WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 8 12 Метод регулируемого расходования энергии, накопленной в электрическом конденсаторе © Д.И. Адейшвили1, В.П. Кортхонджия2, Н.Ф. Шульга1 1 Национальный научный центр ”Харьковский физико-технический институт”, 310108 Харьков, Украина 2 Институт физики АН Грузии, 380077 Тбилиси, Грузия (Поступило в Редакцию 30 июля 1998 г.) Предложен метод регулируемого расходования накопленной в электрическом конденсаторе электроэнергии с требуемой мощностью в течение длительного времени. Показана возможность использования электрических конденсаторов в качестве автономного источника электроэнергии.

1. Электрические кондесаторы представляют собой выделение необходимой мощности Wn на нагрузке. Дозаэлектроэнергонакопительные устройства, обладающие тор же позволяет запасенную в баке энергию расходовать уникальными свойствами. Они имеют малое внутреннее некоторыми фиксированными порциями, равномерно и с сопротивление, могут обладать высокой удельной энер- требуемой номинальной мощностью путем рястяжки или гоемкостью и являются экологически чистыми источни- сжатия процесса разрядки по времени tE до величины ками электроэнергии [1–3]. Такие источники, однако, требуемого рабочего времени T. В приведенной схеме не нашли широкого применения из-за неуправляемого метода основные меняющиеся физические величины: нахарактера процесса их разрядки. В настоящей работе пряжение, скважность, частота, длительность импульса предлагается метод регулируемого и расходования без и ток в импульсе. Меняя эти величины от нуля до их потерь накопленной в электрическом конденсаторе элекноминальных значений, можно произвести регулировку троэнергии с требуемой мощностью на конкретной наподачи энергии на нагрузке Rl и тем самым осуществить грузке (потребителе) в течение достаточно длительного требуемое управление подачи мощности в диапазоне от рабочего времени. Предложенный метод указывает на нуля до ее номинального значения, т. е. 0 W Wn.

возможность использования электрических конденсатоНоминальные числовые значения указанных физических ров в качестве эффективного автономного источника величин определяются конкретной задачей. Очевидно, электроэнергии.

в этом процессе управления значительную роль будут 2. Суть и принцип работы метода заключается в следуиграть переключатели, так как изменения всех вышеукающем (рис. 1). От конденсатора с большой емкостью C1 занных физических величин можно осуществить исклю(назовем его баком-конденсатором) отбирается с опречительно с помощью этих переключателей. Конструктивделенной частотой f и скважностью малая часть наконо они могут быть решены либо чисто механическим, пленной в нем электроэнергии другим конденсатором C2 либо чисто электронным, либо обеими способами одно(назовем его дозатором-конденсатором) со значительно временно.

меньшей емкостью, т. е. C2 C1. Затем эта малая доза энергии передается нагрузке Rl с той же частотой и скважностью. Такая схема при соответствующем выборе параметров (емкости дозатора, скважности, частоты, переключателей и передающего устройства) позволяет управлять разрядкой конденсатора C1 и обеспечивать равномерную подачу энергии потребителю Rl в течение длительного рабочего времени T с требуемой номинальной мощностью Wn.

Таким образом, основная идея метода состоит в том, что вместо непосредственной, неконтролируемой разрядки бака-конденсатора C1 на нагрузке Rl вводится дозатор C2 для осуществления регулировки этого процесса разрядки бака. При отсутствии дозатора запасенная в баке-конденсаторе энергия в зависимости от величины собственного времени разрядки td = RlC1, а также Рис. 1. Принципиальная схема по регулируемому расходозадаваемого рабочего времени T будет по экспоненциванию накопленной в электрическом конденсаторе энергии:

альному закону либо выплескиваться сразу же в начале C1 — бак-конденсатор; C2 — конденсатор-дозатор; K — быстропроцесса при td T, либо, если td T, при том же действующий переключатель; S — всевозможные устройства, значении накопленной энергии не будет обеспечиваться передающие мощность нагрузке Rl.

Метод регулируемого расходования энергии, накопленной в электрическом конденсаторе Следует особо отметить, что предложенная электри- и за это время tE будет высвобождаться из конденсатора ческая схема функционально состоит из двух частей. количество энергии E = 0.64E0. Задаваемое рабочее Первая часть — это цепь зарядки дозатора заряженным время извлечения из конденсатора этой энергии должно баком, вторая часть — цепь разрядки дозатора на на- составлять T = tE. Тогда извлекаемая мощность будет грузке Rl. Работа предложенной схемы основана на исW = 0.64CV0 /(2T ).

пользовании конденсаторов с диэлектриками, поляризаНа практике, однако, далеко не всегда удается найция которых происходит в течение короткого интервала ти конденсатор с параметрами (диэлектрик, пробойное времени (от 10-14 до 10-8 s). В этом случае можно напряжение, удельная объемная емкость и др.), удоосуществить быстрые (за 1-10-3 s) передачи энергии влетворяющими отмеченным выше условиям: выделение нагрузке без потерь энергии при зарядке конденсатора требуемой номинальной мощности Wn на нагрузке Rl в C2 от C1. Исходя из этого работа первой части схемы течение рабочего времени T. При этом если емкость подчиняется законам электростатики, поскольку зарядка C 2T /Rl, то разрядка конденсатора будет происходозатора ведется его прямым подключением к баку, без дить в течение времени Wn T и на нагрузке будет зарядного сопротивления, и поэтому она происходит без выделяться большая мощность W Wn (что весьма потерь. В этой части схемы имеются только потери энернежелательно). Если же C 2T /Rl, то tE T и на гии, связанные с токами утечки на огромном изоляционнагрузке будет выделяться малая мощность W Wn ном сопротивлении диэлектрика бака-конденсатора C1.

(что не удовлетворяет потребителя). По этой причине Работа второй части схемы протекает согласно законам разрядка конденсатора требует регулировки: в первом электродинамики, поскольку разрядка дозатора ведется случае необходима растяжка времени разрядка tE, а на разрядном сопротивлении (нагрузке). Эта часть схемы во втором случае — его сжатие до значения рабочего является диссипативной системой и работа ее сопрововремени T. При этом процесс регулировки разрядки ждается некоторыми потерями энергии.

должен осуществляться почти без потерь накопленной Заметим, что термин ”дозатор” используется также в в баке энергии.

работе [4]. В предложенной нами схеме, однако, дозатор Этот результат иллюстрирует рис. 2, на котором в заряжается от автономного источника электроэнергии — логарифмическом масштабе представлена зависимость бака-конденсатора, а не от зарядного устройства, как это квадрата максимального напряжения V0 между обкладкарассматривается в [4], которое постоянно включено и ми конденсатора при максимально накопленной энергии питается от внешней электрической сети. Кроме того, в E0 от емкости C для одного и того же диэлектрика.

предложенной нами схеме дозатор служит для передачи определенной порции энергии непосредственно нагрузке По оси ординат отложена величина V0 /(1.6WnRl), а по (потребителю), а не для зарядки конденсатора гораздо оси абсцисс величина CRl/(2tE). Как легко проверить, большей, чем дозатор, емкости. Однако схема дозато- только в точке с координатами (1,1) на этом графике ра [4] может быть применена для осуществления про- выполняется условие tE = T. При этом если C < 1, цесса рекуперации электроэнергии при использовании то tE < T(W > Wn) и требуется растяжка процесса предложенной нами схемы на практике.

разрядки (область CD на рисунке), если же C > 1, 3. Перейдем теперь к количественной трактовке метото tE > T(W < Wn) и требуется сжатие процесса да. Допустим, что требуется нагрузить индивидуального разрядки (область C). Отметим, что представленный автономного потребителя электроэнергии Rl некоторой график является универсальным для рассматриваемой номинальной электрической мощностью Wn в течение достаточно длительного рабочего времени T и с возможностью плавной регулировкой подачи этой мощности в пределах от нуля до номинальной, т. е. 0 W Wn.

Для этой цели потребуется некоторое количество электроэнергии E = WnT. (1) Если в качестве автономного источника электроэнергии выбран конденсатор, то понадобится накопительный бак-конденсатор соответствующей емкости C1.

Как известно, в электрических конденсаторах с емкостью C можно запасти максимальную электроэнергию E0 = CV0 /2, где V0 — максимальное напряжение между обкладками конденсатора. Однако запасенную в конденсаторе электроэнергию, каким бы большим ее запас не был, не всегда можно извлечь с требуемой номинальной мощностью Wn в течение большого интервала рабочего Рис. 2. Зависимость квадрата напряжения V02 между обкладвремени T. Действительно, если максимально заряженками конденсатора от его емкости C: Wn — номинальная ный конденсатор непосредственно подключить к нагрузмощность, Rl — нагрузка, tE — время разрядки конденсатора ке, то его разрядка по энергии будет происходить по экспо энергии, tE = RlC/2; N — ”нормальная точка” — с поненциальному закону в течение времени tE = RlC/координатами (1,1).

Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. 120 Д.И. Адейшвили, В.П. Кортхонджия, Н.Ф. Шульга проблемы, так как он в явном виде снормирован по всем с рабочим временем T, т. е. имеем нормальный кондензадаваемым параметрам E0, Wn, T и Rl и справедлив для сатор, то разрядка конденсатора C1 на нагрузке будет всех диэлектриков. происходить по экспоненциальному закону. Дозатор в Точка (1,1) на графике является опорной точкой. В этом случае требуется для обеспечения равномерной этой точке происходит не только нормировка по всем подачи электроэнергии на нагрузку. Это можно осущезадаваемым параметрам метода, но и, что весьма важно, ствить с помощью дозатора, работающего со скважнопроизводится согласование между необходимым рабостью = 1, поскольку при больших значениях в этом чим временем T = tE и необходимой максимально случае будет происходить потеря мощности. При этом накопленной в баке C1 энергией E0 = 1.6E. В в ”нормальном” режиме емкость конденсатора-дозатора точке (1,1) должно иметь место одновременно, с одной C2 определяется соотношением стороны, T = RC1/2 и, с другой стороны, E0 = 1.6Wn/T.

Это возможно, поскольку необходимую максимальную C2 =. (4) энергию E0 при заданной емкости C1 = 2T /Rl можно Rl обеспечить путем подбора соответствующего диэлектриЕсли tE T, то дозатор требуется для растяжки ка с удовлетворяющим объемом, согласно известной времени разрядки конденсатора C1 до рабочего времени формуле E0 = 0rU2/2, где 0 — электрическая T и равномерной подачи электроэнергии на нагрузку постоянная, r — (относительная) диэлектрическая проRl. Для этого требуется, чтобы дозатор работал со ницаемость и U — напряженность электрического поля в скважностью = T /tE 1. В этом случае его емкость диэлектрике. Конденсаторы, для которых одновременно должна быть в раз меньше, чем емкость дозатора при выполняются условия tE = T и E0 = 1.6WnT, назовем нормальном режиме (4).

”нормальными”. Им соответствует на графике точка Наконец, если tE > T, то требуется сжатие процесса (1,1). Исходя из этого и точку (1,1) также назовем разрядки конденсатора C1 до требуемого рабочего вре”нормальной”. Координатные числа на оси C указывают мени T. Использование одного дозатора для этой цели, одновременно на степень операции необходимого сжатия однако, не позволяет обеспечить требуемой мощности или необходимой растяжки времени процесса разрядки на нагрузке. Преодолеть эту трудность можно путем tE до значения tE = T в единичной точке (1,1). Именно осуществления процедуры умножения напряжения с пов осуществлении этого процесса приведения времени мощью гирлянды из n вспомогательных конденсаторов, разрядки конденсатора tE в единичной (нормальной) соединенных последовательно [3,4]. А именно если n точке (1,1) графика, там, где tE = T и E0 = 1.6WnT, вспомогательных дозаторов мы одновременно зарядим и основан предложенный метод.

Представленный на рис. 2 график позволяет опре- от конденсатора C1 по параллельной схеме и затем соедиделить, требуется ли сжатие или растяжка времени ним их последовательно в гирлянду, то получим единый разрядки выбранного бака-конденсатора с заданными его рабочий дозатор с напряжением на обкладках, в n раз параметрами E0 и V0 для обеспечения на потребителе Rl большим, чем напряжение на обкладках конденсатора необходимой номинальной мощности в течение рабочего C1. Количество таких вспомогательных конденсатороввремени T.

дозаторов n = tE/T. При этом вся гирлянда конденОбсудим теперь требования, которым должен удовле- саторов в целом будет работать как единый дозатор со творять дозатор. Расходование энергии дозатором C2 из скважностью = 1. Емкость такого единого дозатора бака C1 производится короткими импульсами i и малыдолжна составлять C2 = 2/Rl, как и при (4).

ми дозами Ei с некоторой скважностью и частоЗаметим, что если величина tE/T очень велика, то той f. Частота работы дозатора определяется периодом может быть развита и использована процедура умножевремени, в течение которого происходит полный цикл ния напряжения количеством вспомогательных дозатопроцесса зарядки и разрядки дозатора f = 1/. Под ров, значительно меньшим, чем n = tE/T. Для этого скважностью процесса понимается величина = /i.

набор вспомогательных дозаторов должен быть разбит Предполагается, что i, поэтому 1.

по напряжениям на несколько групп конденсаторов. При Необходимая в импульсе энергия для обеспечения этом конденсаторы первой группы должны быть заряпотребителя требуемой номинальной мощностью состажены одновременно от C1. Затем эти конденсаторы вляет соединяются последовательно в гирлянду, и вся гирлянда Ei = Wn. (2) заряжает конденсаторы второй группы в отдельности каИзменение энергии в e раз при разрядке дозатора на ждый. В свою очередь заряженные конденсаторы второй d потребителе происходит в течение времени i = /2, группы соединяются в новую группу и такая гирлянd где = RlC2 — собственное время разрядки дозатора да используется для зарядки конденсаторов следующей C2. Таким образом, емкость дозатора C2 может быть группы и т. д. Такую процедуру умножения напряжевыражена через параметры, R и ния возможно осуществить без потерь энергии, так как предполагается использование дозаторов с коротким C2 = 2/(Rl). (3) временем зарядки (i 10-8 s). Заметим, что емкость 4. Рассмотрим теперь работу предлагаемой схемы в единого дозатора, составленного из последней гирлянды целом. Если время tE разрядки конденсатора C1 сравнимо конденсаторов, должна всегда определяться формулой Журнал технической физики, 1999, том 69, вып. Метод регулируемого расходования энергии, накопленной в электрическом конденсаторе (4) и суммарное напряжение на таком дозаторе должно составлять V2 = tE/TV1, где V1 — напряжение на обкладках бака-конденсатора C1.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.