Лекция 11. Индуктивные накопители энергии

Накопление энергии может осуществляться не только в конденсаторах, но также и в катушках индуктивности. Эта накопленная энергия может быть использована для создания импульсов тока апериодической формы в генераторах импульсных токов. Принципиальная схема с использованием импульсного накопителя энергии приведена на рис. При зарядке от источника питания ИП постоянного тока коммутатор К1 замкнут и через индуктивность протекает возрастающий ток до момента t1, когда коммутатор К1 размыкается. В этот период времени напряжение на индуктивности не превышает напряжения ИП. Энергия, запасенная в индуктивности, постепенно увеличивается по мере увеличения протекающего тока E=L×I²/2. По достижении требуемого запаса энергии источник питания отключается коммутатором К1, а коммутатором К2 к катушке подключают нагрузку Rн. Происходит разряд на нагрузку энергии, накопленной в катушке индуктивности L. При активной нагрузке амплитуда тока в ней спадает по экспоненте с постоянной времени, определяемой величиной L и Rн. В момент коммутации напряжение на нагрузке скачком возрастает с напряжения источника до величины U=I×Rн. Приведенная схема применима при больших величинах Rн и сравнительно малых скоростях выделения энергии (токи до 100КА, время импульса больше 50мкс).

Увеличение тока (мощности) может быть достигнуто в трансформаторной схеме (рис.2) и многокатушечной схеме с переключением катушек накопителя с последовательного соединения при зарядке на параллельное соединение при разряде (рис.3.). Эффективность индуктивных накопителей энергии при питании индуктивной нагрузки мала, поэтому такие накопители не используются для создания сильных магнитных полей.

Технически достижимая плотность накопленной энергии в магнитном поле на два –три порядка выше, чем в электрическом. При создании накопителей с энергией выше 10⁶ Дж индуктивные накопители становятся экономически более выгодными, чем емкостные. Вне конкуренции индуктивные накопители при энергиях10⁸¸10⁹ Дж, которая требуется в установках термоядерного синтеза. В настоящее время разработаны и используются индуктивные накопители с обычными катушками на энергию 10⁷ Дж, которые применяются в качестве источника импульсных токов для питания мощных ускорителей, импульсной зарядки конденсаторов и формирующих линий, для испытания коммутирующей аппаратуры в линиях электропередач постоянного тока.

В отличие от емкостного накопителя индуктивный при полной зарядке должен потреблять от источника питания постоянного тока энергию, компенсирующую потери на активном сопротивлении при протекании тока. Даже при зарядке потери могут приближаться к накопленной или даже превышать ее. При использовании сверхпроводящих селеноидов в качестве катушек индуктивности позволяет избежать этих потерь. Для нормальной работы сверхпроводящие селеноиды из традиционных низкотемпературных сверхпроводников требуют охлаждения их дорогостоящим жидким гелием до температуры 4,2К. Открытие высокотемпературной сверхпроводимости в 1986 году открыло широкие перспективы по созданию сверхпроводящих катушек с охлаждением их дешевым жидким азотом.

Самым сложным элементом схем, приведенных на рис.1,2,3 является коммутатор к1(к3). По существу он представляет собой выключатель постоянного тока с током отключения равным зарядному и напряжением равным произведению тока на сопротивление нагрузки. Используются следующие коммутирующие устройства:

1. Управляемые полупроводниковые коммутаторы.

2. Сверхпроводящие коммутаторы.

3. Вакуумные выключатели высокого напряжения.

4. Взрывающиеся проводники в комбинации с вакуумными выключателями.

Управляемые полупроводниковые коммутаторы – обычно силовые тиристоры с устройствами управления. Ток отключения I < 1 кA при напряжении U < 2-3 кВ для одного тиристора. Для получения требуемой величины тока и напряжения применяют последовательное и параллельное соединение многих элементов. Для обеспечения надежной работы всего коммутатора необходимо выравнивать напряжение на отдельных элементах. Эти коммутаторы имеют ограничение по времени, громоздки и дорогостоящи.

Сверхпроводящие коммутаторы - тонкая фольга из сверхпроводника, включаемая последовательно с катушкой в зарядную цепь. При коммутации элемент переводится в нормальное состояние с R > R _н. Ток отключения I < 5 кA при напряжении U < 10 кВ.

Вакуумные выключатели высокого напряжения - ток отключения I < 2-3 кA при напряжении U ~50-100 кВ. Для повышения напряжения на коммутаторе вакуумные выключатели сравнительно легко могут быть соединены последовательно. Для работы требуется вспомогательный колебательный контур для перевода тока через нуль. Контур состоит из конденсатора емкостью 0,1¸1мкф заряженной до напряжения нескольких киловольт, а также индуктивности соединительных проводов. При коммутации ток разряда емкости направлен против коммутируемого тока, в результате ток, протекающий через вакуумный выключатель, переходит через нуль и дуга в выключателе гаснет.

Взрывающиеся проводники в комбинации с вакуумными выключателями. Принципиальная схема такого коммутатора приведена на рис.4. Зарядный ток накопителя протекает через выключатель высокого напряжения. При коммутации тока в момент t1 контакты выключателя начинают расходиться, и между ними горит дуга. Через определенный момент t2, когда контакты выключателя разошлись на достаточное расстояние, срабатывает вспомогательный блок-контакт К, подключающий взрывной проводник ВП. Размеры и сопротивление ВП подобраны так, что ток из выключателя переключается в шунтирующий канал ВП (сопротивление ВП << сопротивления дуги). Процесс переключения тока требует некоторого времени с t2 до t3, которое определяется сопротивлением дуги и индуктивностью шунтирующей цепи. Дуга в выключателе гаснет. С момента t3 весь ток протекает через ВП. Спустя некоторое время сопротивление проводника ВП начинает возрастать (проводник нагревается) и, соответственно, растет падение напряжения на нем. В этот момент происходит подключение нагрузки коммутатором К2 (время t4). При нагревании проводник ВП разрушается со взрывом. В этот момент возможны превышения напряжения по сравнению С произведением тока на сопротивление нагрузки. Длительность коммутации определяется временем t5-t4, т.е. временем между подключением нагрузки и спадом зарядного тока до нуля (набором полного тока нагрузки). Этот интервал составляет 1-10мкс при общем времени t5-t1=1-10мс. Особо важным условием работы коммутатора является восстановление электрической прочности промежутка между контактами выключателя к моменту появления напряжения при взрыве проводника. Для сокращения длины (массы взрывающегося проводника) и увеличения электрической прочности после взрыва проводник помещают в плотную среду – чаще всего в кварцевый песок. В этом случае шунтирующий элемент напоминает предохранитель высокого напряжения. Разница заключается в том, что в предохранителе предпринимаются меры по снижению пика перенапряжений в момент разрыва цепи, то в коммутаторе такой пик способствует облегчению условий переключения тока в нагрузку. Основной недостаток – малая скорость разведения контактов (обычно меньше 5м/с). Следствие этого долгое горение дуги и низкая скорость восстановления электрической прочности, которая зависит от времени горения дуги. Рассматриваемые коммутаторы работают при токах до 40КА и напряжениях до 40КВ. Дальнейшее повышение напряжения возможно с использованием воздушных или элегазовых быстродействующих выключателей, обладающих высоким быстродействием и высокой скоростью восстановления электрической прочности.

Для малых времен коммутации используют также взрывные проводники на воздухе. При этом сокращается время возрастания тока в нагрузке (передний фронт импульса тока).

Контур Горева. Синтетические схемы испытаний выключателей.

Одним из ответственейших аппаратов электрических систем являются силовые выключатели, основное назначение которых – прерывание цепей коротких замыканий. От надежной работы этих устройств зависит надежность работы энергетической системы. При испытаниях выключателей на способность отключать токи КЗ традиционно используют специально сконструированные ударные генераторы. Отличительной особенностью работы ударных генераторов является кратковременный режим работы при больших скачках токов КЗ. При таких режимах работы возникают высокие механические нагрузки на лобовые вязки стержней ротора, сильный тормозящий момент на валу ротора, проблемы с электродинамической стойкостью обмоток статора и т.п. Часто в качестве ударных генераторов используют старые турбогенераторы и тихоходные гидрогенераторы. При использовании их в качестве ударных генераторов усиливают вязки лобовых частей и создают дополнительный запас механической энергии на валу путем посадки на вал дополнительных маховиков. Срок службы ударных генераторов невелик, а эксперименты с их использованием дорогостоящи. С целью удешевления экспериментов по испытанию выключателей в 1937 г. профессор ЛПИ Горев предложил использовать резонансно настроенный на частоту 50 Гц колебательный контур. Испытательные установки с таким контуром получили название установки с контуром Горева. Существует большое разнообразие схем с контуром Горева. Одним из главных недостатков большинства схем является большой декремент затухания колебаний. Модернизацией схем контура Горева стали современные схемы, получившие название синтетических.

При испытаниях выключатели либо пропускают ток, либо не пропускают. При замкнутых контактах и горящей между расходящимися контактами дуге протекает большой ток, а напряжение на контактах мало. При разомкнутых контактах и погасшей дуге ток не протекает, а на контактах быстро восстанавливается напряжение до номинального с коэффициентом перенапряжения, который зависит от схемы сети. В синтетических схемах учитывается эти два режима: 1. большой ток и малое напряжение; 2.малый ток (нулевой) и высокое напряжении. Синтетических схем достаточно большое разнообразие. На рис. изображена синтетическая двухчастотная схема СПбТУ.

Рис. Схема испытаний высоковольтных выключателей с ударным генератором

Дата добавления: 2014-01-07