Генератор синусоидального напряжения на основе ядерной энергетической установки
SINUSOIDAL VOLTAGE GENERATOR BASED ON NUCLEAR POWER PLANT

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и ядерной энергетики. Устройство предназначено для генерирования синусоидального напряжения с использованием для этого модулей из электрогенерирующих элементов (ЭГЭ). В качестве ЭГЭ могут использоваться термоэлектрические, термоэмиссионные или термо-электрохимические преобразователи, при помощи которых осуществляется преобразование тепловой энергии, вырабатываемой ядерной энергетической установки (ЯЭУ), в электрическую. В описываемом генераторе получение синусоидальной функции выходного напряжения устройства основано на аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций, как это описано в работе [1].
II. Уровень техники
II.1 Сравнение с предшествующими уровнями техники
В системах энергоснабжения космических аппаратов (КА) в настоящее время для получения высоковольтного постоянного или переменного напряжения применяются преобразователи (инверторы), включающие повышающие трансформаторы, либо электромашинные генераторы. К потребителям высоковольтного напряжения КА относятся электрореактивные двигатели (ЭРД). В таблице 1 приведены характерные значения напряжений и токов ЭРД различных типов.
Из таблицы следует, что напряжения, необходимые для работы ЭРД могут составлять десятки тысяч вольт. Массо-габаритные характеристики устройств, содержащих повышающий трансформатор на ферромагнитном сердечнике, или электромашинные генераторы велики и составляют величины от γ=(3…5) кг/кВт до от γ=30 кг/кВт. Характеристики повышающего трансформатора, используемого в системе энергоснабжения КА приведен в работе [2]. Для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой ядерным реактором, в электрическую энергию используются\термоэлектрические, термо- электрохимические (ТЭХГ) и термоэмиссионные преобразователи. В таких преобразователях электрическая энергия вырабатывается отдельными электрогенерирующими элементами (ЭГЭ). Каждый ЭГЭ вырабатывает электрическую энергию постоянного тока небольшой величины напряжения, порядка 1 В. Для получения напряжения и тока требуемой величины используется последовательно-параллельное соединение ЭГЭ. Для получения требуемой величины напряжения используется последовательное соединение ЭГЭ, для получения требуемой величины тока используется параллельное соединение ЭГЭ. Для получения требуемой величины напряжения и тока отдельные ЭГЭ объединяются в модули. Для получения требуемой величины тока модуля ЭГЭ соединяются параллельно, для получения требуемой величины напряжения отдельные ЭГЭ, либо группы с параллельным соединением ЭГЭ, соединяются последовательно. Это показано на рисунке фиг. 1. На рисунке фиг. 1 показано параллельно-последовательное соединение ЭГЭ. Группа из к параллельно соединенных ЭГЭ с током Iэ обеспечивает ток модуля Iм=к⋅Iэ, последовательное соединение р таких групп обеспечивает получение напряжения модуля Uм=р⋅Uэ. В результате модуль будет иметь параметры Uм и Iм.
Фигура 1. Последовательно-параллельное соединение ЭГЭ
Параметры одного ТЭХГ приведены в таблице 2, соответственно опубликованным в работе [1] данным.
Всего в описанном в работе [1] термо- электрохимическом генераторе для получения электрической мощности 30 кВт (или 90 кВт на повышенной частоте) потребовалось 1344 ЭГЭ. При помощи описанного в работе [1] трансформатора напряжение повышалось от 120 В до 3000 В.
Для улучшения массо-габаритных характеристик системы энергоснабжения КА целесообразно получение высокого напряжения переменного тока осуществлять при помощи предлагаемого полупроводникового генератора. Описываемый далее генератор позволяет получить высокое напряжение переменного тока в результате объединения отдельных ЭГЭ в модули и коммутации модулей для получения требуемых значений переменных напряжений и токов.
II. 2 Цель изобретения.
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования переменного напряжения синусоидальной формы с использованием модулей, содержащих последовательно- параллельное соединение ЭГЭ. При этом первичным источником энергии является ЯЭУ. При помощи ЭГЭ тепловая энергия ЯЭУ преобразуется в электрическую энергию постоянного напряжения, которая затем преобразуется в электрическую энергию переменного напряжения. Преобразование осуществляется с использованием импульсной техники и ключей на полупроводниковых приборах. Вследствие использования импульсной техники и полупроводниковых ключей повышаются массо-габаритные характеристики устройства.
II. 3. Изобретательский уровень.
Предлагаемое устройство для генерирования переменного высоковольтного напряжения синусоидальной формы с использованием энергии ЯЭУ отличается от устройств, в которых переменное высоковольтное синусоидальное напряжение получается в результате использования инверторов и повышающих трансформаторов, либо с помощью электромашинных генераторов [3, 4] тем, что:
- синусоидальное напряжение генерируется в результате аппроксимации синусоидальной функции выходного напряжения последовательностью импульсных функций;
- импульсные функции напряжения генерируются модулями, каждый из которых содержит последовательно - параллельное соединение ЭГЭ для получения необходимой величины напряжения и тока модуля. Напряжение и ток модуля равны Uм и Iм;
- количество импульсных функций на периоде синусоидальной функции задается блоком управления. Напряжение на выходе генератора формируется совокупностью прямоугольных импульсов напряжения заданной величины и одинаковой длительности TI, повторяющихся с заданной частотой. Число импульсов на периоде Т равно n=Т/TI. Величина напряжения каждого импульса кратна величине напряжения одного источника питания (модуля);
- амплитудные значения импульсов кратны по отношению к напряжению модуля. Например, если напряжение модуля равно Uм, то амплитуда первого импульса принимается равной E1=Uм, амплитуда второго импульса принимается равной Е2=2Е1, Е3=-Е1, Е4=-Е2. Кратные значения напряжений импульсов получаются в результате последовательного соединения модулей;
- последовательное соединение источников положительной полярности и последовательное соединение источников отрицательной полярности позволяет получить кратные по отношению к напряжению одного источника значения напряжений положительной и отрицательной полярности, необходимых для аппроксимации синусоидальных функций напряжения последовательностью импульсных функций;
- число источников питания (модулей) равно n/2. Здесь n - число временных интервалов на периоде синусоидальной функции Т, аппроксимирующих синусоидальную функцию;
- число последовательно соединенных источников положительной полярности и число последовательно соединенных источников отрицательной полярности равно n/4;
- Для коммутации импульсов используется блок коммутации, при помощи которого осуществляется подключение импульсных напряжений требуемой величины к выходу устройства в последовательности, задаваемой блоком управления.
III. Раскрытие сущности изобретения
III. 1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций
На рисунке фиг. 2 показана аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций, когда число импульсных функций на периоде синусоидальной функции Т равно n=8.
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций при n=8
m
На фиг. 2 представлен отрезок синусоидальной функции с амплитудой E на интервале 0..2π. Синусоидальная функция на этом интервале аппроксимируется последовательностью n=8 импульсных функций с кратными значениями амплитуд импульсов. Для показанной на фиг. 2 аппроксимации Е1=Uм, Е2=2Е1, где Е1 - амплитудное значение первого импульса, Е2 - амплитудное значение второго импульса, Uм - напряжение одного электрогенерирующего модуля. Для аппроксимации отрицательной полуволны синусоиды амплитуда Е3=-Е1, амплитуда Е4=-Е2.
Установление значений амплитуд импульсов для случая n=8
В таблице 3 в соответствии с рисунком фиг. 2 записаны значения амплитуд импульсов для каждого из 1…8 интервалов аппроксимации.
1
2
Значения амплитуд импульсов E, Е, Е3 и Е4 показаны на рисунке фиг. 2.
III. 2. Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 3.
Фигура 3 Структурная схема устройства
На рисунке фиг. 3 показаны следующие блоки устройства:
1. Блок управления. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов, которые управляют открытием электронных ключей, расположенных в блоке коммутации;
2. Блок коммутации обеспечивает подключение к выходным клеммам блока коммутации источников напряжения, генерируемых блоком модулей ЭГЭ.
3. Блок модулей ЭГЭ. Блок генерирует постоянные напряжения заданной величины положительной и отрицательной полярности. Напряжения источников подключаются ключами, расположенными в блоке коммутации, к выходным клеммам блока коммутации. Отличительным для предлагаемого устройства является то, что напряжения положительной и отрицательной полярности формируются в результате последовательного соединения одинаковых по величине напряжения источников. В качестве источников питания используются модули ЭГЭ.
На рисунке фиг. 3 показана структурная схема устройства с указанием внешних полюсов блоков, при помощи которых осуществляется связь блоков и управление устройством, а также показана нумерация блоков в соответствии с общей принципиальной схемой:
- Б1 - блок управления;
- Б2 - блок коммутации;
- Б3 - блок модулей электропитания МЭ;
1
n
1
n/2
1
2
На рисунке фиг. 3 показаны полюсы, при помощи которых осуществляется взаимодействие блоков и полюсы 6 и 13, при помощи которых осуществляется управление устройством. Указаны номера полюсов в соответствии с общей принципиальной схемой устройства. Сигнал для запуска устройства вводится при помощи полюса 6. Ввод числа временных интервалов n, на которое разбивается период синусоидальной функции Т, осуществляется с использованием полюса 13. При помощи полюсов 8…8 соединяются блок управления и блок коммутации, при помощи полюсов 11…11 блок питания подключается к блоку коммутации, при помощи полюсов 10…10 к устройству подключается внешняя нагрузка.
III. 3 Блок управления
1
4
Блок управления Б1 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI и подачи этих сигналов на управляющие электроды управляемых ключей 9…9, расположенных в блоке коммутации. Блок формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость.
При помощи электронных ключей, расположенных в блоке коммутации, источники ЭДС, генерируемые блоком модулей электропитания МЭ1…МЭ4, подключаются в заданные блоком управления моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к выходным полюсам блока коммутации. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Амплитуды ЭДС импульсов для n=8 приведены в таблице 3.
Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 5. Блок реализован на элементах1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов, равном n- числу импульсных функций на периоде Т. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n.
1
n
Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8..8, при помощи которых блок управления соединяется с блоком коммутации.
III. 4 Блок коммутации
1
4
При помощи блока коммутации Б2 источники напряжений, поступающие от блока модулей электропитания МЭ МЭ, подключаются в соответствующие интервалы времени
(к-1)TI≤t≤kTI, k=1, 2, … n
1
0
1
4
1
n
1
1
1
4
2
2
4
к выходным полюсам блока 10…10. В записанном выражении TI - длительность временного интервала одного импульса напряжения, n - количество временных интервалов на периоде Т. Коммутация осуществляется при помощи управляемых электронных ключей 9…9. Импульсы, управляющие открытым состоянием каждого электронного ключа, поступают от блока управления посредством полюсов 8…8. Первый импульс от блока управления поступает на управляющий электрод ключа 9 с полюса 8 посредством диода D. На этот же управляющий электрод поступает управляющий импульс с полюса 8 посредством диода D во время действия четвертого управляющего импульса. Аналогично осуществляется управление включением остальных ключей 9…9.
1
8
1
4
1
4
1
1
4
1
4
Принципиальная схема блока коммутации показана на рисунке фиг. 6. На принципиальной схеме входными полюсами, от которых поступают управляющие импульсы на открытие электронных ключей, являются полюсы 8…8. Посредством полюсов 11…11 к блоку коммутации подключаются источники напряжения E…Е. При этом величина E определяется напряжением одного источника питания (модуля МЭ1). В соответствии с рисунком фиг. 1, ЭДС модулей МЭ…МЭ равны напряжению Uм. В соответствии со схемой фиг. 6 напряжения, снимаемые с полюсов 11…11, равны
1
2
1
3
1
4
2
1
4
1
2
E=E=Uм, E=2E, Е=-Е, Е=-Е. Коммутация осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. На принципиальной схеме показаны ключи 9…9. Выходными являются полюсы 10 и 10.
III. 5 Блок модулей электропитания МЭ
1
2
3
4
1
4
2
Блок модулей электропитания (МЭ), блок Б3, предназначен для питания генератора переменного высоковольтного напряжения от модулей, состоящих из последовательно- параллельно соединенных элементов электропитания ЭГЭ, как это показано на рисунке фиг. 1. Каждый модуль характеризуется напряжением модуля Uм и током модуля Iм. Блок электропитания состоит из четырех модулей МЭ1…МЭ4, включенных последовательно. Средняя точка соединения, расположенная между модулями МЭ1 и МЭ3, является общей для всего устройства и обозначена символом "земли". С этим полюсом соединен отрицательный полюс элемента МЭ1 и положительный полюс элемента МЭ3. Положительный полюс 11 модуля МЭ1 имеет напряжение Е1, равное напряжению модуля E1=Uм. Он соединен с отрицательным полюсом модуля МЭ2. Положительный полюс этого модуля 11 будет иметь напряжение относительно "земли" E2=2E1=2 Uм. Отрицательный полюс 11 элемента МЭ3 соединен с положительным полюсом элемента МЭ4. Он имеет напряжение Е3=-Е1=-Um. Отрицательный полюс 11 элемента МЭ4 имеет напряжение относительно "земли" равное Е4=-2 Uм. Полюсами 11…11 модуль электропитания соединен с соответствующими полюсами блока коммутации Б2. Полюс "земля" блока БЗ соединен с полюсом 10 блока Б2.
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Последовательно-параллельное соединение ЭГЭ
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций при n=8
Фиг. 3 Структурная схема гененратора
Фиг. 4 Принципиальная схема блока управления
Фиг. 5 Принципиальная схема блока коммутации для я=8
Фиг. 6 Принципиальная схема блока МЭ
V. Осуществление изобретения
i
1
4
i
1
n
1
2
1
2
1
n/2
1
2
3
1
4
1
1
2
1
2
2
1
3
1
4
Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 5 не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока коммутации посредством одного из полюсов 8, i=1…n, который подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей 9…9. Входы управляемых ключей подключаются полюсами 11, i=1..n/2, к источникам напряжения E..E/2, а выходы ключей подключаются к выходным полюсам блока коммутации 10..10. В каждый временной интервал к каждому выходному полюсу блока коммутации 10..10 подключается только один источник постоянного напряжения из набора E..E. Значения напряжений источников равны E=E=Uм, Е=2Е, Е=-Е, Е=-2Е, На принципиальной схеме блока коммутации рисунок фиг. 5 показаны коммутации для генератора ЭДС, когда число временных интервалов на периоде Т равно n=8. Согласно табл. 3, в первый и четвертый интервалы времени к полюсу 10 подключается источник ЭДС E=E, полюс 10 подключается полюсу "земля". Во второй и третий интервалы времени к полюсу 10 подключается источник ЭДС Е=2Е источник ЭДС Е=2Е, в пятый и восьмой интервалы времени к полюсу 10 подключается источник ЭДС Е=-Е, в шестой и седьмой интервалы времени к полюсу 10 подключается источник ЭДС Е=-2Е,
1
n/2
1
1
4
1
n
j
j+1
n
1
Подключение источников питания с напряжениями Е..E к выходным полюсам блока коммутации 10..10 осуществляется при помощи управляемых электронных ключей 9…9.. Сигналы, управляющие на момент времени TI=Т/n открытым состоянием ключа, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8..8. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8, j=1..n следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8, пока j+1 не станет равным n. После прекращения действия импульса с выхода 8 включается импульс 8. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется и процесс повторяется.
VI. Литература
1. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС для мобильных устройств Патент 2671539 от 01.11.2018
2. Синявский В.В. Научно-технический задел по ядерному электроракетному МБ «ГЕРКУЛЕС» // КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИ №3/2013
3. Смирнов И.А., Морозов В.И., Дерягин Ю.А., Середников М.Н., Дубовицкий А.В. Космическая энергетическая установка с машинным преобразованием энергии Патент RU 586797 С1 Опубликовано: 2016.06.10
4. Морозов В.И., Середников М.Н., Негрецкий Б.Ф. Энергетическая установка с машинным преобразованием энергии Патент RU 2716766 Опубликовано: 2020.03.16