способ выпрямления переменного тока и устройство для его осуществления

Классы МПК:H02M7/06 выполненных на газоразрядных, электронных или полупроводниковых приборах без управляющего электрода 
H01J45/00 Разрядные приборы, работающие как термоэлектронные генераторы
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Научно-исследовательский институт энергетического машиностроения МГТУ им.Н.Э.Баумана
Приоритеты:
подача заявки:
1995-04-12
публикация патента:

Изобретение относится к области газоразрядной техники, более конкретно к плазменным вентилям. Изобретение отличает более широкий диапазон выпрямляемых напряжений и снижение потерь электрической мощности при выпрямлении переменного тока. Сущность изобретения: способ выпрямления тока с помощью термоэмиссионного вентиля включает заполнение межэлектродного зазора парами щелочного металла при давлении не выше 300 Па, приложение переменного напряжения, поджиг несамостоятельного дугового разряда при положительном потенциале анода и тлеющего при отрицательном потенциале анода. Температуру анода поддерживают выше температуры пара щелочного металла на 10...20 К, которую, а также величину межэлектродного зазора, устанавливают из определенных аналитических выражений. Термоэмиссионный вентиль содержит теплоизолированный резервуар со щелочным металлом, снабженный нагревателем корпус с анодом и катодом, тепловую трубу переменной проводимости с теплоизолированным газоаккумулирующим объемом и автономным нагревателем, датчик температуры анода и регулятор, вход которого связан с датчиком, а выходы - с нагревателями. 2 с. п. ф-лы, 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Формула изобретения

1. Способ выпрямления тока с помощью термоэмиссионного вентиля, содержащего анод и подогреваемый термокатод, расположенные в корпусе и разделенные межэлектродным зазором, включающий заполнение межэлектродного зазора парами щелочного металла, нагревание термокатода и охлаждение анода, приложение переменного напряжения между анодом и термокатодом с поджигом несамостоятельного дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего - при отрицательном потенциале анода, отличающийся тем, что температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают исходя из соотношения

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

где способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 21116050 - диэлектрическая постоянная;

e - заряд электрона;

mа - масса атома;

Pрт - давление щелочного металла в зазоре,

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605a - -теплопроводность паров;

Uр - величина приложенного переменного напряжения,

давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па, температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 - 20 К, при этом величину межэлектродного зазора способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605мэ.з вентиля устанавливают из выражения

(5 - 10)liaспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605 способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605мэ.зспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605(1...3)lea,

где lea = 1/(na способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605 Qea) - длина ионизации электронным ударом:

lia = 1/(na способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605 Qia) - длина перезарядки иона;

nа - концентрация атомов пара в зазоре;

Qea - сечение ионизации электронным ударом;

Qia - сечение перезарядки.

2. Термоэмиссионный вентиль, содержащий теплоизолированный резервуар с щелочным металлом, снабженный нагревателем корпус, установленные в нем анод и термокатод, разделенные зазором, заполненным парами щелочного металла и связанным с полостью резервуара, отличающийся тем, что он снабжен тепловой трубой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем его вход связан с датчиком температуры, а выходы - соответственно с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к газоразрядной технике, а более конкретно к газоразрядным приборам силовой электроники.

На практике довольно широко известен и применяется способ выпрямления переменного тока с помощью газоразрядного прибора, содержащего анод и катод, разделенные межэлектродным зазором, заполненным рабочим телом (газом или парами ртути), заключающийся в приложении переменного напряжения между анодом и катодом и поджиге дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего при отрицательном потенциале анода, например ртутные вентили для выпрямления тока [1].

Недостатками указанного способа являются повышенные затраты энергии (мощности) и снижение надежности ввиду существенном разницы между напряжениями зажигания разряда (сотни вольт) и его горения (несколько вольт - десятки вольт), что требует применения специальных мер и схем для снижения пиковых нагрузок в момент поджига разряда. Все это ограничивает возможности плазменных вентилей, особенно в диапазоне повышенных мощностей и напряжений при работе на нагрузке. Использование паров ртути для выпрямления переменного тока требует принудительного охлаждения вентилей с целью стабилизации давления и снижения вероятности обратных зажиганий, что также ведет к дополнительным энергозатратам.

Недостатком устройств, в которых реализуется данный способ, заключается в том, что для поддержания разряда в момент смены полярности напряжения используется цепь игнайтера, которая питает вспомогательный дуговой разряд в зазоре и требует дополнительных затрат электрической мощности, снижая общую эффективность способа и устройств, в которых он реализуется.

Наиболее близким к заявляемому является способ выпрямления тока с помощью термоэмиссионного вентиля, содержащего анод и подогреваемый термокатод, расположенные в корпусе и разделенные межэлектродным зазором, включающий заполнение межэлектродного зазора парами щелочного металла, нагревание термокатода и охлаждение анода, приложение переменного напряжения между анодом и термокатодом с поджигом несамостоятельного дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего при отрицательном потенциале анода [2].

Данный способ реализуется в термоэмиссионном вентиле, содержащем теплоизолированный резервуар со щелочным металлом, снабженный нагревателем, корпус, установленные в нем анод и термокатод, разделенные зазором, заполненным парами щелочного металла и связанным с полостью резервуара [3].

Недостаток известного способа и устройства заключается в невысокой величине выпрямляемого напряжения (единицы вольт - десятки вольт), что обусловлено низкой электрической прочностью к обратному дуговому пробою паров рабочего тела в межэлектродном зазоре и высокой вероятностью зажигания поверхностных разрядов на электрике.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности, увеличение эффективности способа выпрямления тока и расширение диапазона рабочих напряжений.

Указанный технический результат достигается тем, что по способу выпрямления тока с помощью термоэмиссионного вентиля, содержащего анод и подогреваемый термокатод, расположенные в корпусе и разделенные межэлектродным зазором, включающему заполнение межэлектродного зазора парами щелочного металла, нагревание термокатода и охлаждение анода, приложение переменного напряжения между анодом и термокатодом с поджигом несамостоятельного дугового разряда в зазоре при положительном потенциале анода и тлеющего при отрицательном потенциале анода, температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

где

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 21116050 - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; mа - масса атома; Pрт - давление паров щелочного металла в зазоре; способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605a - теплопроводность паров; Up - величина приложенного переменного напряжения, давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па, температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 ... 20, при этом величину межэлектродного зазора способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605МЭЗ вентиля устанавливают исходя из выражения

(5...10)liaспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605 способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605МЭЗспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605(1...3)lea,

где

lea = 1/(naQea) - длина ионизации электронным ударом; lia = 1/(naQia) - длина перезарядки иона; nа - концентрация атомов пара в зазоре; Qea - сечение ионизации электронным ударом; Qia - сечение перезарядки.

Кроме того, достижение технического результата обеспечивается тем, что термоэмиссионный вентиль, содержащий теплоизолированный резервуар со щелочным металлом снабженный нагревателем, корпус, установленные в нем анод и термокатод, разделенные зазором, заполненным парами щелочного металла и связанным с полостью резервуара, снабжен тепловой трубкой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем вход его связан с датчиком температуры, а выходы соответственно - с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля.

Поскольку предложенный способ может быть реализован лишь в предлагаемом устройстве, характеризуемом определенными конструктивными признаками, заявленными в ФИ, поэтому оба объекта объединены в группу изобретений, что дает возможность при реализации достичь указанного технического результата.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Оно содержит новую совокупность существенных признаков в отличительной части патентной формулы:

температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

где

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 21116050 - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; mа - масса атома; Pрт - давление паров щелочного металла в зазоре; способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605a - теплопроводность паров; Up - величина приложенного переменного напряжения,

давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па,

температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 ... 20 К,

при этом величину межэлектродного зазора способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605МЭЗ вентиля устанавливают, исходя из выражения

(5...10)liaспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605 способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605МЭЗспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605(1...3)lea,

где

lea = 1/(naQia) - длина ионизации электронным ударом; lia = 1/(naQia) - длина перезарядки иона; nа - концентрация атомов пара в зазоре; Qea - сечение ионизации электронным ударом; Qia - сечение перезарядки.

При этом новая совокупность признаков в заявляемом устройстве выражается в том, что он снабжен тепловой трубкой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем вход его связан с датчиком температуры, а выходы соответственно - с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля.

Заявляемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Признак: температуру Tрт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

где

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 21116050 - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; mа - масса атома; Pрт - давление паров щелочного металла в зазоре; способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605a - теплопроводность паров; Up - величина приложенного переменного напряжения, позволяет существенно увеличить электропрочностные характеристики паров по отношению к обратному дуговому пробою (величина пробойного напряжения составляет сотни - тысячи вольт 500 ... 3000 В), то есть обеспечивает достижение цели изобретения.

Признак: давление паров щелочного металла поддерживают не выше 300 Па позволяет уменьшить потери напряжения на вентиле в проводящем состоянии, то есть способствует достижению цели в части повышения эффективности способа.

Признак: температуру анода поддерживают выше температуры паров щелочного металла в зазоре на 10 ... 20 К ведет к достижению цели: повышению надежности способа - уменьшается вероятность обратных зажиганий вследствие снижения эмиссионной способности анода (для режима обратной полярности электродов).

Признак: при этом величину межэлектродного зазора способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605МЭЗ вентиля устанавливают, исходя из выражения

(5...10)liaспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605 способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605МЭЗспособ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605(1...3)lea,

где

lea = 1/(naQia) - длина ионизации электронным ударом; lia = 1/(naQia) - длина перезарядки иона; nа - концентрация атомов пара в зазоре; Qea - сечение ионизации электронным ударом; Qia - сечение перезарядки, ведет к достижению цели изобретения - повышению его эффективности. Выбор величины межэлектродного зазора в указанных пределах позволяет предотвратить пробой в режиме обратного ток за счет снижения вероятности ионизации прямым электронным ударом и вместе с тем минимизировать потери напряжения в проводящем состоянии вентиля: способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605Up(способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605МЭЗ) = способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605UP min, , где способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605Up - падение напряжения на несамостоятельном дуговом разряде.

Признак: он снабжен тепловой трубкой переменной проводимости, имеющей испарительный, конденсационный участки и теплоизолированный газоаккумулирующий объем, снабженный автономным нагревателем, датчиком температуры, установленным на рабочей поверхности анода, обращенной к зазору, и регулятором, имеющим вход и два выхода, причем вход его связан с датчиком температуры, а выходы соответственно - с нагревателями резервуара и газоаккумулирующего объема трубы, испарительный участок которой контактирует с внешней поверхностью анода, а конденсационный участок расположен вне корпуса вентиля, позволяет достичь цели изобретения - существенно расширить диапазон рабочих напряжений вентиля и одновременно способствует увеличению эффективности за счет создания автономной системы охлаждения вентиля и поддержания его рабочей температуры.

Предлагаемое техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость". Данный способ может применяться в газоразрядной технике при разработке мощных (силовых) вентилей, в элементах автоматики (трансформирование сигнала датчика в электрический для дополнительных органов) и т.д., особенно эффективно в автономных устройствах.

Материалы заявки содержат достаточное и необходимое количество сведений, которые с полной ясностью раскрывают возможность реализации изобретения.

В настоящее время разработана и испытана конструкция образца плазменного высокотемпературного диода (ВПТД), экспериментально подтвердившая эффективность выпрямления переменного тока.

На фиг.1 приведены распределения потенциала, температуры атомов рабочего тела в межэлектродном зазоре для состояния тлеющего разряда, поясняющие физическую сущность вентильного эффекта ионного слоя у анода (период обратного напряжения). На фиг.2 приведена схема межэлектродного зазора ВПТД. На фиг. 3 приведены результаты испытаний.

Физическая сущность предлагаемого технического решения, а именно повышение величины выпрямляемого напряжения переменного тока, заключается в следующем. Ионный слой у отрицательного электрода в тлеющем разряде (период обратного напряжения - отрицательный потенциал на аноде) обладает достаточно высоким сопротивлением - до 105 ... 106 Ом, то есть слой может быть рассмотрен как диэлектрик в сильном электрическом поле в дрейфовом приближении и описан следующими уравнениями:

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

или

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

которые преобразуются с учетом уравнения Пуассона к виду

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

или

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

С учетом (5*) оно принимает вид

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

Решение уравнения имеет следующий вид:

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

где

Ek - напряженность поля на отрицательном электроде; dk - протяженность ионного слоя; Tа - температура атомов, Tрт = Tа. Вид распределения дан на фиг.1.

Характерно, что все изменение поля и потенциала приходится на узкую область ионного слоя протяженностью (5 . . . 7) lia, где сосредоточено "астоново свечение". В ней имеет место увеличение температуры рабочего тела в силу

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

где

Tаk - температура пара у поверхности анода в режиме тлеющего разряда (граница "астонова" свечения и темного пространства).

Таким образом, баланс теплового состояния рабочего тела в "астановом свечении" определяет устойчивость тлеющего разряда и его вентильные свойства: регулируя температуру пара в межэлектродном зазоре и его теплофизические характеристики, можно регулировать величину напряжения обратного дугового пробоя:

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

где

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605aреак - реактивная теплопроводность возбужденных атомов; T T*a - критическая величина температуры атомов в "астоновом свечении", с которой начинается переход в самостоятельный дуговой разряд.

Подбирая величину температуры пара из зависимости

способ выпрямления переменного тока и устройство для его   осуществления, патент № 2111605

с учетом Up < Uпроб можно осуществлять выпрямление переменного тока предлагаемым способом.

Реализация предлагаемого способа и работа устройства осуществляются следующим образом.

Вентиль подогревается до рабочей температуры за счет нагревателей, фиг. 2. Катод 1 нагревается от спирали 4, анод 2 - излучением от катода, корпус 3 прогревается за счет излучения и теплопроводности, затем прогревается резервуар со щелочным металлом (цезием или барием) 5 от нагревателя 6, помещенный в теплоизолятор экранного типа 7. Межэлектродный зазор вентиля заполняется парами щелочного металла с помощью трубки. Температуру паров в зазоре при его давлении выбирают из соотношения (*) с учетом рабочего напряжения Up. При подаче на вентиль переменного напряжения происходит его выпрямление, сущность вентильного эффекта описана выше. В режиме прямого тока ("минус" на катоде, "плюс" на аноде) в зазоре горит несамостоятельный дуговой разряд в парах щелочного металла, который гаснет при смене полярности электродов. В режиме обратного тока в зазоре горит плотный тлеющий разряд, который определяет запертое состояние вентиля. Регулирование теплового состояния анода 2 осуществляется с помощью регулируемой тепловой трубы 8 (переменной проводимости), которая позволяет поддерживать его температуру а номинальном режиме работы и изменять ее при отклонении рабочего напряжения от номинального значения. Это обеспечивается наличием обратной связи, включающей датчик температуры 11, регулятор нагревателей 10 и теплоизолированный газоаккумулирующий объем 9 тепловой трубы 8, снабженный теплоизолирующим экраном 12 и автономным нагревателем 13. При увеличении рабочего напряжения увеличивается тепловой поток в анод 2, растет его температура, сигнал датчика 11 поступает на регулятор 10, в результате уменьшается ток нагревателей 6 и 13, что приводит к снижению температуры резервуара 5 и газоаккумулирующего объема 9. Снижается давление паров в зазоре, что предотвращает обратный пробой, а также увеличивается длина конденсационного участка тепловой трубы 8, с которого происходит сброс тепла, отводимого от вентиля (анода).

При уменьшении Up процесс регулирования происходит обратным образом.

Данный способ выпрямления тока проверен экспериментально на паронаполненном приборе (с цезиевым и бариевым наполнением). Результаты испытаний приведены на фиг.3.

Осциллограмма выпрямленного напряжения свидетельствует о работоспособности предлагаемого устройства и возможности реализации способа выпрямления тока.

Данные способ и устройство существенно расширяют возможности плазменных приборов.

Класс H02M7/06 выполненных на газоразрядных, электронных или полупроводниковых приборах без управляющего электрода 

емкостный источник питания -  патент 2520258 (20.06.2014)
интеллектуальный преобразователь напряжения -  патент 2499348 (20.11.2013)
восьмифазный преобразователь напряжения -  патент 2458449 (10.08.2012)
двенадцатифазный преобразователь сучкова -  патент 2443049 (20.02.2012)
выпрямительная установка -  патент 2419949 (27.05.2011)
диод синхронного выпрямления и преобразователь напряжения с его применением -  патент 2414049 (10.03.2011)
выпрямительная установка -  патент 2386203 (10.04.2010)
преобразователь трехфазного переменного напряжения в постоянное -  патент 2325025 (20.05.2008)
преобразователь переменного напряжения в постоянное -  патент 2321941 (10.04.2008)
преобразователь переменного напряжения в постоянное -  патент 2311718 (27.11.2007)

Класс H01J45/00 Разрядные приборы, работающие как термоэлектронные генераторы

крыло гиперзвукового летательного аппарата в условиях его аэродинамического нагрева -  патент 2506199 (10.02.2014)
радиационная защита космической ядерной энергетической установки -  патент 2499322 (20.11.2013)
термотуннельный преобразователь -  патент 2479886 (20.04.2013)
многоэлементный термоэмиссионный электрогенерирующий канал -  патент 2477543 (10.03.2013)
электрогенерирующий канал термоэмиссионного реактора-преобразователя -  патент 2465678 (27.10.2012)
способ формирования режима работы термоэмиссионного электрогенерирующего канала -  патент 2465677 (27.10.2012)
устройство для подачи пара цезия в термоэммисионный преобразователь -  патент 2464668 (20.10.2012)
блок термоэлектрических преобразователей со щелочным металлом -  патент 2456699 (20.07.2012)
термоэлектрический преобразователь со щелочным металлом -  патент 2456698 (20.07.2012)
термоэмиссионный преобразователь -  патент 2449410 (27.04.2012)
Наверх