Jump to content

    

Сравнение энергии, запасаемой в конденсаторе и в дросселе

Вообще-то сравнивать аккумуляторы, ионисторы с несверхпроводящими индуктивными накопителями некорректно, так как из-за джоулевых потерь энергия в катушке удерживается очень непродолжительное время. По плотности энергии специальная высокопрочная катушка в сотен микросекунд может создавать поле под 100 Тесла (при разряде через нее батареи малоиндуктивных конденсаторов в несколько МДж), что примерно соответствует объемной плотности энергии ТНТ. Но для хранения - не годится.

Сверхпроводящие катушки могут создавать и удерживать неограничено долго поля до 17 Тл, но это "совсем другая песня".

Очевидно, что не корректно, но меня удивило утверждение, что в индуктивностях можно накопить энергии (пусть в импульсе) большие на порядки или даже сопоставимые по объемной плотности для устройства в целом, чем на конденсаторах.

Зачем банальности про джоулевы потери?

Мегаэрстед без разрушения катушки это серьезно СВЕРХСИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ. 100Тл это рекорд это года в Лос-Аламосе, 91Тл рекорд прошлого года в Германии. Не знаю обходятся ли при этом без охлаждения до криогенных температур.

 

Я на практике представляю, чего стоит получить несколько тесла даже в импульсе в относительно небольшом объеме.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Очевидно, что не корректно, но меня удивило утверждение, что в индуктивностях можно накопить энергии (пусть в импульсе) большие на порядки или даже сопоставимые по объемной плотности для устройства в целом, чем на конденсаторах.

Зачем банальности про джоулевы потери?

Мегаэрстед без разрушения катушки это серьезно СВЕРХСИЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ. 100Тл это рекорд это года в Лос-Аламосе, 91Тл рекорд прошлого года в Германии. Не знаю обходятся ли при этом без охлаждения до криогенных температур.

 

Я на практике представляю, чего стоит получить несколько тесла даже в импульсе в относительно небольшом объеме.

ТС интересовался субмикросекундными импульсами, а мы скатились к сравнениям наиболее энергоемких накопителей, для которых характерные времена разряда на 6...9 порядков больше. Т.е. оффтоп?, хотя вроде и не противоречит названию темы.

Да, время хранения энергии у не сверхпроводящих индуктивных накопителей маленькое, но достигаемая "так просто" плотность энергии впечатляет! При 10Т это 40Дж/куб.см, а озвученные выше рекорды-еще на два порядка больше. У литиевых аккумуляторов где-то под 1000Дж/куб.см, а у электрических (не электрохимических) накопителей выше упоминалось 50Дж/куб.см.

Но пиковая разрядная мощность индуктивного накопителя м.б. на несколько порядков больше, чем у ионисторов (при разряде в течение 0,1..1мкс).

Edited by A.W.P.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Я имел ввиду импульсный трансформатор на те самые сотни МВт, согласующий параметры сборки ВВконденсатор+тиратрон с требованиями нагрузки.

... И ИП накачки станет менее высоковольтным (проще, дешевле, компактнее)...

Трансформатор выглядит и наиболее естественным местом для суммирования мощности от нескольких генераторов (ячеек).

вот наконец-то мы друг друга поняли :)))

 

вот еще раз, в каком направлении я хотел здесь пообсуждать

Share this post


Link to post
Share on other sites

Особого повода для радости вроде нет. Я то просто "мимо проходил" и зашел в этот топик, чтобы указать на требуемую коммутационную способность ключа- НЕ НИЖЕ пиковой мощности нагрузки. Это еще до меня делали и другие "форумчане", но как-то не уверенно и Вы их своим энтузиазмом (в отношении применения дросселя) обескураживали. Дроссель может слегка помочь, если, скажем, по какой-то причине не достаточна пиковая мощность емкостного накопителя. Тогда мы можем сначала от конденсатора относительно не быстро "зарядить" дроссель мощностью на один..полтора порядка меньшей, а затем уже с дросселя получать пиковую мощность установки. Но требования к коммутатору не только не облегчаются, а наоборот. Сейчас, как я понимаю, Вы просто разряжаете ВВ-конденсатор через включившийся тиратрон (квазирезонансно). А с дросселем Вам потребуется полностью управляемый коммутатор.

Сильно сомневаюсь, что можно кремниевыми полевиками заменить тиратрон, тем более при приоритете массо-габаритных характеристик установки (как я понял из других тем, открытых Вами на форуме). При пиковой мощности 560МВт потребуется десяток тысяч корпусов ТО247, а уж сколько обвязки вокруг них?

Со стороны могу посоветовать постараться убедить Ваше руководство поручить (в смысле купить) разработки функциональных узлов установки профессионалам, а самим сосредоточиться на вопросах интеграции. Или может и тиратроны будете сами разрабатывать и производить? :biggrin:

Share this post


Link to post
Share on other sites
ТС интересовался субмикросекундными импульсами, а мы скатились к сравнениям наиболее энергоемких накопителей, для которых характерные времена разряда на 6...9 порядков больше. Т.е. оффтоп?, хотя вроде и не противоречит названию темы.

Да, время хранения энергии у не сверхпроводящих индуктивных накопителей маленькое, но достигаемая "так просто" плотность энергии впечатляет! При 10Т это 40Дж/куб.см, а озвученные выше рекорды-еще на два порядка больше. У литиевых аккумуляторов где-то под 1000Дж/куб.см, а у электрических (не электрохимических) накопителей выше упоминалось 50Дж/куб.см.

Но пиковая разрядная мощность индуктивного накопителя м.б. на несколько порядков больше, чем у ионисторов (при разряде в течение 0,1..1мкс).

Да, правда, скатились, оффтопим чуток, надо заканчивать.

Насчет "так просто" это шутка? :rolleyes: 40Дж/см3 при 10Тл это энергия внутри, а размазать на размер катушки будет несколько скромнее.

Хотя под токамак не случайно индуктивный накопитель делали терраваттной мощности. При этих параметрах емкостные, вероятно, оказывались сложнее и дороже.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
я этого не говорил, но почти уверен, что есть какое-то разумное решение использовать маломощный ключ с очень коротким фронтом около 3нс ну, может быть, вместе с дешевым, мощным, но не управляемым разрядником
Блин! Завидую вам! Для вас ключ разрывающий 800В и ток 700кА за 3нс является МАЛОМОЩНЫМ.

Хотя у меня складывается впечатление, что вы просто не понимаете как работает дроссель (автотрансформатор, трансформатор) в простых ключевых схемах :(.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Хотя под токамак не случайно индуктивный накопитель делали терраваттной мощности. При этих параметрах емкостные, вероятно, оказывались сложнее и дороже.

Это потому, что им не нужно было быстро туда-сюда энергию качать.

Вот недавно видела статейку -там после высоковольтного импульсного блока (что-то... несколько сотен киловольт) стоял водяной конденсатор.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Оказывается времена относятся к скорости изменения НАПРЯЖЕНИЯ сток-исток, а не ТОКА стока! Соответственно, получаем величины 27..30 В/нс-вполне достижимые значения, согласующиеся с другими источниками информации.

Естественно, т.к измерения времени переключения проводятся при фиксированном начальном токе, обычно получаемом от индуктивности(поищите схему измерения). IXYS, например, измеряет при 0.5 от импульсного максимального. Поэтому наблюдаемое изменение напряжения D-S

вначале процесса зависит от выходной емкости полевика, а в конце - от сопротивления канала (это при включении, при выключении - наоборот). А в промежутках наблюдаем напряжение зависящее от перераспределения тока между перезарядом емкости полевика и его изменяющимся сопротивлением канала.

 

Почитал дальше, расстроился - блин, как все запущенно -"смешались в кучу кони, люди" .

Надо бы попинать ТС, за некорректно поставленную задачу, особенности которой проясняются на 3-5 странице постов.

Но это обычное дело. А разгребать ошибки в ответах - не хватит терпения, поэтому просто продолжу свой ответ с 32 сообщения, но теперь с учетом ответов других участников.

 

Для начала развею некоторые иллюзии и мифы.

 

Уравнение удельной объемной энергии магнитного поля

E/V=B^2/(2*u*u0) -> Объем - V=2*u*u0*E/B^2

Откуда невооруженным глазом видно, что минимальный объем получается при !!!! u=1, т.е. при отсутствии в катушке ферромагнитного сердечника. Отсюда же следует известный в электротехнике факт, что ферромагнитный сердечнок трансформатора, в основном, служит для снижения его стоимости при замене дорогой меди на более дешевое электротехническое железо. И как следствите этой замены - уменьшение индуктивности рассеяния, за счет улучшения потокосцепления при меньших количествах витков, и уменьшения тока намагничивания трансформатора за счет увеличения индуктивности первичной обмотки, а не наоборот.

Более того, если теперь рассмотреть не трансформаторы, а дроссели, то окажется, что в большинстве случаев, помимо указанных выше особенностей, ферромагнитный сердечник используется для повышения технологичности их производства и уменьшения объема и полей рассеяния, если форма дросселя отлична от тора. И не более.

Пойдем далее, напомню общеизвестный, например из термеха, факт, что энергоемкость механических систем в основном определяется удельной прочностью применяемых материалов. Это если не учитывать всякие вспомогательные устройстава - зарядные, радиаторы, охладитель итп.

Поэтому правильно спроектированные емкости и дроссели будут иметь близкие весовые характеристики, особенноесли учесть, что устройства импульсные и для расчетов можно применять динамические прочности, а не статические.

Кроме того предостерегаю от ошибки сравнения разных систем, как это сделал A.W.P., у аккумуляторов энергоемкость определяется химией процессов и по определению будет больше, но они не смогут работать при таких коротких импульсах это связано с малой подвижностью ионов.

Если же говорить об объемных удельных характеристиках, то здесь разброс будет намного больше и будет зависеть не только от применяемых материалов, но и от конкретных технических решений.

Разброс по удельным стоимостям будет еще большим, т.к. добавятся не только технические, но и технологические решения.

Поэтому для корректного анализа, ТС должен более точно определится в своих ожиданиях.

 

Теперь продолжение поста 32.

Понятно, что ТС соотношение витков 1:13 не устроит, ему как минимум нужно 1:100 (первичка-500В, вторичка-50 кВ).

Но проблема в том, что индуктивность первички уменьшится в (100)^2 раз и станет 0.125 нГн.

А ток накачки первички для энергии 10Дж станет равным 400кА.

Как уже тут отмечалось, с учетом ограничения импульсного тока - количество корпусов в таком ключе будет 200-400 шт.

А вот ожидаемая ТС средняя мощность потребления в 100 Вт не получится. Если учесть все потери, то в зависимости от длительности импульса накачки первички (1-10 мкс), потери энергии будут 100-1000 Дж на импульс, при полезной 10Дж. Т.е. при частоте импульсов 10Гц, средняя потребляемая мощность будет 1-10кВт.

Кроме того хочу обратить внимание, что при коротких импульсах накачки потребные импульсные характеристики емкостей, с которых идет накачка, будут близки к характеристикам в тиратронной схеме.

Поэтому если сравнивать тиратронную схему и дроссельную, то получается следуешее.

Двухобмоточный дроссель с нужными характеристиками сделать можно без особых напряжений. Его стоимость можно считать эквивалентной стоимости высоковольтного блока питания в тиратронной схеме.

Стоимость емкостей на 10 Дж в обоих схемах будет близка.

Получается, что нужно сравнивать только стоимости ключа и тиратрона. Ну и с учетом их эксплуатационных характеристик.

Т.е. Для расчета берем время жизни установки, получаем общее количество импульсов.

Определяем стоимость нужного количества тиратронов и стоимость простоя при их замене. И эту цифру сравниваем со стоимостью полевых ключей.

Можно поискать замену полевикам на быстрые тиристоры, биполярники, БСИ-ты...

 

Если сравнивать схему со сжатием импульсов, применение которой уже предлагалось, то нужно учитывать, что сжатие будет происходить в N-ступенях. Ступеней 5-6 в зависимости от формы выходного импульса. И в этом случае стоимость большого количества тиратронов нужно будет сравнивать со стоимостью N блоков емкостей на 10 Дж с разной степенью реактивности. Может и получится дешевле.

Edited by AleksNik

Share this post


Link to post
Share on other sites
Естественно, т.к измерения времени переключения проводятся при фиксированном начальном токе, обычно получаемом от индуктивности(поищите схему измерения). IXYS, например, измеряет при 0.5 от импульсного максимального. Поэтому наблюдаемое изменение напряжения D-S

вначале процесса зависит от выходной емкости полевика, а в конце - от сопротивления канала (это при включении, при выключении - наоборот). А в промежутках наблюдаем напряжение зависящее от перераспределения тока между перезарядом емкости полевика и его изменяющимся сопротивлением канала.

 

Измеряют почти все (изготовители) при работе на индуктивную нагрузку, ведь это-наиболее актуальный режим для силовых переключательных ПП. Но вот, что при этом понимать под временами "нарастания/спада, задержки включения/выключения", т.е. относить ли их к осциллограмме тока через ключ или осциллограмме напряжения на ключе, каждый изготовитель решает (выбирает) сам (обычно, но, к сожалению, не всегда, этот выбор поясняется в конце даташита). В большинстве случаев (большинстве ТУ) времена нарастания и спада относят к осциллограмме тока. В т.ч. и в ТУ на новые IGBT от Infineon (2011г) сделано так, а вот для CoolMOS-ов последнего поколения Инфинеон почему то применил времена нарастания и спада для характеристики скорости изменения напряжения сток-исток и, вдобавок, убрал из даташитов (мощных приборов в корпусе ТО247) пояснения по этому поводу! Я и писал выше, что нашел разъяснения этого вопроса только в ТУ на прибор (CoolMOS этого же поколения) в маленьком корпусе. Полевики IXYS этого класса явно используют инфинеоновские чипы, т.к. все электрические параметры и, даже все условия измерений, буквально совпадают.

Итоговый вывод: никто из изготовителей не заявляет скоростей переключения тока у высоковольтных полевиков в корпусе ТО247 (и подобных корпусах) выше 1,5..2 А/нс. Так что пока индуктивность цепи истока порядка 10..15 нГ "рулит".

 

Просто к сведению: у высоковольтного полевика сопротивление открытого канала составляет лишь небольшую часть от полного сопротивления прибора.

 

 

В части рассуждений по накопителям энергии-воздержусь от комментариев. Во всяком случае очевидно, что обсуждение в его нынешнем виде вряд ли поможет ТС в решении его задачи.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Но вот, что при этом понимать под временами "нарастания/спада, задержки включения/выключения", т.е. относить ли их к осциллограмме тока через ключ или осциллограмме напряжения на ключе, каждый изготовитель решает (выбирает) сам (обычно, но, к сожалению, не всегда, этот выбор поясняется в конце даташита). В большинстве случаев (большинстве ТУ) времена нарастания и спада относят к осциллограмме тока. В т.ч. и в ТУ на новые IGBT от Infineon (2011г) сделано так, а вот для CoolMOS-ов последнего поколения Инфинеон почему то применил времена нарастания и спада для характеристики скорости изменения напряжения сток-исток и, вдобавок, убрал из даташитов (мощных приборов в корпусе ТО247) пояснения по этому поводу!

Мне кажется, я достаточно подробно расписал качественную связь между током и напряжением на переключающемся полевике.

Это справедливо для изделий IR, Infineon, IXIS, ST. Для количественных оценок нужно иметь модели.

Просто к сведению: у высоковольтного полевика сопротивление открытого канала составляет лишь небольшую часть от полного сопротивления прибора.

Если под полным Вы понимаете сопротивление канала при GS=0, то оно не нормируется, а нормируется ток утечки канала , обычно 1 мА при максимальном напряжении на канале.

 

В части рассуждений по накопителям энергии-воздержусь от комментариев. Во всяком случае очевидно, что обсуждение в его нынешнем виде вряд ли поможет ТС в решении его задачи.

Абсолютно с Вами согласен.

Share this post


Link to post
Share on other sites
Если под полным Вы понимаете сопротивление канала при GS=0, то оно не нормируется, а нормируется ток утечки канала , обычно 1 мА при максимальном напряжении на канале.

 

Сопротивление открытого (напряжение затвор-исток 10..20вольт) ВЫСОКОВОЛЬТНОГО полевика в основном (процентов на 80..95) формируется сопротивлением "базы" (извиняюсь, что давно не занимался этой проблематикой и сходу не могу вспомнить общепринятое название :wacko: ) Это та толстая и высокоомная область прибора, которая в закрытом состоянии как раз выдерживает большое приложенное напряжение. В открытом состоянии из-за того, что у полевиков отсутствует инжекция неосновных носителей, она остается относительно высокоомной и дает основное падение напряжения на приборе. Собственно, полевики CoolMOS (superjunction) и призваны частично решить эту проблему (у них можно легировать "базу" в несколько раз сильнее, чем у классических полевиков), но все равно ее сопротивление доминирует. А канал и "все, что около него" производители научились делать весьма низкоомным.

Извините.

 

Share this post


Link to post
Share on other sites

И как бороться с растущей при этом емкостью "базы" т.е. затвора?

Share this post


Link to post
Share on other sites
И как бороться с растущей при этом емкостью "базы" т.е. затвора?

 

Привет.

Если я начну на это здесь отвечать, то будет злостный оффтоп. Если вопрос задан не "праздно", то можно пообщаться в другом месте (личка у меня уже работает?)

 

Share this post


Link to post
Share on other sites
Еще интересно, как оценивают плотность энергии, в Дж/м3 или в Дж/кг. И что включают в объем/массу для индуктивных накопителей.

В Дж/м3. Наверное, то же, что и для емкостных - сам накопитель.

 

Магнитный компрессор делают как элемент волноводной конструкции.

Можно и без волноводной. Дело вкуса :rolleyes:

Хотим, хотим! Дайте, наводку, только кроме Месяца и Белкина-Стрелкина. Думаю, их здесь многие знают. :)

Хм , неубедительно излагают?

Извольте:

Hansjoachim Bluhm. Pulsed Power Systems;

Paul W. Smith. Transient Electronics: Pulsed Circuit Technology;

S. T. Pai. Introduction To High Power Pulse Technology

 

 

Пусть мы запасли каким-то образом необходимую энергию в каком-то объеме феррита. Далее пусть на этом феррите есть какая-то обмотка, с очень маленькой индуктивностью. Что мешает энергии, запасенной в магнитном поле сердечника убежать быстро (то есть с большими амперами) через эту обмотку?

 

Я пока конструкционно не до конца сам представляю как это реализовать, но я пока не увидел еще опровержения этого высказывания.

IMHO Вы открыли для себя flyback

Share this post


Link to post
Share on other sites
Хотим, хотим! Дайте, наводку, только кроме Месяца и Белкина-Стрелкина. Думаю, их здесь многие знают. :)

Как по мне, так книга "Кнопфель Г. Сверхсильные импульсные магнитные поля" в этом плане самая лучшая. Нет воды, предельно инженерная выкладка с необходимыми формулами и богатое экспериментальное подтверждение.

Саму книгу можно взять здесь: http://www.twirpx.com/file/244071/

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this