Способ выпрямления переменного тока и устройство для его осуществления

 

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.

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 T_рт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения где ₀ - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; m_а - масса атома; P_рт - давление паров щелочного металла в зазоре; _a - теплопроводность паров; U_p - 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 _МЭЗ вентиля устанавливают исходя из выражения (5...10)l_{ia МЭЗ}(1...3)l_ea, где l_ea = 1/(n_aQ_ea) - длина ионизации электронным ударом; l_ia = 1/(n_aQ_ia) - длина перезарядки иона; n_а - концентрация атомов пара в зазоре; Q_ea - сечение ионизации электронным ударом; Q_ia - 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 T_рт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения где
₀ - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; m_а - масса атома; P_рт - давление паров щелочного металла в зазоре; _a - теплопроводность паров; U_p - 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 _МЭЗ вентиля устанавливают, исходя из выражения
(5...10)l_{ia МЭЗ}(1...3)l_ea,
где
l_ea = 1/(n_aQ_ia) - длина ионизации электронным ударом; l_ia = 1/(n_aQ_ia) - длина перезарядки иона; n_а - концентрация атомов пара в зазоре; Q_ea - сечение ионизации электронным ударом; Q_ia - 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 T_рт паров щелочного металла в зазоре поддерживают, исходя из соотношения

где
₀ - диэлектрическая постоянная; e - заряд электрона; m_а - масса атома; P_рт - давление паров щелочного металла в зазоре; _a - теплопроводность паров; U_p - 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 _МЭЗ вентиля устанавливают, исходя из выражения
(5...10)l_{ia МЭЗ}(1...3)l_ea,
где
l_ea = 1/(n_aQ_ia) - длина ионизации электронным ударом; l_ia = 1/(n_aQ_ia) - длина перезарядки иона; n_а - концентрация атомов пара в зазоре; Q_ea - сечение ионизации электронным ударом; Q_ia - 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: U_p(_МЭЗ) = U_{P min}, , где U_p - 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:

или

которые преобразуются с учетом уравнения Пуассона к виду

или

С учетом (5^*) оно принимает вид

Решение уравнения имеет следующий вид:

где
E_k - напряженность поля на отрицательном электроде; d_k - протяженность ионного слоя; T_а - температура атомов, T_рт = T_а. Вид распределения дан на фиг.1.

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

где
T_аk - 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:

где
_aреак - 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

с учетом U_p < U_проб 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 U_p. 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 U_p 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.

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 T_рт паров щелочного металла в зазоре поддерживают исходя из соотношения

где ₀ - диэлектрическая постоянная;
e - заряд электрона;
m_а - масса атома;
P_рт - давление щелочного металла в зазоре,
_a - -теплопроводность паров;
U_р - 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 _мэ.з вентиля устанавливают из выражения
(5 - 10)l_{ia мэ.з}(1...3)l_ea,
где l_ea = 1/(n_a Q_ea) - длина ионизации электронным ударом:
l_ia = 1/(n_a Q_ia) - длина перезарядки иона;
n_а - концентрация атомов пара в зазоре;
Q_ea - сечение ионизации электронным ударом;
Q_ia - 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.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3