ВОДОСЧЕТЧИК-МОКРОХОД

ВЫПРЯМИТЕЛЬ ТОКА
Настоящая полезнай модель относится к области электротехники и электроэнергетики и может найти применение в сильноточных низковольтных выпрямителях переменного тока.
Известен и наиболее распространен выпрямитель тока, включающий источник переменного напряженя, к одному из выходов которого подключен полупроводниковый диод (см. напр. Г.Хениш.- Полупроводниковые выпрямители.- Изд-во иностранной литературы.-М.: 1951, с.45).
Недостатком этого выпрямителя является наличие прямого падения напряжения в полупроводниковом диоде при прохождении тока в пропускном направлении, что обусловлено энергозатратами на обеспечение проводимости в р-п переходе.
Наиболее близким к заявляемому выпрямителю тока по числу общих существенных признаков является выпрямитель тока, включающий источник переменного напряжения, последовательно с которым соединен газоразрядный вентиль с подогреваемым катодом. Катод такого вентиля обычно изготавливают из материала, имеющего работу выхода электрона по величине меньшую работы выхода электрона материала анода. С этой целью катод покрывают слоем щелочно-земельных окислов (оксидный катод) или используют торированный вольфрам или молибден (см. Вологдин В.П.Выпрямители.- ОНТИ НКТП СССР.-Л.:, М.:, 1936, с.98-102).
Недостатком известного газоразрядного вентиля-прототипа является наличие прямого падения напряжения на величину dU при прохождении тока в пропускном направлении, вызванного энергозатратами на обеспечение проводимости между электродами вентиля. Это прямое падение напряжения, составляя для газотронов величину порядка 10-15 В, уменьшает коэффициент
полезного действия выпрямителя тока на величину dU/U, где U- среднеквадратичное выпрямляемое напряжение.
Задачей являлось создание такого выпрямителя тока, который бы обеспечил повышения коэффициента полезного действия при преобразовании переменного тока в постоянный.
Указанная задача решается тем, что в выпрямителе тока, включающем источник переменного напряжения и вентиль с подогреваемым катодом, соединенный последовательно с источником, вентиль выполнен в виде термоэмиссионного преобразователя тепловой энергии в электрическую (ТЭП), при этом катод и анод преобразователя выполнены из материалов, работа выхода электрона поверхности которых в рабочих условиях удовлетворяет
соотношению:
Ек  Еа, где
Ек - работа выхода электрона материала поверхности катода, Дж; Еа - работа выхода электрона материала поверхности анода, Дж.
Термоэмиссионный преобразователь может быть наполнен цезием, либо цезием и/или барием.
При таком выполнении конструкции выпрямителя тока в ТЭП за счет
разности температур и контактной разности потенциалов между катодом и ано-.
дом происходит преобразование тепловой энергии в электрическую и одно-. f
временно осуществляется выпрямление переменного .-напряжения источника.,
Рассмотрим подробнее процессы, которые происходят в-«заявляемом устройстве. При подведении к катоду ТЭП тепловой мощности от внешнего источника (и охлаждении анода) эта мощность QK будет затрачиваться, за
вычетом потерь Qn (на излучение, теплопроводность по выводам, и т.д.), на испарение электронного газа:
QK  1к(Ек + 2k-TK)/q + Qn; где: IK - ток с поверхности катода, А;
. f
- ,4t
,
k - постоянная Больцмана, Дж/К; Т к - температура катода, К; q - заряд электрона, Кл.
При конденсации электронного газа на аноде выделяется тепловая
мощность:
Qa  lK-(Ea + 2k-TK)/q.
Тепловая мощность, равная разности QK и Qa, преобразуется в электрическую и выделяется на нагрузке:
QK-Qa-Qn  lK-(EK-EaXqТаким образом, ТЭП будет генерировать в оптимальном режиме во внешнюю цепь электродвижущую силу (ЭДС) Е0, равную разности работ выхода электрона материалов поверхности катода Ек и анода Еа: Е0  (Ек - Eayq.
При подаче переменного внешнего (например, синусоидального) напряжения на нагрузку RH через ТЭП напряжение UH на нагрузке RH будет равно
сумме сторонней ЭДС и ЭДС, генерируемой ТЭП: UH H-RH  ЕО + U0-sin (wt + а), где:
U0 - амплитуда внешнего напряжения, В;
w - угловая частота, 1/с; t - время, с;
а - начальная фаза.
На нагрузке RH будет выделяться вся мощность, генерируемая как
источником выпрямляемого напряжения, так и ТЭП. Выпрямление синусоидального напряжения будет происходить при нулевом прямом падении напряжения на ТЭП, когда UH достигнет нуля, т.е. когда /Uo-sin (wt + а)/  Ео. В
тчерез ТЭП. Поскольку ТЭП, как вентиль, имеет нулевое прямое падение напряжения и вдобавок генерирует напряжение Е0, то возрастает коэффициент полезного действия при преобразовании переменного тока в постоянный (отношение мощности, выделяющейся в нагрузке от тока в прямом направлении, к полной мощности, выделяющейся в нагрузке и в выпрямителе, т.е. от тока в прямом и обратном направлении). В реальных условиях работы ТЭП будет иметь место незначительное падение напряжение на нагрузке в обратном направлении  из-за наличия обратного тока 10бр  а.
обусловленного эмиссией электронов с анода.
Заявляемый выпрямитель тока иллюстрируется чертежом, где
на фиг.1 приведена схема подключения выпрямителя тока к на-грузке; 1 источник переменного напряжения, 2 - ТЭП, 3 -нагрузка RH.
на фиг.2 приведена 1 - вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного ТЭП (отсутствует рассеяние электронов и влияние их объемного заряда, la  0), точка А - оптимальная рабочая точка ТЭП; 2 - ВАХ
реального ТЭП при
0на фиг.З приведена временная зависимость величины напряжения UH на нагрузке RH;
на фиг.4 - временная зависимость величины тока 1Н через нагрузку RH.
Заявляемый выпрямитель тока действует следующим образом. При подаче переменного напряжения, например, синусоидального UCT  Uo-sin (wt +
+ а), на нагрузку RH через ТЭП в момент времени  (UCT  0, а  0) ток через нагрузку 1Н будет определяться ЭДС ТЭП Е: 1Н  E/RH , при этом рабочая точка ТЭП и величина Е (см. фиг.2) будут определяться пересечением ВАХ ТЭП с нагрузочной прямой R  RH (так как генерируемая ТЭП ЭДС Е  внешнего выпрямляемого напряжения UCT в положительной по отношению к
аноду ТЭП полярности напряжение на нагрузке будет равно сумме ЭДС ТЭП и выпрямляемого внешнего напряжения UCT:
UH  Е0 + U0-sin wt; а ток 1Н  UH/RH  EO/RH + Uo/RH-sin wt.
При увеличении внешнего напряжения UCT в отрицательном направлении UH достигнет нуля при /Uo-sin wt/  Е0, в этом момент обратится в нуль ток 1Н и через ТЭП. При дальнейшем росте UCT в отрицательном направлении UH достигнет величины:
ин  иобр  o6pRH В дальнейшем при возрастании UCT в положительном направ-лении UH
и 1Н вновь станут равными нулю, когда /U0-sin wt/   Ео, а затем к окончанию периода достигнут соответственно величин Ео и EQ/RH. Далее весь цикл будет
повторяться.
Следует отметить, что наилучший результат достигают при следущих соотношениях токов:
lK UH/RH laЕсли не выполняется условие 1К  UH/RH, то в положительный полупериод произойдет ограничение тока в ТЭП и в нагрузке на уровне 1К  1Н.
Избыточное выпрямляемое напряжение источника будет падать при этом на
межэлектродном промежутке ТЭП и там же будет выделяться соответствующая мощность  - k-RH + Ео), а не на нагрузке, что приведет к некоторому уменьшению коэффициента полезного действия (кпд) преобразования, что технически не выгодно.
5
тех пор, пока он не достигнет уровня тока эмиссии анода 1а. Далее избыточное напряжение будет падать на межэлектродном промежутке ТЭП, и в ТЭП будет выделяться мощность la-(Ucr - Ео - 1акн)- В этом случае также
будет уменьшаться кпд преобразования.
При la  UH/RH эффекта выпрямления не будет. На нагрузке RH будет
выделяться невыпрямленная переменная мощность стороннего источника плюс постоянная мощность, связанная с ЭДС ТЭП.
Наиболее близкую к идеальной ВАХ имеют ТЭП с малым межэлектродным расстоянием и ТЭП в режиме с поверхностной ионизацией, но такие ТЭП в настоящее время сложны в изготовлении. Для выпрямления целесообразно применять ТЭП, предназначенные для высокотемпературной надстройки к обычным паросиловым электрогенераторам и рассчитанные на нагрев катода до температуры (1400-1500)К пламенем при сжигании обычных топ-лив (газ, нефть, уголь), для которых проблема нагрева катода и проблема защиты от окисления уже решены. Для обеспечения эффективного преобразования в основной ступени температура анода в таком ТЭП составит около 800К. В парах цезия при давлениях 100-1000 Па обычные тугоплавкие металлы обеспечивают эмиссию примерно 10$ А/м2. В оптимизированных режимах ЭДС ТЭП составляет около 0,5 В. Поэтому для обеспечения выпрямленного напряжения 6 В необходимо подать на ТЭП переменное напряжение не 6 В, еь5,5 В; для обеспечения выпрямленного напряжения 12 В следует подать на ТЭП ,5 В. Благодаря высокой рабочей температуре анода снимаемое с него тепло может быть использовано также эффективно, как и при непосредственном сжигании топлива - либо для преобразования в электроэнергию в паротурбинном цикле, либо для других целей, требующих высокопотенциальных источников тепла и сжигания топлива (что особенно удобно при относительно небольшой мощности выпрямительных установок).
содержащем ТЭП, остается таким же, как и при непосредственном сжигании топлива. Более того, генерирование электроэнергии ТЭП дает дополнительный выигрыш. Таким образом, в отличие от известных выпрямителей, работа которых обеспечивается за счет затрат электроэнергии, работа выпрямителей с ТЭП (в том числе и генерация дополнительной электроэнергии) обеспечивается затратами, в основном, тепловой энергии (которую не требуется преобразовывать в электрическую с кпд  1 для обеспечения работы выпрямителя).