Сверхпроводящий коммутатор

 

Изобретение относится к электротехнике. Сущность изобретения заключается в том, что в сверхпроводящий коммутатор, состоящий из токонесущего элемента, который соединен с источником переменного тока, и блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента, введены нагреватель, который намотан по всей длине токонесущего элемента, контактор нагревателя, блок питания нагревателя, стабилизатор переменного тока, блок контроля фазовым состоянием токонесущего элемента, причем стабилизатор переменного тока соединен с крайними выводами токонесущего элемента, нагреватель через нормально открытые контакты контактора нагревателя соединен с блоком питания нагревателя, крайние выводы токонесущего элемента соединены с входом блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента, выход которого соединен с контактором нагревателя, а выход источника переменного тока - с входом блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента и блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Преимущественной областью применения изобретения являются электрофизические установки, например сверхпроводящие преобразователи тока для запитки сверхпроводящих магнитов током до десятков тысяч ампер.

Как известно, работа сверхпроводящих коммутаторов (CПК), основана на переводе токонесущего элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное. При этом перевод осуществляется превышением одного из критических параметров сверхпроводящего токонесущего элемента (температуры, плотности тока, напряженности магнитного поля) или некоторой совокупности их.

Тепловой способ может быть осуществлен посредством нагревателя, с помощью которого подводится энергия, чтобы нагреть коммутатор выше температуры перехода [1] . Недостатком данного устройства является большое время перехода сверхпроводящего коммутатора в нормальное состояние и перегрев сверхпроводящего токонесущего элемента коммутатора при длительном нахождении в нормальном состоянии, что снижает его КПД. Это объясняется тем, что для осуществления быстрого нагрева сверхпроводника нужна хорошая теплоизоляция между материалом коммутатора и жидким гелием, и мощный источник энергии, т.к. удельная энергия на единицу объема, необходима для перевода СПК в резистивное состояние, равна: = (2÷3)T³_c·C_o·ν_сп где Т_с - критическая температура при 1 = 0; С_о - постоянная теплоемкости; ν_cп - удельный вес сверхпроводника.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство перевода СПК в нормальное состояние импульсом тока с регулируемой частотой переключения [2], применение которого обеспечивает быстрый перевод СПК в нормальное состояние и возможность регулирования времени нахождения СПК в нормальном состоянии. Устройство состоит из двух импульсных источников тока, коммутатора с двумя входами управления и схемы задержки. Два одноименных полюса импульсных источников тока соединены с выводами сверхпроводящего ключа, а его средняя точка соединена через коммутатор с другим одноименными полюсами импульсных источников тока, причем блок управления соединен с первым управляющим входом коммутатора и входом схемы задержки, а ее выход соединен со вторым управляющим входом коммутатора [2].

Устройство работает следующим образом. С блока управления подается импульс управления на первый вход управления коммутатора и на вход схемы задержки. Коммутатор открывается и через обе половины ключа СПК протекают импульсные токи от двух импульсных источников тока. При достижении этим током критического значения ключ начинает переходить в нормальное состояние и в нем появляется активное сопротивление. На этом сопротивлении выделяется энергия, запасенная в импульсных источниках, происходит нагрев СПК, и во всем объеме ключа температура достигает критического значения Т_с^о, ключ полностью переходит в нормальное состояние. Через некоторое время на второй вход управления коммутатора приходит импульс задержки. Величина длительности задержки выбирается, исходя из требуемой длительности нахождения ключа СПК в нормальном состоянии. Импульс задержки подается на второй управляющий вход коммутатора и тот закрывается. В результате ток через СПК от импульсных источников обрывается, прекращается тепловыделение в ключе, ключ начинает охлаждаться и полностью переходит в нормальное состояние. Недостатком данного устройства является возможность регулирования времени нахождения сверхпроводящего ключа СПК в нормальном состоянии только в пределах времени работы импульсных источников ткоа, так как сверхпроводящий ключ работает в циклическом режиме и имеет хорошие условия для охлаждения. Поэтому для поддержания сверхпроводящего ключа в нормальном состоянии в длительном режиме требуется или дополнительный источник энергии, или очень мощный импульсный источник тока для сильного перегрева токонесущего элемента. Обычно в качестве импульсных источников используется конденсаторная батарея, разряд которой ограничивается временем. t_разр. = Сx xR_спк, где С - емкость конденсаторной батареи, R_спк - сопротивление СПК в нормальном состоянии и для реальных ключей составляет ≅ 10 мс.

При работе сверхпроводящего преобразователя тока с индуктивной передачей коммутация тока нагрузки между ключами про- изводится каждый полупериод t = = , где f - рабочая частота преобразователя и в реальных конструкциях равна f = 1-50 Гц; т.е. сверхпроводящий ключ должен находиться в резистивном состоянии в течение времени 10-500 мс, что нельзя обеспечить данным устройством, так как сверхпроводящие ключи, работающие в циклическом режиме, имеют хорошие условия осаждения.

Целью изобретения является регулирование времени нахождения токонесущего элемента в нормальном состоянии при минимальных затратах энергии на управление его фазовым состоянием.

Достигается это тем, что в сверхпроводящий коммутатор, состоящий из токонесущего элемента, который соединен с источником переменного тока, и блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента, введены нагреватель, который намотан по всей длине токонесущего элемента, контактор нагревателя, блок питания нагревателя, стабилизатор переменного тока, блок контроля фазовым состоянием токонесущего элемента, причем стабилизатор переменного тока соединен с крайними выводами токонесущего элемента, нагреватель через нормально открытые контакты контактора нагревателя соединен с блоком питания нагревателя, крайние выводы токонесущего элемента соединены с входом блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента, выход которого соединен с контактором нагревателя, а выход источника переменного тока соединен со входом блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента и блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента.

На фиг. 1 изображена функциональная схема сверхпроводящего коммутатора; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Сверхпроводящий коммутатор состоит из токонесущего элемента 1, подключенного через сверхпроводящую нагрузку 2 к источнику тока 3 блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента 4, который включает два импульсных источника тока 5, 6; коммутатор 7, дифференциальную цепочку 8, первый выпрямитель 9, исполнительный орган 10, нагреватель 11, блок питания нагревателя 12, контактора нагревателя 13, нормально открытые контакты контактора нагревателя 14, стабилизатора переменного тока 15 и блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента 16, который включает в себя преобразователь 17, пороговый элемент 18, схему совпадения 19, второй выпрямитель 20.

Сверхпроводящий токонесущий элемент 1 через сверхпроводящую нагрузку 2 подключен к источнику тока 3; два одноименных полюса импульсных источников 5, 6 соединены с крайними выводами токонесущего элемента 1, а его средняя точка соединена через контактор 7 с другими одноименными полюсами импульсных источников тока 5, 6; управляющий выход источника тока 3 соединен с входом дифференциальной цепочки 8, выход которой через первый выпрямитель 9 подключается к входу исполнительного органа 10, нагреватель 11 через нормально открытые контакты контактора нагревателя 14 соединен с блоком питания нагревателя 12, стабилизатор переменного тока 15 подключен к крайним выводам токонесущего элемента 1; крайние выводы токонесущего элемента 1 соединены с входом преобразователя 17, выход которого соединен с входом порогового элемента 18, выход порогового элемента 18 соединен с первым входом схемы совпадения 19, причем второй вход которой через второй выпрямитель 20 подсоединен к управляющему выходу источника тока 3, выход схемы совпадения 19 соединен с входом контактора нагревателя 13.

Работа устройства поясняется временными диаграммами, изображенными на фиг. 2.

В момент времени t_о через токонесущий элемент 1 начинает протекать ток I_тнэ положительного направления (фиг. 2,а), с управляющего выхода источника тока 3 поступает сигнал управления U_уз (фиг. 2,б) на вход дифференциальной цепочки 8 блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента 4 и на вход второго выпрямителя 20 блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента 16. Сигнал управления U_уз имеет положительный знак, положительный импульс с выхода дифференциальной цепочки 8 не проходит через первый выпрямитель 9 на вход исполнительного органа 10 и не происходит срабатывания контактора 7, соответственно оказывается закрытым вход схемы совпадения 19 вторым выпрямителем 20 блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента 16, в результате чего с выхода схемы совпадения 19 не подается команда на контактор нагревателя 13, нагреватель 11 остается отключенным от блока питания нагревателя 12 через нормально разомкнутые контакты контактора нагревателя 14. Токонесущий элемент 1 находится в сверхпроводящем состоянии. В момент времени t₁ ток, протекающий через токонесущий элемент 1, меняет направление (фиг. 2,а). С управляющего выхода источника тока 3 поступает сигнал управления U_уз (фиг. 2,б) на вход дифференциальной цепочки 8 блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента 4 и на вход второго выпрямителя 20 блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента 16. Управляющий сигнал с выхода дифференциальной цепочки 8 через первый выпрямитель 9 поступает на вход исполнительного органа 10, который подает команду на контактор 7. Последний замыкается и через токонесущий элемент 1 начинает протекать импульсный ток от импульсных источников тока 5, 6. В момент времени t₁ управляющий сигнал U_уз через второй выпрямитель 20 подается на второй вход схемы совпадения 19 блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента 16 и открывает его. При протекании импульсного тока через сверхпроводящий токонесущий элемент 1 от импульсных источников тока 5, 6, в токонесущем элементе 1 начинает появляться активное сопротивление, на токонесущем элементе 1 появляется переменное напряжение, т.к. через него постоянно протекает измерительный ток от стабилизатора переменного тока 15, это переменное напряжение поступает на вход преобразователя 17 блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента 16. Преобразователь 17 преобразует переменный сигнал в постоянное напряжение U_17вых (фиг. 2,в), с выхода преобразователя 17 это постоянное напряжение U_17вых подается на вход порогового элемента 18. В момент времени t₂ токонесущий элемент полностью переходит в нормальное состояние и его сопротивление достигает значения R_тнэ (фиг. 2,г), напряжение U_17вых, ко- торое контролирует ве- личину сопротивления токонесущего элемента (переменное напряжение, которое подается на вход преобразователя 17 прямо пропорционально сопротивлению токонесущего элемента 1), достигает значения U_17вых.max (фиг. 2,в), ток, протекающий через токонесущий элемент 1 от источника тока 3, в результате появления в цепи активного сопротивления R_спк приобретает значение I_тнэmin (фиг. 2,а). Напряжение U_17вых.max, которое поступает на вход порогового элемента 18, имеет значение U_17вых.max (фиг. 2,в). В момент времени t_з токонесущий элемент начинает остывать, его сопротивление начинает уменьшаться (фиг. 2,г); также начинает уменьшаться напряжение U_17вых, которое контролирует фазовое состояние (сопротивление) токонесущего элемента 1 (фиг. 2,в), а ток, протекающий через токонесущий элемент 1, от источника тока 3 увеличивается. В момент времени t₄ сопротивление токонесущего элемента 1 достигает минимально допустимого значения R_тнэmin, напряжение U_17вых контролирующее фазовое состояние токонесущего элемента, которое подается на вход порогового элемента 18, достигает значения U_пор18min (фиг. 2,в). С выхода порогового элемента 18 на первый вход схемы согласования 19 поступает сигнал (фиг. 2,д), с выхода которой поступает сигнал на контактор нагревателя 13, который срабатывает, замыкаются нормально открытые контакты контактора нагревателя 14 и нагреватель 11 подключается к блоку питания нагревателя 12. Нагреватель 11 начинает подогревать токонесущий элемент 1, сопротивление которого начинает увеличиваться (фиг. 2,г). Напряжение U_17вых, контролирующее фазовое состояние токонесущего элемента также начинает увеличиваться (фиг. 2,в). В момент времени t₅ сопротивление токонесущего элемента 1 достигает значения R_тнэ, напряжение, контролирующее фазовое состояние токонесущего элемента 1, U_17вых достигает значения U_17вых.max, которое равно напряжению срабатывания порогового элемента 18 U_18пор.max Пороговый элемент 18 закрывает первый вход схемы совпадения 19 и с выхода которой прекращается подача сигнала (фиг. 2,д) на контактор нагревателя 13. Контактор нагревателя 13 размыкает контакты контактора нагревателя 14 и отключает нагреватель 11 от блока питания нагревателя. Токонесущий элемент 1 начинает остывать, сопротивление его начинает уменьшаться до значения минимально допустимого R_тнэmin. Затем все повторяется, и так происходит в течение времени, пока необходимо поддерживать токонесущий элемент 1 в нормальном состоянии.

При испытании предлагаемого сверхпроводящего коммутатора с параметрами: I_кр = 2 кА, R_спк = 20 м; импульсный источник тока на напряжение U = 200 В, сопротивление нагревателя R_нагр = 5 Ом; блок питания нагревателя на напряжение U = 10 В, при протекании через коммутатор тока I_тнэ = 200 А удалось поддерживать коммутатор в нормальном состоянии при циклической работе в течение 1 мин.

В прототипе импульсный источник тока на напряжение U = 200 В переводил ключ с аналогичными параметрами на время 12 мс при I_тнэ = 200 А.

Использование предлагаемого изобретения позволяет применить в сверхпроводящих преобразователях тока сверхпроводящие коммутаторы с регулированием времени нахождения в нормальном состоянии, что позволяет избежать перегрева коммутатора, поддерживать коммутатор в нормальном состоянии в течение всего рабочего цикла, что в свою очередь приводит к экономии энергии на управление коммутаторами, к экономии жидкого гелия и повышает КПД преобразователя.

Формула изобретения

СВЕРХПРОВОДЯЩИЙ КОММУТАТОР, состоящий из токонесущего элемента, который соединен с источником переменного тока и блока управления фазовым состоянием токонесущего элемента, отличающийся тем, что, с целью регулирования времени нахождения токонесущего элемента в нормальном состоянии при минимальных затратах энергии на управление, в него дополнительно введены нагреватель, который намотан по всей длине токонесущего элемента, контактора нагревателя, блока питания нагревателя, стабилизатора переменного тока, блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента, причем стабилизатор переменного тока соединен с крайними выводами токонесущего элемента, нагреватель через нормально открытые контакты контактора нагревателя соединен с блоком питания нагревателя, крайние выводы токонесущего элемента соединены с входом блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента и блока контроля фазовым состоянием токонесущего элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2