Ферромагнитный размыкатель с ортогональными полями и его возможные применения для коммутации сверхсильных токов в цепях накопителей энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

^ » к/ ь/ Ч ■ <■

Санкт-Петербургский государственный технический

университет

УДК 621.316 На правах рукописи

Ферромагнитный размыкатель с ортогональными полями и его возможные применения для коммутации сверхсильных токов в цепях накопителей энергии

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.04.13 — Электрофизика

Соискатель: Ефимов И.П.

Научный руководитель: д.т.н., проф. Шнеерсон Г.А.

Санкт-Петербург, 1999

Оглавление

Введение.............................................................................................................................. 2

Глава 1. Проблемы коммутации тока в ИНЭ и ИЕНЭ. Задачи работы

1.1. Обзор возможных методов и способов коммутации сверхсильных импульсных токов..................................................................................................... 5

1.2. Использование нелинейных ицдуктивностей с внешним управлением в промышленной энергетике................................................................................... 24

1.3. Некоторые качественные способы оценки энергии перемагничивания 34 ферромагнитного вещества..................................................................................

1.4. Постановка задач диссертационной работы............................................... 40

Гмва 2. Принцип действия ФР и описание его работы в рамках идеальной зависимости В-}(И)

2.1. Экспериментальные данные по взаимодействию ортогональных магнитных полей в нелинейной ферромагнитной среде. Литературные данные

и их анализ............................................................................................................. 43

2.2. Принцип действия ферромагнитного размыкателя с поперечным под-магничиванием...................................................................................................... 48

2.3. Приближенный расчет индуктивного накопителя энергии с ферромагнитным размыкателем.......................................................................................... 51

2.4. Оптимизация характеристик ферромагнитного размыкателя, работающего в режиме слабого насыщения.............................................................. 55

2.5. Работа ферромагнитного размыкателя в режиме сильного насыщения. 59

2.6. Влияние немагнитного зазора на эффективность ферромагнитного

размыкателя........................................................................................................... 64

2.4. Оценки характеристик системы подмагничивания.................................... 68

Глава 3. Энергетические характеристики ИНЭ с ФР

3.1. Общие сведения о преобразовании энергии при размагничивании и намагничивании соленоидов с ферромагнитным сердечником...................... 76

3.2. Простейшие примеры процессов преобразования энергии в элементе цепи, включающем в себя соленоид с продольным подмагничиванием........ 81

3.2.1. Система с постоянным потоком.................................................... 81

3.2.2. Система с постоянным током........................................................ 91

3.3. Преобразование энергии при коммутации ИНЭ с помощью ФР............ 96

Гмва 4. Численное моделирование процессов коммутации в индуктивно-емкостном накопители энергии с ферромагнитным размыкателем

4.1. Математическая модель взаимодействия ортогональных магнитных полей в ферромагнитной среде............................................................................ 106

4.2. Численное исследование переходных процессов для различных вариантов схемных решений ИЕНЭ с ФР...................................................................... 112

4.2.1. Ферромагнитный размыкатель с компенсацией управляющего тока..........................................................................................................................................................................................................................112

4.2.2. Ферромагнитный размыкатель с компенсацией управляющего поля..........................................................................................................................................................................................................................121

4.2.3. Схема с самонамагничиванием............................................................................................................123

Глава 5. Численные исследования переходных процессов в конкретных устройствах с ФР и оптимизация их параметров

6.1. Устройство обострения мегаамперных токов для получения сверхсильного магнитного поля с малым временем нарастания..................................... 128

6.2. Система формирования импульсов тока с предельными параметрами (размыкатель тока промежуточной ступени для проекта «Байкал»).............. 142

Заключение.......................................................................................................................... 153

Список литературы........................................................................................................... 157

Введение

В последние годы особый интерес вызывает изучение эффектов, требующих приложения гигантских электрических мощностей. К таким эффектам можно отнести получение сверхсильных импульсных магнитных полей и изучение широкого круга задач, связанных с ним; изучение свойств материалов в экстремальных условиях; задачи, связанные с ускорением заряженных частиц; ряд прикладных задач, относящихся к поджигу термоядерных мишеней, запитки крупных лазерных установок, генерированию мощных пучков рентгеновского излучения и т.п.

Для выделения больших мощностей на нагрузке требуется сформировать импульс сверхсильного тока с коротким временем нарастания, т.е. введение в нагрузку большой энергии за очень малое время. В технике получения сильных и сверхсильных импульсных токов стандартным методом формирования импульсов является переброс тока из накопительной цепи генератора или накопителя энергии в нагрузку. Обычно в накопительной цепи каким-либо способом за относительно большое время накапливается необходимая энергия. Затем эта энергия, в виде импульса тока, либо напрямую, либо через несколько ступеней формирования (или преобразования) передается в нагрузку за очень короткие времена. Часть энергии, естественно, при этом теряется.

Таким образом, при перебросе тока наиболее существенными являются задачи:

• передать энергию с наименьшими потерями при коммутации

(повысить КПД передачи энергии);

• по возможности сократить время ввода энергии в нагрузку

(обострить фронт импульса тока).

При прямой передаче энергии из накопителя (или генератора) в индуктивную нагрузку очень сложно выполнить эти требования одновременно, поскольку скорость ввода энергии и КПД ввода энергии определяются соотношением между собственной индуктивностью накопителя и индуктивностью нагрузки: максимальную скорость ввода энергии можно получить когда индуктивность нагрузки много меньше индуктивности накопителя, а оптимальное значение КПД переброса тока - при их равенстве.

Таким образом, исходя из конкретной задачи приходится выбирать один наиболее важный критерий и применять дополнительные устройства для улучшения второго.

При идеальной работе коммутирующего элемента - мгновенном изменении тока от начального значения до 0, - передача энергии магнитного поля из индуктивности в индуктивность без преобразования ее в другие виды энергии определяется известным соотношением:

„ АЛ

где Ь0 - величина накопительной индуктивности, Ья - величина индуктивности нагрузки, и имеет максимальный КПД 77тах =0.25 при ЬН=Ь0 и отсутствии начального тока в нагрузке. Как показано в работе [1], с вводом начального тока в нагрузку, равного половине тока в накопителе, КПД системы определяется выражением

4

(¿0+24)

и при выполнении условия »1, можно получить максимальное значение =0.5. Это, по всей видимости, максимально достижимая величина КПД при однократной коммутации без преобразования энергии.

Возможность дальнейшего повышения коэффициента передачи энергии в нагрузку связывается уже с другими схемами построения источника (накопителя). В работе [2] упоминаются два класса схемных решений ИН:

1. Применение промежуточных преобразований энергии. Например, из магнитной энергии ИН в электрическую емкостного накопителя (ЕН) (такой способ будет рассмотрен в работе в качестве одного из примеров при передаче энергии) или многофазное преобразование тока ИН посгоянный-переменный-посгоянный.

2. Существенно увеличить коэффициент передачи энергии можно с помощью применения схем многосекционных ИН, предложенных А.П. Потоцким [3] с последовательным подключением к нагрузке очередных секций накопителя (г| —>0.65) или переключением секций с последовательного соединения на параллельное. При достаточно большом количестве модулей ЛГ, максимальное значение КПД может достигать величины

*7тя = * ~ ^ %у2/3 и стремиться к единице.

Второй способ не всегда приемлем. Например, при получении экстремальных магнитных полей и исследовании скоростных процессов, необходимыми условиями эксперимента являются отсутствие предварительного воздействия на нагрузку предымпульсом тока и времена ввода энергии, лежащие в микросекундном диапазоне. В этом случае как применение многосекционных ИНЭ так и введение в нагрузку предварительного тока невозможно.

С точки зрения плотности накапливаемой энергии наиболее эффективным являются индуктивные накопители энергии (ИНЭ), в которых энергия накапливается в индуктивности при пропускании по ней тока. ИНЭ в свою очередь могут быть переходным звеном между накопителями (или генераторами импульсных токов) других типов и

нагрузкой, позволяя увеличить плотность вводимой энергии. Например, достаточно распространенным использованием ИНЭ является его применение в комбинации с емкостным накопителем энергии (индуктивно-емкостной накопитель - ИЕНЭ). Тогда вначале энергия накапливается в емкости конденсаторной батареи, а потом передается в индуктивный накопитель, формирующий на нагрузке импульс тока.

Для быстрой передачи энергии в малоиндуктивную нагрузку из индуктивного накопителя энергии критической стадией является переброс тока из накопительной цепи в нагрузочную.

В этом случае ключевую роль играет размыкатель тока (opening switch), который должен обладать рядом специфических и трудновыполнимых требований. Предложить универсальный метод решения этой задачи невозможно - тип размыкателя должен определяться исходя из конкретных целей (требуемых характеристик) и реальных возможностей (т.е. исходя из технико-экономических соображений).

Сейчас наиболее эффективными размыкателями для коммутации сверхсильных (мегаамперных) токов можно считать взрывные, электровзрывные и плазменные размыкатели и их вариации (эрозионные, рельсотронные, диффузионные и т.п.).

Наиболее перспективным направлением является разработка размыкателей, не имеющих в составе частей, совершающих механические перемещения в процессе коммутации, что позволяет создавать устройства многоразового использования с короткими временами срабатывания. Принцип работы таких коммутаторов основан на обратимом изменении характеристик рабочего материала размыкателя каким-либо внешним воздействием. Таким образом, подобные коммутаторы являются практически безынерционными по отношению к управляющему воздействию.

В данной работе предлагается использовать нелинейные свойства ферромагнитной среды для создания управляемого размыкателя сверхсильных токов - ферромагнитного размыкателя (ФР). Ферромагнитный размыкатель - это включенная в цепь накопителя катушка индуктивности с сердечником, намагниченность которой может резко изменяться с помощью дополнительного (управляющего) ортогонального поля. При соответствующем выборе параметров ФР, управляющее поле может быть создано током, много меньшим рабочего.

Ферромагнитный размыкатель является альтернативой известным методам коммутации в мощных импульсных источниках энергии, использующих плазменные размыкатели, разрушение проводников взрывом, нагрев и электрический взрыв проводников. Предлагаемая система является системой многократного использования, поскольку в ней нет элементов конструкции, которые разрушались бы или совершали механические перемещения во время коммутации.

Таким образом, можно сформулировать цели данной работы.

Поскольку никогда ранее в сильноточной импульсной технике подоб-

ные устройства не применялись, то первой из них является исследование возможности использования ферромагнитного размыкателя для создания коммутатора в системах мощной импульсной техники.

Возможность изменения характеристик среды с помощью внешнего ортогонального поля использовалась в промышленной энергетики для создания управляемых реакторов. Подобные устройства использовались в сетях промышленной частоты для регулирования реактивного сопротивления при относительно малых токах. Достаточно подробно они будут рассмотрены ниже. Основными требованиями к таким устройствам являются малость потерь, длительность эксплуатации и глубина регулирования, т.е. в основном они рассматривались с точки зрения экономичности.

В условиях работы со сверхсильными токами, приходиться решать ряд специфических проблем, поэтому второй целью работы будет разработка методологии численного и упрощенного аналитического (инженерного) расчета электромагнитных процессов в цепях с ферромагнитным размыкателем.

Глава 1. Проблемы коммутации тока в ИНЭ и ИЕНЭ. Задачи работы.

В первой главе приводится краткий обзор методов, с помощью которых можно сформировать импульс тока от уже существующего генератора без принятия особых мер по его реконструкции, а также рассматривается применение систем с ортогональными полями в промышленной энергетике. Формулируются задачи работы.

1.1. Обзор возможных методов и способов коммутации сверхсильных

импульсных токов

1.1.1. Формирование импульсов тока за счет переключения разрядных

контуров

Общие принципы

При обострении мощного импульса тока, формируемого с помощью разряда какого-либо накопителя энергии и передаваемого на индуктивную нагрузку, метод переключения разрядных контуров является наиболее используемым.

Такая система состоит, как минимум, из зарядной цепи, двух контуров и размыкателя тока. Ниже представлена обобщенная принципиальная схема формирования импульсов тока с использованием сильноточного размыкателя для передачи энергии, например из индуктивно-емкостного накопителя энергии (ИЕНЭ) в индуктивную нагрузку.

Рис.1.1 Обобщенная принципиальная схема формирования импульса тока методом переключения контуров.

Первый контур служит для разряда накопителя, предварительно запитанного через зарядную цепь, на индуктивность и сопротивление этого контура при сопротивлении размыкателя Z^=0. Второй контур подключается к системе в определенный момент, когда срабатывает размыкатель ^р->со). При этом происходит переключение контуров,

в результате чего формируется импульс напряжения на коммутаторе и ток, «зарядивший» индуктивность, направляется на нагрузку. В лабораторных условиях чаще всего используется индуктивно-емкостной накопитель энергии (ИЕНЭ), в качестве индуктивности которого может использоваться как специальная катушка, так и собственная индуктивность контура, или самого размыкателя. Тогда формирование импульса тока происходит за счет быстрой перекачки энергии из индуктивности накопителя в индуктивность нагрузки и определяется скоростью срабатывания размыкателя. Размыкатель должен обрывать токи порядка мегаампер за очень короткие времена, - гораздо меньшие, чем время саморазряда индуктивности, которое определяется как:

и меньшие длительности переднего фронта разряда ЕНЭ на желаемую величину обострения. Поэтому размыкатель является самым проблемным элементом системы, а разработка его конструкция - наиболее важной задачей, от решения которой зависит эффективность работы.

Схема формирования импульса в ИЕНЭ с использованием размыкателя представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема формирования импульса в ИЕНЭ с использованием

размыкателя

Подробное описание накопителя предложено в работе [4], откуда

возьмем лишь основные выводы. Для анализа схемы было принято: R0 = R = R2 = 0, L0 = L, = 0, L2= const. Сопротивление размыкателя до

коммутации имеет небольшое значение , так что

в первом контуре происходит периодический разряд после срабатывания коммутатора S0, а затем скачком принимает бесконечное значение R]K = «о.

При данных упрощениях система уравнений, описывающая процесс в схеме, выглядит следующим образом:

до срабатывания ключей SIH&J t=0 в момент коммутации tk t=-0 после коммутации: (срабатывания Si и S2) />+0

Vjравнение: dll di I л L—T + R— + — = 0; di dt C0 начальные условия: /(o)=o, ие(0)=и0, di U0 решение: -¿o di t/0 . ( n) RW«2Z0 на момент коммутации : а, ае[0,я/2] начальные условия: Н~ 0) = - • sáu(a) Ue(-Q)=V0<Ma) dt L ' уравнение: ir ж \d2j 1 п (L+L>) dt* +ce=0; /=/2 начальные условия: JL+ JL2 Ue(+0) = U0cos(a) di и, , ч решение: j U0 L яп(а) Z JL+¿2 *sm(p)X xsta(©M*+p) ®» = 1/y¡(L + L2)C9

Из результатов численного моделирования, проведенного в [4] по предложенным уравнениям, видно, что в нагрузке можно получить ток /2 синусоидальной, косинусоидальной и промежуточной формы (рис.1.3), в зависимости от момента срабатывания ключей и Бг, - соответственно при 2а = 0, я/4, ж/2. В первом случае энергия поступает

медленно преимущественно из ЕНЭ, во втором - быстро из ИНЭ, в третьем случае осуществляется режим ИЕНЭ.

2 11 1 ! , / . Т 11 :-о У X л

V |Ч Д ^Г Г\< 1 \ гя ||Ч .

1 * V 1 ¿- /»!' ^--- 1 1 1

1 ! 1 У гх ¿С. И ' -

».А Ч V ге —"Г 1 V / \ ^

1 / т 1 / < у-о 2Ж / ♦ - / .г г 1 ¡Г'-'" 1 V

Рис. 1.3. Изменение в