Емкостные накопители энергии. Общие сведения о емкостных накопителях энергии (ГИН, ГИТ, ФЛ)

3. Емкостные накопители энергии.

          3.1 Общие сведения о емкостных накопителях энергии (ГИН, ГИТ, ФЛ).

Широкое использование емкостных накопителей энергии (ЕНЭ), как отмечалось выше, обусловлено рядом их достоинств по сравнению с другими источниками энергии. Главными из них являются: малое внутреннее сопротивление (< 10^-3 Ом), малая индуктивность (≈ 10^-9 Гн), позволяющие обеспечить малые времена разряда (10^-8 ÷ 10^-1 с), высокую эффективность передачи энергии в нагрузку, возможность достижения рекордных значений мощности (до 10¹³ Вт) и скорости нарастания тока (> 10¹³ А/с). Кроме того ЕНЭ обладают рядом эксплуатационных удобств: отсутствие движущихся элементов, простота обслуживания, модульный принцип исполнения.

Вместе с тем ЕНЭ присущ известный недостаток – низкая плотность запасаемой энергии по сравнению с другими типами накопителей – 0,1 - 0,5 МДж/м³.  Причем у крупных и высоковольтных установок среднее значение плотности энергии (в расчете на весь объем) оказывается в несколько раз ниже, как за счет снижения уровня рабочего напряжения конденсаторов до 50-60% от номинального, так и за счет увеличения объема изоляции с ростом напряжения. По этой причине накопители с энергией порядка 10⁶ – 10⁷ Дж представляют собой крупные и дорогие сооружения, занимающие специальные экспериментальные залы или отдельные здания. Тем не менее, емкостные накопители могут конкурировать с источниками других типов. В конечном счете, выбор источника определяется технико-экономическими соображениями.

Емкостные накопители классифицируются по следующим признакам:

1) по напряжению:

- накопители низкого напряжения (ниже 10 кВ),

- накопители среднего напряжения (10 - 100 кВ),

- накопители высокого напряжения (10⁴ - 10⁷ В)

2) по запасаемой энергии:

- ЕНЭ малой энергии (до 10² кДж),

- ЕНЭ средней энергии (до 1 МДж),

- ЕНЭ большой энергии (более 1 МДж)

3) по длительности импульса тока:

- миллисекундного диапазона,

- микросекундного диапазона,

- наносекундного диапазона

4) по типу конструкции и схеме соединения элементов:

- ГИТ – генераторы импульсных токов, блоки конденсаторов соединены параллельно,

- ГИН – генераторы импульсных напряжений, последовательное соединение блоков,

- ФЛ – формирующие линии.

ГИН и ГИТ характеризуются временами импульсов во много раз меньшими времени пробега ЭМ волной размера установки. Это случай контуров с сосредоточенными параметрами. Формирующая линия (ФЛ), в отличие от ГИН и ГИТ, передает энергию в нагрузку в волновом режиме, т.е. за время, определяемое временем пробега ЭМ волны вдоль линии. Поясним это на следующем простом примере. Рассмотрим отрезок коаксиального кабеля длиной L. Время распространения волны по кабелю составляет t_p = L/υ, где υ = с/(εμ)^1/2 – скорость распространения волны по кабелю:

Отрезок кабеля – классический пример формирующей линии, линии с распределенными параметрами. Пусть линия заряжена от источника напряжением Е (замыкание ключа К₁) через R_зар за время τ_зар ~ R_зар·C_л >> t_p. При этом линия ведет себя как обычный цилиндрический конденсатор с сосредоточенными параметрами.

В случае замыкания ключа К₂ на нагрузку R_н порядка ρ за время t_k < t_p характер процесса будет чисто волновой. В частности, если R_н = ρ (согласованный режим), то t_н = 2L/υ, U_Rн = E/2.

ЕНЭ по схемам ГИН и ФЛ рассмотрим в более поздних главах курса. Сейчас перейдем к рассмотрению ГИТов.

3.2 Генераторы импульсных токов.

Структурная схема ГИТ может быть представлена в следующем виде:

Здесь:       ЗУ – зарядное устройство,

КБ – конденсаторная батарея,

СК – система коммутации,

К – коллектор (сборка тока),

СЭ – соединительные элементы,

УБС – блок управления, блокировки и синхронизации,

Н – нагрузка.

3.2.1. Схема замещения ГИТ.

Простейшая схема замещения ГИТ с одним разрядником может быть представлена в виде:

C_O = C_K·N – емкость батареи,

C_K – емкость одного конденсатора,

N – число конденсаторов в батарее,

 - индуктивность контура ГИТ, где:

L_K – собственная индуктивность одного конденсатора,

L_Ш – эквивалентная индуктивность шин,

L_Ц.Ш. – эквивалентная индуктивность центральных шин, к которым присоединяют нагрузку через разрядник,

L_P – эквивалентная индуктивность разрядника,

R_O – эквивалентное активное сопротивление ГИТ,

L_H, R_H – индуктивность и активное сопротивление нагрузки,

К – коммутатор (разрядник).

3.2.2. Основные решения для RLC-цепи с сосредоточенными параметрами.

Приведенная схема является классической RLC-цепью с постоянными, сосредоточенными элементами при определенных приближениях. В реальных условиях R и L контура зависят от времени вследствие диффузии магнитного поля в проводники, нелинейности сопротивления коммутатора, нагрева проводников в процессе протекания тока и т.д. Параметры нагрузки R_H и L_H вообще говоря, могут быть существенно нелинейны.

Хотя рассматриваемая схема и является приближенной, она позволяет в большинстве инженерных расчетов определить наиболее важные и существенные параметры процесса разряда ГИТ на нагрузку.

Рассмотрим процесс в контуре после замыкания ключа К при заряженной батарее до U_O. Запишем:

R = R_O +R_H,      L = L_O + L_H.

Дифференциальное уравнение для протекающего в цепи тока имеет вид:

                                      (3.1)

начальные условия:

t = 0, q = q_O = U_O·C – начальный заряд батареи конденсаторов,

                  - начальный ток.

Решение данного уравнения имеет три вида в различных условиях:

а) при  - затухание меньше критического. Решение описывается колебательно затухающей функцией:

	(3.2)
здесь        -	(3.3)

угловая частота, где введены параметры цепи

	(3.4)
	(3.3)

б) при  - затухание больше критического. Апериодический режим.

	(3.6)
где	(3.7)

в) при  - критический режим разряда конденсатора. Он описывается уравнением

(3.8)