Генератор синусоидального напряжения с синтезатором импульсов разной полярности на основе ЯЭУ
SINUSOIDAL VOLTAGE GENERATOR WITH PULSE SYNTHESIZER OF DIFFERENT POLARITY BASED ON NPU

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 термоэлектрохимические 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]. С целью получения амплитуды синусоидального высоковольтного напряжения в два раза превышающего напряжение в схеме, описанной в работе [1], в предлагаемом устройстве используется коммутатор импульсов разной полярности.
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, термоэлектрохимические (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 постоянного напряжения используется последовательное соединение ЭГЭ, для получения требуемой величины тока используется параллельное соединение ЭГЭ. Для получения требуемой величины постоянного напряжения и тока отдельные ЭГЭ объединяются в модули, В каждом модуле ЭГЭ соединяются параллельно в группы для получения необходимой величины тока, 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 I м.
Фигура 1. Последовательно-параллельное соединение ЭГЭ
Параметры одного ТЭХГ приведены в таблице 2, соответственно опубликованным в работе [1] данным.
Всего в описанном в работе [2] термоэлектрохимическом генераторе для получения электрической мощности 30 кВт (или 90 кВт на повышенной частоте) потребовалось 1344 ЭГЭ. При помощи описанного в работе [2] 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. Характерным для предлагаемого генератора является использование коммутатора импульсов разной полярности с целью получения удвоенного значения амплитуды синусоидального напряжения.
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 Um 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/ТI. Далее принято значение числа импульсов на периоде равном n=8. 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 при n=8 амплитуда первого импульса принимается равной El=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/4. Здесь n - число временных интервалов на периоде синусоидальной функции Т, аппроксимирующих синусоидальную функцию. Сокращение числа источников питания (модулей) в два раза по сравнению с предложенной в [1] схемой достигается в результате применения коммутатора импульсов разной полярности;
- Для подключения источников питания (модулей) к выходным полюсам генератора используется блок коммутации, при помощи которого осуществляется подключение напряжений требуемой величины и полярности 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 Е на интервале 0…2 гс. 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
3
4
Значения амплитуд импульсов E, Е, Е и Е показаны на рисунке фиг. 2.
III.2. Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 3.
Фигура 3. Структурная схема генератора
На рисунке фиг. 3 показаны блоки Б1, Б2, БЗ и входные и выходные полюсы, при помощи которых блоки соединяются между собой и с внешними устройствами. На рисунке изображены следующие блоки устройства:
1
2
1
2
1
2
1. Блок управления Б1. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов, которые управляют открытием электронных силовых ключей 9 и 9, и управляют состоянием R-S триггера. На вход R-S триггера поступают управляющие импульсы с полюсов 10 и 10 блока управления. Ключи 9 и 9 и R-S триггер 15 расположены в блоке коммутации.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
31
32
41
42
31
32
41
42
1
2
1
2
2. Блок коммутации Б2 обеспечивает подключение постоянных напряжений требуемой величины E или Е в заданные блоком управления интервалы времени с требуемой для получения синусоидальной функции полярностью к выходным клеммам блока коммутации 14 и 14. Постоянные напряжения E и Е поступают от блока питания Б3 с полюсов 11, 11 и "земля" на управляемые ключи 9 и 9, а затем на управляемые ключи 9, 9 и 9, 9. При помощи ключей 9, 9 и 9, 9 и R-S триггера 15 осуществляется управление полярностью импульсов, поступающих с выходов ключей 9 и 9. Выходными являются полюсы 14 и 14, к которым подключается нагрузка генератора.
1
2
1
2
1
2
31
32
41
42
3. Блок Б3 модулей МЭ. Блок генерирует постоянные напряжения Е1 и Е2. Напряжения источников подключаются ключами 9 и 9, расположенными в блоке коммутации, к выходным клеммам блока коммутации 14 и 14. Напряжения E и Е поступают на выходные полюсы генератора с положительной или отрицательной полярностью для получения синусоидальной функции напряжения. Полярности импульсов устанавливаются при помощи управляемых ключей 9, 9 и 9, 9 и R-S триггера 15.
III.3. Блок управления
1
2
1
2
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, и на управляющие электроды 10 и 10, расположенных в блоке коммутации. Генератор тактовых импульсов 1 блока 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.
1
2
1
2
31
32
41
42
1
2
2
При помощи электронных ключей 9 и 9, расположенных в блоке коммутации, источники ЭДС E и Е, генерируемые блоком модулей электропитания МЭ1 и МЭ2, подключаются в заданные блоком управления моменты времени, посредством ключей 9, 9 и 9, 9, к выходным полюсам блока коммутации 14 и 14. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа 91 и 9 равна TI. Амплитуды ЭДС импульсов для n=8 приведены в таблице 3.
Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 4.
Фигура 4. Принципиальная схема блока управления
1
2
1
2
1
2
1
2
1
n
1
1
2
2
2
2
2
1
1
1
1
Блок реализован на элементах 1-7, в том числе элементах 4, 4 и 5, 5. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схемы сравнения 4 и 4, регистры 5 и 5, дешифратор 7 с выходными полюсами 8…8. На рисунке фиг. 2 число n=8. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 с использованием регистра 5 осуществляется запись кода числа временных интервалов n=8, по входу 13 с использованием регистра 5 осуществляется запись кода числа 5. Когда число импульсов на выходе счетчика 3 становится равным числу, записанному в регистр 5 и равному 5, схема сравнения 4 вырабатывает прямоугольный импульс. Этот импульс поступает на полюс 10 и переводит триггер 15 в блоке коммутации Б2 в новое устойчивое состояние. Это состояние будет длиться в течение интервала времени Т/2. В новое устойчивое состояние триггер 15 будет переведен импульсом, поступающим на полюс 10 с выхода схемы сравнения 4 при совпадении числа импульсов, поступающих с выхода счетчика 3 с числом n=8, записанным в регистр 5 посредством входа 13.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
n
1
2
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 схем сравнения 4 и входу схемы сравнения 4, выходы схем сравнения соединены с регистрами 5 и 5. Выходами схем сравнения 5 и 5 являются полюсы 10 и 10, выходами дешифратора 7 являются полюсы 8…8. Каждый прямоугольный импульс, поступающий на вход дешифратора 7 с выхода счетчика 3, вызывает появление прямоугольного импульса на выходе дешифратора 7. Первый импульс на выходе счетчика 3 вызывает проявление прямоугольного импульса на выходе дешифратора 8, второй прямоугольный импульс вызывает появление прямоугольного импульса на выходе дешифратора 8 и т.д.
III.4. Блок коммутации
1
2
1
1
2
1
1
2
2
31
32
41
42
При помощи блока коммутации Б2 напряжения E и E=2E, генерируемые блоком Б3 модулей электропитания МЭ, поступают со знаком плюс или минус на выходные полюсы генератора 14 и 14. Напряжения E поступают на выходные полюсы генератора при замкнутом положении ключа 9 в первый, четвертый, пятый и восьмой интервалы времени длительностью TI, напряжение Е поступает выходные полюсы генератора при замкнутом положении ключа 9 во второй, третий, шестой и седьмой интервалы времени. При помощи ключей 9, 9 при замкнутом состоянии ключей импульсы напряжения передаются непосредственно на протяжении времени Т/2, при помощи ключей 9, 9 при их замкнутом состоянии импульсы напряжения передаются инверсно на протяжении следующего интервала времени Т/2. В результате из импульсов Е1 и Е2 формируются положительная и отрицательная полуволны выходного напряжения.
Принципиальная схема блока коммутации показана на рисунке фиг. 5.
Фигура 5. Принципиальная схема блока коммутации
1
2
При помощи блока коммутации Б2 источники напряжений Е1 и Е2, поступающие от блока Б3 модулей электропитания MЭ и МЭ, подключаются в соответствующие интервалы времени
(к-1)Т1≤t≤kTI, k=l, 2, … n
1
2
31
32
41
42
31
32
41
42
1
2
1
n
1
4
5
8
к выходным полюсам блока 14 и 14 посредством синтезатора импульсов, включающего управляемые ключи 9, 9 и 9 9 и триггер 15. При помощи ключей 9, 9 и 9 9, а также триггера 15 устанавливается полярность импульсов, поступающих на выходные полюсы устройства. В записанном выражении TI - длительность временного интервала одного импульса напряжения, n - количество временных интервалов на периоде Т. Импульсы, управляющие открытым состоянием электронных ключей 9 и 9, поступают от блока управления от полюсов 8…8 с использованием диодов D…Dи D…D.
1
1
1
4
2
5
3
8
4
1
1
31
32
41
42
2
2
3
6
7
2
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, а также с полюса 8 посредством диода D и с полюса 8 посредством диода D. Каждый из этих управляющих импульсов открывают ключ 9 на время длительностью TI в соответствующие интервалы времени. В результате напряжение E передается на выход устройства с использованием ключей 9, 9 и 9 9, которые открываются управляющими импульсами напряжений. Управление открытым состоянием ключа 9 осуществляется в результате поступления управляющего импульса, поступающего с одного из полюсов 8, 8, 8, 8 и поступления импульса на управляющий электрод ключа 9 проходя через один из диодов D5…D8.
31
32
41
42
ynp1
ynp2
31
32
41
42
Синтезатор импульсов. Для формирования на выходе генератора последовательности импульсных функций, аппроксимирующей синусоидальную функцию выходного напряжения, используется синтезатор импульсов разной полярности. Синтезатор включает ключи 9, 9 и 9 9, а также триггер 15. Для управления полярностью импульсов на выходе генератора управляющие напряжения U и U поступают с выходных полюсов Q и Q' триггера 15 на управляющие электроды ключей 9, 9 и 9 9.
ynp1
упр2
Графики напряжений U и U показаны на рисунке фиг. 6.
Фигура 6. Графики управляющих напряжений
1
упр1
41
42
1
2
2
31
32
ynp2
31
32
1
2
41
42
При поступлении управляющего импульса с полюса 10 блока управления Б1 триггер 15 переходит в следующее устойчивое состояние и с выходного полюса Q на протяжении времени Т/2 вырабатывается управляющее напряжение U, которое открывает ключи 9 и 9. Инверсные значения импульсов с амплитудами E и Е поступают на выход устройства. Когда на вход R триггера 15 поступает напряжение с полюса 10, он переходит в новое устойчивое состояние и на протяжении времени Т/2 с выходного полюса триггера Q' на управляющие электроды ключей 9 и 9 поступает управляющее напряжение U. Это напряжение открывает ключи 9 и 9. Напряжения E и Е без инверсии передаются на выход устройства. Ключи 9 и 9 при этом закрыты, так как на выходе Q триггера 15 напряжение равно нулю. Таким образом формируются полуволны синусоиды с положительными и отрицательными значениями.
III.5 Блок модулей электропитания МЭ
1
1
m
2
1
2
Блок модулей, блок Б3, состоит из двух модулей МЭ1 и МЭ2, включенных последовательно. Каждый модуль состоит из последовательно-параллельно соединенных элементов электропитания ЭГЭ, как это показано на рисунке фиг. 1. Каждый модуль характеризуется напряжением модуля Uм и током модуля Iм. Полюс модуля МЭ1 с отрицательной полярностью подключен к клемме "земля", общей для всего устройства. С положительного полюса модуля МЭ1 посредством полюса 11 напряжение E=U поступает на вход блока коммутации Б2. Этот полюс также соединен с отрицательным полюсом модуля МЭ2. Напряжение E=2E с полюса 11 поступает на вход блока коммутации, как показано на рисунке фиг. 5. Принципиальная схема блока Б3 модулей электропитания показана на рисунке фиг.7.
Фигура 7. Принципиальная схема блока МЭ
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 генератора
Фиг. 4 - Принципиальная схема блока управления
Фиг. 5 - Принципиальная схема блока коммутации
Фиг. 6 - Графики управляющих напряжений
Фиг. 7 - Принципиальная схема блока МЭ.
V. Осуществление изобретения
1
1
2
2
1
2
1
1
2
1
1
4
2
5
8
1
1
1
4
2
5
3
8
4
1
1
1
2
2
3
6
6
7
7
8
2
2
2
31
32
41
42
1
2
31
32
41
42
31
32
41
42
31
32
41
42
ynp1
ynp2
1
2
1
2
1
2
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 регистре 5 по входу 13 записан код числа (n/2)+1. Далее рассматривается вариант, когда n=8, следовательно, по входу 13 записывается код числа 8, по входу 13 записывается код числа 5. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 4 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=l…n, который подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей 9 и 9. Подключение осуществляется через один из диодов. Для ключа 9 это диоды D…D, для ключа 9 это диоды D…D. Так, управляющий импульс с полюса 8 в первый интервал времени поступает на диод D и затем на управляющий электрод ключа 9. На этот же управляющий электрод в четвертый интервал времени с полюса 8 поступает управляющий импульс через диод D, в пятый интервал времени с полюса 8 через диод D и в восьмой интервал времени с полюса 8 через диод D. При поступлении на управляющий электрод сигнала ключ 9 открывается и пропускает напряжение E, которое поступает с полюса 11 блока Б3. Аналогично осуществляется открытие ключа 9 при поступлении управляющего импульса во второй временной интервал с полюса 8 через диод D5, в третий временной интервал импульс поступает с полюса 8 через диод D, в шестой временной интервал с полюса 8 через диод D, в седьмой временной интервал с полюса 8 через диод D. При открытом ключе 9 напряжение Е передается с полюса 11 на выход устройства посредством ключей 9, 9 или 9, 9. При помощи этих ключей напряжения Е1 и Е2 передаются либо непосредственно на выходные полюсы генератора 14 и 14, либо инверсно. Ключи 9 и 9 одновременно либо включены, либо выключены. Во включенном или выключенном состоянии они находятся в течение интервала времени равном Т/2. Аналогично работают ключи 9 и 9. Когда пара ключей 9 и 9 находится во включенном состоянии, пара ключей 9 и 9 находится в выключенном состоянии и наоборот. Управление открытым или закрытым состоянием ключей 9, 9 и 9 9осуществляется при помощи управляющих напряжений U и U, которые поступают с выходов Q и Q' триггера 15. Когда выход Q имеет значение условной 1, выход Q' имеет значение 0 и наоборот. Перевод триггера из одного состояния в другое осуществляется управляющими импульсами, поступающими с полюсов 10 и 10 блока управления Б1. Управляющие импульсы на полюсы 10 и 10 поступают со сдвигом на интервал времени Т/2. Это позволяет сформировать из поступающих на выходные полюсы 14 и 14 импульсов полуволны с положительными и отрицательными значениями, которые аппроксимируют синусоидальную функцию выходного напряжения.
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.