13.6. Процессы заряда и разряда в индуктивных накопителях

Рассмотрим вначале простейшую схему ИН на рис. 13.1А, предназначенную для кратковременного питания активного нагрузочного сопротивления . Пусть время заряда ИН от источника с постоянным напряжением равно , по истечении которого ток заряда:

(13.10)

Где -активное сопротивление зарядного контура (включающее в себя сопротивление проводов ИН); - постоянная времени зарядного контура; - индуктивность ИН при заряде.

КПД заряда тем выше, чем меньше относительная длительность заряда , причем при ( ) имеем . Это естественно с физической точки зрения, так как нарастание во времени тока и соответственно W носит затухающий характер, а потери при больших растут пропорционально времени. Однако в ИН с конечными сопротивлениями катушек нельзя стремиться к режимам с и высокими , так как короткие времена заряда в большинстве случаев противоречат смыслу применения ИН, поскольку необходимо обеспечить для увеличения разрядной мощности. Кроме того, кратковременный заряд ИН требует повышенной мощности первичного источника. Поэтому обычно , чему соответствуют КПД в интервале .

При разряде в течение времени также возникают потери, которые учитываются в КПД разрядного цикла . В ИН имеются также потери в коммутаторах, которые можно учесть КПД коммутации .

Таким образом, полный КПД передачи энергии от первоначального источника через ИН к омической нагрузке .

Если и , то передача энергии осуществляется с КПД порядка , и в энергоустановке возникают значительные потери, которые нужно отводить с помощью системы охлаждения.

13.7. Трансформаторные индуктивные накопители

В трансформаторных ИН обычно имеются две обмотки: первичная с большой индуктивностью, используемая при заряде ИН, и вторичная с малой индуктивностью, используемая при разряде. Условие реализуется за счет разного числа витков обмоток ( ).

Схема трансформаторного ИН показана на рис. 13.9А. На рис. 13.9Б приведены характерные зависимости токов от времени и положение коммутаторов в различные периоды времени. Имеются три этапа работы ИН.

1. После замыкания К1 при разомкнутых К2 и К3 происходит накопление энергии в первичной обмотке.

2. При замыкании К2 и размыкании К1 энергия передается во вторичную обмотку.

3. При замыкании К3 и размыкании К2 энергия выводится в активную нагрузку (в схеме К3 может отсутствовать или заменяться диодом, если рабочие токи не превышают нескольких килоампер).

В формуле для коэффициента связи обмоток значения М определяются общим потоком обмоток, а и — их полными потоками. Значение будет тем ближе к единице, чем меньше потоки рассеяния обмоток. Известно, что для их уменьшения необходимо предельно сближать обмотки, обеспечивая минимальное среднее геометрическое расстояние между их сечениями. Заметим, что обычно сечение вторичной обмотки в трансформаторном ИН существенно меньше, чем первичной, поскольку и вторичная обмотка работает в кратковременном режиме с большими плотностями тока.

Значения повышаются, когда вторичная обмотка размещается внутри первичной таким образом, что совпадают центры, вокруг которых замыкаются линии магнитной индукции обеих катушек. Очевидно, что при этом магнитная связь между катушками наилучшая. Если, например, первичная обмотка выполнена в виде катушки Брукса, то вторичную тонкую однослойную катушку рационально размещать примерно на расстоянии 2/3 h от внутреннего радиуса, что позволяет иметь . Значения повышаются до 0,94—0,95, если вторичная обмотка выполнена трехслойной, а между ее слоями размещается двухслойная первичная обмотка.

Рис. 13.9. Схема трансформаторного ИН (А) и характер изменения тока в его обмотках (Б).