одному сверхпроводящему ключу и по одному насыщающемуся дросселю, подключенные к блоку управления, при этом в диагональ второй двухполупериодной выпрямительнрй схемы включена сверхпроводящая нагрузка, а с блоком управлений и источником тока соединен блок циклического реверсирования. Источники информации, принятые .во внимание при.экспертизе 1. Mendelssohn K.Natyre, 132, 1933, р . 602. 2. BuchhoEd Т. Cryoqenics, 4, УШ, 1964,. 4,: pp. 212-217.

3. Atherton. D.L., VlBbikatis К.-Л. Rev Sei Justrim, 45, 1974,. № 12, pp. 1520-1522..

4. Патент США 3848162, кл. 317-123, опублик. 1974 (прототип) .

Ж JiA Л& JUkiinJI

Уда,

/