SU650524A3 - Устройство дл передачи магнитной энергии - Google Patents

Description

1

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

В Известных устройствах дл  передач энергии , если через индуктивность величины L протекает ток г, то магнитна  энерги , накапливаема  в этой катушке,

, а магнитный поток Ф Ы.

Эту индуктивность подключают при помощи выключател  к другой индуктивности, прИ этом величину ее дл  -простоты берут равной первой. Так как поток остаетс  неизменным , то после замыкани  выключател  в каждой из индуктивностей поток равен Li/2, а накопленна  магнитна  энерги  Li. В этих услови х передача маг8

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

устройства дл  передачи примен ют в основном в лабораторных услов-и х из-за простоты, но их нельз  примен ть в цеп х , в которых магнитна  энерги  достигает значительной величины, так как их низкий КПД приводит к слишком большим потер м энергии.

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

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

r.(p-l)

L,L

части,

номер

где р - пор дковый l P ft-1;

  - количество частей. Коммутирующие элементы снабжены трансформатором с коэффициентом трансформации

-

k 1/ i +„ /

- У 1г ё-27Г

где q - целое число, .

На фиг. 1 показана принципиальна  схема передачи энергии от переменной индуктивности к посто нной индуктивности; на фиг. 2 - схема цепи по первому варианту, где средствами коммутации  вл ютс  выключатели; на фиг. 3 - схема цепи по второму варианту, который отличаетс  от предыдущего расположением выключателей; на фиг. 4 - схема варианта устройства , в котором используетс  промежуточна  индуктивность; па фиг. 5 представлен вариант устройства, в котором обе индукти-вности измен ютс  одновременно; на фиг. 6 прив едена принципиальна  схема передачи между двум  Посто нными индуктивност ми , 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 дл  передачи между переменной и посто нной индуктивности; на фиг. 9 показано изменение токов дл  передачи между двум  посто нными индуктивност ми, соединенными при помощи трансформатора с переменным коэффициентом трансформации; на фиг. 10 представлено симметричное устройство , в котором передающа  индуктивность состоит из двух симметричных частей; на фиг. 11 приведено изменение токов в двух вспомогательных цеп х 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 зрени  (индуктивность , емкость и сопротивление нулевое ) обеспечивает между трем  токами гс, i, iz линейное соотнощение вида

io ii+ i Пользу сь этой формулой, можно изучить обмен энергией между трем  элементами LI, LZ и генераторпой схемой 3. Предположим , что коэффициенты аир посто нны . Магнитна  энерги , накопленна  в каждой из ипдуктивностей, равна WT(-

Дл  эта энерги  составл ет всего одну сотую от полной энергии WT, дл  по первому варианту (фиг. 2) составл ет 757о, тогда как теоретический КПД согласно второму варианту изобретени  равен 100%.

Рассмотрим устройство в случае, когда индуктивности, между которыми осуществл етс  передача энергии, соединены при помощи системы коммутации, и в случае, когда индуктивности  вл ютс  посто нными и соединены при помощи трансформатора с переменным коэффициентом трансформации . На фиг. 7 представлена принципиальна  схема передачи эпергии дл  конкретного расположени  посто нной индуктивности 1 величины LZ и переменной индуктивности 2 величиной Lt. В этой схеме индуктивность 2 св зана 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 осуществл етс  при помощи средства , схематически представл ющего собой переключатель, который последовательно справа .налево замыкает -индуктивность 2, причем стрелка указывает направление движени . Заштрихованный участок представл ет собой часть индуктивности 2, которую за-мыкают. Изменение магнитного потока компенсирует изменение потока в цепи 3 так, что, когда ток (с становитс  равным нулю, ток через короткозамкнутые витки также равен нулю и можно переходить к следующему контакту. В устройстве , показанном на фиг. 1, конечное состо ние характеризуетс  тем, что магнитна  энерги  локализована в одной индуктивности 1.

На фиг. 1 элементом коммутации  вл етс  переключатель, но дл  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 св занных взаимной индукцией, причем р измеп етс  от 1 до п включительно. Кажда  частна  индуктивность соедипепа с двум  выключател ми 6i и 62, 6з, ..., &п, выключатель 7 параллелен индуктивности 4.

Это устройство работает следующим образом . Предположим сначала, что передача магнитной энергии осуществл етс  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, выполн ют 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 состо нии 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 дл  этого новое начальное состо ние, в котором выключатель 7 разомкнут , выключатели 6п замкнуты, выключатели 6„ разомкнуты. Ток, протекающий в индуктивност х Lp, равен нулю, а ток, протекающий в индуктивности 4, не равен . Это новое начальное состо ние есть конечное состо ние, полученное в предыдущем случае. Дл  передачи магнитной энергии, содержащейс  в индуктгивности 4, к индуктивности 5, образованной множеством частных индуктивностей Lp, производ т следующие послехдовательные действи ; замыкают выключатель бь размыкают выключатель замыкают выключатель 62; размыкают выключатель замыкают выключатель 6«; размыкают выключатель 6„; замыкают выключатель 7. Полученное конечное состо ние есть начальное состо ние предыдущей передачи. Дл  того, чтобы устройство, показанное на фиг. 8, обладало значительным КПД передачи, величины Lp частных индуктивностей , составл юЩИх индуктивность 5, не могут -выбиратьс  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 услови  выполн ютс  и если частные индуктивности имеют взаимную индукцию, максимально близкую к полной, то передача осуществл етс  с КПД, равным величине / («2)л V In ДЛЯ больщих значений л имее.м - Если выражение (1) удовлетвор етс  нестрого , то КПД будет немного меньше теоретической величины, но расчеты показали , что закон не очень критичен. Последн   частна  индуктивность Ln физически нереализуема, так как tg-- oo. Следовательно, на практике ограничиваютс  последней передачей, относ щейс  к индуктивности с индексом . Если по конструктивным причинам посто нную величину имеет накопительна  индуктлвкость, передача к индуктивности нагрузки осуществл етс  путем последовательного включени  индуктивностей величины LP от до л-1 включительно. Наоборот, если посто нную величину имеет индуктивность нагрузки, средства коммутации включаютс  таким образом, чтобы последовательно замыкать индуктив1 ости LP от р л-1 до . В случае когда индуктивности образованы посто нным числом (Пр витков, выражение (1) относительно Lp переходит в простое выражение относительно гпр-. . где - консганта, завис ща  от цели, и р измен етс  от 1 до л-1 включительно. На фиг. 3 показаны индуктивность 4, образованна  одной обмоткой, и индуктивность 5, образованна  множеством частных индуктивностей, соединенных с выключател ми 8р и 9р, причем р измен етс  от 1 до л. В этой конструкции кажда  частна  индуктивность соединена параллельно со звеном, состо щим из трех ветвей, содержащих кажда  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 выключател  Эа выключатель 82, который  вл етс  общим с предыдущей индуктивностью LI, и выключатель 8з, который  вл етс  общим со следующей индуктивностью La. Чтобы осуществить передачу между индуктивностью 5 и индуктивностью 4, примен ют последовательность операций, аналогичную ранее описанной, с выключател ми 8р и 9р. В конструкци х, показанных на фиг. 2 и 3, индуктивности 4 и 5 обладают разными свойствами, так как одна 4 образована единственной индуктивностью, а друга  5 составлена из мнол ества частных индуктивностей . Так как эти требовани  не всегда совместимы с практикой, можно избежать этого Положени , использу  симметричную схему (фиг. 4). Pia фиг. 4 представлена схе.ма электрической системы, в которой использована промежуточна  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, используема  как промежуточна  накопительна  индуктивность, составлена из мнолсества частных индуктивностей (фиг. 2 и 3). Сначала производ т передачу магнитной энергии, содержащей в индуктивности 10 к индуктивности 12, затем на втором этапе передают энергию, содержащуюс  в индуктивности 12 к индуктивности 11. Эти передачи могут осуществл тьс  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 (.накопительна  и нагрузочна ) могут быть измен емы одновременно . Индуктивности образованы совокупностью частных индуктивностей 15 и 16, включеннь1х последовательно и св занных 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 св заны ИЛИ не св заны €0 вспомогательными цел ми 17 и 18. В этом устройстве состо ние пор дка 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 состо ние пор дка р, замыкают выключатель 8р и размыкают выключатель .

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

„„ ;,-с„,-.й.-2 соз|- ;

В устройстве, показанном на фиг. 5, две индуктивности могут составл ть одну, которую последовательно замыкают. В этом случае намотка осуществл етс  равномерно вдоль цилиндра и взаимна  индукци  витков убывает с ростом их рассто ний друг от друга. Магнитна  энерги , первоначально сосредоточенна  во всей обмотке , оказываетс  постепенно переданной на конец катушКИ.

Во всех вариантах, представленных на фиг. 2-5, вспомогательна  цепь 3 св зана полной взаимной индукцией с индуктивностью , величину которой постепенно заставл ют измен тьс , и она содержит или не содержит емкостный элемент, который

приводит к колебани м тока fc, с которыми синхронизируют преобразовани  основной схемы так, как это было объ снено выше.

Рассмотрим теперь вариант, отличающийс  тем, что обе индуктивности посто нны и св заны трансформатором с переменным коэффициентом трансформации. На фиг. 6 Показаны индуктивности 1 и 2,

между которыми осуществл етс  передача; их св зывает трансформатор 17, а переключатель 18 позвол ет измен ть коэффициент трансформации трансформатора 17; количество контактов равно т, произвольный контакт обозначен индексом q. Вспомогательна  схема 3 св зана посредСТВОЛ1 магнитного сердечника трансформатора с основной схемой. Она может содержать или не содержать емкостный элемент

(например, конденсатор, изображенный пунктирной линией).

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

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

трансформатор дл  передачи, осуществл ющейс  от индуктивности 1 к индуктивности 2, коэффициент трансформации /Cq трансформатора, св зывающего 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 значени  от 1 до т. В действительности конечное значение дл  д т физически нереализуемо , так как , так что на практике выражение (3) проверено только от до g m-1 включительно. Дл  передачи от индуктивности 2 к индуктивности 1 необходимо измен ть индекс q от т-1 до 1.

Трансформатор может быть снабжен переменными первичной и вторичной обмотками (фнг. 7). Индуктивности 1 и 2 св заны с помощью трансформатора 19, первична  обмотка 20 и вторична  обмотка 21 которого могут благодар  переключател м 22 -и 23, содержащим по т контактов , пронумерованных от 1 до т, принимать все дискретные значени :

(m,) M,cos ( т,) - М, sin , т причем q измен етс  от 1 до т, как Т/MI Ж Г2М Это устройство и соотношение 4  вл етс  только частным случаем устройства, по; азанного на фиг. 6, и соотношени  (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  вл етс  монотонно возрастающей функцией времени. Дл  этого нужно знать изменени  тока, текущего в нагрузочной индуктивности, или изменени  тока IG, протекающего во вспомогательной цепи. Еслн представить изменени  тока IG в различных фаз передачи, то получаетс  характеристика, аналогична  характеристике на фиг. 8, св занной с измен емым элементом основной цепи, и где цепь 3 содержит емкостный элемент, привод щий к колебани м тока IG. На фиг. 8 врем  отложено по оси абсrufcc , а произведение тс,1г, - по оси ордират . Пиковый ток. проход щий по актив1ГОЙ цепи 3, неодинаков, если /Пг, - посто нно . Максимальные амплитуды определены точками MO, MI, М-ч и т. д., обозначени  MTI+S и MI,-g представл ют состо ние , предществуюшее Мр и следующее за Мр до и после переключений элементов , которые позвол ют измен ть основную цепь. Точки нулевого тока, имеющие дробный индекс, соответствуют прохождению через минимальное значение полной энергли Wi. Отрезки пр мой, обозначенные по ицией 24, представл ют передачи энергии между ДВУМЯ обмотками, а отрезки пр мой , обозначенные позицией 25,- фазы исчезновени  тока в замкнутых витках. Изменение амплитуды тока i происходит благодар  несимметричной функции, выполн емой 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 пикова   мплитуда тока посто нна (см. фиг. 9). ПрИ этих услови х изменени  тока tc представлены треугольными сигналами 26, а изменени  тока г в основной цепи-характеристикой 27, тогда в симметричных схел1ах , аналогичных показанной на фиг. 7, передача энергии между индуктивност ми осуществл етс  с последовательным и горизонтальными площадками 28, св занными с прохождением верщнн Мр, соответствующих участкам характеристики 29 на типичном графике изменений тока in. Чтобы избел ать существовани  площадок на характеристике 27 и вообще резких изменений тока, которые вызывают значительные перенапр жени  в индуктивност х , в изобретении предусмотрено использование симметричных схем, аналогичных показанным на фиг. 10 и П. На фиг. 10 индуктивность 30 величиной /., образованна  одной обмоткой, св зана с ИНДУКТИВНОСТЬЮ 31, содержащей идентичные половины 32 и 36, кажда  из которых образована из - частных индуктивностей . обозначенных z и z величиной соединенных последовательно и св занных полной взаимной индукцией, причем величины /.г близки к .,,.. ..,(5, где г и z представл ют собой целые числа и измен ютс  от 1 до -. Эти индуктивности св заны со средствами коммутации, служащими дл  последовательного синхронного замыкани  индуктивностей LгL Z . Очев1;дно, что практически крайние индуктивности и п L п очень велики, но 2Т небссконечны и что выражение 5 точно удовлетвор етс  только дл  I-1| первых частных индуктивностей. В случае, показанном на фиг. 10, средства коммутации образованы двум  синхронными переключател ми 22 и 23, каждый из которых имеет - контактов, пронумерованных от 1 до-. В симметричной схеме такого тина можно заметить, что изменени  тока /и легко могут быть получены суммированием двух пилообразных характеристик , таких, как показанна  на фиг. 8, сдвинутых на один период, так как нагрузочные индуктивности 32 и 33 поочередно принимают энергию накопительной индуктивности 30, причем фаза замыкани  одной из катушек осуществл етс  вместе с передачей энергии в другую катушку. В активных цеп х 34 и 35 тогда протекают симметрично распределенные токи, и изменени  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, котора  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, котора  образована и  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 значени  от

Тогда во вспомогательных цен х 34 и 35 п-потек ют симметрично распределенные токи (фиг. И).

В приведенных выше вариантах устройства зс;юмо-гател -.иа  цепь образована индуктивностью и конденсатором, что приводит к колебани м тока IG. В другом устройстве эта вспомогательна  цепь содержит ИНДУКТИВНОСТЬ, св занную взаимной и дукц е  с измен емым элементом цепи, и генетатор тока, ввод щий 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 слуьт х , касающихс  выключателей с замыканием , Предусматриваетс  их реализаци  нутем косого перемещени  металлической пластины по последовательным контактам, соединенным с концами различных «ндуктивностей , а в случа х, касающихс  выключателей с размыканием (разъединителей ),-путем расплавл емых проводников . Перемещение металлической пластины может осуществл тьс  с иснользованием давлени  газа (например, давлени  взрывчатой смеси) «ли магнитным путем с помоигью сил Лапласа, св занных с электрическн т; токами, протекающими в системе.

В некоторых вариантах (фиг. 5) сечение расплавл емых проводников может быть рассчитано так, что они разрываютс  в соответствующем пор дке один за другим единствоттто благодар  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 расплавл  сь, разрывают промежуточную пластинку. Выключатели 8 могут также изготовл тьс  в виде проводников , питаемых основным током, причем их сечение таково, что они расплавл ютс  раньше, чем проводники 9, что дает таким образом систему с автоматическим запуском .

Аналогично этому дл  индуктивностей, показанных условными обозначени ми, легко найти форму, наиболее соответствующую практическим требовани м: катушки , соленоиды, плоские галентные катушки , витки и т. д. Изобретение предусматривает в одном конкретном варианте реализации получение обмоток этих различных индуктивностей из сверхпровод щего материала . В этом случае магнитна  энерги , накопленна  в соответствующих цеп х, достигает очень больщой величины, что оправдывает стремление осуществить ее восстановление с высоким КПД, использу 

Предлагаемое устройство.

Claims (3)

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

2.Устройство но п. 1, отличающеес  тем, что индуктивное сопротивление одной из обмоток имеет посто нную величину, а индуктивное сопротивление каждой из

частей другой обмотки имеет величину

,.K te-| f.

номер

части.

где р - пор дковый

п - количество частей.

3. Устройство по н. 1, отличающеес   тем, что коммутирующие элементы снабЖены трансформатором с коэффициентом трансформации

.-/E-tg-.

где q - целое число, .

Источники -информации, прин тые во Внимание при экспертизе 1. Родщтейн Л. А. Электрические аппараты низкого напр жени . М.-Л., «Энерги , 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