Контур для прямого одержування енергії з пучка заряджених частинок

Реферат: Пристрій з контуром одержування енергії термоядерного синтезу (FEEC), схема якого включає в себе підключений до мережі двоспрямований перетворювач та резонансний перетворювач. Резонансний перетворювач може включати в себе інверсний циклотронний перетворювач з двома або декількома пластинами або квадрупольними пластинами та множину комутаційних перемикачів. Двоспрямований перетворювач може включати в себе підключений до мережі трифазний перетворювач. Пристрій FEEC може гальмувати пучки частинок плазми, таким чином здійснюючи одержування енергії гальмування, перетворення відведеної енергії у електричну енергію та спрямовування цієї електричної енергії у мережу енергопостачання. UA 101203 C2 (12) UA 101203 C2 UA 101203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь застосування винаходу [001] Винахід має відношення загалом до електричних контурів, зокрема, до електричної схеми, яка уможливлює одержування енергії з заряджених частинок, отриманих в результаті керованого термоядерного синтезу, та надсилає цю енергію у мережу енергопостачання з коефіцієнтом потужності, який дорівнює одиниці, випереджаючим коефіцієнтом потужності або відстаючим коефіцієнтом потужності за необхідністю. Передумови створення винаходу [002] Виробництво енергії керованого термоядерного синтезу відкриє двері до багатого джерела екологічно чистої енергії. До цієї теми доклали значні зусилля дослідники у Сполучених Штатах Америки та в усьому світі. Відомі способи звичайно побудовані на перетворенні енергії термоядерного синтезу на теплову енергію, а потім на електричну енергію. [003] За альтернативним способом, описаним у патенті США № 6,611,106 ("патент 106") під назвою "Controlled fusion in a field reversed configuration and direct energy conversion", зміст якого включений у цей опис шляхом посилання, енергія керованого термоядерного синтезу, яку переносять пучки заряджених частинок у вигляді кінетичної енергії, може бути перетворена безпосередньо у електричну енергію шляхом гальмування заряджених частинок із застосуванням квадрупольного інверсного циклотронного перетворювача (inverse cyclotron converter, ICC). Таким чином припускають підвищення ефективності перетворення енергії. Існує потреба у базовій технології одержування енергії з ICC та її подавання у силову мережу. [004] Відповідно існує потреба у створенні електронного контуру енергопостачання, призначеного для гальмування частинок плазми, одержування енергії при виконанні гальмування, перетворення енергії плазми безпосередньо в електричну енергію та спрямовування електричної енергії у мережу енергопостачання. Суть винаходу [005] Взяті за приклад варіанти виконання пристрою з контуром одержування енергії термоядерного синтезу (fusion energy extraction circuit device, пристрою FEEC), розкриті у цьому описі, представляють лише кілька прикладів із багатьох можливих реалізацій пристрою FEEC та жодним чином не призначені для обмеження суті винаходу. [006] В одному з варіантів здійснення цього винаходу, якому віддається перевага, пристрій FEEC включає в себе підключений до мережі блок двоспрямованого перетворювача та блок резонансного перетворювача. Блок двоспрямованого перетворювача може включати в себе підключені до мережі перетворювачі різного призначення з випереджаючою фазою, відстаючою фазою або з коефіцієнтом потужності, який дорівнює одиниці. [007] Резонансний перетворювач за варіантом, якому віддається перевага, включає в себе інверсний циклотронний перетворювач, котушку індуктивності та множину комутаційних перемикачів, які утворюють місток, який надає постійній напрузі форму імпульсу. ICC за варіантом, якому віддається перевага, включає в себе дві або декілька пластин або квадрупольні пластини, які функціонують як конденсатор, який разом із котушкою індуктивності утворює резонансний коливальний контур. Пластини за варіантом, якому віддається перевага, є видовженими, мають дугоподібний поперечний переріз та утворюють видовжену кільцеподібну циліндричну камеру з осьовими видовженими зазорами, утвореними між пластинами. [008] Під час запуску пристрою FEEC енергію подають із силової мережі через блок підключеного до мережі двоспрямованого перетворювача на резонансний перетворювач. Це встановлює стан резонансу та збуджує електричне поле квадруполя, утворене у зазорах між пластинами. Під час генерування або одержування енергії заряджені частинки з пучків заряджених частинок, утворених, наприклад, під час процесу термоядерного синтезу, гальмуються електричним полем квадруполя, коли пучки заряджених частинок проходять через ICC. Також під час генерування втрачена енергія збирається квадрупольними пластинами ICC у вигляді наведеного струму. Потім цей наведений струм проходить у силову мережу через резонансний перетворювач та підключений до мережі блок двоспрямованого перетворювача. [009] Підключений до мережі перетворювач діє як випрямляч (перетворювач змінного струму на постійний) під час запуску та як інвертор (перетворювач постійного струму на змінний) під час генерування. У обох випадках підключений до мережі перетворювач працює з коефіцієнтом потужності, який дорівнює одиниці, випереджаючим коефіцієнтом потужності або відстаючим коефіцієнтом потужності для утворення активної потужності та реактивної потужності (регульованої) за необхідністю. [010] Для здійснення збудження електричного поля та одержування енергії резонансна частота та напруга резонансного конвертера за варіантом, якому віддається перевага, мають бути точно керовані. Частота у цьому випадку є фіксованою трохи вище резонансної частоти резонансного коливального контуру, при цьому керування напругою може бути досягнуто 1 UA 101203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 шляхом модуляції послідовності комутації та регулювання зворотного зв'язку. Два способи модуляції - фазозсувна модуляція (phase shift modulation (PSM)) та широтно-імпульсна модуляція (pulse-width modulation (PWM)) - можуть забезпечувати регулювання напруги. Регулювання зворотного зв'язку досягають шляхом порівняння виміряної резонансної напруги з еталонною, а їх розбіжність застосовують для модулювання фази або ширини імпульсів перемикачів у резонансному перетворювачі. З такою модуляцією автоматично забезпечений двоспрямований потік енергії відповідно до режиму роботи. [011] У альтернативному варіанті виконання пристрою FEEC резонансний перетворювач може включати в себе декількох феритових котушок індуктивності, з'єднаних послідовно для оптимізації роботи пристрою FEEC. Такі послідовно з'єднані резонансні котушки індуктивності мають декілька переваг перед одиночною резонансною котушкою індуктивності. [012] Регулювання зворотного зв'язку досягають шляхом порівняння виміряної резонансної напруги з еталонною, а їх розбіжність застосовують для модулювання фази або ширини імпульсів множини перемикачів у резонансному перетворювачі. [013] В іншому варіанті здійснення цього винаходу контур керування зворотного зв'язку резонансного перетворювача може бути застосований для автоматичного забезпечення двоспрямованого потоку енергії. Контур керування зворотного зв'язку включає в себе схему виявлення резонансної напруги, компенсатор помилок та генератор імпульсів PSM або PWM. [014] Інші системи, способи, особливості та переваги цього винаходу будуть очевидними для фахівця у галузі після вивчення наведених нижче фігур та докладного опису. Треба мати на увазі, що усі такі додаткові системи, способи, особливості та переваги, включені у цей опис, будуть охоплюватися обсягом винаходу та будуть охоронятися наведеною формулою винаходу. Як зазначено вище також треба мати на увазі, що винахід жодним чином не обмежений особливостями описаних варіантів здійснення цього винаходу. Короткий опис фігур [015] Подробиці винаходу, включаючи виготовлення, конструкцію та роботу, можуть бути частково отримані з вивчення супровідних фігур, на яких аналогічні номери позицій відповідають аналогічним елементам. Елементи на цих фігурах не обов'язково показані у масштабі, замість цього увагу зосереджено на ілюструванні принципів винаходу. Крім того, усі ілюстрації призначені для наведення концепції, а відповідні розміри, форми та інші подробиці можуть бути показані схематично, а не буквально або точно. [016] Фіг. 1 являє собою схему контуру для одержування енергії термоядерного синтезу (FEEC). [017] Фіг. 2 являє собою схему контуру резонансного перетворювача з джерелом еквівалентного екранувального струму. [018] Фіг. 3 являє собою графік, на якому показана діаграма Боде для паралельного резонансного коливального контуру. [019] Фіг. 4 являє собою графік, на якому показано ілюстрацію широтно-імпульсної модуляції. [020] Фіг. 5 являє собою графік, на якому показаний механізм генерування з широтноімпульсною модуляцією. [021] Фіг. 6 являє собою графік, на якому показано ілюстрацію фазозсувної модуляції. [022] Фіг. 7 являє собою схему генерування з фазозсувною модуляцією. [023] Фіг. 8 являє собою схему контуру зворотного зв'язку для контуру одержування енергії термоядерного синтезу. [024] Фіг. 9 являє собою схему контуру виявлення резонансної напруги. [025] Фіг. 10 являє собою графік, на якому показані результати моделювання для динамічного графіка потоку енергії залежно від подавання пучка частинок. [026] Фіг. 11 являє собою графік, на якому показані експериментальні результати резонансної напруги на конденсаторі (що імітує квадрупольні пластини). Докладний опис винаходу [027] Системи та способи, розкриті у цьому описі, призначені для здійснення прямого одержування енергії термоядерного синтезу. [028] Фіг. 1 являє собою схему варіанта виконання пристрою 100 з контуром одержування енергії термоядерного синтезу (FEEC), якому віддається перевага. Пристрій 100 FEEC утворений підключеним до мережі блоком 110 двоспрямованого перетворювача та резонансним перетворювачем 120. У показаному на Фіг. 1 варіанті виконання пристрою 100 для одержування енергії термоядерного синтезу (FEEC), якому віддається перевага, блок 110 двоспрямованого перетворювача включає в себе підключений до мережі трифазний перетворювач 112. Однак зрозуміло, що блок 110 двоспрямованого перетворювача може 2 UA 101203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 включати в себе підключені до мережі перетворювачі для струму з різною кількістю фаз для різних варіантів призначення. Наприклад, однофазний підключений до мережі перетворювач (не показаний) може бути застосований для менших потужностей. [029] За варіантом виконання пристрою 100 FEEC, якому віддається перевага, резонансний перетворювач 120 включає в себе інверсний циклотронний перетворювач (ICC) 122 та множину перемикачів S1-S4. Інверсний циклотронний перетворювач 122, докладніше описаний у патенті 106 (зміст якого включено у цей опис шляхом посилання), за варіантом, якому віддається перевага, виконаний з множиною пластин 124, показаних у цьому варіанті здійснення винаходу у квадрупольній конфігурації. Квадрупольні пластини 124 ICC 122 функціонують як конденсатор та разом з котушкою індуктивності L утворюють резонансний коливальний контур 130, який буде докладніше описаний нижче. Пластини 124 за варіантом, якому віддається перевага, є видовженими, мають дугоподібний поперечний переріз та утворюють видовжену кільцеподібну циліндричну камеру з осьовими видовженими зазорами, утвореними між пластинами. Коли струм поданий на пластину, то у зазорах між пластинами утворюється електричне поле мультиполя. [030] Під час запуску пристрою енергію подають із силової мережі 114 через блок 110 підключеного до мережі двоспрямованого перетворювача на резонансний перетворювач 120 для встановлення резонансу та збудження квадрупольного електричного поля резонансного перетворювача 120. Під час генерування/одержування енергії пучки заряджених частинок, утворених, наприклад, під час процесу термоядерного синтезу, проходять через ICC 122, та гальмуються електричним полем квадруполя, утвореним у зазорах між пластинами 124 ICC 122. Також під час генерування/одержування втрачена енергія збирається квадрупольними пластинами 124 у вигляді наведеного струму is. Цей наведений струм is проходить через резонансний перетворювач 120 та підключений до мережі блок 110 двоспрямованого перетворювача у мережу 114. Підключений до мережі перетворювач 110 діє як випрямляч (перетворювач змінного струму на постійний) під час запуску та як інвертор (перетворювач постійного струму на змінний) під час генерування. У обох випадках підключений до мережі перетворювач 110 працює з коефіцієнтом потужності, який дорівнює одиниці, випереджаючим коефіцієнтом потужності або відстаючим коефіцієнтом потужності для утворення активної потужності та реактивної потужності (регульованої) за необхідністю. [031] Для того щоб резонансний перетворювач 120 здійснював збудження електричного поля та одержування енергії, за варіантом, якому віддається перевага, резонансна частота та напруга мають бути точно керовані. Частота у цьому випадку є фіксованою трохи вище резонансної частоти резонансного коливального контуру 130 для забезпечення програмної комутації нуля напруги, при цьому керування напругою може бути досягнуто шляхом модуляції схеми комутації та регулювання зворотного зв'язку. Нижче розглянуті два способи модуляції фазозсувна модуляція (PSM) та широтно-імпульсна модуляція (PWM). Обидві здатні здійснювати керування напругою, однак спосіб PSM забезпечує більш широкий робочий діапазон напруги для динамічного маневрування. Регулювання зворотного зв'язку досягають шляхом порівняння виміряної резонансної напруги з еталонною, а їх розбіжність застосовують для модулювання фази або ширини імпульсів перемикачів S1-S4 у резонансному перетворювачі 120. З такою модуляцією автоматично забезпечений двоспрямований потік енергії відповідно до режиму роботи. [032] Фіг. 2 являє собою схему варіанта виконання резонансного перетворювача 120, у якому постійна напруга vdc забезпечується підключеним до мережі двоспрямованим перетворювачем 110 (vdc також показана на Фіг. 1). У цьому випадку резонансний перетворювач 120 включає в себе множину перемикачів S1, S2, S3 та S4. Перемикачі S1, S2, S3 та S4 утворюють міст, який надає постійній напрузі vdc форму імпульсу vAB на ділянці AB з частотою модуляції fs, яка значно перевищує частоту мережі 114 енергопостачання. Конденсатор C представляє квадрупольні пластини 124 ICC 122. Як вказано вище, конденсатор C та котушка індуктивності L утворюють резонансний коливальний контур 130. Тільки базова складова з v AB проходить резонансний коливальний контур 130, де підсилюється на величину H(s), і приходить на квадрупольні пластини 124 як синусоїдальна хвиля vs. Джерело струму is представляє скоректований наведений струм, коли заряджені частинки загальмовані, а резистор R c представляє втрати на тепло та випромінювання заряджених частинок. [033] Підсилення H(s) резонансного коливального контуру становить: 3 UA 101203 C2 1 // Rc 1 H(s)  sC  1 L sL  // Rc s2LC  s 1 sC Rc (1) [034] Таким чином, амплітуда (підсилення за напругою) становить: 1 H( j)  (1  2LC)2  ( 5 L 2 ) Rc (2) [035] Частота максимальної амплітуди m, при якій вихідна напруга має максимальну величину, становить: 1 1 1 2  ( ) LC 2 CR c m  (3) [036] Для пристрою 100 FEEC Rc звичайно дуже великий, і тоді: 10 m  r  1 (4) LC [037] На Фіг. 3 показана діаграма Боде для паралельного резонансного коливального контуру 130. Максимальне підсилення має місце приблизно при резонансній частоті r. Іншим важливим параметром для резонансної схеми коливального контуру є добротність Q: 15 Q Rc R0 (5) [038] де R0 являє собою характеристичний імпеданс резонансного коливального контуру 130: R0  L C (6) 20 [039] Таким чином: Q 25 30 35 Rc L C (7) [040] З рівняння (7) видно, що збільшення Rc спричиняє підвищення Q, а крутіший нахил змінювання напруги впливає на резонанс. [041] Як зазначено вище, керування вихідною напругою резонансного перетворювача 120 може бути досягнуто шляхом модуляції послідовності комутації та регулювання зворотного зв'язку. Як фазозсувна модуляція (PSM), так і широтно-імпульсна модуляція (PWM) здатні здійснювати керування напругою. [042] Широтно-імпульсна модуляція (PWM): Із застосуванням PWM регульованою є ширина імпульсів перемикачів S1, S2, S3 та S4 у двох ділянках. В результаті різниця напруги має ступінчасту форму, базовий складник якої є регульованим шириною імпульсу. [043] На Фіг. 4 показана форма пускового імпульсу для усіх перемикачів S1, S2, S3 та S4, показаних на Фіг. 2. Час перебування у ввімкненому стані перемикачів S 1 та S2 є встановлюють у діапазоні 0-50 %. Перемикачі S4 та S3 є відповідними перемикачам S1 та S2 відповідно. На Фіг. 4 також показана форма імпульсу напруги у вузлах A (vA) та B (vB) для варіанта виконання схеми, показаного на Фіг. 2. 4 UA 101203 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 [044] Базова частина напруги мостової схеми vAB (як показано на Фіг. 4) така: 600 2 v ABI  sin( D) cos( t  D) , де D