Імпульсне джерело електричної енергії

Корисна модель відноситься до генераторів електричної енергії і може бути використана для живлення прискорювачів заряджених часток, імпульсних оптичних випромінювачів, метання металевих тіл. Відомі джерела електричної енергії, що засновані на перетворенні енергії сонячного випромінювання в електричну енергію [Куландин A.A. Электрические системы ΚΑ. - Μ.: Машиностроение, - 1972. - 293с]. Недоліком цих генераторів є невелика величина напруги, що генерує великі масогабаритні параметри. Відомі джерела електричної енергії, засновані на хімічних реакціях [Физика высоких плотностей энергии. - Μ.: Наука, - 1972. - С.17-23]. Для електропостачання ряду елементів великою імпульсною потужністю при порівняно малих габаритах і вазі енергоджерела можуть бути використані пристрої, засновані на трансформації енергії хімічних реакцій в електричну енергію. Однак вони мають малий коефіцієнт корисної дії. Відомі конструктивні схеми й отримані експериментальні результати імпульсних джерел електричної енергії, що засновані на перетворенні енергії вибуху хімічних речовин [Терлецький Я.П. Получение сверхсильных магнитных полей. // ЖЭТФ, 1957. - Т.32. - №2. - С.387]. Отримані дані вказують на перспективність подібних систем одержання електричної енергії, незважаючи на складність їх виго товлення. Найбільш близьким аналогом до об'єкта, що заявляється (прототипом), є імпульсне джерело електричної енергії [Войтенко А.Е. и др. Взрывная камера. // Физика горения и взрыва, 1979. - №6. - С.130]. Основними елементами цього пристрою є порожній металевий циліндр, оточений із зовнішньої сторони вибуховою речовиною (ВР), первинне джерело електричної енергії. Між ВР і корпусом порожнього циліндра розміщається соленоїд, що з'єднаний з первинним джерелом електричної енергії через комутуючий елемент. У центрі порожнього металевого циліндра встановлені навантажувальна спіраль, яка з'єднана з навантаженням. В ВР установлені детонатори, що забезпечують підрив ВР від джерела керування, що дає сигнал і на розряд конденсатора. Робота даного пристрою здійснюється в такий спосіб. Спочатку замикається комутуючий елемент, і первинне джерело енергії (конденсатор) починає розряджатися через спіраль (соленоїд). При цьому усередині порожнього металевого циліндра виникає магнітне поле з напруженістю Н. У момент максимуму розрядного струму первинного джерела електричної енергії (при цьому Η=Hmax) відбувається підрив ВР, металевий циліндр стискується до осі з великою швидкістю і відбувається стиск до осі магнітного поля. Зміна магнітного поля (за рахунок руху порожнього циліндра) викликає появу на внутрішній навантажувальній спіралі електрорушійної сили (ЕРС), появу електричного струму великої величини (у проведених експериментах U»200кB, Imax»108 А при вазі ВР порядку 15кг). Експериментально підтверджена працездатність такого джерела електричної енергії і його високу ефективність трансформації хімічної енергії в електричну (до 25%). Недоліками даного пристрою є порівняно невелика величина напруги, що генерується, великі втрати енергії при транспортуванні струму до споживача (у тому числі і втрати на радіовипромінювання), великі габарити пристрою. Ці недоліки обумовлені наступними причинами. Даний пристрій (втім як і усі прилади магнітокумулятивного типу) засновано на збереженні магнітного потоку Φ=LI (L - індуктивність контуру) при швидкому стиску циліндра (переміна L). Тому при зменшенні L після вибуху в колі різко зростає величина струму: Φ=L(t)×I(t)=const. Але джоулеві втрати в навантажувальному колі пропорційний І2, тому відведення енергії з кумулятивного генератора до навантаження зв'язано з великими втратами. Величина втрат неминуче зростає при збільшенні індуктивності навантажувальної спіралі Lс (для одержання великих напруг необхідно збільшити Lс. У ряді випадків для цієї мети ставлять у пристрій спеціальні трансформатори). В основу запропонованої корисної моделі поставлена задача удосконалити імпульсне джерело електричної енергії шляхом отримання імпульсу енергії швидкою переміною електричного поля, що дозволить підвищити величину напруги, що генерується, знизити втрати енергії і зменшити габарити пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що в імпульсному джерелі електричної енергії, що містить порожній металевий циліндр, вибухову речовину, первинне джерело електричної енергії, комутуючий елемент і навантаження, усередині порожнього металевого циліндра співвісно з ним встановлений суцільний металевий циліндр, при цьому вибухова речовина розміщена у зазорі між циліндрами, первинне джерело електричної енергії з'єднане одним струмопровідом з порожнім циліндром, іншим через комутуючий елемент з'єднаний із суцільним циліндром, а навантаження підключене до обох циліндрів. Таким чином, введення суцільного циліндру і розміщення вибухової речовини між циліндрами призводить до підвищення величини напруги, що генерується, знижує втрати енергії і зменшує габарити пристрою. Сутність корисної моделі поясняється ілюстрацією, на якій зображено структурн у схему запропонованого імпульсного джерела електричної енергії. Запропоноване технічне рішення складається з зовнішнього порожнього металевого циліндра 1, внутрішнього суцільного металевого циліндра 2, вибухової речовини 3, первинного джерела електричної енергії 4, комутуючого елемента 5, струмопроводів 6, 7 і навантаження 8. Робота даного пристрою відбувається в такий спосіб. Спочатку замикається комутуючий елемент 5 і напруга від первинного джерела енергії 4 подається до обох металевих циліндрів 1 і 2. Після цього відбувається підрив ВР 3, і відстань між циліндрами збільшується. При цьому змінюється електричне поле між циліндрами, зростає його енергія і напруга, і в навантажувальному колі по струмопроводі 7 через навантаження 8 буде текти електричний струм. На відміну від прототипу, запропоноване пристрій являє собою конденсаторну систему (два циліндричних співвісних електроди, з'єднаних з первинним джерелом електричної енергії), ємність С якої при вибуху змінюється дуже швидко. У такій системі величиною, що зберігається, буде не магнітний Φ-потік , а початковий q=CU заряд , де U - напруга [Зиновьев А.Л., Филлипов А.И. Введение в теорию сигналов и цепей. - Μ.: ВШ, 1975. - С.144-147]. При збільшенні відстані між циліндрами 1 і 2 ємність С буде зменшуватися, буде зростати енергія поля і напругу: q=C(t)×U(t)=const [Феймановские лекции по физике. Задачи и упражнения. - М.: Мир, 1978. - С.111]. При цьому джерелом енергії буде енергія вибуху. Збільшення енергії конденсатора CU2 q2 = 2 2C визначимо в такий спосіб: dWc dC dWc q2 W DC ===- c ; DWc = - Wc , Wc C або dC 2C C C де DС - збільшення ємності. При вибуху DС0. Тому що DС=С-Cmin»С, то збільшення енергії DWс»Wс [Заездный A.M. Теория нелинейных электрических цепей. - М.: Сов. радио, 1975. - С.94]. Для збільшення початкової енергії системи необхідно використовувати ряд концентричних циліндрів з розташованими між ними вибуховими речовинами як діелектрик або збільшити початкову напругу між циліндрами (що не змінює сутність пропозиції). Розрахунки показують, що за допомогою запропонованого пристрою можна одержати напругу, що U>1МэВ прискорює, при розрядних U>1МэВ стр умах І~105 А (умови розрахунку ті ж, що і для магнітокумулятивного генератору). Саме такі параметри і необхідні, наприклад, для живлення сучасних прискорювачів заряджених часток [Диденко А.Н. Мо щные электронные пучки и их применение. - Μ.: Атомиздат, 1977. - С.4, 247, 253]. На відміну від магнітних систем, електрична ємність конденсатора зростає при зменшенні характерних розмірів між електродами. Цьому ж сприяє використання вибухової речовини як діелектрик і його розміщення між електродами. (Діелектрична проникність пороху e~102 і більше). Відсутність трансформаторів, що погодять, також сприяє зменшенню вагових і габаритних показників імпульсного джерела електричної енергії. Для практичної реалізації найбільш прийнятними варто вважати наступні параметри: висота генератора 1...15м, діаметр порожнього металевого циліндра порядку 10см, діаметр суцільного металевого циліндра порядку 9см (зазор між циліндрами повинен забезпечити високе початкове значення ємності і можливість підриву ВР), початкова напруга між обкладинами конденсатора U~100кВ (для прискорювальної техніки). Wc =