Сверхпроводниковый ключ-перемычка с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии

 

Изобретение относится к электроэнергетической импульсной технике и касается сверхпроводниковых ключей-перемычек (СКП) из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя (СПИН) преимущественно тороидального типа, предназначенного для питания импульсных нагрузок, например индуктивной нагрузки через промежуточный многокаскадный емкостной генератор (ЕГ). Технический результат изобретения - уменьшение массы и стоимости сверхпроводникового ключа-перемычки с сопутствующим оборудованием за счет уменьшения массы и стоимости его управляющей обмотки и уменьшения потребляемой им мощности от источника электроэнергии. СКП содержит основную обмотку на основе лент из пленок ВТСП, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами с повышенной входной температурой хладоагента с внутренней частью входного и выходного коллекторов хладоагента. А также соосную с основной наружную обмотку из многожильного провода с ВТСП пленками, намотанную на трубчатый каркас с теплоизоляцией и снабженную каналами протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами с пониженной выходной температурой хладоагента с наружной частью входного и выходного коллекторов хладоагента. Основная и управляющая обмотки помещены в криостат. Выводы основной обмотки подключены к выводам обмотки СПИН и выходам его зарядного устройства в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощности. Кроме того, СКП содержит устройство питания управляющей обмотки с емкостным накопителем с коммутирующими управляющими ключами, его двумя разнополярыми зарядными устройствами и два разнополярных двухтактных преобразователя практически неизменного выходного тока, блок управления. 1 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к электроэнергетической импульсной технике и касается сверхпроводниковых ключей-перемычек (СКП) из высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя (СПИН) преимущественно тороидального типа, предназначенного для питания импульсных нагрузок, например индуктивной нагрузки через промежуточный многокаскадный емкостной генератор (фиг.1, 2, 3, 4).

Известен сверхпроводниковый ключ-перемычка с тепловым управлением, содержащий основную сверхпроводниковую обмотку, намотанную бифилярно на цилиндрический каркас вместе с нагревательной обмоткой теплового управления, которые помещены в криостат и связаны теплоизолированными трубопроводами с криогенной установкой /1/.

Достоинство такого СКП - простота и сравнительно малые масса и объем.

Основной его недостаток связан с необходимостью сравнительно длительное время охлаждать основную сверхпроводниковую обмотку после перевода ее из сверхпроводящего в резистивное состояние снова в сверхпроводящее состояние для маломощных ключей от одной до нескольких минут, а для мощных ключей большой массы - до нескольких десятков минут /2, 1/. Этот недостаток ограничивает функциональные возможности теплового управления работой СПИН только запиткой его током в режим "замороженного" потока.

Также известен сверхпроводящий ключ-перемычка с магнитным управлением, предназначенный для сверхпроводниковых диодов, тиристоров и инверторов на их основе и содержащий два коаксиальных соленоида, намотанных лентами из высокотемпературных сверхпроводящих пленок.

Внутренний основной соленоид является силовым, а внешний - упраляющим /2/. Соленоиды помещены в криостат и снабжены каналами их охлаждения, связанными теплоизолированными трубопроводами с криорефрижераторной установкой.

Достоинство такого СКП в повышенном быстродействии, так как время восстановления сверхпроводящих свойств основного внутреннего силового соленоида после отключения тока в управляющем соленоиде составляет порядка одной миллисекунды /2/. При приведенных в /2/ параметрах такого СКП из иттрий-бариевых ВТСП пленок: критической магнитной индукции _кр=12 Тл при нулевом транспортном токе и критической плотности тока j_кр≈ 1· 10^-9 А/м², что возможно только при температуре охлаждения ВТСП пленок порядка 85 К /3/, область применения СКП ограничена только указанными выше целями для сравнительно маломощных сверхпроводниковых приборов, рассчитанных на ток порядка 25 А и меньше.

Однако при применении висмутсодержащих ВТСП пленок в соленоидах СКП, широко известном бифилярном способе намотки лент основного силового соленоида /1/ и более высокой рабочей температуре ВТСП пленок соленоидов. Такой СКП с магнитным управлением может использоваться для управления работой СПИН и в этом случае служить основой следующего ближайшего аналога или прототипа предлагаемого изобретения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сверхпроводниковый ключ-перемычка с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, содержащий (см. фиг.8 и 9) основную бифилярную обмотку 1 на основе пленок или лент высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас 2, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами 4' с входным 5 и выходным 6 коллекторами хладоагента, соосную с основной управляющую обмотку 7 из многожильного провода с высокотемпературными сверхпроводниками, намотанного на цилиндрический трубчатый каркас 2’, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрижераторной установки, соосные основная 1 и управляющая 7 обмотки помещены в криостат 8 с внутренними и наружными стенками 8.1, между которыми расположены теплоизоляция 8.2 и силовые опоры, выводы основной обмотки 1 подключены к выводам а и б обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 преимущественно тороидального типа и к выходам его зарядного устройства 10 преимущественно на основе преобразователя с неизменной зарядной мощностью, входные выводы которого связаны с шинами источника 11 электропитания, выводы управляющей обмотки 7 через датчик тока ДТ подключены к выходам устройства 12 ее питания, причем криорефрижераторная установка связана теплоизолированными трубопроводами 4 с обмоткой сверхпроводникового индуктивного накопителя 9, а управляющие входы и выходы устройства 12 питания управляющей обмотки 7, зарядного устройства 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 и датчиков тока, напряжения и температуры связаны с соответствующими выходами и входами блока управления /4/.

Недостатки такого базового устройства-прототипа /4/: недопустимо большая масса обмотки магнитного управления 7, а значит, масса СКП, и чрезмерно большая масса и стоимость ее высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), а также сравнительно большая потребляемая им мощность от источника 11 электропитания.

Например, для висмутсодержащего ВТСП с критической температурой 105,75 К и массовой плотностью 3790 кг/м³ /5/ при: его рабочей температуре 99 К; запасаемой в тороидальном СПИН9 энергии W_9M=5 мДж; минимальной магнитной индукции управляющей обмотки 7 B_YOmin=6,8 Тл в области расположения основной обмотки 1, при которой ВТСП пленки всей основной обмотки переходят из сверхпроводящего в резистивное состояние; критической плотности транспортного тока в ВТСП пленках при нулевой магнитной индукции j_плк(0)=1· 10⁹ А/м²; максимальной магнитной индукции в управляющей обмотке 7 B_муо>10 Тл, которой соответствует плотность тока /5/ в ВТ ее ВТСП пленках

где р=1,36±0,01 - полученный экспериментально коэффициент /5/;

рабочей плотности тока j_плр≈ 1,13· 10⁷ А/м²; среднем радиусе управляющей обмотки 6,261 м и максимальном токе в управляющей обмотке 7 1000 А суммарная масса СКП составила 318,8 или 137,4 тонн при массе управляющей обмотки 7 257,5 или 92,63 тонн для медной и алюминиевой матрицы в ней соответственно, а масса ВТСП - 12,43 тонн. При этом максимальная потребляемая СКП мощность составила 107,84 кВт.

Технический результат или цель изобретения - уменьшение массы и стоимости сверхпроводникового ключа-перемычки с сопутствующим оборудованием за счет уменьшения массы и стоимости управляющей обмотки 7 и уменьшение потребляемой им мощности от источника 11 электроэнергии.

1. Технический результат или цель изобретения достигается тем, что в сверхпроводниковом ключе-перемычке с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, содержащем (см. фиг.1, 2, 3, 4) основную бифилярную обмотку 1 на основе лент из пленок высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас 2, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолираванными трубопроводами 4’ с входным 5 и выходным 6 коллекторами хладоагента, соосную с основной 1 внешнюю управляющую обмотку 7 из многоканального провода с высокотемпературными сверхпроводниками, намотанного на цилиндрический каркас 2’, и снабженную каналами 3 для протоки хладоагента криорефрижераторной установки, соосные основная 1 и управляющая 7 обмотки с коллекторами хладоагрегата помещены в криостат 8 с внутренними и наружными стенками 8.1, между которыми помещены теплоизоляция 8.2 и силовые опоры, выводы основной обмотки 1 подключены к выводам а и б обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 преимущественно тороидального типа и к выходам его зарядного устройства 10, входные выводы которого связаны с шинами источника 11 электроэнергии, выводы управляющей обмотки 7 через датчик тока ДТ подключены к выходам устройства 12 ее питания, причем криорефрижераторная установка связана теплоизолированными трубопроводами 4 с обмоткой сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 и снабжена отдельными трубопроводами 4’ с выходной температурой хладоагента большей, чем у трубопроводов 4 охлаждения обмотки сверхпроводящего индуктивного накопителя 9, а управляющие входы и выходы устройства 12 питания управляющей обмотки 7, зарядного устройства 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 и датчиков тока, напряжения и температуры связаны с соответствующими выходами и входами блока управления, входной 5 и выходной 6 коллекторы хладоагента разделены диаметральной перегородкой, образованной продолжением трубчатого каркаса 2’ с теплоизоляцией обмотки управление 7 на наружную 5, 6 и внутреннюю 5’, 6’ части, первая из которых связана с теплоизолированными трубопроводами 4 с пониженной выходной температурой хладоагента, а другая - с отдельными трубопроводами 4 с повышенной выходной температурой хладоагента, при этом устройство 12 питания управляющей обмотки 7 включает в себя емкостной накопитель 12.1, выводы которого через параллельно включенные прямой 12.2 и обратный 12.2’ полностью управляемые ключи односторонней проводимости подключены к выводам управляющей обмотки 7, зашунтированным блокирующими параллельно включенными прямым 12.3 и обратным 12.3’ полностью управляемыми ключами односторонней проводимости, и два зарядных устройства 12.4 и 12.4’ емкостного накопителя 12.1, разнополярные выходы которых через развязывающие диоды или тиристоры 12.5 и 12.5’ связаны с выводами емкостного накопителя 12.1, входы зарядных устройств 12.4 и 12.4’ подключены к шинам источника 11 электроэнергии, а также два преобразователя 12.6 и 12.6’ практически неизменного выходного тока с разнополярными выходами, каждый из которых содержит низковольтную часть в виде мостовой схемы на четырех низковольтных полностью управляемых ключах односторонней проводимости 12.6.1-12.6.4 и дозирующий конденсатор 12.6.5 в диагонали мостовой схемы, и высоковольтную часть в виде диода 12.6.6, аноды двух управляемых ключей 12.6.1, 12.6.3 мостовой схемы связаны с одним из выходов преобразователя 12.6.7 напряжения источника 11 электроэнергии, а катоды остальных управляемых ключей 12.6.2, 12.6.4 мостовой схемы - с катодом высоковольтного диода 12.6.6 и через развязывающий тиристор 12.6.8 с одним из выводов управляющей обмотки 7, другой вывод преобразователя 12.6.7 напряжении источника 11 электроэнергии подключен к аноду высоковольтного диода 12.6.6 и к другому выводу обмотки управления 7.

2. Дополнительный технический результат или цель изобретения - уменьшение джоулевых потерь энергии в основной обмотке 1 и связанной с этим хладопроизводительности криорефрижераторной установки и потребляемой ею мощности от источника 11 электропитания при заряде и подзаряде сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 достигается тем, что в сверхпроводящем ключе-перемычке с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии по п.1 зарядное устройство 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии выполнено в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощности, содержащего регулируемый преобразователь 10.1 осредненной за период величины выходного напряжения прямоугольной формы с трансформаторным выходом 10.2, например, инвертора регулируемой частоты, а значит, и выходного напряжения, или инвертора по полумостовой схеме (см. фиг.4а и 4б), выходное напряжение которого регулируется методом широтно-импульсной модуляции, и однотактного двухфазного выпрямителя 10.3 на двух диодах 1-.3.1 и 10.3.2, вторичная обмотка трансформатора 10.2 регулируемого преобразователя 10.1 снабжена отводом от ее средней точки, крайние выводы вторичной обмотки упомянутого трансформатора через диоды 10.3.1 и 10.3.2 однотактного двухфазного мостового выпрямителя 10.3 подключены к одному из выводов обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя 9, а другой вывод обмотки последнего связан через развязывающий тиристор 10.4 с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора 10.2 регулируемого преобразователя.

На фиг.1а и 1б представлена конструктивная схема предлагаемого сверхпроводникового ключа-перемычки с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии согласно изобретению.

На фиг.2 приведена функциональная схема предлагаемого СКП с магнитным управлением работой СПИН согласно изобретению, на которой указаны связи между элементами СКП и последнего с обмоткой СПИН9.

На фиг.3 представлена развернутая функциональная схема устройства 12 питания управляющей обмотки 7 предлагаемого СКП согласно изобретению.

На фиг.4а приведена детальная схема зарядного устройства 10 СПИН9 типа преобразователя 10 в основном неизменной зарядной мощности на основе регулируемого преобразователя 1 осредненной за период величины выходного напряжения прямоугольной формы с трансформаторным выходом, в котором осредненное выходное напряжение регулируется методом импульсной модуляции.

На фиг.4б и 5б представлены графические зависимости осредненного и выходного напряжения U_тр трансформатора 10.2 регулируемого преобразователя 10.1 по фиг.4а и тока заряда i₉ тороидального СПИН от устройства 10 по фиг.4а от времени t. На нем обозначены:

U_трм - максимальное неизменное выходное напряжение от времени t=0 до времени t=t_oн начала заряда СПИН9 неизменной зарядной мощности Р_з9=Р_трн=I_9mU_трн=const;

i_oн и I_9m - ток заряда СПИН в момент начала заряда его неизменной зарядной мощности (при времени t=t_oн) и максимальный ток заряда СПИН в конце его заряда (t=t_зк=t_зм) неизменной зарядной мощности;

U_трк - выходное напряжение трансформатора 10.2 регулируемого 10.1 преобразователя 10.1 в момент конца заряда СПИН9 неизменной зарядной мощности (при t=t_зк), а

- номинальное выходное напряжение трансформатора при установившемся максимальном токе заряда СПИН9 i₉=I_9m=const от t=t_зм до момента перехода основной обмотки 1 СКП из резисторного в сверхпроводящее состояние длительностью от десятых долей секунд до нескольких секунд 1 при U_FM и U_FT1 - пороговым напряжением диода 10.2.1 или 10.2.2 однотактного двухфазного выпрямителя (ОТДФВ) 10.3 и развязывающего тиристора 10.3, а их дифференциальном сопротивлении r_дД и r_дт соответственно.

1. Предлагаемый СКП с магнитным управлением работой СПИН9 по фиг.1, 2 и 3 содержит основную бифилярную обмотку 1 на основе лент из пленок высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией, например из полиэтилена или фторопласта-4, и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас 2, и снабженную каналами 3 для протока хладоагента криорефрежераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами 4’ с повышенной выходной температурой хладоагента с внутренней частью входного 5’ и выходного 6’ коллекторов хладоагента, ограниченной диаметральным продолжением цилиндрического трубчатого каркаса 2 основной обмотки 1 и диаметральным продолжением трубчатого каркаса 2 внешней управляющей обмотки 7; соосную с основной 1 управляющую обмотку 7 из многожильного провода с высокотемпературными сверхпроводниками пленками, намотанную на трубчатый каркас 2' с теплоизоляцией, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами 4 с пониженной выходной температурой хладоагента с наружной частью входного 5 и выходного 6 коллекторов хладоагента; соосные основная 1 и управляющая 7 обмотки с коллекторами хладоагента помещены в криостат 8 с внутренними и наружными стенками 8.1, между которыми расположены теплоизоляция 8.2 и силовые опоры. Выводы основной обмотки 1 подключены к выводам а и б обмотки сверхпроводящего индуктивного накопителя 9 преимущественно тороидального типа и к входам его зарядного устройства 10 преимущественных на основе преобразователя с неизменной зарядной мощностью, входные выводы которого связаны с шинами источника 11 электропитания. Выводы управляющей обмотки 7 через датчик тока ДТ подключены в выходам устройства 12 ее питания, включающего в себя емкостной накопитель 12.1, выводы которого через параллельно включенные прямой 12.2 и обратной 12.2’ полностью управляемые ключи односторонней проводимости связаны с выводами управляющей обмотки 7, зашунтированными блокирующими параллельно включенными прямым 12.3 и обратным 12.3’ полностью управляемыми ключами односторонней проводимости, и два зарядных устройства 12.4 и 12.4’ емкостного накопителя 12.1, разнополярные выходы которых через развязывающие диоды или тиристоры 12.5 и 12.5’ подключены к выводам емкостного накопителя 12.1, а входы зарядных устройств 12.4 и 12.4’ подключены к шинам источника 11 электропитания. Кроме того, устройство 12 питания управляющей обмотки содержит два двухтактных преобразователя 12.6 и 12.6’ практически неизменного выходного тока /5/ с разнополярными выходами, каждый из которых включает в себя низковольтную часть в виде мостовой схемы на четырех низковольтных полностью управляемых ключах односторонней проводимости 12.6.1-12.6.4 и дозирующий конденсатор 12.6.5 в диагонали мостовой схемы; и высоковольтную часть в виде диода 12.6.6; аноды двух управляемых ключей 12.6.1, 12.6.3 мостовой схемы связаны с одним из выходов преобразователя 12.6.7 напряжения источника 11 электропитания в пониженное выходное напряжение, а катоды остальных управляемых ключей 12.6.2, 12.6.4 мостовой схемы - с катодом высоковольтного диода 12.6.6 и через развязывающий тиристор 12.6.8 - с одним из выводов управляющей обмотки, другой вывод преобразователя 12.6.7 напряжения источника 11 электропитания подключен к аноду высоковольтного диода 12.6.6 и к другому выводу обмотки управления 7. При этом управляющие входы и выходы зарядного устройства 10 СПИН9, устройства 12 питания управляющей обмотки 7 СКП, криорефрижераторной установки и датчиков их тока, напряжения и температуры, а также температуры обмоток СКП и СПИН, связаны с управляющими входами и выходами блока управления.

2. С целью уменьшения джоулевых потерь энергии в основной обмотке 1 сверхпроводящего ключа-перемычки по п.1 и связанной с этим уменьшением хладопроизводительности криорефрижераторной установки и потребляемой ею мощности при заряде и подзаряде СПИН9 предложено зарядное устройство 10 сверхпроводникового индуктивного накопителя 9 выполнить в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощности, содержащее регулируемый преобразователь 10.1 осредненного за период выходного напряжения с трансформаторным выходом, например, инвертора регулируемой частоты, а значит, и выходного напряжения (см. фиг.4а и 4б) или полумостовой схемы (см.фиг.5а и 56), прямоугольное напряжение которой регулируется методом широтно-импульсной модуляции, и однотактного двухфазного выпрямителя (ОТДФВ) 10.2 (см. фиг.4а) на двух диодах 10.2.1 и 10.2.2; вторичная обмотка трансформатора Тр регулируемого преобразователя 10.1 снабжена отводом от ее средней точки; крайние выводы вторичной обмотки трансформатора Тр упомянутого преобразователя 10.1 подключены через диоды 10.2.1 и 10.2.2 ОТДФВ 10.2 к одному из выводов обмотки СПИН9, а другой вывод обмотки СПИН9 связан через развязывающий тиристор 10.3 с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора Тр регулируемого преобразователя 10.1.

Работа предлагаемых СКП с магнитным управлением работой СПИН9 в различных режимах функционирования последнего поясняется фиг.2; 3; 4а; 4б; 5а и 5б.

После охлаждения основной 1 и управляющей 7 обмоток СКП хладоагентом криорефрижераторной установки до устойчивого сверхпроводящего состояния (например, при выполнении обмоток 1 и 7 СКП из висмутосодержащих ВТСП приводов - основной обмотки 1 до 99 К, а управляющей обмотки 7 - до температуры 77 К) ВТСП пленки этих проводов находятся в сверхпроводящем состоянии с практически нулевым сопротивлением и возможны следующие режимы функционирования СПИН9 и предлагаемого СКП:

во-первых, режим первого заряда СПИН9 до максимального тока _9m или энергии и перевод его в режим хранения накопленной энергии;

во-вторых, режим разряда СПИН9 на емкостные накопители (ЕН) многокаскадного емкостного генератора (ЕГ) - см. фиг.10 для их заряда до требуемого максимального напряжения U_згm;

в-третьих, режим предзаряда СПИН9 энергией перезаряда ЕН ЕГ недоиспользованной в индуктивной нагрузке магнитной энергией;

в четвертых, режим последующих дозарядов СПИН9 от источника 11 электропитания через зарядное устройство 10.

Режим первого заряда СПИН9 до максимального тока I_9m или энергии W_9m осуществляется следующим образом. Приблизительно за 90-300 с до начала его заряда СПИН9 от источника 11 электроэнергии через зарядное устройство 12.4, например, типа двухфазного преобразователя неизменной мощности (ДПИМ) /8/ заряжают (см. фиг.3) емкостной накопитель (ЕН) 12.1 до требуемого максимального напряжения U_12.1m. Затем открывают прямой управляемый ключ 12.2 и накопленная в ЕН 12.1 энергия за время его разряда t_p12.1 порядка десятых долей секунды - несколько секунд передается в управляющую обмотку 7 СКП, заряжая ее практически по синусоиде током i₇≈ I_7msinω ₂t до требуемого максимального тока (при круговой частоте

где L₇ - индуктивность управляющей обмотки 7, а С_12.1 - емкость ЕН 12.1, по цепи: верхний вывод ЕН 12.1 - ключ 12.2 - датчик тока ДТ - обмотка 7 - нижний вывод ЕН 12.1. Когда ток i₇ достигает своего максимального значения I_7m, открывают прямой блокирующий ключ 12.3 и одновременно закрывают управляемый прямой ключ 12.2. Затем через преобразователь 12.6.7 пониженное им напряжение источника 11 электропитания подается на двухтактный преобразователь 12.6 /5/ с практически неизменным выходным током I_12.6.7=I_7m≈ const. Этот ток I_12.6.7=I_7m по цепи: катоды низковольтных ключей 12.6.2 и 12.6.4 мостовой схемы - открытый развязывающий тиристор 12.6.8 - датчик тока ДТ - обмотка 7 - анод высоковольтного диода 12.6.6 - выходной вывод преобразователя 12.6.7 подается на управляющую обмотку 7 СКП, а блокирующий прямой ключ 12.3 закрывают блоком управления. При токе i₇=I_7m создаваемая им магнитная индукция управляющей обмотки 7 во всей области расположения основной обмотки 1 СКП превышает ее критическое значение и последняя переходит из сверхпроводящего в резистивное состояние со сравнительно большим активным сопротивлением порядка несколько тысяч ом - нескольких десятков тысяч ом. После этого осуществляют заряд СПИН9 от источника 11 электропитания через зарядное устройство 10 в основном неизменной зарядной мощностью с учетом выражения (2), определяемой выражением:

и который поясняется на примере фиг.5а и 5б.

Полумостовая схема регулируемого преобразователя 10.1 с трансформаторным выходом 10.1.3 поочередным переключением двух ее транзисторов 10.1.1 10.1.2 преобразует выходное напряжение делителя напряжения (на двух конденсаторах 10.1.4.и 20.1.5) постоянной величины U_10.1.4=U_10.1.5 U₁₁/2 в разнополярные прямоугольные импульсы неизменных амплитуды U_тр.вх=U₁₁/2 и частоты f, но разной длительности t_n, на первичной обмотке трансформатора 10.1.3. Длительность импульса определяется скважностью q=T_n/(2t_n), где T_n=1/f - длительность периода следования разнополярных импульсов. Так как длительность каждого разнополярного импульса t_n=T_n/(2q)=l/(2qf) много меньше постоянной времени зарядной цепи СПИН9 τ _зу9=L₉/r_зу9, составляющей несколько тысяч секунд (где r_зу9 - приведенное ко вторичной обмотке трансформатора 10.1.3 активное сопротивление зарядной цепи СПИН9), то эти разнополярные импульсы напряжения создают в первичной обмотке трансформатора 10.1.3 поочередно линейно увеличивающиеся по абсолютной величине импульсы тока разной полярности, а значит и такие же импульсы магнитного потока в сердечнике трансформатора 10.1.3. Эти импульсы магнитного потока индуцируют в половинках вторичной обмотки трансформатора 10.1.3 прямоугольные разнополярные импульсы разной длительности t_n, но постоянной амплитуды U_тp.2=U_тр.вхW₂/W₁, где W₂ и W₁ - число витков в половинках вторичной обмотки и в первичной обмотке трансформатора и частоты f. Среднее за период напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора 10.1.3 определяется очевидным соотношением:

где k_тр.=w₂/w₁ - коэффициент трансформации трансформатора.

В начале первого заряда СПИН9 блок управления устанавливает максимальную величину среднего за период напряжения при q=1 _тр.=U_тр.м=U_тр.вхk_Tp порядка десяти вольт и поддерживает его неизменным в течение времени t заряда от t=0 до времени t=t_он начала заряда ТСПИН9 неизменной зарядной мощностью (см.фиг.4б). При u_тр.=U_тр.м=const ток i₉ заряда СПИН9 увеличивается по экспоненциальному закону.

которое при t_он≤ 0,2 τ _зу9 с относительной погрешностью меньше 2,14% примет более простой вид

При времени заряда в диапазоне t_oн≤ t≤ t_зк=t_зм, когда U_трк≤ u_тр≤ U_трм, заряд СПИН9 осуществляется неизменной зарядной мощностью Р_з9=Р_трн=const в соответствии с выражением (4), а ток i₉ его заряда определяется выражением:

где L₉ – индуктивность СПИН9, а τ _зу9= L₉/r_зу9 – постоянная времени его зарядной цепи.

При этом выходное напряжение трансформатора 10.1.3 должно изменяться в соответствии с соотношением:

Время начала заряда неизменной зарядной мощностью t_онс, соответствующий ему ток i₉=i_oн и величину максимального выходного напряжения трансформатора 10.1.3 определяют совместным решением выражений (6 и 7), (8) и (9).

В конце заряда СПИН9 при t=t_зк=t_зм ток заряда i₉ достигает своего максимального значения I_9m, а соответствующее этому моменту конечное выходное напряжение трансформатора с учетом выражения (2)

При кратковременной полочке неизменного тока i₉=I_9m=const ЭДС самоиндукции СПИН9 L₉di₉/dt=0, Р_з9=0 и выходное напряжение трансформатора U_трн равно падению напряжения на диоде 10.2.1 или 10.2.2 и развязывающем тиристоре 10.3 Δ U_д,т.=r_д,тI_9m, где

- их среднее активное сопротивление.

Так как среднеквадратичное напряжение самоиндукции на СПИН9 всегда меньше максимального выходного напряжения трансформатора 10.1.3.

то при принятом нами активном сопротивлении основной обмотки 1 в ее резистивном состоянии r_1p=4000 Ом джоулевы потери мощности в ней Δ Р_1Дж и дополнительная хладопроизводительность криорефрижераторной установки Q^ку_1Дж для их отвода из криостата СКП всегда меньше их предельно возможной величины

или пренебрежимо малы, так как составляют для предлагаемого СКП менее одного процента от требуемой суммарной хладопроизводительности криорефрижераторной установки.

Для перевода СПИН9 в режим хранения накопления в нем магнитной энергии в момент достижения требуемого максимального зарядного тока i₉=I_9m блок управления скачком уменьшает выходное напряжение трансформатора 10.1.3 от его конечной (V_три) до номинальной (U_трн) величины, что устанавливает кратковременную полочку неизменного тока I_9m=const (см. фиг.4б и 5б), прекращает подачу практически неизменного тока i₇=I_7m≈ const через низковольтную мостовую схему преобразователя 12.6 на управляющую обмотку и одновременно открывает прямой управляемый ключ 12.2 блока 12 питания управляющей обмотки 7 СКП. Накопленная в обмотке 7 магнитная энергия по цепи: обмотка 7 - EH 12.1-управляемый ключ 12.2 - датчик тока ДТ - обмотка 7 возвращается в емкостной накопитель (ЕН) 12.1 и заряжает его обратной полярностью напряжения, ток (7) уменьшается практически по косинусоиде i₇≈ I_7mcosω ₇t от i₇≈ I_7m при w₇t= 0 до i₇= 0 при ω ₇tπ _/2=π /2 за время tπ _/2 порядка нескольких десятых долей секунды - нескольких секунд, и при приближении тока i₇ к нулю прямой управляемый ключ 12.2 естественным образом закрывается. При уменьшении тока в управляющей обмотке 7 уменьшается создаваемая ей в области расположения основной обмотки 1 магнитная индукция и при уменьшении последней ниже критического значения за время порядка 1 мс /1, 3/ основная обмотка 7 СКП снова переходит в сверхпроводящее состояние и замыкает через себя максимальный ток I_7m СПИН9, а блок управления скачком уменьшает выходное напряжение трансформатора 10.1.3 до нуля. После этого включается зарядное устройство 12.4’ и ЕН 12.1 периодически дозаряжается до требуемого максимального напряжения –U_10.1m обратной полярности, компенсируя его саморазряд и потери энергии в ключе 10.2 во время описанного выше перезаряда ЕН 12.1 магнитной энергией управляющей обмотки.

Режим разряда СПИН9 на емкостные накопители (ЕН) многокаскадного емкостного генератора (ЕГ) Аркадьева-Маркса (см. фиг.10), для их заряда до требуемого максимального напряжения U_згm осуществляется следующим образом. Блок управления открывает обратный управляемый ключ 12.2’ и накопленная в ЕН 12.1 энергия передается в обмотку управления 7 по цепи: нижний вывод ЕН 12.1 - обмотка 7 - датчик тока ДТ - обратный ключ 12.2’ обмотка 7 описанным выше путем за время π _/2 запитывает ее практически по синусоиде от i₇=0 до максимального тока – I_7m обратного направления. Затем блок управления включает преобразователь 12.6’ практически неизменного выходного тока обратного направления и описанным выше путем этот ток ₇=I_7m≈ const передается в управляющую обмотку 7 и поддерживается в ней неизменным в течение времени

порядка нескольких десятков секунд, где С_зг - зарядная емкость многокаскадного ЕН. Основная обмотка 1 СКП описанным выше путем переходит в резистивное состояние, которое поддерживается током I_7m в течение времени tπ _/2(ЕГ), а накопленная в СПИН9 магнитная энергия при открытом в начале этого времени развязывающем управляемом ключе Т3 ЕГ через блокирующие индуктивности L_б передается в емкостные накопители всех n_к каскадов ЕГ, заряжая их практически косинусоидально изменяющимся током i₉≈ I_9mcosω _9гt в течение времени tπ _/2(ЕГ) до требуемого максимального зарядного напряжения U_згm порядка ~1000 В. При приближении разрядного тока i₉ СПИН9 к нулю развязывающий тиристор Т3 ЕГ естественным образом закрывается, затем описанным выше путем при открытии обратного ключа 12.2’ магнитная энергия обмотки управления 7 возвращается в ЕН 12.1, перезаряжая его прямой полярностью напряжения, а основная обмотка 1 СКП, как описано выше, переводится снова в сверхпроводящее состояние, а ЕН 12.1 периодически подзаряжается от источника 11 электропитания через зарядное устройство 12.4. В этом режиме средние за время tπ _/2(ЕГ) джоулевы потери мощности и энергии в основной обмотке 1 СКП определяются соотношениями и составят порядка нескольких сотен ватт и несколько тысяч джоулей соответственно. После этого блок управления открывает сверхмощные быстродействующие ключи КК односторонней проводимости (преимущественно тиристорного типа) в каскадах емкостного генератора, емкостные накопители каскадов С_к ЕГ соединяются последовательно-согласно друг с другом и с импульсной индуктивной нагрузкой (ИН) и к последней прикладывается максимальное разрядное напряжение ЕГ U_prm=n_kU_згm порядка нескольких десятков вольт. Следует разряд ЕН ЕГ на импульсную индуктивную нагрузку, при котором энергия разряда ЕГ с кпд, например, порядка η _иин≈ 5-10 процентов, преобразуется в полезную энергию, а основная доля недоиспользованной магнитной энергии ИН возвращается в ЕН ЕГ, перезаряжая их напряжением обратной полярности.

Режим перезаряда СПИН9 энергией перезаряда ЕН ЕГ недоиспользованной в импульсной индуктивной нагрузке (ИИН) энергией осуществляется следующим образом. Описанным выше путем энергия емкостного накопителя 12.1 за время tπ _/2 передается в обмотку управления 7 СКП, запитывая ее до максимального тока i₇=I_7m. Затем блок управления включает преобразователь 12.6 практически неизменного выходного тока i₇=I_7m≈ const и поддерживает этот ток неизменным в течение времени разряда ЕН ЕГ СПИН9 t_pг9=tπ _/2(EГ) - см. выражение (13) - порядка нескольких десятков секунд. В начале этого времени, когда основная обмотка 1 СКП перейдет в резистивное состояние, блок управления открывает развязывающий тиристор Т3 ЕГ и энергия перезаряда ЕН ЕГ

где η _иин - кпд преобразования энергии ЕГ индуктивной импульсной нагрузкой в полезную энергию (работу);

τ _ср - постоянная времени саморазряда импульсных емкостных накопителей порядка 3000 с;

Δ t_ож - время ожидания между концом перезаряда ЕН ЕГ излишней энергией магнитного поля ИИМ;

η _зг и η _рпг – кпд заряда ЕН ЕГ от СПИН9 и кпд разряда-перезаряда ЕГ на ИИН и наоборот ИИН на ЕГ порядка 0,99 и 0,983 соответственно передается в СПИН с КПД η _пр9 порядка 0,99 и перезаряжает его энергией W_пр9= W_пзгη _пр9. Например, при W_9m= 5 МДж; η _ИИН= 0,05; tπ _{/2 ( ЕГ)} = 16,6; Δ t_ож≈ 103 с; η _р≈ η _зг≈ 0,99 и η _ргг≈ 0,983 и τ _ср= 3000 с с учетом выражения ( 14) получим W_пр9≈ 4,14 мДж. Затем следует описанный выше перевод СПИН9 в режим хранения накопленной энергии.

Режим последующих дозарядов СПИН9 от начального тока до требуемого максимального тока I_9m (энергии W_9m) осуществляется следующим образом. Описанным выше путем основная обмотка 1 СКП переводится из сверхпроводящего в резистивное состояние. Затем бок управления включает регулируемый преобразователь 10.1 и устанавливает соответсвующее начальному току дозаряда I_од9 выходное напряжение трансформатора 10.1.3 и путем уменьшения выходного напряжения трансформатора u_тр (см. фиг.4б и 5б) в соответствии с выражением (9) осуществляет дозаряд СПИН9 в режиме неизменной мощности Р_з9=Р_трн=const от начального тока дозаряда i₉=I_од9 до требуемого максимального тока i₉=I_9m. После описанным выше путем СПИН9 переводится в режим хранения накопленной в нем энергии W_9m. И так далее циклически.

Время последующего дозаряда СПИН9 неизменной зарядной мощностью Р_трн=const определяется следующим очевидным соотношением

и для рассмотренного выше примера при Р_трн=3120 Вт составит 279 с. Так как при разряде СПИН9 на ЕН ЕГ и предзаряде СПИН9 от ЕН ЕГ в основной обмотке 1 СКП энергия джоулевых потерь за время tπ _/2(ЕГ) составит

а время отвода этой энергии из криостата криорефрижераторной установки t_oxл.1=t_дз9+Δ t_ож+2tπ _/2(EГ), то дополнительная мощность криорефрижераторной установки в ее формированном режиме работы для отвода джоулевых потерь энергии в основной обмотке 1 СКП определяется следующим выражением

Например, для параметров приведенного выше примера: при U_згm=945 В; tπ _/2(ЕГ)=16,6 с; r_1p=4000 Ом; t_oxл.1=399 с и U_трОД≈ 7В по выражению (17) получим Δ Q_{ку охл.1}≈ 26,3 Вт.

Для доказательства выполнения поставленного технического результата или цели изобретения были произведены сравнительные расчеты основных характеристик предлагемого и базового /1, 4/ СКП с магнитным управлением работой тороидального сверхпроводящего индуктивного накопителя при следующих исходных параметрах:

- рабочая температура основной 1 и управляющей 7 обмоток 99 К и 77 К у предлагаемого СКП, а у базового СКП - 99 К и 99 К соответственно;

- удельное электрическое сопротивление ВТСП пленок основной обмотки 1 ρ _пл=1· 10^-7 Ом/м /1, 4/;

- минимальная магнитная индукция управляющей обмотки 7 в области расположения основной обмотки 1, при которой вся обмотка 1 переходит в резистивное состояние при нулевом транспортном токе 6,8 Тл - см. фиг.7а и 7б - построенные по данным /3, 9/;

- критическая и рабочая плотности тока в ВТСП пленках основной обмотки и 1 от транспортного тока при отсутствии тока в управляющей обмотке j_мк≈ 1,1· 10⁹ А/м² и j_плр≈ 0,7· 10⁹ А/м² (при температуре 99 К);

- характеристики тороидального СПИН9: максимальный рабочий ток в обмотке I_9m=1000 A; запасаемая в нем магнитная энергия при I_9m W_9m=5 МДж; индуктивность L₉=10 Гн; требуемая для охлаждения обмотки СПИН9 до температуры 77 К максимальная и минимальная хладопроизводительность криорефрижераторной установки Q_ку9м=2,288 Bт и Q_ку9м=1,655 Вт;

- характеристики импульсной индуктивной нагрузки (ИИН): передаваемая от ЕН ЕГ в ИИН энергия 4900 кДж; кпд преобразования этой энергии в полезную работу (энергию) η _иин=0,05; индуктивность L_иин=1,562· 10^-6 Гн; время передачи энергии от ЕН ЕГ в ИИН 0,001 с;

- характеристики емкостного генератора: требуемые разрядная емкость и разрядное напряжение С_рг=0,06485 Ф и U_prm=12290 В; максимальное зарядное напряжение ЕН ЕГ U_згm=945 В; зарядная емкость ЕН ЕГ С_эг=11,17 Ф; время передачи энергии из СПИН9 в Ен ЕГ tπ _/2(ЕГ)=16,6 с;

- активное сопротивление основной обмотки 1 в резистивном состоянии r_1p=4000 Ом;

- средний радиус и длина основной обмотки 1 R₀₀₁=0,25 м и l₀₀₁=0,34 м;

- электроизоляция ВТСП ленты основной обмотки со стандартной толщиной h_из=0,05 мм выполнена из полиэтилена с массовой плотностью 940 кг/м³, а электроизоляция обмотки управления 7 - из высокопрочного оргопластика с массовой плотностью 1350 кг/м³;

- толщина многослойной экранно-вакуумной теплоизоляции криостата СКП толщиной 0,5 см, рассчитанный по данным /10/ удельный теплоприток в криостат через ее поверхность с учетом краевых эффектов 0,17 Вт/м², а ее средняя массовая плотность 120 кг/м³;

- стенки криостата (СКП) и его опоры длиной 0,5 см выполнены из высокопрочного углепластика, а каждая опора представляет собой стопку углепластиковых дисков с толщиной каждого 0,02 мм и с удельной теплопроводностью опор 0,0026 Вт (см. град) /10/, при которой рассчитанный в соответствии с методикой /10/ удельный теплоприток в криостат СКП через его опоры при перепаде температур от 300 К до 77 К составит _oп=Q_oп/F_oп=1,444· 10^-5 Вт/Н, где F_oп - действующая на опоры сила;

- удельная энергия импульсного емкостного накопителя 12.1, 2 кДж/кг /11/;

- массовая плотность висмутосодержащей ВТСП пленки 3790 кг/м³ /9/;

- отношение ширины ВТСП ленты в проводе основной обмотки 1 к ее толщине равно 10-и;

- максимальный и минимальный удельный теплоприток через термодинамически оптимизированные медные или алюминиевые тоководы длиной 3,0 см в криостат СКП при их средней в диапазоне температур от 300 К до 77 К удельных теплопроводности и электропроводности 0,045 Вт/ (см. град) или 0,0205 Вт/ (см. град) и (1 или 1,45)· 10^-8 Ом· м составил q_твм=Q_твм/I_тв=(6,33 или 5,15)· 10^-4 Вт/А и q_тpm=Q_твm/I_тв=(3,16 или 2,575)· 10^-4 Вт/А;

- в качестве ЗУ 10 СКПБ применено известное трехфазное ЗУ неизменной мощности /12/ с максимальным выходным напряжением U_10вых=150 В.

По разработанной нами методике получены следующие характеристики предлагаемого СКП и базового СКП (СКПБ):

- длина ленты основной обмотки 1 57200 м и ее масса m_мл=310 кг для СКПП и СКПБ;

- масса обмоточного провода основной обмотки 1 m_пр1=330,4 кг для СКПП и СКПБ;

- перегрев основной обмотки 1 джоулевыми потерями энергии при разряде перезаряде СПИН9 за время 16,6 с и 16,6 с (суммарное время 33,2 с) составил всего 0,0806 К, что пренебрежимо мало;

- средний радиус основной обмотки 10,25 м и ее длина 0,34 м для СКПП и СКПБ;

- средний радиус обмотки управления 7 0,4715 м для СКПП и 6,261 м для СКПБ;

- масса обмотки управления 7 989,3 кг или 396,3 кг для СКПП и 257,5 тонн или 92,63 тонн для СКПБ при медной и алюминиевой матрице в ней соответственно;

- масса емкостного накопителя (ЕН) 12.1 при его удельной энергии 2 кДж/кг /11/) 599 кг для СКПП и 12080 кг для СКПБ;

- масса двух зарядных устройств 12.4 и 12.4’ ЕН 12.1 20,7 кг для СКПП и 805,3 кг для СКПБ при их выходной зарядной мощности 2,07 кВт для СКПП и 80,54 кВт для СКПБ;

- масса криостата СКП 81,9 кг для СКПП и 20110 кг для СКПБ;

- суммарная хладопроизводительность общей криорефрижераторной установки для охлаждения обмоток СКП и обмотки СПИН9 10,38 Вт или 9,95 Вт при СКПП и 221,6 Вт или 198,1 Вт при СКПБ для медной и алюминиевой матриц;

- масса общей криорефрижераторной установки 8,9 кг или 8,9 кг для СКПП и 108 кг для СКПБ, а потребляемая ею максимальная мощность 1,4 кВт или 1,35 кВт для СКПП и ~13,1 кВт для СКПБ при медной и алюминиевой матрице;

- суммарная масса СКП с сопутствующим оборудованием 2253 кг или 1546 кг для СКПП и 318,8 тонн или 137,4 тонн для СКПБ при медной и алюминиевой матрице соответственно;

- масса высокотемпературных сверхпроводников в СКП 440,7 кг для СКПП и 1243 кг для СКПБ;

- максимальная мощность, потребляемая СКП с сопутствующим оборудованием от источника 11 электроэнергии 3,28 кВт для СПКП и 107,84 кВт для СКПБ.

Следовательно, во-первых, суммарная масса предлагаемого СКП с сопутствующим оборудованием с вышеуказанными характеристиками в 141,5 раз или в 88,9 раз меньше, чем у базового СКП - прототипа /4/, во-вторых, масса высокотемпературных сверхпроводников в предлагаемом СКП и их стоимость в 28,2 раза меньше, чем у базового СКП; в-третьих, максимальная мощность, потребляемая предлагаемым СКП с сопутствующим оборудованием, почти в 32,4 раз меньше, чем у базового СКП с сопутствующим оборудованием.

Таким образом, указанные в формуле изобретения и описании заявки отличительные признаки сверхпроводникового ключа-перемычки с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя, существенно отличая предложенный СКП от базового объекта-прототипа /4/, позволяет: во-первых, в десятки раз уменьшить суммарную массу СКП с сопутствующим оборудованием в основном за счет соответствующего уменьшения массы обмотки магнитного управления 7; во-вторых, более чем в 20 раз уменьшить массу и стоимость высокотемпературных сверхпроводников в СКП; в-третьих, в несколько десятков раз уменьшить максимальную мощность, потребляемую СКП с сопутствующим оборудованием от источника 1.1 электропитания.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Исследование сверхпроводящих ключей-перемычек /B.C. Высоцкий, В.Р. Карасик, А.А. Конюхов, В.А. Маликов; труды Физического института им. П.Н. Лебедева АН СССР и "Вопросы прикладной сверхпроводимости. -М.: "Наука″ , 1980, том 121, с.76-82.

2. Мощные тонкопленочные сверхпроводящие коммутаторы. Реф. журнал Электротехника, выпуск 21 И Электрические машины и трансформаторы. - М.: ВИНИТИ, 1990, №4, реферат 4И271.

3. Специальные электрические машины. Источники и преобразователи энергии.: Учеб. пособие для вузов. - В 2-х кн. Кн.2 (А.И. Бертинов, Д.А. Бут, С.Р. Мизюрин и др.; Под. ред. Б.Л. Алиевского - 2-е изд. перераб. и доп. - М.; Энергоатомиздат, 1993. – 368 с.: Подраздел 9.4 Высокотемпературные сверхпроводящие материалы на с.121-133.

4. Thin film suhtrcondacting power switch /Gattozzi A.L. //Proc. 24th Interoc. Energy Convrs. Eng. Conf., Washington, D.C. Aug. 6-11, 1989. Vol 1. - New York (N.Y), 1989. - с.465-470. (см. Мощные тонкопленочные сверхпроводящие коммутаторы. Реф. журнал ВИНИТИ Электроника, выпуск 21 И Электрические машины и трансформаторы. - М.: 1990, №4, реферат 4И271) - ПРОТОТИП.

5. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологии /О.Г. Булатов, А.И. Царенко, В.Д. Поляков. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 200 с.: рис. 2.3 на с.29.

6. Тиристорные генераторы и инверторы. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отделение, 1982. - 223 с.: рис. 3.1 на с.52 и с.68.

7. Импульсные источники питания /А. Гореславу, А. Бахметьев //СНИР NEWS, 1996, №8-9, с.2-9.: Рис. 2,в на с.2.

8. Кныш В.А. Полупроводниковые преобразователи в системах заряда накопительных конденсаторов. - Л.: Энергоиздат, Ленингр. отделение, 1981. - 160 с.: рис. 4.11 на с.145.

9. Транспортный критический ток гнанулярных высокотемпературных сверхпроводников /Н.А. Боголюбов// "Физика низких температур", 1999. - т.25, №12. - с.1243-1250.

10. Сверхпроводящие магнитные системы /Е.Я. Казовский, В.П. Каруев, В.Н. Шахтарин; Под общ. ред. E.Я. Казовского. - Л.: "Наука", Ленингр. отделение, 1967. – 320 с.: с.192 и 193.

11. High tntrgy density capaciters of spac power conditioning /Rose M.Frank// IEEE Aerospace and Electronic Sienc Magasin. - 1989. - Vol. 4, №11. - с.17-22.

12. Система питания импульсного индуктивного накопителя; патент 2030101 РФ, МКИ⁶ 3/53/ Додотченко В.В., Николаев А.Г.; ВИКИ им. А.Ф. Можайского, №4928143/21, заявл. 16.04.91, опубл. 27.02.95. Бюл. №6.

Формула изобретения

1. Сверхпроводниковый ключ-перемычка с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, содержащий внутреннюю основную обмотку на основе лент из пленок высокотемпературного сверхпроводника, окруженных низкотемпературной электроизоляцией и намотанных бифилярно на цилиндрический трубчатый каркас, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, связанной теплоизолированными трубопроводами с входным и выходным коллекторами хладоагента, соосную с основной внешнюю управляющую обмотку из многожильного провода с высокотемпературными сверхпроводниками, намотанного на трубчатый каркас, и снабженную каналами для протока хладоагента криорефрижераторной установки, соосные основная и управляющая обмотки с коллекторами хладоагента помещены в криостат с внутренними и наружными стенками, между которыми расположена теплоизоляция и силовые опоры, выводы основной обмотки подключены к вводам обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя преимущественно тороидального типа и к выходам его зарядного устройства, входные выводы которого связаны с шинами источника электропитания, выводы управляющей обмотки через датчик тока подключены к выходам устройства ее питания, причем криорефрижераторная установка связана теплоизолированными трубопроводами с обмоткой сверхпроводникового индуктивного накопителя и снабжена отдельными трубопроводами с выходной температурой хладоагента большей, чем у трубопроводов охлаждения обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя, а управляющие входы и выходы устройства питания управляющей обмотки зарядного устройства сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии, криорефрижераторной установки и датчиков тока, напряжения и температуры связаны с соответствующими выходами и входами блока управления, отличающийся тем, что в нем входной и выходной коллекторы хладоагента разделены диаметральной перегородкой, образованной продолжением трубчатого каркаса с теплоизоляцией обмотки управления, на наружную и внутреннюю части, первая из которых связана с теплоизолированными трубопроводами с пониженной температурой хладоагента, а другая - с отдельными трубопроводами с повышенной температурой хладоагента, при этом устройство питания управляющей обмотки включает в себя емкостной накопитель, выводы которого через параллельно включенные прямой и обратный полностью управляемые ключи односторонней проводимости подключены к выводам управляющей обмотки, зашунтированным блокирующими параллельно включенными прямым и обратным полностью управляемыми ключами односторонней проводимости, и два зарядных устройства емкостного накопителя, разнополярные выходы которых через развязывающие диоды или тиристоры связаны с выводами емкостного накопителя, входы зарядных устройств подключены к шинам источника электропитания, а также два преобразователя практически неизменного выходного тока с разнополярными выходами, каждый из которых содержит низковольтную часть в виде мостовой схемы на четырех низковольтных полностью управляемых ключах односторонней проводимости и дозирующий конденсатор в диагонали мостовой схемы, и высоковольтную часть в виде диода, аноды двух управляемых ключей мостовой схемы связаны с одним из выходов преобразователя напряжения источника электропитания, а катоды остальных управляемых ключей мостовой схемы - с катодом высоковольтного диода и через развязывающий тиристор - с одним из выводов управляющей обмотки, другой вывод преобразователя напряжения источника электропитания подключен к аноду высоковольтного диода и к другому выводу обмотки управления.

2. Сверхпроводниковый ключ-перемычка с магнитным управлением работой сверхпроводникового индуктивного накопителя энергий по п.1, отличающийся тем, что, с целью уменьшения джоулевых потерь энергии в основной обмотке и связанной с этим уменьшением хладопроизводительности криорефрижераторной установки и потребляемой ею мощности при заряде и дозаряде сверхпроводникового индуктивного накопителя, зарядное устройство сверхпроводникового индуктивного накопителя выполнено в виде преобразователя в основном неизменной зарядной мощностью, содержащего регулируемый преобразователь осредненной за период величины выходного напряжения прямоугольной формы с трансформаторным выходом, например инвертора регулируемой частоты, а значит и выходного напряжения, или полумостового преобразователя, выходное прямоугольное напряжение которого регулируется методом широтно-импульсной модуляции, и однотактного двухфазного выпрямителя на двух диодах, вторичная обмотка трансформатора регулируемого преобразователя снабжена отводом от ее средней точки, крайние выводы вторичной обмотки упомянутого трансформатора подключены через диоды однотактного двухфазного выпрямителя к одному из выводов обмотки сверхпроводникового индуктивного накопителя, а другой вывод обмотки последнего связан через развязывающий тиристор с отводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора регулируемого преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13