Источники стабилизированного тока для корректирующих магнитов в ускорителях и накопителях заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

БЕЛИКОВ Олег Витальевич

ИСТОЧНИКИ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ТОКА ДЛЯ КОРРЕКТИРУЮЩИХ МАГНИТОВ В УСКОРИТЕЛЯХ И НАКОПИТЕЛЯХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 3 июн 2010

НОВОСИБИРСК - 2010

004603220

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Медведко

Анатолий Степанович

кандидат технических наук, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

АУЛЬЧЕНКО Владимир Михайлович

ВАГИН Алексей Ильич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

доктор технических наук, профессор, Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

кандидат технических наук, Учреждение Российской академии наук Московский радиотехнический институт, г. Москва.

Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна.

Защита диссертации состоится « «Д. » Ц Н^_2010 г.

в « О » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.

Автореферат разослан « Ж » й _2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А. В. Бурдаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН со времени его основания проводятся эксперименты со встречными электрон-позитронными пучками. Для этих целей создаются сложные ускорительно-накопительные комплексы, периметры синхротронов которых составляют десятки и сотни метров.

Жёсткие требования к структуре магнитного поля современных ускорителей и накопителей заряженных частиц приводят к необходимости использовать множество дополнительных электромагнитов (корректоров) для коррекции возмущений магнитного поля на орбите. Для раздельного управления и питания этих элементов необходима современная автоматизированная система, содержащая большое количество стабилизированных источников тока, управляемых и контролируемых от компьютера. Набор специфических требований, предъявляемых к питанию корректоров, не позволяет использовать промышленно выпускаемые источники. Актуальность настоящей работы была обусловлена необходимостью создания нового поколения источников стабилизированного тока для питания корректоров возмущений магнитного поля орбиты для вновь разрабатываемых и модернизируемых ускорителей и накопителей заряженных частиц.

Целью настоящей работы является обобщение опыта, накопленного автором в процессе разработки, изготовления и эксплуатации автоматизированных систем питания корректоров равновесной орбиты, корректоров частот бетатронных колебаний и регулировки мультипольных возмущений магнитного поля ускорителей и накопителей заряженных частиц.

Методы исследования. При решении задач связанных с разработкой электрофизического оборудования и электроники автором использовались программы моделирования нелинейных электрических схем типа NL и LES разработки ИЯФ, пакеты программ Micro-Cap, Mathcad и Excel, а также аналитические методы анализа электрических цепей.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Основываясь на изучении поведения пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц, обоснованы допуски на долговременные нестабильности и на величины пульсаций тока в обмотках различных корректоров с учётом их частотных характеристик.

2. Изучены особенности работы импульсных преобразователей для их применения в качестве силовых регуляторов в источниках стабилизированного тока. Предложена методика выбора несущей частоты преобразователя с учётом спектра частот собственных колебаний пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц, а также на основании анализа устойчивости работы цепи обратной связи источников питания, найдено

решение системы регулирования, которая остаётся устойчивой при изменении постоянной времени нагрузки в широких пределах.

3. Предложен способ построения многоканальных систем питания корректоров, позволяющий увеличить эксплуатационную надёжность физической установки.

4. Предложено схемное решение исполнения источников подшунтирования электромагнитов как элементов коррекции равновесной орбиты, с возможностью рекуперации отобранной энергии в основной источник питания электромагнитов. Проанализированы условия получения оптимальных параметров подшунтирования предложенным способом.

5. Предложен и реализован способ построения электропривода для шестифазного шагового двигателя с применением программируемой логики, позволяющий улучшить эксплуатационные характеристики системы привод - двигатель. Осуществлён режим работы двигателя с дроблением шага, позволяющий уменьшить дискретность шага, а также увеличить плавность хода на малых скоростях вращения.

Практическая ценность работы заключается в том, что рассмотренные и решённые в ней вопросы способствовали разработке систем питания электромагнитов, предназначенных для коррекции параметров магнитной системы и частот бетатронных колебаний в ускорителях и накопителях заряженных частиц.

Наиболее значимыми, по мнению автора, являются работы по созданию систем питания корректоров комплекса ВЭПП-2ООО (около 180 каналов питания) и инженерно-производственного комплекса с синхротроном «Зеленоград» - специализированного источника синхротронного излучения (около 30 каналов питания и подшунтирования).

Успешные физические результаты, полученные на комплексе ВЭПП-2000 и малом накопителе синхротрона «Зеленоград», свидетельствует о том, что перечисленные системы питания вполне соответствуют или лучше требуемых параметров. Как следствие, рассмотренные в диссертации методы могут быть применены при разработке новых подобных систем.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Предложена методика разработки систем питания электромагнитов, предназначенных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите ускорителей и накопителей заряженных частиц, заключающаяся в следующем:

1.1. Сформулированы основные требования, предъявляемые к системам питания корректоров на основе анализа поведения пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц.

1.2. На основе четырёхквадрантных широтно-импульсных преобразователей разработаны варианты структурных схем стабилизаторов тока с использованием полевых транзисторов в качестве ключевых элементов. Проанализированы переходные процессы в ключевых элементах и даны рекомендации, позволяющие улучшить коммутационные процессы.

2.3. Предложен вариант структурной схемы источника подшунти-рования электромагнитов на основе обратноходового преобразователя, позволяющий работать с рекуперацией отобранной энергии в основной источник питания электромагнита.

1.4. На основе методов теории систем авторегулирования, предложена методика анализа структурных схем, позволяющая обеспечить требуемое качество регулирования для индуктивных нагрузок с характерными частотами от 0,1 Гц до 500 Гц.

2. Разработаны следующие типы управляемых от компьютера четырех-квадрантных источников стабилизированного тока, предназначенных для питания корректоров:

2.1. УМ-б, РА-6, MPS-6 - источники с максимальным выходным током ±6А, максимальным выходным напряжением ±100 В. Дисперсия выходного тока у этих источников за 10 часов работы не превышает значения 100 ррш.

2.2. УМ-20, УМ-25, РА-25, MPS-20, MPS-25 - источники с максимальным выходным током ±(20-К25) А, максимальным выходным напряжением ±160 В. Дисперсия выходного тока у этих источников, не превышает значения 100 ррт, за 10 часов работы.

3. Для коррекции радиального положения пучка разработан источник подшунтирования SHUNT-20, позволяющий отбирать ток от обмотки электромагнита до 20 А при падении напряжения на обмотке в диапазоне от 5 до ЗОВ. При этом дисперсия тока подшунтирования за 10 часов работы не превышает значения 100 ррт. Разработанное устройство позволяет работать как с рекуперацией отобранной энергии в основной источник питания электромагнита, так и со сбросом энергии в балластную нагрузку.

4. При определяющем участии автора были созданы следующие системы, содержащие перечисленные источники питания и подшунтирования:

4.1. Системы питания корректоров равновесной орбиты и мульти-польный возмущений магнитного поля накопителя БЭП и коллайдера ВЭПП-2000, содержащие около 180 каналов питания, включая каналы транспортировки пучков заряженных частиц. Системы успешно работают в составе комплекса ВЭПП-2000 (ИЯФ).

4.2. Системы питания и подшунтирования электромагнитов, предназначенных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите малого и большого накопителей синхротрона «Зеленоград». Общее количество раздельно управляемых каналов питания и подшунтирования составляет около 30шт. Оборудование поставлено по контракту с НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Зеленоград), где в настоящее время продолжается сборка большого накопителя.

4.3. Система питания поворотного магнита выпускного устройства импульсного линейного ускорителя ИЛУ-8. Система разработана в рамках контракта по поставке ускорителя ИЛУ-8 в "e-Energy Corporation" (Япония) в 2006 году, где продолжает успешно работать по настоящее время.

4.4. Систему питания двух дублетов квадрупольных линз линейного ускорителя электронов ЛУЭ-200. Система успешно работает в составе установки ИРЕН (ОИЯИ, г. Дубна).

5. Автором разработан электропривод ЭШД-5, предназначенный для управления шестифазным шаговым двигателем типа ШД-5, с дискретностью шага 22,5 МОА (угловых минут). С использованием этого устройства была произведена модернизация механизма подавителя фона релятивистского пучка заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4, а также модернизированы сверлильные станки типа КД-46, фрезерные станки типа НЗЗ и электроэрозионные станки станочного парка в экспериментальном производстве ИЯФ, где в настоящее время успешно работают около 50 электроприводов ЭШД-5.

Апробация работы. Работы, составляющие материал диссертации, докладывались и обсуждались на научных семинарах ИЯФ. Основные результаты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:

1. XX Russian Conference on Charged Particle Accelerators (RuPAC 2006), Novosibirsk, September 10-14, 2006, Russia (1 доклад).

2. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 - 03.10 2008, Russia (3 доклада).

3. XII International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2009), Kobe, 12.10 - 16.10 2009, Japan (2 доклада).

Публикации. Все материалы диссертации опубликованы в 14 статьях в журналах и трудах конференций.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка использованной литературы (55 наименований). Содержит 130 стр. основного текста, 57 иллюстраций и 14 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы и её научная новизна, дано краткое описание работы.

В первой главе описываются магнитные системы ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-2000 и синхротрона «Зеленоград». Отдельно рассматриваются дипольные, квадрупольные, Бкеш-квадру-польные, секступольные и октупольные корректора магнитного поля. Проводятся сравнения различных способов коррекции радиального положения пучка при помощи: отдельно расположенных дипольных корректоров, дополнительных обмоток, намотанных в поворотных магнитах, или при помощи подшунтирования основных обмоток магнитов специальными источниками, осуществляющими частичный отбор тока. На основании изучения поведения пучка в накопителе заряженных частиц формулируются требования к источникам питания корректоров.

Во второй главе рассматриваются варианты возможных группирований корректоров по потребляемой мощности, позволяющие систематизировать систему их питания. Из приведённых рассуждений определяются две группы источников питания корректоров: с максимальными выходными токами 5 А и 20 А.

Основываясь на изучении частотной зависимости связи магнитного поля и тока в обмотке корректора, формулируются требования на допустимую погрешность коэффициентов передачи системы питания, а также на допустимый уровень пульсаций выходного тока в спектре частот синхротронных и бетатронных колебаний.

Исходя из требуемых параметров регулирования тока в обмотках корректоров на участках перестройки энергии ускорителей и накопителей заряженных частиц показана необходимость использования источников питания корректоров с четырёхквадрантной вольт-амперной характеристикой выходного тока (четырёхквадрантных источников тока).

В третьей главе показана и обоснована целесообразность применения широтно-импульсных преобразователей (импульсных преобразователей). С учётом требований к стабильности выходного тока источников питания корректоров, рекомендована область рабочих частот широтно-импульсного преобразования. Показана целесообразность использования полевых транзисторов в качестве ключевых элементов импульсных преобразователей в области рабочих частот.

На основании изучения переходных процессов в полупроводниковых ключах приводятся различные варианты коммутации этих элементов, реализованные автором при разработке источников питания корректоров. Рассматриваются достоинства и недостатки приведённых схем коммутации полупроводниковых ключей, а также приводятся рекомендации по минимизации потерь при их переключении.

В четвёртой главе приводятся схемные решения и способы реализации четырёхквадрантных источников стабилизированного тока на основе импульсного мостового преобразователя, обосновывается выбор способов подавления ВЧ-пульсаций выходного тока.

Рассмотрены возможные возмущающие факторы в системе стабилизации тока, а также, исходя из допустимых нестабильностей регулируемого тока, изучены регулировочные характеристики, обосновано наличие звеньев регулирования с дифференцирующей и интегрирующей характеристикой в цепи обратной связи по току, а также приводятся оценки качества регулирования выходного тока для различных параметров нагрузок.

Предложены конкретные практические реализации схем источников питания с максимальными выходными токами ±6 А и ±(2(Н25) А. Абсолютное значение выходного напряжения этих источников выбирается от О В до 100 В, в зависимости от индуктивного и активного сопротивлении питаемых обмоток корректоров и подводящих трасс, а долговременная нестабильность выходного тока не превышает 0,01% от максимального значения за 10 часов работы.

Показана целесообразность исполнения многоканальной модульной системы питания, позволяющей улучшить эксплуатационные характеристики. Продемонстрированы различные варианты исполнения многоканальных модулей питания в конструктиве «ВИШНЯ» и «Евромеханика». В последнем варианте межблочные соединения выполнены на кросс-плате, что позволило упростить процесс тиражирования этих устройств. Показана целесообразность применения аппаратных защит в источниках питания, а также приведена схема узла рекуперации энергии, запасённой в индуктивности обмотки корректора.

Приводятся результаты лабораторных испытаний разработанных источников тока, контроль и управление которыми осуществляется при помощи многоканальных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, позволяющих контролировать выходной ток и напряжение источников тока и вспомогательных устройств.

В пятой главе рассмотрены существующие варианты исполнений источников подшунтирования электромагнитов, а также предложена новая схема, позволяющая осуществлять рекуперацию отобранной энергии в источник питания основного магнита, что избавляет от необходимости применять нагрузочные резисторы. В качестве основного схемного решения обоснован выбор схемы обратноходового преобразователя, обеспечивающего требуемый режим работы с гальванической развязкой входной и выходной частей источника подшунтирования.

Предлагается схемное решение источника с максимальным током подшунтирования 20 А, для магнита с максимальным падением напряжения на обмотке до 30 В. Абсолютная погрешность регулирования тока подшунтирования составляет 0,1% от максимального значения, а ширина полосы пропус-

кания токовой петли обратной связи составляет примерно 500 Гц. Двухканальный источник подшунтирования выполнен в конструктиве «Евромеханика» с воздушным охлаждением силовой части обратноходового преобразователя.

Предложен способ увеличения тока подшунтирования на энергии инжекции, при низком напряжении на обмотке подшунтируемого магнита. Приводятся расчёты максимального тока подшунтирования при напряжении на обмотке менее 3 В.

В шестой главе даётся описание систем питания корректоров возмущений магнитного поля коллайдера ВЭПП-2000, синхротрона «Зеленоград», и других физических установок. Описанные системы разработаны автором на основе стабилизированных источников тока. Демонстрируется целесообразность разбиения систем питания на отдельные группы. Приводятся измеренные на физических установках гистограммы выходного тока, осциллограммы переходных процессов источников питания, а также результаты измерений равновесной орбиты в коллайдере ВЭПП-2000. Демонстрируется соответствие расчётных и измеренных параметров источников питание.

Приводится описание спроектированной автором системы коррекции радиального положения пучка в Малом накопителе синхротрона «Зеленоград», реализованной подшунтированием обмоток поворотных магнитов основного поля. Система подшунтирования реализована с рекуперацией энергии, отобранной от обмоток магнитов, в источники питания поворотных магнитов. Приводятся осциллограммы переходных процессов в цепи рекуперации.

В седьмой главе демонстрируется ещё одно применение импульсных преобразователей - для управления шаговыми электродвигателями. Предлагается практическая реализация схемы шестифазного электропривода, предназначенного для управления шаговыми двигателями типа ШД-5. Исполнительный алгоритм работы электропривода, а также регулирование тока в обмотках двигателя реализовано в цифровом виде на программируемой логической интегральной схеме, что позволило реализовать дробление шага двигателя на четыре, автоматическое уменьшение токов в обмотках двигателя в режиме удержания и другое.

Приводятся результаты испытаний, демонстрирующие улучшение характеристик двигателя за счёт добавления новых режимов работы электропривода, позволяющих уменьшить влияние неустойчивостей пошагового режима вблизи резонансных частот, а также уменьшить нагрев двигателя в процессе работы. Рассматриваются примеры модернизации сверлильных, фрезерных и электроэрозионных станков станочного парка ИЯФ.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту. Подчёркнуто, что разработанная аппаратура является частью ускорителей и накопителей заряженных частиц.

Основные результаты по теме диссертации содержатся в следующих

работах:

1. О.В. Беликов, Э.Л. Неханевич, Ш.Р. Сингатулин. Электропривод для шагового двигателя ШД5. // Препринт 2002-66, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

2. O.V. Belikov, D.E. Berkaev, V.R. Kozak, A.S. Medvedko. Power supply system for correcting magnets of VEPP-2000 complex. // XX Russian Conference on Charged Particle Accelerators (RuPAC 2006), Novosibirsk, September 10-14,2006, Russia.

3. О.В. Беликов, A.C. Медведко, Ш.Р. Сингатулин. Привод для б-тифазного шагового двигателя. Журнал "Силовая интеллектуальная электроника" №1(7), 2007г., стр. 27, Новосибирск.

4. О.В. Беликов, Д.Е. Беркаев, В.Р. Козак, А.С. Медведко. Усилители мощности УМ-6 и УМ-20 для питания корректоров комплекса ВЭПП-2000. // Препринт 2007-014, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

5. О.В. Беликов, В.А. Журавлёв, Э.Л. Неханевич. Модернизация системы ЧПУ сверлильного станка КД-46. // Препринт 2007-023, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

6. О.В. Беликов, М.О. Жуков. Источник питания корректирующих элементов ускорительной техники на базе цифрового сигнального процессора. // Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 2, выпуск 3. 2007, Новосибирск.

7. О. Belikov, V. Kozak, A. Medvedko. Four-quadrant power supplies for steering electromagnets for electron-positron colliders. // XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 - 03.10 2008, Russia.

8. O. Belikov, A. Chernyakin, V. Kozak, A. Medvedko. Bypass system for shunting of electromagnets for accelerators and storage rings. // XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 -03.10 2008, Russia.

9. D. Berkaev, O. Belikov, V. Kozak, P. Shatunov, A. Medvedko. System of Power Supply Ripples Measurement for VEPP-2000 Collider. // XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28,09 - 03.10 2008, Russia.

10. O. Anchugov et all. Status of "Zelenograd" storage ring. // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. - 2009. - Vol. A603, No 1/2. - P. 4 -6.

11. О.В. Беликов, A.C. Медведко, В.Р. Козак. Источник подшунтирования электромагнитов для коррекции параметров пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц. // Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 4, выпуск 3. 2009, Новосибирск.

12. A.S. Medvedko, D.E. Berkaev, O.V. Belikov, P.Yu. Shatunov, V.R. Kozak. System of Power Supply Ripples Measurement for VEPP-2000 Collider. II XII International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2009), Kobe, 12.10- 16.10 2009, Japan.

13. A.S. Kasaev, A.S. Stankevich, D.E. Berkaev, F.V. Podgorny, O.V. Belikov, P.B. Cheblakov, V.R. Kozak. Control System for Injection Channels of VEPP-2000 Collider, // XII International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2009), Kobe, 12.10 - 16.10 2009, Japan.

БЕЛИКОВ Олег Витальевич

Источники стабилизированного тока для корректирующих магнитов в ускорителях и накопителях заряженных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Сдано в набор .31.03. 2010 г. Подписано в печать 31.03.2010 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.6 печ.л., 0.5 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 9_

Обработано на РС и отпечатало на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Введение.

Глава 1. Параметры корректоров магнитного поля ускорителей и накопителей заряженных частиц.

1.1 Параметры магнитной системы комплекса ВЭПП-2000.

1.1.1 Структура магнитной системы.

1.1.2 Система электромагнитов, предназначенных для коррекции дипольных искажений равновесной орбиты.

1.1.3 Корректоры частот бетатронных колебаний.

1.1.4 Корректоры хроматизма.

1.1.5 Корректоры связи горизонтальных и вертикальных бетатронных колебаний.

1.1.6 Общие требования к питанию корректоров комплекса ВЭПП-2000.

1.2 Параметры магнитной системы синхротрона "Зеленоград".

1.2.1 Структура магнитной системы БН.

1.2.2 Корректоры хроматизма БН.

1.2.3 Корректоры кубической нелинейности и связи горизонтальных и вертикальных бетатронных колебаний.

1.2.4 Структура магнитной системы МН.

1.2.5 Корректоры равновесной орбиты МН.

1.2.6 Корректоры частот бетатронных колебаний МН.

1.2.7 Корректоры квадратичных и кубических нелинейностей магнитного поля МН.

1.2.8 Поворотный магнит ЭОК-1.

1.2.9 Специфика требований к питанию синхротрона "Зеленоград".

Глава 2. Особенности системы питания корректоров ускорителей и накопителей заряженных частиц.

2.1 Объединение корректоров в группы по потребляемой мощности.

2.2 Требования к долговременной стабильности магнитного поля.

2.3 Требования к динамической стабильности магнитного поля.

2.4 Требования к полярности источников питания.

Глава 3. Анализ переходных процессов в полупроводниковых ключах.

3.1 Выбор ключевых элементов.

3.2 Динамические параметры ключевых элементов.

3.3 Мягкая коммутация ключевых элементов.

Глава 4. Четырёхквадрантные источники тока.

4.1 Структура каналов питания.

4.1.1 Фильтр низких частот.

4.1.2 Устойчивость цепи обратной связи.

4.2 Источники питания с выходным током до 6А.

4.2.1 Источник тока MPS-6.

4.2.2 Модуль питания MPS-6.

4.3 Источники питания с выходным током до 20А.

Глава 5. Коррекция радиального положения пучка методом подшунтирования электромагнитов.

5.1 Общие сведения и выбранный способ подшунтирования.

5.1.1 Подшунтирование магнитов с использованием линейного регулятора.

5.1.2 Подшунтирование с использованием последовательного импульсного регулятора.

5.1.3 Подшунтирование с использованием обратноходового преобразователя.

5.2 Источник подшунтирования SHUNT-20.

Глава 6. Испытания и результаты.

6.1 Система питания корректоров магнитного поля ВЭ1Ш-2000.

6.2 Система питания корректоров магнитного поля МН синхротрона

Зеленоград".

6.3 Питание поворотного магнита выпускного устройства ускорителя

ИЛУ-8.

6.4 Другие применения четырёхквадрантных источников тока.

Глава 7. Применение импульсных преобразователей для управления шаговыми двигателями.

7.1 Шаговый двигатель ШД-5.

7.2 Устройство электропривода ЭШД-5.

В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) со времени его основания проводятся эксперименты со встречными электрон-позитронными пучками. Для этих целей создаются сложные ускорительно-накопительные комплексы, периметры синхротронов которых составляют десятки и сотни метров.

Магнитная система современных синхротронов, как правило, содержит несколько десятков дипольных магнитов, а также десятки квадрупольных, секступольных и октупольных линз. Жёсткие требования к структуре магнитного поля современных ускорителей и накопителей заряженных частиц приводят к необходимости использовать множество дополнительных электромагнитов (корректоров) для коррекции возмущений магнитного поля на орбите. Для раздельного питания этих элементов необходима современная автоматизированная система, содержащая большое количество стабилизированных источников тока, управляемых и контролируемых от компьютера. Набор специфических требований, предъявляемых к питанию корректоров, не позволяет использовать промышленно выпускаемые источники.

Целью настоящей работы является обобщение опыта, накопленного автором в процессе разработки, изготовления и эксплуатации автоматизированных систем питания корректоров равновесной орбиты, корректоров частот бетатронных колебаний и регулировки мультипольных возмущений магнитного поля ускорителей и накопителей заряженных частиц.

В ИЯФ СО РАН в очередной раз потребность в создании современной системы питания возникла в процессе модернизации коллайдера ВЭПП-2М [1]. Одной из задач модернизированного электрон-позитронного коллайдера являлось увеличение точности измерения адронных сечений в области энергий от 1,4 до 2GeV в системе центра масс. Для этого потребовалось изменить всю оптику коллайдера, вследствие чего было принято решение заменить всю систему питания магнитов, в том числе и систему питания корректоров.

Как и ожидалось в начале этой работы, источники тока, разработанные для питания систем коррекции возмущений магнитного поля, оказались применимы для других целей, в частности при разработке автором электроприводов, предназначенных для управления шестифазными шаговыми двигателями.

Обзор отечественной и зарубежной литературы, а также докладов на ускорительных совещаниях, демонстрирует актуальность широкого круга проблем, возникающих при разработке системы питания электромагнитов ускорителей и накопителей заряженных частиц [2-7]. Современное состояние технологии производства компонент силовой электроники требует от разработчиков систем питания поисков новых схемотехнических решений. Поэтому ряд вопросов, рассматриваемых в диссертации, имеет оригинальное решение и представляет научную новизну.

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

Основываясь на изучении поведения пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц, обоснованы допуски на долговременные нестабильности и на величины пульсаций тока в обмотках различных корректоров с учётом их частотных характеристик.

Изучены особенности работы импульсных преобразователей для их применения в качестве силовых регуляторов в источниках стабилизированного тока. Предложена методика выбора несущей частоты преобразователя с учётом спектра частот собственных колебаний пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц. На основании анализа работы цепи обратной связи источников питания найдено решение системы регулирования, которая остаётся устойчивой при изменении постоянной времени нагрузки в широких пределах.

Предложен способ построения многоканальных систем питания корректоров, позволяющий увеличить эксплуатационную надёжность физической установки.

Предложено схемное решение исполнения источников подшунтирования электромагнитов как элементов коррекции равновесной орбиты, с возможностью рекуперации отобранной энергии в основной источник питания электромагнитов. Проанализированы условия получения оптимальных параметров подшунтирования предложенным способом.

Предложен и реализован способ построения электропривода для шестифазного шагового двигателя с применением программируемой логики, позволяющий улучшить эксплуатационные характеристики системы привод -двигатель. Осуществлён режим работы двигателя с дроблением шага, позволяющий увеличить плавность хода на малых скоростях вращения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведённые в диссертации научно-технические решения нашли широкое применение на ускорителях и накопителях заряженных частиц ИЯФ и за его пределами. Итогом проделанной работы можно считать следующие результаты:

1. Автором предложена методика разработки систем питания электромагнитов, предназначенных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите ускорителей и накопителей заряженных частиц, заключающаяся в следующем:

1.1. Сформулированы основные требования, предъявляемые к системам питания корректоров на основе изучения поведения пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц.

1.2. На основе четырёхквадрантных широтно-импульсных преобразователей разработаны варианты структурных схем стабилизаторов тока с использованием полевых транзисторов в качестве ключевых элементов. Проанализированы переходные процессы в ключевых элементах и даны рекомендации, позволяющие улучшить коммутационные процессы.

1.3. Предложен вариант структурной схемы источника подшунтирования электромагнитов на основе обратноходового преобразователя, позволяющий работать с рекуперацией отобранной энергии в основной источник питания электромагнита.

1.4. На основе методов теории систем авторегулирования предложена методика анализа структурных схем, позволяющая обеспечить требуемое качество регулирования для индуктивных нагрузок с характерными частотами от 0,1 Hz до 500Hz.

2. Автором разработаны следующие типы управляемых от компьютера четырех-квадрантных источников стабилизированного тока, предназначенных для питания корректоров магнитного поля:

2.1. УМ-6, РА-6, MPS-6 - источники с максимальным выходным током ±6А, максимальным выходным напряжением до 100 V. Дисперсия выходного тока у этих источников за 10 часов работы не превышает значения ЮОррт.

2.2. УМ-20, УМ-25, РА-25, MPS-20, MPS-25 - источники с максимальным выходным током ±(20+25)А, максимальным выходным напряжением до J60V. Дисперсия выходного тока у этих источников не превышает значения ЮОррт, за 10 часов работы.

3. Для коррекции радиального положения пучка автором разработан источник подшунтирования SHUNT-20, позволяющий отбирать ток от обмотки электромагнита до 20А при падении напряжения на обмотке в диапазоне от 5V до 30V. При этом дисперсия тока подшунтирования за 10 часов работы не превышает значения ЮОррт. Разработанное устройство позволяет работать как с рекуперацией отобранной энергии в основной источник питания электромагнита, так и со сбросом энергии в балластную нагрузку.

4. При определяющем участии автора были созданы следующие многоканальные системы, содержащие перечисленные источники питания и подшунтирования:

4.1. Системы питания корректоров равновесной орбиты и мультипольных возмущений магнитного поля накопителя БЭП и коллайдера ВЭПП-2000, содержащие около 180 каналов питания, включая каналы транспортировки пучков заряженных частиц. Системы успешно работают в составе комплекса ВЭПП-2000 (ИЯФ).

4.2. Системы питания и подшунтирования электромагнитов, предназначенных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите малого и большого накопителей синхротрона «Зеленоград». Общее количество раздельно управляемых каналов питания и подшунтирования составляет около 30шт. Оборудование поставлено по контракту с НИИФП им. Ф.В. Лукина г. Зеленоград), где в настоящее время продолжается сборка большого накопителя.

4.3. Система питания поворотного магнита выпускного устройства импульсного линейного ускорителя ИЛУ-8. Система разработана в рамках контракта по поставке ускорителя ИЛУ-8 в "e-Energy Corporation" (Япония) в 2006 году, где продолжает успешно работать по настоящее время.

4.4. Система питания дублетов квадрупольных линз линейного ускорителя электронов ЛУЭ-200. Система успешно работает в составе установки ИРЕН (ОИЯИ, г. Дубна).

5. Автором разработан электропривод ЭШД-5, предназначенный для управления шестифазным шаговым двигателем типа ШД-5, с дискретность шага 22,5МОА (Minute Of Angle). С использованием этого устройства была произведена модернизация механизма подавителя фона релятивистского пучка заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4, а также модернизированы сверлильные станки типа КД-46, фрезерные станки типа НЗЗ и электроэрозионные станки станочного парка в экспериментальном производстве ИЯФ, где в настоящее время успешно работают около 50 электроприводов ЭШД-5.

В заключение автор выражает глубокую признательность научному руководителю кандидату технических наук А.С. Медведко за внимание и помощь при разработке систем питания и написании диссертации.

Также хочется отметить, что данная работа велась автором в коллективе сотрудников лаборатории и института. Особое значение, как для успешной работы автора, так и для написания диссертации имеет многолетнее сотрудничество с В.Р. Козаком и Ш.Р. Сингатулиным.

Автор благодарен Д.Е. Беркаеву, О.А. Проскуриной, А.К. Третьякову за техническую помощь в наладке и запуске системы питания, В.В. Леханову за высококачественное изготовление электронного оборудования, а также другим сотрудникам Лаб. 6 и Лаб. 11.

125

1. А.А. Валишев и др. Проект нового электрон-позитронного коллайдера ВЭПП-2000. XV1. совещание по ускорителям заряженных частиц, Протвино, 17.10-20.10 2000, Россия.

2. С. Rodrigues, L. Н. Oliveira, A. R. Silva. A New Family of Power Supplies for the LNLS Orbit Correctors. Particle Accelerator Conference, (РАС'07), Albuquerque, New Mexico, 25.06-29.06 2007, USA.

3. A. C. de Lira et al. The DC-Magnet Power Supplies for the LCLS Injector. Particle Accelerator Conference, (PAC'07), Albuquerque, New Mexico, 25.06-29.06 2007, USA.

4. A. Medvedko. Review of the Power Supplies for Electromagnetic Systems of the Storage Rings and Accelerators. The 17th International Conference on High Energy Accelerators (HEACC'98), Dubna, 07.09-12.09 1998, Russia.

5. E.J. Martin, et al. A 20 ampere shunt regulator for controlling individual magnets in aseriesed string. Particle Accelerator Conference, (PAC'95), Dallas, TX,01.05-05.05 1995, USA.

6. S.H. Nam, et al. A high current shunt regulator for quadrupole magnets in PLS 2GeV storage ring. Particle Accelerator Conference, (PAC'97), Vancouver, ВС, 12.0516.05 1997, Canada.

7. C. Rodrigues, A. R. Silva. Active Shunts for the LNLS Storage Ring Quadrupoles. Particle Accelerator Conference, (PAC'07), Albuquerque, New Mexico,25.06-29.06 2007, USA.

8. V.V. Danilov et al. The Concept of Round Colliding. European Particle Accelerator Conference (EPAC'96), Barcelona, 10.06-14.06 1996, Spain.

9. L.M. Barkov et al. Status of the Novosibirsk Phi-Factory Project. IEEE Particle Accelerator Conference (PAC'91), San Francisco, California, 06.05-09.05 1991, USA.

10. V.V. Danilov et al. Novosibirsk Ф-factory project. Asian Particle Accelerator Conference (APAC'98), Tsulcuba, 23.03-27.03 1998, Japan.

11. Yu.M. Shatunov et al. Project of VEPP-2000 Electron-Positron Collider. XIX International Workshop on Charged Particle Accelerators, September 14, 2001.

12. A.JI. Романов. Использование матрицы отклика для определения параметров магнитной структуры ускорителей. Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 2, выпуск 1.2007, Новосибирск.

13. Материалы сайта http://vepp2k.inp.nsk.su.

14. А.Г. Валентинов, и др. Параметры ТНК специализированного источника синхротронного излучения. Препринт ИЯФ СО АН 90-129, Новосибирск, 1990.

15. А.Г. Валентинов, и др. Магнитная система накопителя Сибирь-2 — специализированного источника СИ. Препринт ИЯФ СО АН 89-174, Новосибирск, 1989.

16. A Zichichi, et al. Theoretical aspects of the behaviour of beams in accelerators and storage rings. Proceedings of the First Course ot the International School of Particle Accelerators of the "Ettore Majorana" Centre for Scientific Culture, 1976.

17. Дж. Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. М. Наука,1973.

18. Е.Г. Комар. Ускорители заряженных частиц. М. Атомиздат, 1964.

19. А.Н. Лебедев, А.В. Шальнов. Основы физики и техники ускорителей. Учебное пособие для вузов. В 3-х томах. Т 2. Циклические ускорители. М. Энергоиздат, 1982.

20. М. Lonza et al. A Fast Orbit Feedback for the ELETTRA Storage Ring. ICALEPCS07, Knoxville, Tennessee, USA, 2007.

21. J. Safranek. Experimental Determination of Storage Ring Optics Using Orbit Response Measurements. Nucl. Instr. andMeth. 1997. Vol. A388. p. 27.

22. Материалы сайта http://www.irf.com.

23. Материалы сайта http://www.ixys.com.

24. J. Zhang et al. "A novel zero-current transition full bridge DC/DC converter", in IEEE Trans, on Power Elec., Mar. 2006, vol. 21, no.2, pp. 354 360.

25. X. Zhu et al. "Current-fed phase shift controlled full bridge ZCS DC-DC converter with reverse block IGBT", in IEEE APEC Conf. 2006, pp. 1605 1610.

26. S. W. Leung et al. "A ZCS isolated full-bridge boost converter with multiple inputs," in IEEE PESC Conf. 2007, pp. 2542 2548.

27. Q. Sun et al. "A ZCS full-bridge PWM converter with selfadaptable softswitching snubber energy," in IEEE PESC Conf. 2008, pp. 3001-3007.

28. Ю.Г. Толстов и др. Справочник по проектированию электропривода, силовых и осветительных установок. М, Энергия, 1974, с. 187.

29. С.П. Петров. Разработка тиристорных источников стабилизированного тока для питания магнитных элементов накопителей заряженных частиц. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Новосибирск, ИЯФ, 1987.

30. В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. Теория систем автоматического регулирования. М. Наука, 1966.

31. О.В. Беликов, М.О. Жуков. Источник питания корректирующих элементов ускорительной техники на базе цифрового сигнального процессора. Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 2, выпуск 3. 2007, Новосибирск.

32. O.V. Belikov, D.E. Berkaev, V.R. Kozalc, A.S. Medvedko. Power supply system for correcting magnets of VEPP-2000 complex. XX Russian Conference on Charged Particle Accelerators (RuPAC 2006), Novosibirsk, September 10-14, 2006, Russia.

33. О. Belikov, V. Kozak, A. Medvedlco. Four-quadrant power supplies for steering electromagnets for electron-positron colliders. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 03.10 2008, Russia.

34. B.P. Козак, M.M. Ромах. Устройства с интерфейсом CANbus для систем автоматизации физических установок (блоки САС208, CURW). Препринт ИЯФ СО РАН 2004-68, Новосибирск, 2004.

35. В.Р. Козак, Э.А. Купер, А.Н. Фисенко. Набор устройств с интерфейсом CANBUS для систем автоматизации физических установок. Препринт ИЯФ СО РАН 2003-70, Новосибирск, 2003.

36. О. Belikov, A. Chernyakin, V. Kozak, A. Medvedlco. Bypass system for shunting of electromagnets for accelerators and storage rings. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 03.10 2008, Russia.

37. O.B. Беликов, A.C. Медведко, B.P. Козак. Источник подшунтирования электромагнитов для коррекции параметров пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц. Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 4, выпуск 3. 2009, Новосибирск.

38. В.Р. Козак. Набор устройств с интерфейсом CANbus в евромеханическом стандарте. Препринт ИЯФ СО РАН 2008-18, Новосибирск, 2008.

39. О.В. Беликов, Д.Е. Беркаев, В.Р. Козак, А.С. Медведко. Усилители мощности УМ-6 и УМ-20 для питания корректоров комплекса ВЭПП-2000. Препринт 2007-014, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

40. D. Berlcaev, О. Belikov, V. Kozak, P. Shatunov, A. Medvedko. System of power supply ripples measurement for VEPP-2000 collider. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 03.10 2008, Russia.

41. Измерение параметров захваченного пучка и настройка оптики ВЭПП-2000. Ежегодный отчёт 2006, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

42. О. Anchugov, V. Arbuzov, О. Belikov et all. Status of "Zelenograd" storage ring. Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. 2009. - Vol. A603, No 1/2. - P. 4 -6.

43. B.P. Козак. Тестовое обеспечение для устройств с интерфейсом CANbus. Препринт ИЯФ СО РАН 2008-16, Новосибирск, 2008.

44. B.JL Ауслендер и др. Импульсный высокочастотный ускоритель электронов ИЛУ-8. Журнал "Приборы и техника эксперимента" №3, 2009г. стр. 98. Москва.

45. А.В. Белозёров, О.В. Беликов, и др. Физический пуск первой очереди установки ИРЕН. Журнал "Физика элементарных частиц и атомного ядра" Т40, Дубна, 2009.

46. P.V. Logatchev, А.А. Starostenko, et al. Feasibility Study of Using an Electron Beam for Profile Measurements in the SNS Accumulator Ring. Particle Accelerator Conference, 2005 (РАС'05), Knoxville, Tennessee, 16.05-20.05 2005, USA.

47. В.Ф. Гумен, Т. В. Калининская. Следящий шаговый двигатель. Новосибирск, Энергия, 1980.

48. О.В. Беликов, А.С. Медведко, Ш.Р. Сингатулин. Привод для 6-тифазного шагового двигателя. Журнал "Силовая интеллектуальная электроника" №1(7), 2007г., стр. 27, Новосибирск.

49. С.В. Кротов. Блоки управления шаговыми двигателями в стандарте КАМАК. Препринт 82-99, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

50. О.В. Беликов, Э.Л. Неханевич, Ш.Р. СиншСулин. Электропривод для шагового двигателя ШД5. Препринт 2002-66, ИЯФ СО РАД Новосибирск.

51. Т. Кенио. Шаговые двигатели и их микропроцессорные системы управления. М, Энергоатомиздат, 1987.

52. С.В. Кротов. Автоматизированный комплекс для проектирования и производства радиоэлектронной аппаратуры ускорительно накопительных установок. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Новосибирск, ИЯФ, 1987.

53. О.В. Беликов, В.А. Журавлёв, Э.Л. Неханевич. Модернизация системы ЧПУ сверлильного станка КД-46. Препринт 2007-023, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.

54. Э.Л. Неханевич. Применение системы передачи данных ДОЗА в условиях промышленного производства. Препринт 2002-61, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.