автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование взаимосвязи электрических и тепловых параметров систем для управления процессами ввода-вывода энергии сверхпроводникового накопителя

■л*

\ шдвши кшс УКРАШН

ИНСТИТУТ ПРОБЛНЛ ЭНЕРГОСБЕКЕЕНИ

На правах рукоппса

ВЕРЛАНЬ АздрэЙ Анатольевич

КССУЩЦОВДШЗ ВЗДКНОСВЯЗМ ЭЖСТРЙЧЕСКИХ И ТЕШЮБУХ ÎIAP/i.nSTFOB СИСТЕМ дт УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕСО.Ш! ВВОДЛ-ЕЫВОДА ЗВЕРИ® СВЕРХПГСВОДН12СОВОГО 1ШСОПИТЕЛЯ "

Специальность 05.09.03 - Злахтротохнгсзсппэ комплексы и

сястегл, вклотаи ах управленца П paryJSponsiEîfJ

¿ШТОШНРАТ

дассгртещш на солскаШкг ученой степени кепдадага ггзлгтеэкста иоук'

Киев - IS93

Научный руководительi

Официальные ошовднта»

доктор технических.налк, зааедукдай лабораторией новосЕлда A.B.

доктор техшчзсгад наук, профессор ■ СШШВ А .Е,

кандздат тшдаесшж нар-;, ■ еев2дуга,йя лабораторией

''шшадвл.

Ввдущя организация :

-V Множу«' влаятроданш&ага ' Ахадвшт шуж Уярвщы

19эз г.

Защита диссертации сооуодаса

в_чооов к oie.63.oi

при Институте пройлзы 'ваергосйерэшгля âîi Украины йо вдресу; 254070 Киев 70, yjj;. ttoigjoBoaep» II. -

Автореферат разослан

¡гОдпотеке института.

: егчнивдаз^Еанйого^совзта .кед,С,"; '"

I. ОБЩАЯ ХШКТЕРЙСТККА РАБОТЫ

Актуальность гтоблбмЫд Развитие криогенной техники, создание высо-' котекпзратурнкх сверхпроводжксЕнх. {СП) материалов, разработка устройств,, тгальзусщя явление сзэрхпроьодикости, создают реальные предпо-спдки для Ешро!*о'го практического освоения СП энергетических устройств. Актуальность пргзлонеяия СП устройств в акаргосберегащих технологиях обусловлена рядом их 'спэцифзческих преимуществ, таких как: отсутствие электрического сопротивления; вксокич уровчи критических токов и магнитных долей; ядеальшз вирешрующле свойства; фазовый переход, "вантовые аффекта и др. Использование СП материалов в тшшх областях, как энэрге-тпка (системы генерирования, хранения и передачи энергия), транспорт (поезда на магнитной годуяке), электроника и вычислительнчя техника (СП квактовш* интерфзрокзтра, СП везкэнтв памяти), -медицина ( томографы ), физика элокентгршх чсотиц (СП ускоритег»!) 5 горнодобывающая лромышлек-иость (мапзтиэ сепаратора) позволяет увеличи шть вффективность производства v. сшздать затрата алзктроэнерпи. Использование сверхпроводимости з пзрзуз очередь,целесообразно в качественно новых образцах техники, КОТОрПЭ ИЗ МЗГУТ бЬ.ТЬ СОЗДЕЕЦ ИЗ Толугрс.-0дшпс0в1£: элементах. В области ввергвтши - 5то устройства из бязо СП накопителей, основное эконсмиче-екгое прегаущястзо применения которых - «тсутстЕие асиш потерь в кзтернала обмотки и резкое ошязезло апергозптр jt на вх запитку.

ОдкоЗ кз актуальних задач, связанной о сочдшшем СП накопителей и,' в частности, отпетов постоянного тока, является разработка систем их ЗЕоргообэспэ«ш2кя. Срэдн известных устройств ш:ого рода наиболее вкоко-(этшга являются отатпчесжа сверхпроводшпсссые преобразовательна екс- ' теш (ШЛЮ), осгазвашые на прпщдое ''насоса потока", для ввода, выводе, хранения, рогулфования к стабилизации параметров електраг типки! энср-ns СП накопителя. Структурно СППС состоят .• J тлупрсводваковык (ПП) и СП подсистем, Еодсзотем яркойпаирсвагия и рефрнжврз'ьгг блоков ачщить, тгснтрольно-пзбгернтельных -устройств, обвспечивахцга: поддарапгяч трдое*-ров спстекн в аадашшх предолах.

В целом СППС представляет собой еложакЯ колмеко, naovb ''^окоь к элев.гектег которого рэсполопэяа в облвстл нормальны аешерзтур, ti часть - j г. хзкотежературкой (краогекнэл) гояг. ЭДектаиость раб^ты н;л<еГЧ!-пой подскстзпа оказиьает рздогцре вляш.ае на зде-ргетя >асх/<з адфгкгяя-кость всего комплекса, поскольку удзльпаэ рнгкгяраторшга затраты вн гки на ксмпеиозцЕп I Ет потерь в красгета 1 ^ш.'е .-.сдече"«кс-) с '.гпь-. . . ля£Т 403-1.500 Вт з норчьлыюй зона ПИ яодече *t-v3'. ьзр» ekjjj авдЯ оценку 'геплових ¡птерь u твз.чкя л чдтслу:

минимизации, являемся одним из наиболее действенных способов повышения эффективности такого родь систем.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планами НИР Кабинета министров, ГКНТ и АН Украины по комплексным проблемам "Научные основы электроэнергетики", "Научные основы энергосбережения" по темам "Криотрон" (1985-1987гг.,Пост.ГАНГ 8464 от 05.09.85г., ЯЪс. регистр. 01.86.00329II), "Трембита" <1938-1990гг., Пост.ПШТ ШП от 20.07.83, JSToc.регистр.01.89^.0024480), "Доминента-2 (I988-IS9Inr. Пост. Президиума АН Украины №402 от 11.1287г. ЖГос.регистр. 01.88.0019095).

Целью диссертационной работы является улучшение энергетических и динамических показателей электротехнических систем ввода-вшэдз энергии сверхлроводниковых накопителей путем исследования взаимосвязи электрических и теплови,: режимов работы и управления ее полупроводниковой и сверхпрозодниковой подсистем и рационального выбора на этой основе параметров конструкции и управления ключешш элементами системы.

Поставленная цель потребовала решенкя слздуицих основных задач:

- адаптация существушпх методов и способов повышения энергетической эффективности еле!тротехничесхия. сягстем в условиях СП состояния материалов отдельных подсистем и элементов;

- разработка экспериментального стенда, методики.Е пакета программ для определения мощности тепловых -похерь ij элементах ПП подсистемы;

- анализ составляющие потерь и методов их регистрации в СП подсистеме СППС;

- экспериментальное определение параметров теплового управления криотронами - саповыми вентильными элементами СП подсистеш СШО;

. - разработка математической шдела . цакима теплового управления СППС с учетом взаимосвязи электрических, тепловых а конструктивных параметров крцотронов;

- вксперименталйшя проверь ii-щедрейиз'талучендох результатов.

Методы исследования. При реаенш' поотевлзшой задачи использовались

элементы теории електротохначбакпх сзотбИ С ПП п СП управляегяак вентилями, элементы теории статических СП щзгобрззогатёлзП, колориметрические метода измг-рения тепловых, величин а л?шсого рода системах, метода, конечных разностей решежя нестаияонвршх ездач ^зхкогфоьойности.

Автор заашаевт следукц^э паузше и- пра:юпчосю& результаты работы: I .Методику повышения _ «юргетитевкоа ; ШЛО' и рагфаботаннай

для этой цели экспераментаадна ;о*ёцд. 2.0скс1ШО закономерности, полученные в результата оксперкмэлтаиЕого асслэдоЕсщя рогзиов теплового упр-ачлвная СППС. 3.Результаты катеуатачз(Хгаго.шдалцррваная нэстеционар-

шх разиков работа кргтотропов. 4.Результат сопоставительного анализа различных конструкций и раягагов теплового управления СППС.

' Ка.учнпя котганп. I.Разработана оригинальная модель и на ее основе создана.методика, позеолякцзя уменьшать энергетические поаери в электротехнических системах ввода-швсда энергии о ПП и СП вентилями ( криотро-яш ) за счет скияэння потерь от обратного тока вентилей и учета специфики несинусоицальшис .резаков работа СППС. 2.Проведены исследования реишов теплового управления СППС с криотронами цилиндрического типа, получе.*ш вкспэршлекталыше .зависимости интенсивности теплового потока с единицы длины и единицы поверхности кенотронов от температуры, определены коэффициента теплоотдачи. 3.Продлозена оценочная модель, учитывающая дополнительные потери з СП подсистема, вызванные отклонением Зорин управляющих кгшульсов, получена оригинальные зависимости времена восста-позлощщ (еклгя-зпгтп) хгрпотроноп от взличиаг тока удержания и тока помехи, установлена нх взрлзтерааь о дзпнйическшга _ показателями СППС, в том чаолэ со сгесростьп'свода'гаарпя в ппкопатзль. 4.Разработана оригинальная матакзткчасаая- гаоддаь раетлэ теплового управления процессам! ввода-вывода ваергш СШО;' отетшЕцояся аспользопаыем эмпирических зависимостей, полученных в зтацЕонпрасм раягмэ р Зотн краотроков, проведен численно-аналитический рзечэт кзотгпяоаарних рейкой работы СППС связывав-цкЗ алвктрачзегжо,' мазок» а ггояструкт. знне параметра криотронов о поивзотэдяма а|фоаяаав0ста ^акционирования СТЮ.

Пптдтгчпстутд ценность Щботн. Проведешше в работе исследования позволили: резвгботать и создать оригинальный измерительный стенд для оперативной щзшш .-пэргеттеских потерь в силовых вентильных элементах ПП подшетакц- (ЗШС и тем соша определить взаимосвязь юс электрических и парамэтроз а условиях деяшачеою« рэгаа:оз работы СППС; ия оспсва- ргзрзботакпей орзгтглькой катодакя оценки 8яергег«ч<?пчих потерь з ПП гадсастемз кцработать' |шомзцдацца ас обоснованному подбору ее агомаптов ц ркзггоэ их.ргботй а управления по критерию 'минимума анергр-тзчесяпх потерь о'-СППО; ап^тзргздвнтальшл путем спрецьлкть запясимости охгктргоэсягах парктрез. от. температура'-, для используемых в (Ж'5 цклги-•дричасипс краотронов с. теиловсм: уиравлоягем; на осиога разрастаний етдаят явстадмпаряого - -рэакмз ■ теаизаго упраьлегая кряогрг>.»вии зе хь-лжЗ 15зсл рзботн СППС лодучать'¿аслределешэ полай температур но с*««: шш краотронов в задвгпше" ¡гомалтн врамем а кзкеиенаь гчакочтури кр стропов за '.зреггя. цгссла - и, тем- семам _о..радвлить госсгиавлк.! ;;» .(включения) ' 1фпотронов,' прозэоти сопостг^я* зльнай шишп образцов криогг}иноа, установить 'иг'- конотруьтхвнне га.ргйГ!%и' я равьи /правде^.-», обеспечазгоцаё • ул?.чтешме •эньрге'г'гмекяе ' в Лй'к'-'й'геск;-.-;

-е-

ноказатели работы СОШЗ.

Реализация результатов таботн. Теоретические положения м практк-' ские результаты диссертационной работа положены в основу рада разработок , выполненных,при участил автора в ISS5-I932 гг. по х/д с заинтересованными органшащцззх п'предприятиями: 1101.82339-31173/959-83 (г.Запорожье, п/я А-7952), ¿5225-89 (Г.Горькийр П/я Б-2194), £S05-S8, 607-90 {г.Москва, ЗНИН), ^5.53.03/143-92 (г.йрщшй Рог, 1!ехан0Орчвр>мет). Всего по теме диссертации имеется 4 акта внедрения результатов НИР.

Атгообвшш работе. Одаювшш.-шаставия 51 рзвультатв диссертационной работы докладывались к обсугдо п:сь па ГУ Всесоюзной к/т конференции "Проблемы преобрззоЕазелънсй техники", г.Кцэв<1937г.); ИХ Есоссизной н/т конференции "Проблем .шлшшйной, зшгтротаитта'*; (JSESr.); Всесоюзном семинара "Зе./ррооСеро^вш я пройдам» сверлгровода^оота", г.Ярэкча (1990г.!; V Всесоюзной в/т; конфаршщй "Бробгемц ^образовательной хе-щ.Ш1"> г. ЧэрянгсвЦ5Э1г.)<,

, Публикации. Ш результате» работа ояубдзщцшц 3 • сгагьа, I яро— принт,' 4 тезиса дтеаюдоэ* получало .иоззогаяельеоо •peases©. по ¡заявка на изобретение.

Структура ц объем тобэтн. Дйссергаг^йкшая работа состоит до ввздз-■■. ния„ пяти глаз, зекдкяедая»' стеска-- дзтзратура в содержи? 14_ етршщ основного машинописного текста, П. таблиц, 74 pujyHKa, a такгэ-ЦО страниц приложения. ■ '• .

II. 0СК0ЕК03 СОДЕЙШШ РАЕШН

Во ввэяояпл обоснована актуальность npottceiai, онрэдалака цель рьбо-- та, .сформулированы научная'новизна к цракгачаская . ценность, оовецэш основные результаты длссергащы, ее апробация, публикации и структура.

Первая глава посвящена обзору„ масскфяации с сопоставительному анализу влектротехнотеских -снсаем (3TG). Шада-Ензода .-Бягргии СП накопителя, особенностям построения и функционирования CMC, шсталспы задачи ко>л1лексного исследования влоктроиагнгтних и теплззщ нроцоссоз б СИЛО с целью улушешш кз анергетпческих к д»даагй:чосказ: показахелгй. •

ЭТО для литания СП иакопиталай» и в частности. кагштоз дастоянного тока, подразделяются на две грушш: раошжшш в ."теплей" зоне ("прямого ввода") к рэсголагекнпа б хфдогоы-хй вонз^црз талгературд, оСассэ-чив8пд<?й СП ссстояки» материалов к вяэкэагов. • Сямейй * .раыого азеда" содержат ынсгоаяшркай яотегаяик штщггя я гоковвода большого сечвкпя. Оки обладают нааЗолнЕЭй мощностью, однако зсршлер^зуотся низкой якона-ьлтпсстьв ввиду Бкачетельащ затрат на кошепсоциа потерь з криогенной

зош as ^«шюггркл'бкой по, «с-зшгояС!. Ко тарой группе относятся системы теша всосал кэгсза" - ^талогойгекко ггшзргшр! п ОТО со статическими СП гшсбразсввте.шл! • (СЩ)Лп:о^Ьдо1сзЛ; пйшаз различных типов систем рхода-етода :x?epi'i::i СП нкикйиелл попаппл, что наиболее аконодоошии явдезгьз оГС. впа---зсозиотслй" с пр;г

такио прз" f— гс-хщшвс

-шк й СП 1; " i íuCCKfí' г .[ зо'гэр;: л > ц в

¡Cr,í ГЛ Л:'

rrcc-3 ПЗЗ г'

гтаг^тд- г: rrasi сшга до с ;J р л

IVIZ Г, теп ciiocoüíi- с,

Секс < "

I,

Г ')

тегшэгл СПП (СППС), имеющие - отсутствие

^прерывной стабилизации г р ¡itero вывода энергии» з СШО дополнительные 603 суммарных потерь

■"> э того, скорость вео-

гввчоя временем поре-osran и определяется тнпз тешературч как »злягкщх внергетичве-■йга з. састемох типа i "чсиот^э, находяцейся - т о з-З порядка больше ". В то se зрекя зо-г чтег-^нгоз а устройств -""•.Г'ХСЯШЗа.

звппая элвктромагянт-"т Юр ы{дючпго,ая разрз-i пс п установление их " позволило определить и i ¡vp^i а налболыаш! тешю-

г

?п <

" vu (pgo.I): ГШ п СП

' tsíiptmopamcí (ПКР) „

L-G'JiCiííy Г?

I W. I

На ГП ггодсг.сусму. (¿u¡0') 'зозл1РЗвт<гдн

/yi'-aíiw. щ&слръзьъ&ша и ¡-«гули.

п

г

-V -г

-а-

ровзт>я переменного напряжения (тока), а на СП подсистему - создание в обмотке СП* С тока с постоянной составляющей определенной полярности. При этом ток.в СПМС вводится (выводится) небольшими порциями за относительно длительный временной промежуток до уровня, определяемого количеством циклов запигки. Приведена классификация СППС по четырем основным признакам: схеме преобразования, способу коммутации, характеру электромагнитных процессов, способу управления. Силоео1 блок ППС выложен по схеме ПП преобразователя с промежуточным преобразованием перемеьяого тока в постоянный с последующим его инвертированием. ДКР включает в себя совокупность крюгенного оборудования для обеспечения заданного температурного реки.ча рпботы СППС, а таете сбора паров хладагента, окижения и повторного их использования. Подсистема измерения и защиты (Ь'СИЗ) обеспечивает '•'езаворийнуц работу СППС, осуществляет контроль за функционированием СП элементов, защищает СППС и СПМО от разрушения при потере сверхпроводящего состояния.

.Раскрыта специфика. организации и функционирования СП подсистемы, обеспечивь..оц91! преобразование (выпрямление) силового сигнала от ППС, а .такте взод-еывод энергии в СП нагрузку. Выпрямление осуществляет СП преобразователь (СПП), большинство используемых схем которого аналогичны схемам традиционных ПП выпрямителей, в которых ПП вентильные элементы заменены СП ключами (криотрономи). Приведена классификация СПП по типам . схем выпрямления и способ ¡ж коммутации токов в контурах вторичной обкот-ки СП трансформатора (СГТ) СПП. Описаны преимущества и алгоритмы работы исследуемой РЛПС с двухполу.;ериодной схемой выпрямления со средней точкой с иополььовагаем решгаа коммутации ОДС. Каждый период работы СППС ш.лючает два цикла с продолжительностью каздого 1;ц = (21 )"1. Па интервалах' цикла имеют место внекодаутационьнй- к хссшутацношшй процессы, а такие пауз-» для переключения криотронов.'

Вторая глаза посвящена методам аналитического расчета и минимизации энергетических потерь в элементах ППС. Покалено , что влияние тепловых процессов на параметры элементов и показателя работы ППС является существенным, требующим раьраб!. тки оротзетлизых моделей элементов с -учетом фактора потерь. Приведены метедаки расчета тепловых потерь в конденсаторном оборудовании и индуктивных елешатах. /

Почазапо, что одним из факторов,-. определяющих покас. зтели качества и надежности ППС, является.тепловой реа/м силового ПП праб ^ра, на который приходи гея- о. аивнаа- доли потерь г водсистеме., Нагр-ев внзызает кименение яарактерио'тж приборов, в'• частности . ¡ост прямых .и обратных тсчов закрытом состогычи, током утечки и примени выключения, ' сшжснье управля-вдих -юко" и напряжений, уменьшение помехоустойчивости ч критической

скороста нарастания напряг-зная в закрытого состоянии. На основании анализа термоэлектрического взаакодейстшя. в силовых приборах ППС и учета таких факторов, как температурная зависимость ВАХ приборов, динамическая теплостойкость, кумуляция энергии и "шнуроваш " тока, ставится и решается задача создания аппарата расчета потерь энергии в рассматриваемых элементах ППС, анализа допустимых реда/ов ее работы и управления с „• четом взаимосвязи электромагнитных и тепловых процессов.Приведено описание разработанной методика аналитического расчета суммарной мощности потерь в силовых ПП приборах с учетом замена ашульса мощности произвольной формы эквивалентным импульсом прямоугольной формы.

Пренебрегая потерями от токов утечка :.: в цепи улразлега ч вззду их малости, суммарная мощность потерь определяется как

Рс = Ргжл + Ряшсл + Руст + Роек, (I)

где Рвкл, Рвыил, Руст - модноета потерь па этапох включения, уотаяовлэ-ная а выключения; Рос» - мощность основных потерь, значение которой определяет нагрев структуры при заданном среднем токе.

Приведено описание. пакета прогрзмм расчета энергетических потерь в элементах ППС в соответствии с разработанной методикой, вхслючагеего подщрограм-а расчета потерь в конденсаторах и дросселях. Исходными дак-нш.«и пакета являются тип элемента, справочные параметра, а также функции токов л нзпрлсзнй! элементов, заданные таблично или функциональными завясжостяма в установаваемся режиме. Выходными данныш является величина саергии, выдзляемой в виде тепла, для каждого эл мента ППЗ, а такке суммарная энергия потерь па период во всей подсистеме.

Ттатья глада посвгщена разработке экспериментального метода оценки онэргэтачэсгпхх потерь з силовых элементах ППС а установления взаимосвязи та мактричоскпх' a таковых параметров. Показана затрудненность теорети-чзсзаа расчетов тешювнх рэ»аков салонах ПП приборов вследствие оливкой фор:.з тафяьсов ¡гнорпш.рзссеазземоЯ в рабочем переходе п нестационарного характера протзхгаш^а п пркборах тешюфиглчесгах процессов, а также погргалссть расчетов хкг-sa лгобхо^этоста введзшм упрощений, ос jcHOEsaa целасообразаость йрягспзнчя' оясрэтааанх экспериментальных методов определенна т£ШЮ153 пзрзгеяраз :юоходуе?ах приборов. На основании проведенного сспоотавателгссго' агзлазп еукрствущих (элэатрячешсих и. термачес-ппс) гзтодзз вгазроспа вот-зрь в салог-ux ПП ххраборах в качестве оятамаль-кого прол-огзп гптод, ■ осаспшшаЗ па сравнении вэлачпни потерь в иден-тачнгЕ зтпязаноа и асса-здузмтл приборах пси рассеянаи з них соответственно пг-аноста постоянного п. пэрёканкого тока заданной формг. Показано,, что ■ метод обладает рядам .ареххмудеств: простота '.реализации,

оператиЕность получения результатов, -са'сууотваа кшературной погружаете, повышенная точность- к расщирзшаде ' .'' В рботе приведено ошсшиэ ра^боташого ■ из' оспогэ -дгшного кзгодз вгггэ-рптелького устройства. на баз? ' ка-орп-кетра, обеспечивающего пойореазе'• г^жф&т паяшь'-. в • • ¿дасеош Б-Ю'-Ч 80 Вт с погрешностью б.СЗ-а ыртзефря. одного .¿засекай но Солзз €-0 с.

Исходная формула • да •.-«фэдедения ' шчзэЬп • кшрь- и' склокой Щ приборе шеет ввд . ..

, 'Ей й. Рв"4£т> - (2)

где Рн - мощность тепловых потерь в кссжэдаг;о:д аряборз;'

Рй - известное значение■ГиОщпоая1;по5,ерь.'г«' юздюшш ср:;боро; ги и - интервалы -йромзшгнгердЕа кеслодуо^ото з еталшзюго прзС^оо.

Показано» что гюпаяьшЕшша'.'.усг^ггж;'.по^зд;:^ пзикпхь точность измерений оуимзрпой1 кзщюаж штерг, ка со'.оштржз .с •известными рашвиияш са-оэдг-учота-.со01йвля!сг:;сй пса;'ррь ог-^сбргжя;^: ®:шз приборов, расширить фргащозЕйщш . .огйэдгг

вдалькых решгоз работа цф&дуе&х. Ьр^бсраз, ш;з^гзадц;'гь орзшгюжтай анализ втих реете®' ш .Ееличше .тшкй£озсрь*. 'й^г/даш рзЕ^льзаш, кгмз-рэшй мощности-потерь в разяйшп; .«аадк .¡ззглЬйкс' :трййороу ППШ,

' 1Л0 | ' '_Г ".."|1"м^ ' яш; о цш&й'швйпза ашягш форз п

■^аоусги. -дага...«? • додай?-' потерь.

■ цшнуй К'.'Ц'-|§- ^рлзра ..05 йй?2 .фошг Щ,Срар'.£}5 ;ус-

^тшгяш&й. - вйлк-^ишзь пэлшййа

о.ео

охо

0.70

о.ео

от .1»

олоо.!г"1

: кг

В 222НВ22Й да» I

СП подстетегй:, '■пропз'лй. работа и упр'аглг1£зя».'псл систем. Показано, чю зот «ее ргвящее воздейстаз

I' с

о «с

■ вудслсилгп тепхл щ&щ&ит' mtn pnajsmoâ часто-ш по сп цепям а цоп.та, пд-зтгцг,?, pcsuotàas уч'рс((юпрркпгашга криотрспа в резистнз-so;a cao'zcpnàn и 'др, )>-а тск;;:е- гетгзроспсга:?,"-! пстэряг"! пз-са дефектов Ш ?!а?зркалп. Пржздгп об,;ор келаржотрт?сглж'75 злоктрнчесгай ?«ето-доп сггоргетсчзксп потерь в СП устройствах я спстег/ах, ука-

гзатп их ггр^дуцлй^зо я ho^ootûïi^s." "_.■'"

. Рйсегатрсш оссбшщссп, orçsiftfà в.чоргопотсрь в ШЛО,

уссройотез я' о'з;лзнти которая ггйогкшг на основе Б?Ш материалов» Пред-логзпа л из с? сспсзв paspoöosffliq■ лигерттэльясэ устройство, в

которогл годйша шерпя теялхфх 'потерь определяется по измепеппа урозкш х-педагевта:

S(t) - Ej;<tî"- B£(t),

(3)

Es(t) - a'S'0(t)':<UVt)-a), a ,

где Bj,(t) - суилзрпнэ потор-f,от.BpSîyœj;';Щ{%)- воличппа фопопих потерь; 1 ~ гзсотэ уровлл хладагента; 'S ткщэдь-дяа'; сосуда; R - соиротпвле-mss дз'ГЕ'сз уровня; a (fr) - ко'г^-лцсзят теш-огого парообразования азота.

Ирг^гшп'ольпо ;; пиитегсйратурши СШХС враглдзп подробзпй анализ соотгшшттх потзрь и оф|гктпбноота работ» СП подсястег-и. Для оцешст

сфГэк5ивкос?:1 -опрэдопязтся !ШД ûîîTïO. в кргогзкюй рот:

V -îifa- . ' .

где ».:» - Ой нагружсв из п щтв работы СППО;

ïi:n - »он в яагруа^э л-И-.ч Т. ~ зг'дуккзкссть нагрузки;

■ ггоусрт». з к|Г0Шйяй есвэ CïïîiO ка Пгзодосо зашта.

D сбщ?;д аэтчсс .kgïîtîï п 7'п:огс:;тюЛ зозэ .so-I цп::л ввплткп

солер:~а:? ezspjv^^ éerérins соа^да^даг '•

• ' Г-'ii « (5)

гдг;-, '"^tcîvV,о ^ип^пп^зезгашм СП

vröd «rî^/ri. tïïfx. ••,

r- iv .■■ с1-1 eifere гст?-1»; - иог.ттуто-

"Окр: ггг-'Лсг-йи- Vf? -' -¡^ivîiïzvz ¿тгрпзлз'ия

Ivr ~ --потгрп от

гззф-ггггя окрзпгру::'™ • tczsSé) uoTépriî tvpea - поте-

ря за стышх п .с^яг'й^бгэпзоЗ'Чгзки' tsp 'гфечиэ' (аэучтошшо) потери.

г

Для СППС, работающей з решме. коммутации ЭДС, из всех видов потерь наиболее ощутимыми (поря^'.а 80S от сугсиарпой величины) являются потери VÍR в криотронах, ' таплофизические свойства которых определяют такие их. вазиэйшкэ характеристики, как ВЛХ и время восстановления, ох которых» в свою очередь, зависят величина минимального тока существования '"аормаль-ной зоны" (тока удержания) и длительность pesarn стабилизации тока. Показано, что тепловые свойства 1фнотрошв оказнашэт решающее воздействие на величину энергопотерь и динамические свойства СППС. Обоснована правомочность сведения задачи повшеиия ■ эффективности' СП подсистемы к задаче исследования теплофиаических' процессов: в их взаимосвязи о электромагнитными для СП ключевых элементов.

Пятая глава посвящена исследозайзз 'рекшгои теплового управления ключевыми элементами СП подсистемы, уотановлоизд зввзйааюста их электрз-ческих, тепловых и конотруктаваих -паргштроа. Рассмотрена конструктивны® особенности применяемых в СППС криотронов, шрзклвчзищий элемент (клапан) которого в зависимости от веляшш. щЬаиШцего фактора принимает одно из двух отвбвльншс состояний - сзерхпрзводасев или юршьное (ра. зкстивнос). Раскрыта спэцкфш'з капало- к тетшуправляекщ: криотронов. "нергетические параштра крпохрэнов находятся в диапазоне

токов от десятков а;,дер до десятков кдпоамззр, обеспечивая мощность ввода энергии в СП накопитель от долэй до тыспи вольт-ампер.

Сказана необходимость оцошш и снепшгя времени восстановления tu. (времени перехода кркотрона в СП состояние). Данный параметр, зависящий от тешюфизических процессов в криотроие и параметров его конструкции, а свою очередь, определяет быстродействие вводз-Ензода'анергии СП накопителя. Показана неоднозначность задачи определения оптимальной конструкции криотронов с цольь »шшшизацкк энергопотерь а СППС вследствие существования противорэчия извдг данной .задачей и ¡задачей выбора параметров конструкции краотронов, отвачакздх. 'каксшзльаойу бпстродвйотвив СППО (минимально^ зпачсЕза tn). Опт чела Ееойаодаг^ость пропадания сопоставительного анализа криотронов рззлгхчЕай-коаструкцап.' Вривздзш результата . експериментального и азаптадского псаЕедоаашш. хврдогоргехек образцов краотронов, выполненного в соотвохоте-зи о посхшзлзшйй задача^.

Лабораторный образец криотрода'. щжщцрхчэского типа- с топловна управлением предстазллэт собой' отрезок .Щ .провело:® г:з сплава Hb-Ti (клапан), на которой' Ос&харЬ дааотаза ущшяящря' нагревательная обмотка из манганина.'шкрнтпй ояоеы кшдакяшедш.. По состару теплоизоляции исследовались три тппз' i^noipcsoa: с кзолнцзей t¡ вида хлопчатобукйй-ноклеевого слоя ,. с хшпчатобуетзгой с зпоксйдазС. вдшщодз. Длп езкэ-ретей тепловых парамэуров Ерпэльзэгалсоь" ¿эдь-козстаатанопая тергэпарз,

один спей которой находился в контакта с клапаном криотрона. Получена таблица-сеткз измерений напряжений Икр нз силовых Еыводах криотронов и напрякеннЯ Птп пз впводах.термопар при различных значениях транспортного тока 1тр через краотроп 51 тока 1н нагревателя. Приведены эксперименталь~ ¡шо зависимости Н(Т) сопротивления клапанов от температуры (рис.3), необходимые для точного расчета энергии. выделяющейся в крпотроне. По данным измерений построены оригинальные зависимости <3(ДТ) и q(ДT) плотностей теплового потока с единицы дозш и поверхности криотронов от разности температур криотронов и хладагентч (рис.4). '

0.200

0.1 ко

Е

30.123

0.100

0.075

0.050 4тт

о.бо

Г (Т—4

2)

ТТТТТТТТТ ТГГГП .

50.00 100 00 150.00 200.00 250 Т—4.2 (К)

Рио.З

0.06 т

/■ч

Е

Е 0.05

Е 0.04 £

во.оз

>0.02 --

'0.01

О.ОО

с.Ьо

л

а (Т--4.2)

ш

и

ч (Т

77

-1.2)

Определены коэффициенты теплоотдачи а

.................... . л ГТТТТ

30.00 100.00 150.00 200.00 250.

Т—4.2 (К) Рис.4

-^г исследуемых типов

криотронов.Величина 0 определены по формуле

О - Икр -> ".¡н,

где Яяр - мощность энергопотерь в криотроне от прстекашя окг Iтр; . ип - мощность,, выделявшаяся в результате нагрева управляющей обмотки током 1н. Для единицы длины криотроча

Дтг'йср

<5>

>,'103

Хр

Пн » р-^^Вкр + Бп )(1н)2,

')

где 1ир - длила тушена криотрона; р - у дельное сопротивление га рввг/.-е-ля; Вн и Екр - диаметру награвате/ч и к. лпана криотрона.

О целы) гтрадэления параметра I- разработана оцено»кая тепловых процессов в криотрош : на оспо: > анвлгтичеся "а рвения урши •• пая теплового баланса ч использованием счете. имоатальныг дан-.ах Общее уравнение теплсво-. о баланса да. кр/отр.ша имздг за,*

ген + яхт,

К

•ФАг

где Wiaj - теллэ, ¡пкю,, -с -- ><j .лг^с tíc, а , ¡. G-g

V/n ~ тепло, идел«. "и а £ ¿J с J¡J 4. Ь 0(~') л- 5î» Здэсь с. - ' уд -ли л UI ,эс»А Ca 1 ' , ...<,.* а -

кооффщйант тгп-'..j ¡, v. ¿ « ". .

Тшшгл üöpa« *. « t * ¿ и J. ь rt ...■.■

(Л

Решением данного i¿

Î Г *с » '

где. То «кя© i опрэделлекая sm i i (ï:v,)2R(ïo) «-о

Еэличина ïï стрз,

îipiîOTpOiîOï* ïspvfl

w

- a ' ■ к '

i v» с ¿ 111 i] ¿as

(S)

} u

JX:

(ÏO)

Г ойти:;.:.;хш,. г;™ У '

I -

ítttt.

Прлазд^Е! < i

врсглогл; ta' oï ■ i вдзальпого ОС;it i î кока ta < «.

тока удзр^сы С -

рп„ ВЫЭВС-ГПШ ГШ:

' " ........"

« !

, i f.'tbl уолооиз врз-;:-; ■ гл^кехпж

О: £

с

.Si

¡S'Ä

Tb.

G:

«з

Г {

í I.

• - у

! 5 'О ' i " ^ t

/

Й

;

I t !

t

w

у

!

, Шо^Щ'^и^ д j V, э t o üw ol« о 15 "ВхГ'о:;

' «' ¡ч)

Праменекив данной модели позволило оперативно оценить в первом динамические овойства хфяотронов и остановить ептимзлы че параметры их конструкций исходя из максимального быстродействия и мкни-ивльзах потерь в криогенной зона СШС5.

. С цз-'.'з боле а точного расчета резаков теплового управления криотро-ноз и устоповяекая зависимости их конструктивных, электрических и тепловых параметров разработана адекватная тепловая модель криотрона на основа уравнехвиг нестационарной теплопроводности с использованием экспериментальных денпше, получении в стационарном. рогззмэ. Приведено описание пакета программ, реализующие модель. •

Краотроп предотавлса а гада осеетагатричной хахдиндричесаой сио^е-мн, состоящей аз трех слоев (а-плшзаа, пчаграватьль, 1-пзоляция), полз температур в поперечном езчашга,которой шхпроксикируется уравнениями

рсс0|£ = -щг { г | + о < г < 1Ь, ' .

рпСп « | г | * Па < г < Па + За, (12)

piCi ^ "F- If { г } ' Нз + йп < Г

D

т~

Здесь 2Ro, dn и D - диаметра СП приЕодз, пагрзватолп и изоляции; Wií(t) и Ws(t) - шпульса мощности прямоугольной фор«,- выделявшейся на интервалах нагрева (янщиалазоцЕЯ) и удерзаяия (стабилизация).

Уравнения (12), дояолаеш-аа ссответствущпгги начелыхнки и граничными условиям» яа соя 0пе;отрт» погерапсотк азолзцзп а аа гранпвдас раздела материалов резалась коязягга кзтздем арвзчннк ришоетей второго порядка точности, & полушага • сххстемэ f ' " уравнений в новечнцх разностях -j методом прогонки» .10-

ПриЕадены результата : гадалгро-вания з виде графиков температурных долей ао сзчексо краотрохтов в момента смош резшш в течение цкяла работа С.ППО, а текзе кривнэ изменения сш-таратурз крпотроаоз за время полного цахгз, устгнрвдавапдр.е взаа-взсаазь озатратасках, тэхгазькх и яснсфукззш?ях параметров краотро-ноз„ BjíE0J2í£h сопоставительная анализ резлачнаа типов араотроаоз.

t(c)

Графики, пранодэнниз на рис.7, Рис.7-

5Í

1\

\ xl 0

\ \ \

••i i А Ч

- \

- ттгттп TTTffT.Tr тггггттг ТШТТТТ И И ИГЛ' \ г.тттттгН

соответствуют наилучшему (1;в = 9.8 мо) и наихудшему (Из » 28.5 мс) вариантам -при £=4 Гц. Полученные, результаты позволили выбрать параметры конструкции,' тип изоляции, вэличину тока удержания 1уд»0,£7 А,, обеспечивавшие снижение 1а'на 18.7 мс по сравнению, с ■■"криотронами с эпоьладной изоляцией при неизменной величине тепловых потерь в криотрона ..•ЫЗ, 02. Вт/см, что соответствует повышению быстродействия 0ПГ1С на 15.655.

^ III. 00Н0В1!ЫЗ РЕЗУЛЬТАТЫ и вывода .

1. 3 результате теоро тпко-экшзр:г«эпталыюго наследования электрофизически процессов, "протет'агпщх в подсистемах и злоконтах. СПЛС, установлены основные источника , потерь топшвой и влейтряческой анергии в -истоме. Посазако, что проблема улучшения вн'зрштнчеоигх и дкиаьсическш: показателей такого родл систем г.аг.з.' быть в значительной степонн ревене путем комплексного выбора конструктивных параметров и решвюз управления элементов ПП и СП подсистем с учзтогл взаимосвязи их электрических п тепловых ;.аралетров. ■

2. Разработан пакет прогркзм расчета енэргопотерь в различных элементах НПО. Разработана метод®« и ка- ее осноез предлокен и создан сильноточный испытательный стенд для. оперативного определения модности теплопотерь в силовых ПП приборах ГШС, о*?личзщиЯся учетом составляющей потерь от обратш:; токов и широким диапазоном задания испытательного тока. Построены заЕпсимс.отц, устанавливающие взаимосвязь величины потерь в заданном типе прибора от электрических параметров задаваемого режима. Обоснован выбор тшов элементов к. режимов -'их работы по критеряэ шшмуиа в..ергопотерь в ШТПС..

3. На основания анализа 'составляс-ща анаргопотерь в криогенной аокэ СППС задала дазышеияя афрктквностн СП тадсастсш -сведена к задача улучшения энергетических и дшсшчаскгз: сдаазатолей силовых . криотронов. Пшдлоаена методика и разработало устройство для онрэдзлзшхя елергош-терь в ВТОП подсистемах до'^рошз хладагента. Шовэдеш акопержэнталь-ные • исследовяаая 'резшив- *яхдовргр р?-личного типа. Получены оршчшальша т^агэрзтуряке эажаашит! -¿(Т) и ч(5)'плотности теплового потока с едштцй '.ддвиа и лсгерднбспи -крибтронив, определены к'>в<Мвциевт8 теплоотдачи а. . . •.. -

4.- Разработана екетатотаснря 'тдоль ;рапгмз тепле зого управления криогронгш, с. покоцьв которой. 0ол1чдш 'ср1пшайьше сазисько.отп времени восстановления ■ср.-огроновот в&.'ажнп Дуд.тона у дерзания, позволяла оперативно оценивать дйгщгкчэскпе. свойства крнотроноз -п выбирать опте -нальше их кзнструшщ:':. ПрозедяЕц- эксперинанталь.\ыо исследования

зависиаости времени гв от величины тока помехи и дополнительных потерь, вызванных невдеальностьа формы управляющих импульсов, которые подтверждаю? результаты аналитических расчетов.

5. Разработала численная модель, описывающая нестационарные' резкими работа криотронов, создан пакет прогреет, реализующих данную модчль. Получены графики распределения теглпературных полей кряотронов и кривые изменения их температуры за время цикле: работы СШС для различных типов крпотрсков и режимов их управления. Установлены закономерности, отобра-зающиа взаимосвязь электрических, тепловых и конструктивных параметров силовых криотроноз, определены параметры конструкции, тип изоляции л величина тока удержания, сбеспечиващие снижение гв на 18.7 >:с по сравнения о известными образцам! криотронов, что соответствует повышению быстродействия СШС на 15.62, а также снизить на 13Ж уровень" внергопо-терь в нрлютронах от обратного тока на интервале стабилизации. •

6. На основе проведенных в работе аналитических и экспериментальных исследований разработаны и изготовлены малые серии низко- и высокотемпературных ключевых элементов, которые внедрены в СППО для запитки еысоко-стабильной магнитной системы, в система управления СП магнитным сепаратором, а также з системе веодэ-еыводз енергки автономного СП накопителя.

Основные публикации по теме диссертации:

1. Еерлань АЛ.,. Ностюк В.О., Сизокенко В.П. Применение метода сопряжениях уравнений при моделирования и оптимизации преобразовательных устройств // Проблемы преобразовательной техники: Тез.докл. IV Всесоюз. научи.-техн. конф., Чернигов, сент. 1387т.- Киев, I387.-Ч.4.-С.31-33.

2. Заболотный А.II., Вэрлань А.А. Использование редукции при опта и-зпцка вентильных преобразователей // Проблемы нелинейной электротехники: Тез.докл. III Всесоюз.. нзучн.-техн. конф., Черкассы, сенг. 1988 г. -Киев, 1983. - 4.2. - С. 250-252.

3. Заболотный А.П., Верлань А.А., Войтек В.В. Оценка энергетических потерь в клзачевгй элементах преобразовательных устройств // Силовые полупроводниковые преобразователи и электрооборудование для знергосбере-

• гащзх технологий:. Сб. пауч. тр./ АН УССР. Кн-т пробл. зкергосбереке-.шш, элекзродетамкп.- Ккав,. 1938.. - С. 160-163. ■

. 4. БаСолотзшй А.П., ■• Вэрлань Д.Л. Математическое моделирсвание оле1{трснагшгпшх процессов а екстэпэ АИ-АД// Проектирование и псследовв-нпэ |юлз?прозоднш)£ах 2 электромеханических преобразователей: Сб. тр. голоде: ученых МВД АН УССР.- Киев: Наук. думка, 1388.

5. ВерланЬ; А.А.,. Зобойотшй А.П. Оценка тепловых по'.'ерь в элементах полупроводникокгх' преобразователей' // Закл. отчет по теме "Конус", НГС

-J.O-

02.85.0036371,- Киев, 1988.- Ч.£.

6. Клэгов Ю.Мо, Кодрянский D.U., Верлань A.A. Исследований высокотемпературных крпстроноя' с магнитным управлением // Энергосбережение и проблеш сверхпроводимости,- Киев: Наук, думка, 1990.- С. S9-43.

7. Верлань A.A. Измерение тепловшс потерь в высокотемпературных -чаерхпроводникоБых устройствах// Энергосбережение к проблеш сверхпроводимости: Тез. докл. Всесоюз, ячучн.-техн семинара, Яремча, сентЛЭЭОг.-0.13-14.

8. Положительное решенио о выдаче A.c. 4744405/21 от 18.06.91, ЫКИ G 01 R 22/04. Устройство доя измерения тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах / A.B.Новосельцев, А,А,Верлань, А.П.Заболот-•шй.

9. Верлань A.A., Непогодьев О.В. Проблеш разработки спловых кри-отронов ВТСП преобразователей // ^роблэш преобразовательно:t техкпси: Ten. докл. 5 Всесоюз. нлучи.-техн. конф., Чернигов, сайт. 1991г.- Ч.5.-0.175-177.

10. Човссельвдз A.B., СкоЗарихин D.E., Верлань A.A. Энергетаческиэ процессы s сверхпроводниковом преобразователе.- Киев, 1991.- 55 с.-(Препр./'АК УССР. Ин-т пробл. &иергообаре»зния; 91-4).

Лтгений вклад автора в работах, опубликованных в соагторстве, состоит в следующем: [1-5] - разработка методик аналитического раачета а экспериментальной оценки ьлергвтичееккх потерь в элементах ПП устройств и систем; [в] - результаты экспериментального исследования всльт-амьернчг характерней:.< ВТСП криотронок с магнитным управлением; [S] - предаоаен к разраоотан измерптолышй стенд для оценки тепловых г )терь в вентильных Ш приборах; С9] - результаты экспериментального исследования характеристик контактов ВТСП крзютроков; С103 - анализ составлявших энергетических потерь и оценка слергетической эффективности работы СП преобразователя. j, /) ■

Ссискатэль с