СПОСОБ ТРАНСФОРМАЦИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD OF DIRECT CURRENT TRANSFORMATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к способам преобразования электроэнергии и может быть использовано для работы с низковольтными источниками постоянного тока и применено для обеспечения электроэнергией постоянного тока широкого круга промышленных, транспортных и бытовых потребителей.
Широко известны различные способы получения электрической энергии, преобразующие один из видов энергии в электрическую: электрохимический, термоэлектрический, магнитоэлектрический, пьезоэлектрический, фотоэлектрический, с использованием ядерной энергии и другие (см. "Большая Советская энциклопедия". -М.: Изд-во "Советская энциклопедия", 1978, т. 10. с. 580-581). Однако не все источники электроэнергии возможно непосредственно использовать для питания потребителей. Отдельной актуальной задачей является согласование выходных параметров источников тока требованиями потребителей. Например, химические источники, термоэмиссионные и термоэлектронные преобразователи энергии, униполярные генераторы типа машины Фарадея и ряд других требуют преобразования низкого выходного постоянного напряжения в более высокое. В том числе, встречаются задачи адаптивного преобразования существенно нестабильного выходного напряжения источника постоянного тока, например, при использовании суперконденсаторов (ионисторов) для питания электромоторов транспортных средствах и других устройств, рассчитанных на определенное входное напряжение.
Наиболее часто применяют два способа преобразования низкого постоянного напряжения в постоянное высокое и сверхвысокое напряжение: с использованием электростатических генераторов с механическим транспортером зарядов типа генератора Ван де Граафа и с помощью различных устройств, включающих в себя повышающие трансформаторы и выпрямители переменного тока. Область применения электростатических генераторов ограничена сравнительно небольшой их мощностью и низким КПД установки. Во втором случае, для получения высокого постоянного напряжения используют ту или иную комбинацию промежуточных преобразователей постоянного тока в переменный, повышающих трансформаторов и выпрямителей, называемую каскадными генераторами. Общими для них проблемами являются низкий КПД преобразования электроэнергии, сложность и ненадежность устройства
В то же время известны прямые емкостные (конденсаторные) способы повышения постоянного напряжения. Так, в технике высоких напряжений используют генератор импульсного высокого напряжения Аркадьева-Маркса, принцип действия которого основан на зарядке электрическим током соединенных параллельно конденсаторов, которые после зарядки соединяются последовательно при помощи различных коммутирующих устройств (например, газовых разрядников или тиратронов). Таким образом, выходное напряжение увеличивается пропорционально количеству соединенных конденсаторов (см. Сиротинский Л.И. (ред.) Техника высоких напряжений. 4.1. -М: ГЭИ, 1952. с. 264-282; Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника. -Томск: Изд-во ТПУ, 2011. с. 4-14).
Генераторы Аркадьева-Маркса позволяют получать импульсные напряжения от десятков киловольт до нескольких миллионов и до десятка миллионов вольт. Энергия в импульсе этих генераторов широко варьируется и может начинаться от величин в десятые джоуля и достигать величин в десятки мегаджоулей.
Основной недостаток генератора Аркадьева-Маркса состоит в том, что для получения высокого напряжения он должен содержать 5-8 ступеней, с таким же количеством искровых коммутаторов, что связано с ухудшением удельных энергетических и массо-габаритных параметров и снижением КПД. В режиме разряда генератора Аркадьева-Маркса, потери складываются из потерь в конденсаторах и искровых промежутках. Для уменьшения потерь стремятся снижать сопротивления искровых коммутаторов генератора, например, помещением их в электрически прочный газ под давлением, применяют конденсаторы с повышенной добротностью, оптимизируют инициирование пробоя для достижения минимальных пробивных градиентов и т.п. Кроме того, данный Генератор не обеспечивает работу в непрерывном режиме.
1
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа емкостной трансформатор постоянного тока электростатического типа с вращающимся цилиндрическим диэлектрическим ротором и щеточными токосъемами, в котором контактно-щеточные узлы во входной цепи соединены параллельно и служат для нанесения электрических зарядов на ротор, а в выходной последовательно и используются для снятия высокого напряжения, причем, контактно-щеточные устройства входной и выходной цепей расположены попеременно одно за другим для подпитки вторичной цепи на каждой последней ступени (см. «Емкостной трансформатор постоянного тока», А.С. СССР РФ №156598, МПК H02n, Класс 21d,13, 1962 г.). В этом изобретении, в непрерывном режиме преобразуют входной постоянный ток в постоянный ток повышенного напряжения, превышающего входное на количество ступеней во вторичной цепи.
Недостатком используемого в данном изобретении способа является низкий КПД преобразования энергии, связанный с потерями при использовании вращающегося ротора и щеточных токосъемов, а также небольшая выходная мощность и неадаптивность к изменению токопотребления полезной нагрузки и параметров первичного питающего напряжения.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия и упрощение процесса трансформации постоянного электрического тока.
Поставленная задача достигается путем преобразования низкого напряжения первичного источника постоянного тока в высокое напряжение, которое создают на совокупности образующих выходную цепь трансформатора постоянного тока последовательно соединенных конденсаторов, каждый из которых подпитывается от первичного источника постоянного тока, причем, подпитка конденсаторов выходной цепи осуществляется поочередно, путем периодического подключения каждого из них к первичному источнику постоянного тока.
Сущность изобретения состоит в замене сложного электростатического способа преобразования напряжения постоянного тока на способ, основанный на известных методах конденсаторных преобразований электроэнергии, осуществляемых в непрерывном режиме.
Σ
Так, из курса общей физики известно, что при последовательном соединении n конденсаторов с напряжениями Ui, получают цепь с общим напряжением U, равным сумме напряжений отдельных конденсаторов (см. Ландсберг Г.С. (ред.) Элементарный учебник физики. Т2. 13-е изд. -М.: Физматлит, 2008. с. 83-85):
Также известно, что процесс разряда конденсатора емкости С на омической нагрузке R является динамическим, описываемым экспоненциальным законом (см. Савельев И.В. Курс общей физики. Т2. -М.: Лань, 2008. с. 242-243):
где, Uн - начальное напряжение на конденсаторе.
Таким образом, если последовательно соединить n конденсаторов с некоторым средним напряжением Ucp, и обеспечить поддержание этого среднего уровня напряжения отдельных конденсаторов от первичного источника тока с напряжением Uo, то получим емкостной трансформатор постоянного тока, работающий в непрерьюном режиме с выходным напряжением Uвых:
0
При этом, подпитку отдельных конденсаторов возможно осуществлять поочередно, периодически подключая их к первичному источнику тока. Очевидно, что условием нормального функционирования такого трансформатора тока, следующим из закона сохранения энергии, будет существенное превышение величины тока первичного источника тока I над значением выходного тока трансформатора I вых:
Пути реализации заявленного способа трансформации постоянного тока рассмотрим на примере работы возможного варианта конструкции трансформатора, представленного на рисунках фиг. 1 и фиг. 2.
Емкостной трансформатор постоянного тока содержит конденсаторы 1, Ci (i=1…n) выходной цепи, с которой снимается выходное напряжение Uвых, определяемое согласно выражения (3). Эти конденсаторы подпитываются от первичного источника тока 2 через балластное сопротивление Rб, ограничивающее ток заряда конденсаторов, проходящий через контактные группы 3, Ki-1,2 (i=1…n) коммутирующих устройств 4, Ki (i=1…n). Коммутирующие устройства 4 включаются поочередно кольцевым счетчиком импульсов 5, получающим импульсный сигнал от генератора импульсов 6.
Работа емкостного трансформатора постоянного тока заключается в следующем.
При подключенной к трансформатору нагрузке, в его выходной цепи происходит совместный разряд каждого из конденсаторов, как это показано на фиг. 2. Через период Т, поочередно, каждый из конденсаторов 1 выходной цепи подключается к первичному источнику тока 2 на интервал времени ΔТ=Т/n, за который происходит восстановление заряда подключенного конденсатора и напряжения до исходного Uo. Таким образом, путем периодической подзарядки конденсаторов 1 обеспечивается поддержание необходимого среднего уровня их заряда с напряжением Ucp.
Устройство трансформатора позволяет адаптивно подстраиваться под изменяющиеся условия функционирования. В том числе, повышение токопотребления нагрузки парируется пропорциональным увеличением частоты подзарядки конденсаторов выходной цепи путем увеличения частоты генерации импульсов генератора импульсов 6 с соответствующим сокращением периода Т. Уменьшение напряжения первичного источника тока 2, например, при использовании в качестве таковых суперконденсаторов (ионисторов), может быть компенсировано обратно пропорциональным увеличением числа n конденсаторов 1 выходной цепи трансформатора.
Устройство трансформатора обратимо и позволяет понижать напряжение. При этом входное и выходное напряжение меняются местами.
Использование предлагаемого способа трансформации постоянного тока дает, по сравнению с существующими способами, следующий технический результат:
позволяет упростить конструкцию устройств, повышающих напряжение постоянного тока;
обеспечивает снабжение потребителей высоким напряжением в непрерывном режиме без принципиальных ограничений по мощности;
экономичнее по сравнению с существующими способами, обладает более высоким коэффициентом полезного действия;
является экологически чистым способом преобразования электроэнергии.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ трансформации постоянного тока отличается иной, более простой и более экономичной технологией, осуществляемой путем преобразования низкого напряжения первичного источника постоянного тока в высокое напряжения, которое создают на совокупности образующих выходную цепь трансформатора постоянного тока последовательно соединенных конденсаторов, каждый из которых подпитывается от первичного источника постоянного тока, причем, подпитка конденсаторов выходной цепи осуществляется поочередно, путем периодического подключения каждого из них к первичному источнику постоянного тока. Способ не использует какие-либо движущиеся механические узлы и контактно-щеточные токосъемы, не имеет принципиальных ограничений по мощности.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию "новизна" и "изобретательский уровень".
Перспективы промышленного применения изобретения не вызывают трудностей, поскольку предлагаемый способ состоит из совместного действия известных и широко применяемых в электротехнике и радиоэлектронике технологий емкостного преобразования энергии и коммутации электрических цепей, а также не требует использования каких-либо неизвестных современной промышленности средств, материалов или элементов.
В частности, в качестве коммутирующих устройств целесообразно использовать конструкции твердотельных силовых ключей на основе полевых транзисторов с изолированным затвором, обладающие высоким быстродействием, способностью работать с большими токами и напряжениями при минимальных затратах на управление (см. Гусев В.Г., Гусев Ю.М Электроника и микропроцессорная техника. -6-е изд., стер. - М.: КНОРУС, 2013. С. 570-583, 677-681).