Переходные процессы в емкостных накопителях энергии с полупроводниковыми коммутаторами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи УДК 621.039

ЕНИКЕЕВ РУСТАМ ШАМИЛЬЕВИЧ

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЯХ ЭНЕРГИИ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ

01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

12 янв гш

Санкт-Петербург - 2011

005007502

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Фридман Борис Эммануилович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ

доктор технических наук, профессор Шнеерсон Герман Абрамович

кандидат физико-математических наук Галахов Игорь Владимирович

Ведущая организация:

ОАО «Электровыпрямитель», г. Саранск.

Защита диссертации состоится 28 декабря 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.201.006.01 при Научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова в доме ученых НИИЭФА (196641, Санкт-Петербург, пос. Металлострой, ул. Полевая, д. 12)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЭФА им. Д.В. Ефремова

Автореферат разослан « ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Шукейло И.А.

Актуальность работы

Развитие современной импульсной энергетики требует создания сильноточных устройств, способных генерировать мощные импульсы тока длительностью от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Такие устройства - источники больших импульсных токов, находят применение в различных физических исследованиях, в том числе в опытах с сильноточным электрическим разрядом в плотных средах, для получения сильных импульсных магнитных полей, в схемах питания и защиты обмоток токамаков, в экспериментах по электромагнитному метанию твердых тел и др.

В качестве источника больших импульсных токов наибольшее распространение получили накопители энергии следующих типов: емкостные накопители энергии (ЕНЭ), индуктивные накопители энергии и электромашинные накопители энергии. Среди перечисленных видов накопителей емкостные накопители энергии обладают наименьшей плотностью запасаемой энергии. В то же время, они характеризуются рядом преимуществ перед другими типами накопителей энергии. Они удобны и просты в эксплуатации, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса разрядного тока, способны работать на разные типы нагрузок с высокой эффективностью передачи накопленной энергии.

Одной из основных задач при создании источников больших импульсных токов является разработка надежного и малогабаритного коммутатора тока. До недавнего времени задачи коммутации больших импульсных токов решались с помощью газоразрядных коммутаторов, таких как управляемые воздушные разрядники, игнитроны, тиратроны, вакуумные разрядники и др. Такие коммутаторы имеют недостатки, наиболее серьезными из которых являются: «самоходы» (самопроизвольные срабатывания), ограниченный ресурс работы, невозможность применения в мобильных установках, экологическая опасность (для игнитронов) и др.

При современном уровне развития элементной базы переход к полупроводниковым приборам представляется неизбежным, поскольку они обладают высокой надежностью и достаточно большим сроком службы. Кроме того, известными достоинствами полупроводниковых приборов являются: высокий КПД, мгновенная готовность к работе и экологическая безопасность.

Достигнутый в настоящее время прогресс в создании конденсаторов с высокой плотностью энергии (более 1,5 Дж/см3) и полупроводниковых коммутаторов для больших импульсных токов сделал реальной задачу создания емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами способных в сравнительно небольшом объеме запасать энергию в несколько сотен килоджоулей и генерировать импульсные токи амплитудой в сотни килоампер.

Создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами является задачей, которая имеет существенное значение для современной мощной

3

импульсной техники. Эта задача требует решения ряда инженерных проблем. Следует разработать схемотехнику и конструкции полупроводникового коммутатора для емкостных накопителей энергии. Необходимо обеспечить стабильную, надежную работу коммутатора в условиях одиночных импульсов ударного тока, при которых происходит сильный нагрев полупроводниковых структур и, возможно, их разрушение под действием импульсных перенапряжений, возникающих при выключении тока (обратном восстановлении ключа) в цепи с большой индуктивностью. Компактное размещение всех компонентов ЕНЭ выдвигает задачу обеспечения работоспособности этих компонентов в условиях одновременного действия электрических, магнитных, тепловых и силовых полей. Поэтому исследование процессов в емкостных накопителях энергии и поиск условий для надежной работы полупроводниковых коммутаторов в этих накопителях является актуальной задачей.

Цель работы

Основной целью работы является создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• исследовать переходные процессы в разрядных контурах емкостных накопителей энергии и определить условия возникновения опасных для полупроводниковых ключей режимов;

• найти и обеспечить условия для функционирования в режимах ударных токов полупроводниковых коммутаторов двух типов, на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) и на основе фототиристоров при различных режимах разряда и разных нагрузках;

• разработать и исследовать конструкции разрядных контуров емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами;

• исследовать влияние скин-эффекта в массивных проводниках разрядных контуров на процессы формирования импульса тока в емкостном накопителе энергии.

На защиту выносятся следующие результаты

1. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов в разрядных кошурах емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ при синхронном и программируемом разряде на различные виды нагрузок (активная нагрузка, короткое замыкание, холостой ход, разряд на взрывающуюся проволочку).

2. Методы и схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность полупроводниковых ключей в режиме ударных токов при синхронном и программируемом разряде 1 МДж 18 кВ емкостного накопителя энергии на различные виды нагрузок.

3. Результаты экспериментального исследования предельной токовой нагрузки диодов в режиме ударных импульсных токов. Метод экспериментального исследования нагрузочной

4

способности полупроводниковых ключей в режиме ударных импульсных токов, основанный на увеличении токовой нагрузки до появления термогенерационного пика на осциллограмме прямого падения напряжения и сравнении интегральных параметров импульса тока (заряд и интеграл действия) к моменту достижения термогенерационного пика с интегральными параметрами рабочего импульса тока.

4. Конструкция разрядных контуров емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ с плотностью энергии 0,38 Дж/см3, характеризующегося компактностью, малыми потерями энергии при разряде, способностью работать на различные виды нагрузок в режимах синхронного и программируемого разряда.

5. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов, возникающих при включении и выключении высоковольтных тиристорных (silicon controlled rectifier, light triggered) сборок в конденсаторной батарее противотока Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность высоковольтных полупроводниковых тиристорных сборок в режимах работы конденсаторной батареи противотока ИТЭР.

6. Метод измерения частотно-независимых параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скипового параметра, основанный на применении изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки измеренных значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводника в диапазоне частот резко-выраженного поверхностного эффекта.

Научная новизна работы

1. Разработан комплекс методов и аппаратных средств защиты ключей, обеспечивающих сохранение работоспособности полупроводников в условиях перегрева полупроводниковых структур ударными токами при различных условиях, возникающих при разрядах емкостных накопителей энергии.

2. Впервые описаны и систематизированы условия работы полупроводниковых коммутаторов в режиме программируемого разряда емкостного накопителя энергии, в том числе условия возникновения коммутационных перенапряжений и токовых пауз. Эти условия иодтсрждены в многочисленных экспериментах, где одновременно были зарегистрированы переходные процессы программируемого разряда и быстрые процессы возникновения коммутационных перенапряжений.

3. Впервые обнаружено явление токовой паузы в разрядном коммутаторе при программируемом разряде емкостного накопителя, в течение которой происходит рекомбинация и уменьшение концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах, что может

5

привести к разрушению коммутатора при его повторном включении. Предложено поддерживать при токовой паузе начальную концентрацию носителей заряда в коммутаторах за счгт протекания тока по цепи гарантированного разряда, впервые использованной в составе конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии.

4. При комплексной защите полупроводниковых ключей варисторами и КС цепями предлоиЛно и обосновано техническое решение выбирать конденсаторы снабберных цепей из условия подавления перенапряжений только на период времени задержки варисторов. Это обеспечило малые размеры устройств защиты полупроводниковых коммутаторов и компактность высоковольтного оборудования конденсаторных ячеек.

5. Новой является схема ЯСЭ снабберной цепи, при которой исключены броски тока при включении тиристоров и обеспечивается эффективное подавление коммутационных перенапряжений при выключении тока и обратном восстановлении тиристоров в цепи с индуктивностью.

6. Новым является совместное использование ЯСГО снабберной цепи и форсирующей ЯС цепи для обеспечения оптимальных условий выключения и включения фототиристоров в разрядном контуре с индуктивностью.

7. Новым является метод измерения двух не зависящих от частоты параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скипового параметра, основанный на применении изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки методом наименьших квадратов значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводников в диапазоне частот резко выраженного скин-эффекта. Указанный метод дает значения параметров массивных проводников, определяющих влияние скин-эффекта на переходные процессы в разрядных контурах реальных импульсных установок.

Практическая значимость работы

1. Разработанные методы и аппаратные средства обеспечения работоспособности полупроводниковых коммутаторов позволили создать новые конструкции импульсных установок и могут быть в дальнейшем использованы при разработке других источников импульсного тока

2. Создан компактный емкостной накопитель с полупроводниковыми коммутаторами на основе РВД с запасаемой энергией 1 МДж, максимальным напряжением 18 кВ и рекордной плотностью энергии 0,38 Дж/см3. Накопитель выдержал приемо-сдаточные испытания и передан в эксплуатацию Заказчику (Китай, Нанкинский Университет Науки и Технологии).

3. Разработан и испытан опытный образец конденсаторной батареи противотока с полупроводниковыми коммутаторами двух типов: на основе мощных импульсных тиристоров и фототиристоров. Конструкция опытного образца конденсаторной батареи включена в проект

б

комплекса коммутационной аппаратуры для быстрого защитного вывода энергии из сверхпроводящих обмоток ИТЭР.

4. Разработанный метод измерения внешней индуктивности и скипового параметра проводников позволил ввести параметризацию устройств с массивными проводниками и измерять при приемочных испытаниях только два частотно независимых параметра, которые полностью определяют соотношения между током и падением напряжения на массивных проводниках в частотной и временной областях.

Личный вклад автора в представленную работу

1. Автор выполнил экспериментальное исследование переходных процессов и условий работы полупроводниковых коммутаторов при различных режимах разряда емкостных накопителей энергии.

2. Автор разработал методы и схемотехнические решения для защиты полупроводниковых ключей емкостного накопителя энергии.

3. Автор создал экспериментальные стенды для исследования переходных процессов и методов защиты полупроводниковых коммутаторов, которые в дальнейшем были использованы для отработки конструкций разрядных контуров емкостных накопителей энергии.

4 Автор участвовал в создании емкостного накопителя энергии 1 МДж, 18 кВ в качестве ответственного исполнителя комплекса работ, включающих в себя сборку, наладку и испытания элементов разрядных контуров и всего емкостного накопителя энергии, а также приемочные испытания и сдачу накопителя энергии в эксплуатацию.

5. Автор участвовал в разработке и испытаниях опытных образцов конденсаторной батареи противотока для коммутационной аппаратуры ИТЭР.

6. Автор разработал и осуществил на практике метод измерения параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скинового параметра. Указанный метод автор применил для параметризации индукторов с массивными витками емкостных накопителей энергии. Это позволило установить в технической документации индукторов и контролировать при их изготовлении два не зависящих от частоты параметра, которые полностью определяют соотношение между током и падением напряжением на индукторах.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 16lh ШЕЕ International Pulsed Power Conference, June 17-22, 2007, Albuquerque, USA, (2 доклада)

2. 2n<l Euro-Asian Pulsed Power Conference, 22-26 September 2008, Vilnius, Lithuania. (1 доклад)

3. 17th IEEE International Pulsed Power Conference, June 28-July 2, 2009, Washington DC, USA. (3 доклада)

4. 18"1 IEEE International Pulsed Power Conference, 19-23 June, 2011, Chicago, USA. (3 доклада).

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 14 работах: 4 статьи в журналах, 7 статей в трудах международных конференции и 3 тезиса докладов. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 120 страниц машинописного текста, 20 таблиц, 76 рисунков по текст)', список использованной литературы из 53 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность решаемых в диссертации задач, формулируется цель работы, рассматриваются вопросы научной новизны и практической значимости выносимых на защиту результатов, кратко излагается содержание диссертационной работы.

В первой главе представлены результаты исследования коммутационных процессов в конденсаторных ячейках ЕНЭ с полупроводниковым коммутатором на основе РВД.

Современные емкостные накопители энергии (ЕНЭ) имеют модульную структуру. Конденсаторная батарея в таких накопителях разделена на конденсаторные ячейки (рис. 1). Параметры конденсаторных ячеек (запасаемая энергия, амплитуда и фронт разрядного тока и др.) определяются параметрами коммутатора. Большое количество конденсаторных ячеек в составе емкостного накопителя энергии создает возможность изменять форму импульса тока в нагрузке. Конденсаторные ячейки могут разряжаться одновременно (режим синхронного разряда), либо с задержкой (режим программируемого разряда). Задавая временную последовательность запуска разрядных коммутаторов можно изменять форму импульса тока и оптимизировать процесс выделения энергии в нагрузке.

Обзор известных конструкций сильноточных высоковольтных коммутаторов для емкостных накопителей энергии показал преимущества применения полупроводниковых приборов в составе высоковольтных ключей для больших импульсных токов. В заданном диапазоне длительностей генерируемых импульсов тока целесообразно построение коммутатора конденсаторных ячеек ЕНЭ на основе реверсивно-включаемых динисторов (рис. 2) - полупроводниковых приборов, разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе.

> Ячей 21

\ С1

\ТЭ1

У Яч. |

И| \

С2

> Ячейка к

Чк

Бп]

4 Ж

Сп

Генератор

запуска

С1

Ll

К«

хсЬ-1-

Рис. 1. Разрядные контуры емкостного накопителя энергии.

Рис. 2. Разрядный контур ячейки на основе РВД.

Включение РВД обеспечивается импульсом тока обратного направления. Для предотвращения ложного включения РВД в режиме программируемого разряда из-за перетекания тока между ячейками в состав коммутатора необходимо включать защитные диоды УШ (рис. 2).

Таблица 1. Параметры конденсаторной ячейки

ВВ блок запуска

УР28ф

Л»

№ Характеристика Величина

1 Максимальная запасаемая энергия 64 кДж

2 Емкость 400 мкФ

Ч Максимальное рабочее 18 кВ

напряжение

Индуктивность сменных

4 индукторов Индуктор № 1 Индуктор № 2 Индуктор № 3 25 мкГн 40мкГн 80 мкГн

5 Максимальный ток 60 кА

Рис. 3. Электрическая схема разрядного контура конденсаторной ячейки 1 МДж ЕНЭ.

Для емкостного накопителя энергии модульной конструкции (рис. I) был разработан разрядный контур конденсаторной ячейки ЕНЭ (рис. 3), рассчитанный на работу в различных режимах (синхронный разряд, программируемый разряд) на различные типы нагрузок (активная ii.li рузка, короткое замыкание, холостой ход, разряд на взрывающуюся проволочку). Все полупроводниковые приборы для этого разрядного контура были изготовлены в ОАО «Электровыпрямитель» (город Саранск).

Были обнаружены опасные высокочастотные колебания тока в разработанном разрядном контуре, возникающие при переключении тока из контура конденсатора в кокгур шунтирующих (кроубарных) диодов. Показано, что подавление колебаний обеспечивается применением

9

низкоомного демпфирующего резистора К<3 (рис. 3), включенного последовательно с разрядным конденсатором.

Приведены результаты исследований переходных процессов в конденсаторных ячейках в режимах программируемого разряда. Исследование переходных процессов выполнялись на стенде, включающем в себя два опытных образца конденсаторных ячеек, выполненных по схеме рис. 3. Во* всех экспериментах обе ячейки имели одинаковые индукторы £, = 25 мкГн, ячейки разряжались на общую нагрузку 200 мОм, в опытах изменялась задержка включения второй ячейки.

Было обнаружено, что в режиме программируемого разряда возможны четыре сценария переходного разрядного процесса в конденсаторной ячейке:

1) без запирания полупроводниковых ключей,

2) запирание У01 и возникновение токовой паузы в У81 в первой ячейки (рис. 4),

3) одновременное запирание УО! и первой ячейки (рис. 5),

4) возникновение токовой паузы в первой ячейки и запирание У1)2 второй ячейки (рис. 6).

400 ббо Время, икс

Рис. 4. Напряжения и токи при задержке Рис. 5. Напряжения и токи при задержке включения второй ячейки (, = 100 мкс. 1 - ток включения второй ячейки = 250 мкс первой ячейки, 2 -ток в индукторе первой (сценарий 3). Обозначение кривых как на ячейки, 3 - ток в второй ячейки, 4 - ток в рис. 4. индукторе второй ячейки, 5 - напряжение на УВ2 первой ячейки (сценарий 2).

Т5о ~600

Время, мкс

1000

Рис. 6. Токи и напряжения при задержке включения второй ячейки г, = 50 мкс (сценарий 4). 6 - напряжение на кроубарных диодах второй ячейки, остальные обозначения кривых как на рис. 4.

Без принятая защитных мер коммутационные перенапряжения могут достигать опасных для полупроводниковых сборок значений, значительно превосходящих максимальное зарядное напряжение конденсаторов. Разработана и исследована комбинированная снабберная цепь, составленная из параллельно включенных варистора и RC цепи. В этой цепи варисгор подавляет длительные перенапряжения (десятки микросекунд), a RC цепь демпфирует кратковременные перенапряжения длительностью в десятки наносекунд.

При высоком уровне зарядного напряжения 18 кВ в режиме программируемого разряда совместное действие варисторов и снабберпых цепей оказывается недостаточным для сохранения работоспособности первоначально выбранных диодов с быстрым восстановлением (Past Recovery Diodes). У этих диодов наблюдались кратковременные (десятки наносекунд) всплески перенапряжения, которые свидетельствуют о неустойчивости процесса обратного восстановления. С другой стороны у диодов с мягким восстановлением (Soft Recovery Diodes), подвергнутых протонному облучению, коммутационные перенапряжения существенно ниже и не возникает неустойчивость при обратном восстановлении в исследуемых режимах. Однако протонное облучение приводит к возрастанию прямого падения напряжения на диодах. Это вызывает рост потерь энергии в полупроводниковых структурах и может привести к их тепловому разрушению.

Предложен метод экспериментального исследования нагрузочной способности диодов, основанный па увеличении токовой нагрузки до появления термогенерационных пиков на

Рис. 7. Токи и напряжения для диодов с мягким восстановлением в экспериментах по определению предельной токовой нагрузки. Величины интегральных параметров до момента

:■ 1У0мкс термогенерационного пика па кривой 1)5 следующие: заряд 0 = = 12,6Кл,

I!

интеграл действия тока 3 = |/52Л = 0,94-10б А2с.

о

Сравнение интегральных параметров £> = ^¡¡¿/1 и J = j/5ídl в момент появления

о о

термогенерационного пика со значениями интегральных параметров в предельных рабочих режимах показывает, что диоды, подвергнутые протонному облучению, будут работать в конденсаторных ячейках емкостного накопителя энергии без перегрева.

Вторая глава посвящена разработке и исследованию компактного емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ.

Приведен обзор ряда современных больших ЕНЭ, работающих в США, Германии, Франции, Южной Корее и России. Современные тенденции развития емкостных накопителей энергии направлены на создание компактных источников импульсного тока с полупроводниковыми разрядными коммутаторами. Поставленная задача создания функционально завершенного емкостного накопителя с предельно высокой плотностью энергии является актуальной.

Выбрана модульная структура ЕНЭ, при которой емкостной накопитель 1 МДж разделяется на два модуля с запасаемой энергией 500 кДж; каждый модуль представляет собой компактный, управляемый дистанционно, функционально завершенный генератор импульсных токов с зарядным устройством и устройствами управления, защиты и диагностики. Модуль включает в себя 8 конденсаторных ячеек (рис. 3).

Разработана конденсаторная ячейка ЕНЭ (Рис. 8). В конструкции ячейки достигнута высокая степень компактности размещения высоковольтного оборудования. Ячейка способна работать с различными нагрузками и в различных режимах разряда, а также при этом обеспечивает высокую эффективность передачи энергии в нагрузку.

Рис. 8. Конденсаторная ячейка ЕНЭ (18 кВ, 64 кДж). 12

Система управления емкостного накопителя энергии имеет иерархическую структуру и включает в себя несколько локальных вычислительных сетей, объединяющих контроллеры, размещенные в модулях и пульте управления. Высокая помехоустойчивость системы управления достигнута за счет применения волоконно-оптических линий передачи управляющей информации и синхронизирующих импульсов для запуска коммутаторов в ячейках.

При испытаниях накопителя энергии в режиме холостого хода были обнаружены волновые перенапряжения в кабельных линиях, соединяющих конденсаторные ячейки и кабельный коллектор. Эти перенапряжения были подавлены снабберными цепями, установленными в кабельном коллекторе.

Испытания емкостного накопителя энергии в режимах короткого замыкания (Рис. 9), холостого хода и программируемого разряда (Рис. 10). Испытания подтвердили широкие возможности формирования импульса тока при работе накопителя.

1000-?оо-

1

Время, ыс

Рис. 9. Ток синхронного разряда емкостного накопителя энергии при коротком замыкании. Напряжение зарядки £/„ = 18 кВ.

4 б

Время, ыс

Рис. 10. Ток программируемого разряда емкостного накопителя энергии при коротком замыкании. Напряжение зарядки II,) =16 кВ, Д1 = 500 мкс.

Талица 2. Параметры емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ.

Параметр Значение

1 Количество модулей емкостного накопителя энергии 2

2 Объем модуля 1,3 м"*

3 Максимальный ток в режиме синхронного разряда 800 кА

4 Фронт имт'льса тока в режиме синхронного разряда. 150 мкс

5 Количество ступеней формирования тока в режиме программируемого разряда (количество конденсаторных ячеек) 16

Внешний вид высоковольтного оборудования емкостного накопителя энергии, собранного у Заказчика представлен на рис. П. Накопитель выдержал приемо-сдаточные испытания у Заказчика и передан в эксплуатацию в мае 2010 г.

Рис. 11. Высоковольтное оборудование емкостного накопителя энергии 1 МДж, 18 кВ.

В третьей главе представлены разработка и исследование сильноточного тиристорного коммутатора для конденсаторных ячеек батареи противотока системы быстрого защитного вывода энергии из сверхпроводящих магнитных обмоток Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР.

В международном экспериментальном термоядерном реакторе для создания и удержания плазмы используются сверхпроводящие магнитные системы, создающие в вакуумной камере термоядерного реактора постоянные или медленно изменяющиеся магнитные поля. Важнейшей задачей является защита сверхпроводящих магнитных систем в случае локального нарушения сверхпроводящего состояния обмоток. В этом случае должна срабатывать система быстрого защитного вывода энергии, которая обеспечивает размыкание контура питания сверхпроводящих обмоток и включение в разрыв этого контура мощных резисторов, способных поглотить энергию магнитного поля сверхпроводящих обмоток величиной порядка нескольких гигаджоулей. Комплекс коммутационной аппаратуры, обеспечивающий быстрый вывод энергии, называется Fast Discharge Unit (FDU). В проекте ИТЭР предусмотрен 21 FDU, из них 9 комплексов TF FDU для защиты катушек тороидального поля (TF), где направление и величина тока неизменны, и 12

14

комплексов PF/CS FDU для катушек полоидального поля (PF) или центральных соленоидов (CS), у которых направление и величина тока меняются в эксперименте. Система быстрого защитного вывода энергии состоит из мощного контактора с пневматическим приводом (BPS), параллельно которому включен быстродействующий вакуумный размыкатель с пружинным приводом (VCB). В коммутирующую систему входят также защитный аварийный размыкатель с пироприводом (РВ) и конденсаторная батарея противотока (СРС) рис. 12 и 13, таблица 3.

R1

S2

VS1

Яг

хз

Х4

R2

VSi '

^YSl

VS.

5 7V,S4

ХЗ

X4

Рис. 12. Нереверсивная конденсаторная батарея противотока.

Рис. 13. Реверсивная конденсаторная батарея противтока.

Условия работы полупроводниковых ключей в конденсаторной батарее противотока комплекса FDU отличаются от условий эксплуатации, задаваемых в каталогах Производителем силовых полупроводниковых приборов. Опасным является процесс выключения полупроводниковых ключей в разрядной цепи с индуктором L = 9 мкГн, причем после выключения к ключам, перегретым ударным током, прикладывается обратное напряжение, величина которого превышает начальное напряжение зарядки конденсаторов.

Исследовалась работа тиристоров двух типов SCR (Silicon Controlled Rectifier) и LTT (Light Triggered Thyristor), изготовленных ОАО «Электровыпрямитель» (город Саранск). Предельные токовые нагрузки определялись методом, основанным на регистрации термогенерационного пика на кривой прямого падения напряжения. Эти эксперименты выполнялись на испытательном стенде, разрядный контур которого обеспечил отсутствие коммутационных перенапряжений. Проведенные исследования позволили сделать заключение о работе тиристоров в составе конденсаторной батареи противотока без перегрева.

Исследование процессов обратного восстановления тиристоров проводилось в схеме конденсаторной батареи противотока. Для SCR и LTT были определены параметры снабберной RC цепи, которые обеспечивают необходимое уменьшение амплитуды импульсных перепапряжениЛ. Однако при таких параметрах снабберных цепей включение тиристоров сопровождается опасным броском анодного тока, вызванным разрядом конденсатора снабберной цепи. Предложено схемное решение, обеспечивающее нормальные условия включения SCR путем

15

применения ЯС£> енабберной цепи, которая полностью исключает бросок анодного тока при включении и оптимально подавляет импульсные коммутационные перенапряжения при выключении тиристора рис. 14.

При включении Ь'ГТ индуктивность разрядного контура ограничивает скорость нарастания анодного тока и не позволяет нормально функционировать встроенным в ЬТТ интегральным усилителям. Это приводит к затягиванию включения полупроводникового прибора и к неравномерному делению напряжения по элементам высоковольтной сборки. Предложен способ устранения этого недостатка путем применения форсирующих ЯА цепей (рис. 14), подключенных параллельно полупроводниковому прибору.

+Г<?

— 14 и;

У

\ /

\ Ь1

\ 1 тг

Л™

V

Вргмл, мыт

6*1 я?

Время, икс

Рис. 14. Схема ИСО енабберной цепи и форсирующей К|С1 цепи фототиристора УБ, Кш -высокоомное сопротивление для медленного разряда конденсатора С.

Рис. 15. Ток и напряжение на высоковольтной сборке из трех тиристоров в опыте короткого замыкания.

Результаты ресурсных испытаний опытного образца конденсаторной батареи противотока с полупроводниковым коммутатором на основе 1ЛТ (Рис. 15) показали, что в конденсаторной батарее противотока для ЬТТ обеспечены условия функционирования.

Таблица 3. Параметры конденсаторных батарей противотока.

Энергия 35 кДж

Напряжение 5 кВ |

Емкость 2,8 мф

Индуктивность 9 мкГн

Амплитуда тока 70 кА

Рис. 15. Опытный образец конденсаторной батареи противотока 5 кВ, 35 кДж.

Четвертая глава посвящена рассмотрению скин-эффекта в разрядных контурах емкостных накопителей энергии.

В установках больших импульсных токов на электрические проводники действуют большие электродинамические силы; эти проводники подвержены значительным импульсным тепловым нагрузкам. Поэтому токоведущие части установок больших импульсных токов выполняются из массивных проводников, обладающих устойчивостью к действию импульсов электродинамических сил и большой теплоемкостью. Такие проводники работают в условиях резко выраженного поверхностного эффекта. Разрядные цепи мощных импульсных установок должны обладать малой индуктивностью, что является необходимым условием генерации и пропускания больших импульсных токов. В малоиндуктивных контурах явление проникновения магнитного поля в металл массивных проводников оказывает существенное влияние на распределение электромагнитного поля в системе и на величины токов и падений напряжений. Поэтому необходим учет влияния скин-эффекта в металле массивных проводников на переходной процесс в разрядном контуре.

Массивные проводники в условиях резкого скин-эффекта, когда глубина проникновения

поля в металл меньше характерных размеров проводников, характеризуются как элементы

электрической цепи не зависящими от частоты параметрами, внешней индуктивностью Ц и

17

скиновым параметром 5 '. Эти параметры определяют зависимость между током и напряжением на проводнике в частотной и временной области. Импеданс массивных проводников может быть представлен в виде

а величины кажущихся индуктивности и сопротивления, измеряемые на переменном токе,

4(а,)аЧг(а>)] = ' д.

}а> 42а (2)

Предложен метод измерения параметров массивных проводников £е и 5, основанный на применении промышленных приборов - измерителей иммитансов и процедуры обработки с использованием метода наименьших квадратов (МНК) к измеренным частотным зависимостям ¿.(т) и /?,(©). При измерениях нижняя граница используемого частотного диапазона определяется предельно низкой частотой, при которой скин-эффект резко выражен. Эта граничная частота определяется при аппроксимации МНК зависимости (2). Верхняя граница диапазона определяется высокой частотой, при которой проявляется влияние на 7-{со) распределенных емкостей, связанных с массивными проводниками. Верхняя граничная частота также устанавливается при обработке МНК результатов измерений 1,(<и) и Я, (т). Как правило, частотный диапазон, в котором справедливо (I), составляет не менее двух декад.

На рис. 16 крестиками показаны измеренные значения и и Л, индуктора емкостного накопителя энергии 1 МДж, 18 кВ в частотном диапазоне от 1 кГц до 100 кГц. Линии на рис. 16 показывают аппроксимированные значения I, и Я, при найденных величинах ¿е=24,89 мкГн, 5=0,177• 10 3 Ом е"2.

Графики рис. 17 и большое количество измерений параметров других устройств с массивными проводниками показывают хорошее совпадение измеренных и аппроксимированных значений Ь, и /?, в выбранном диапазоне частот.

1 Б.Э, Фридман. Скин-эффект в массивных проводниках электроимпульсных установок. I. Электромагнитное поле в массивных проводниках. II. Массивные проводники в электрических цепях. Журнал технической физики, 2002, том. 72, вып. 9, с. 41 - 56.

18

а) б) Рис. 17. Кажущиеся значения индуктивности (а) и сопротивления (б) индуктора 25 мкГн емкостного накопителя энергии 1 МДж, 18 кВ.

Переходный процесс при коротком замыкании конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии описывается уравнением

I ^в

I'

где ис = ио--]!(в)с!9, если 11 с > О и 1!с = 0 в остальных случаях.

^ о

Интегрированием (3) задача сводится к уравнениям Вольтерра со слабым сингулярным ядром ^ ^ Численное решение уравнения Вольтерра достигается применением к интегралам

квадратурных формул, например формул метода трапеций. При этом уравнение Вольтерра сводится к системе линейных алгебраических уравнений. Численное решение этой системы уравнений дает значения тока в переходном процессе (рис. 18).

Рис. 18. Измеренный II и расчетный Ь токи короткого замыкания конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии 1 МДж при напряжении зарядки конденсатора С/о = 14 кВ.

Выполненный расчет (рис. 18) дает удовлетворительное описание начальной стадии переходного процесса, при котором имеет место резко выраженный скин-эффект. При I -> °о допущение о резко выраженном скин-эффекте не выполняется и расчет дает завышенные значения /(г) на хвосте импульса тока.

В заключении кратко изложены результаты работы

1. Разработанные методы и полученные результаты исследований переходных процессов в емкостных накопителях энергии обеспечили выполнение работ по созданию емкостных накопителей энергии и могут быть в дальнейшем использованы при разработке новых источников импульсного тока.

2. Созданы компактные емкостные накопители энергии с полупроводниковыми коммутаторами:

• емкостной накопитель энергии 1 МДж, 18 кВ с рекордной плотностью энергии 0,38 Дж/см3;

• опытные образцы конденсаторной батареи противотока для коммутационной аппаратуры ИТЭР.

3. Параметризация массивных проводников не зависящими от частоты параметрами, внешней индуктивностью и скиновым параметром позволяет упорядочить вопросы применения и испытания массивных проводников как элементов электрической цепи мощных импульсных установок.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.Е. Fridman, V.A. Belyakoy, E.N. Bondarchuk, AT. Chegodaev, R.Sh. Enikeev,

A.A. Drozdov, N.A. Kovrizhnykh, V.P. Muratov, V.Ph. Prokopenko, A.G. Roshal, Yu.V. Aristov, S.V. Korotkov, G.D. Chumakov, O.V. Frolov, A.A. Khapugin, V.A. Martynenko. Energy Storage Capacitor Cell with Semiconductor Switches. Digest of Technical Papers of 2007 IEEE Pulsed Power and Plasma Sciences Conference, Albuquerque, USA, June 17-22,2007, p. 542 - 545.

2. B E. Fridman, R.Sh. Enikeev. Massive conductor impedance and peculiarities of transients in electrical circuits with massive conductors of pulsed power facilities. Digest of Technical Papers of 2007 IEEE Pulsed Power and Plasma Sciences Conference, Albuquerque, USA, June 17-22, 2007, p. 1301 -1304.

3. Б.Э. Фридман, Р.Ш. Еникеев, C.B. Короткое, В.А. Мартыненко, Н А. Коврижных, Ю.В. Аристов, В.А. Беляков, Э.Н. Бондарчук, А.А. Дроздов, A.JI. Жмодиков, Л.К. Козлов,

B.П. Муратов, В.Ф. Прокопенко, А.Г. Рошаль, О.В. Фролов, А.А. Хапугин, А.Т. Чегодаев, Г.Д. Чумаков. Конденсаторная ячейка емкостного накопителя энергии с коммутатором на основе реверсивно-включаемых динисторов. Приборы и техника эксперимента, 2008, № 6, с. 51 - 57.

20

4. R.Sh. Enikeev, B.E. Fridman. Study of semiconductor switch for energy storage capacitor cell. Proceedings of the 2"d Euro-Asian Pulsed Power Conference, Vilnius, Lithuania 2008, paper 04-4.

5. B.E. Fridman, R.Sh. Enikeev, N.A. Kovrizhnykh, K.M. Lobanov, R.A. Serebrov. 0,5 MJ, 18 kV Module of Capacitive Energy Storage. Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, п" Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2,2009, p. 61 - 65.

6. R.Sh. Enikeev, B.E. Fridman. Transients in the Capacitor Cells Circuits and Semiconductor Switches Workability. Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2,2009, p. 382 - 388.

7. B.E. Fridman, N.A. Kovryzhnykh, R.Sh. Enikeev, A.A. Drozdov, A.Yu.Konstantinov, Yu.L. Krukov, A.A. Malkov. Inductive Storage - Inductor for Capacitor Cell. Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2, 2009, p, 646-651.

8. H.A. Коврижных, A.A. Дроздов, Р.Ш. Еникеев, A.A. Иванов, А.Ю. Константинов, Ю Л. Крюков, A.A. Малков, Б.Э. Фридман. Индуктор для формирования больших импульсных токов. Вопросы атомной науки и техники. Серия - электрофизическая аппаратура, выпуск 5 (31), с. 275-284.

9. V.V. Chibirkin, V.A. Martynenko, A.A. Khapugin, A.V. Konuchov, S.A. Tundykov, A.V. Grishanin, R.Sh. Enikeev, R.A. Serebrov. Development and Investigations of Light Triggered Thyristors for Pulse Application. PCIM Europe 2011, 17-19 May 2011, Nürnberg, Germany, pp. 640645.

10. B.E. Fridman, R.Sh. Enikeev, S.V. Korotkov, N.A. Kovrizhnykh, K.M. Lobanov, R.A. Serebrov. A 0.5-MJ 18-kV Module of Capacitive Energy Storage. IEEE Transactions on plasma science, Vol. 39, Issue 2,2011, pp. 769-774.

11. Б.Э. Фридман, Baoming Li, B.A. Беляков, Р.Ш. Еникеев, H.A. Коврижных, Ю.Л. Крюков, А.Г. Рошаль, P.A. Серебров. Емкостной накопитель энергии I МДж. Приборы и техника эксперимента, 2011, № 4, с. 51-57.

12. В. Е. Fridman, Baoming Li, V. A. Belyakov, R. S. Enikeev, N. A. Kovrizhnykh, Y. L. Kryukov, К.. M. Lobanov, A. G. Roshai, R. A. Serebrov. 1MJ Compact Pulsed Current Source. Conference Record ■• Abstracts of PPC2011, 18,h International Pulsed Power Conference, June 19 -23, 2011, Chicago, IL, p. 37.

13. H. E. Fridman, R. S. Enikeev, K. S. Harcheva, N. A. Kovrizhnykh, A. G. Roshal, R. A. Serebrov. Capacitor Bank for ITER Fast Discharge Unit. Conference Record - Abstracts of PPC2011, IS"1 International Pulsed Power Conference, June 19-23,2011, Chicago, IL, p. 156.

14. R. S. Enikeev, B. E. Fridman, R. A. Serebrov. Semiconductor Switches in a Counter-Pulse Capacitor Bank Conference Record - Abstracts of PPC2011, 18lh International Pulsed Power Conference, June 19 -23,2011, Chicago, IL, pp. 156-157.

Подписано к печати 15.11.20II. Формат 60x90/16 Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 96/101 Отпечатано в ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»

Введение

Глава

Исследование коммутационных процессов в емкостном накопителе энергии с полупроводниковым коммутатором на основе РВД

1.1. Проблема разработки коммутатора больших импульсных токов

1.1.1. Искровые коммутаторы

1.1.2. Вакуумные разрядники

1.1.3. Игнитроны

1.1.4. Полупроводниковые коммутаторы

1.2. Обоснование схемотехники цепи формирования импульса

1.2.1. Цепи формирования импульса конденсаторных ячеек

1.2.2. Цепь формирования импульса на основе РВД

1.2.3. Нагрев полупроводниковых ключей

1.2.4. Переключение тока в кроубарную цепь

1.3. Переходные процессы в конденсаторных ячейках емкостного накопителя энергии и обеспечение работоспособности полупроводниковых коммутаторов

1.4. Методы защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений

1.5. Варисторная защита полупроводниковых диодов

1.6. Применение ЯС цепей вместе с варисторами для защиты полупроводниковых диодов

1.7. Перенапряжения при электрическом взрыве проводников

1.8. Экспериментальная проверка гибридной (УЯ-КС) защиты диодов в режиме программируемого разряда

1.9. Использование диодов с мягким восстановлением в формирующих цепях конденсаторных ячеек

1.10. Предельные токовые нагрузки диодов

1.11. Выводы

Глава

Разработка и исследование компактного емкостного накопителя энергии с полупроводниковым коммутатором на основе РВД

2.1. Известные большие емкостные накопители энергии

2.2. Исходные требования для разработки ЕНЭ

2.3. Модульная структура емкостного накопителя энергии

2.4. Основные параметры разрядных контуров ЕНЭ

2.5. Технические характеристики и состав ЕНЭ

2.6. Конденсаторная ячейка ЕНЭ

2.6.1. Структура и конструкция конденсаторной ячейки ЕНЭ

2.6.2. Обеспечение безопасной эксплуатации конденсаторной ячейки ЕНЭ

2.6.3. Полупроводниковый коммутатор конденсаторной ячейки ЕНЭ

2.7. Запуск РВД

2.7.1. Принцип работы контура запуска РВД

2.7.2. Однородное включение РВД

2.7.3. Математическое моделирование переходных процессов в схеме запуска РВД

2.7.4. Блоки запуска РВД

2.7.5. Особенности работы низковольтного блока запуска РВД

2.8. Зарядное устройство

2.9. Система управления

2.10. Исследование переходных процессов в разрядных контурах ЕНЭ

2.10.1. Режим холостого хода

2.10.2. Режим короткого замыкания

2.10.3. Режим программируемого разряда

2.10.4. Сравнение полученных характеристик ЕНЭ с режимами, определенными в техническом задании

2.11. Выводы

Глава

Исследование переходных процессов в конденсаторной батарее противотока для коммутационной аппаратуры ИТЭР

3.1. Устройство защитного вывода энергии

3.2. Полупроводниковый коммутатор конденсаторной ячейки батареи противотока

3.3. Исследование предельных токовых нагрузок тиристоров с мягким восстановлением

3.3.1. Описание стенда и методики исследования

3.3.2. Предельные токовые нагрузки тиристора

3.3.2.1. Предельные токовые нагрузки SCR

3.3.2.2. Предельные токовые нагрузки LTT

3.3.3. Оценка токовой нагрузки тиристоров

3.4. Исследование процесса обратного восстановления тиристоров

3.5. Исследование процесса включения тиристоров

3.5.1. Включение SCR тиристоров

3.5.2. Включение LTT тиристоров

3.6. Ресурсные испытания сборки LTT тиристоров

3.7. Описание конденсаторной ячейки батареи противотока ИТЭР

3.8. Выводы

Глава

Скин-эффект в разрядных контурах емкостных накопителей энергии

4.1. Скин-эффект в массивных проводниках

4.2. Измерение параметров массивных проводников в частотной области

4.3. Вычисление переходных процессов

4.4. Выводы 112 Заключение 114 Список литературы

Актуальность работы

Развитие современной импульсной энергетики требует создания сильноточных устройств, способных генерировать мощные импульсы тока длительностью от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Такие устройства - источники больших импульсных токов, находят применение в различных физических исследованиях, в том числе в опытах с сильноточным электрическим разрядом в плотных средах, для получения сильных импульсных магнитных полей, в схемах питания и защиты обмоток токамаков, в экспериментах по электромагнитному метанию твердых тел и др.

В качестве источника больших импульсных токов наибольшее распространение получили накопители энергии следующих типов: емкостные накопители энергии (ЕНЭ), индуктивные накопители энергии и электромашинные накопители энергии. Среди перечисленных видов накопителей емкостные накопители энергии обладают наименьшей плотностью запасаемой энергии. В то же время, они характеризуются рядом преимуществ перед другими типами накопителей энергии. Они удобны и просты в эксплуатации, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса разрядного тока, способны работать на разные типы нагрузок с высокой эффективностью передачи накопленной энергии.

Одной из основных задач при создании источников больших импульсных токов является разработка надежного и малогабаритного коммутатора тока. До недавнего времени задачи коммутации больших импульсных токов решались с помощью газоразрядных коммутаторов, таких как управляемые воздушные разрядники, игнитроны, тиратроны, вакуумные разрядники и др. Такие коммутаторы имеют недостатки, наиболее серьезными из которых являются: «самоходы» (самопроизвольные срабатывания), ограниченный ресурс работы, невозможность применения в мобильных установках, экологическая опасность (для игнитронов)и др.

При современном уровне развития элементной базы переход к полупроводниковым приборам представляется неизбежным, поскольку они обладают высокой надежностью и достаточно большим сроком службы. Кроме того, известными достоинствами полупроводниковых приборов являются: высокий КПД, мгновенная готовность к работе и экологическая безопасность.

Достигнутый в настоящее время прогресс в создании конденсаторов с высокой плотностью энергии (более 1,5 Дж/см3) и полупроводниковых коммутаторов для больших импульсных токов сделал реальной задачу создания емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами способных в сравнительно небольшом объеме запасать энергию в несколько сотен килоджоулей и генерировать импульсные токи амплитудой в сотни килоампер.

Создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами является задачей, которая имеет существенное значение для современной мощной импульсной техники. Эта задача требует решения ряда инженерных проблем. Следует разработать схемотехнику и конструкции полупроводникового коммутатора для емкостных накопителей энергии. Необходимо обеспечить стабильную, надежную работу коммутатора в условиях одиночных импульсов ударного тока, при которых происходит сильный нагрев полупроводниковых структур и, возможно, их разрушение под действием импульсных перенапряжений, возникающих при выключении тока (обратном восстановлении ключа) в цепи с большой индуктивностью. Компактное размещение всех компонентов ЕНЭ выдвигает задачу обеспечения работоспособности этих компонентов в условиях одновременного действия электрических, магнитных, тепловых и силовых полей. Поэтому исследование процессов в емкостных накопителях энергии и поиск условий для надежной работы полупроводниковых коммутаторов в этих накопителях является актуальной задачей.

Цель работы

Основной целью работы является создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• исследовать переходные процессы в разрядных контурах емкостных накопителей энергии и определить условия возникновения опасных для полупроводниковых ключей режимов;

• найти и обеспечить условия для функционирования в режимах ударных токов полупроводниковых коммутаторов двух типов, на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) и на основе фототиристоров при различных режимах разряда и разных нагрузках;

• разработать и исследовать конструкции разрядных контуров емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами;

• исследовать влияние скин-эффекта в массивных проводниках разрядных контуров на процессы формирования импульса тока в емкостном накопителе энергии.

На защиту выносятся следующие результаты

1. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов в разрядных контурах емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ при синхронном и программируемом разряде на различные виды нагрузок (активная нагрузка, короткое замыкание, холостой ход, разряд на взрывающуюся проволочку).

2. Методы и схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность полупроводниковых ключей в режиме ударных токов при синхронном и программируемом разряде 1 МДж 18 кВ емкостного накопителя энергии на различные виды нагрузок.

3. Результаты экспериментального исследования предельной токовой нагрузки диодов в режиме ударных импульсных токов. Метод экспериментального исследования нагрузочной способности полупроводниковых ключей в режиме ударных импульсных токов, основанный на увеличении токовой нагрузки до появления термогенерационного пика на осциллограмме прямого падения напряжения и сравнении интегральных параметров импульса тока (заряд и интеграл действия) к моменту достижения термогенерационного пика с интегральными параметрами рабочего импульса тока.

4. Конструкция разрядных контуров емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ с плотностью энергии 0,38 Дж/см3, характеризующегося компактностью, малыми потерями энергии при разряде, способностью работать на различные виды нагрузок в режимах синхронного и программируемого разряда.

5. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов, возникающих при включении и выключении высоковольтных тиристорных (silicon controlled rectifier, light triggered) сборок в конденсаторной батарее противотока Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность высоковольтных полупроводниковых тиристорных сборок в режимах работы конденсаторной батареи противотока ИТЭР.

6. Метод измерения частотно-независимых параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скинового параметра, основанный на применении изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки измеренных значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводника в диапазоне частот резко-выраженного поверхностного эффекта.

Научная новизна работы

1. Разработан комплекс методов и аппаратных средств защиты ключей, обеспечивающих сохранение работоспособности полупроводников в условиях перегрева полупроводниковых структур ударными токами при различных условиях, возникающих при разрядах емкостных накопителей энергии.

2. Впервые описаны и систематизированы условия работы полупроводниковых коммутаторов в режиме программируемого разряда емкостного накопителя энергии, в том числе условия возникновения коммутационных перенапряжений и токовых пауз. Эти условия подтверждены в многочисленных экспериментах, где одновременно были зарегистрированы переходные процессы программируемого разряда и быстрые процессы возникновения коммутационных перенапряжений.

3. Впервые обнаружено явление токовой паузы в разрядном коммутаторе при программируемом разряде ёмкостного накопителя, в течение которой происходит рекомбинация и уменьшение концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах, что может привести к разрушению коммутатора при его повторном включении. Предложено поддерживать при токовой паузе начальную концентрацию носителей заряда в коммутаторах за счёт протекания тока по цепи гарантированного разряда, впервые использованной в составе конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии.

4. При комплексной защите полупроводниковых ключей варисторами и ЯС цепями предложено и обосновано техническое решение выбирать конденсаторы снабберных цепей из условия подавления перенапряжений только на период времени задержки варисторов. Это обеспечило малые размеры устройств защиты полупроводниковых коммутаторов и компактность высоковольтного оборудования конденсаторных ячеек.

5. Новой является схема ЯСБ снабберной цепи, при которой исключены броски тока при включении тиристоров и обеспечивается эффективное подавление коммутационных перенапряжений при выключении тока и обратном восстановлении тиристоров в цепи с индуктивностью.

6. Новым является совместное использование ЯСО снабберной цепи и форсирующей ЯС цепи для обеспечения оптимальных условий выключения и включения фототиристоров в разрядном контуре с индуктивностью.

7. Новым является метод измерения двух не зависящих от частоты параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скинового параметра, основанный на применении изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки методом наименьших квадратов значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводников в диапазоне частот резко выраженного скин-эффекта. Указанный метод дает значения параметров массивных проводников, определяющих влияние скин-эффекта на переходные процессы в разрядных контурах импульсных установок.

Практическая значимость работы

1. Разработанные методы и аппаратные средства обеспечения работоспособности полупроводниковых коммутаторов позволили создать новые конструкции импульсных установок и могут быть в дальнейшем использованы при разработке других источников импульсного тока.

2. Создан компактный емкостной накопитель с полупроводниковыми коммутаторами на основе РВД с запасаемой энергией 1 МДж, максимальным напряжением 18 кВ и рекордной плотностью энергии 0,38 Дж/см3. Накопитель выдержал приемо-сдаточные испытания и передан в эксплуатацию Заказчику (Китай, Нанкинский Университет Науки и Технологии).

3. Разработан и испытан опытный образец конденсаторной батареи противотока с полупроводниковыми коммутаторами двух типов: на основе мощных импульсных тиристоров и фототиристоров. Конструкция опытного образца конденсаторной батареи включена в проект комплекса коммутационной аппаратуры для быстрого защитного вывода энергии из сверхпроводящих обмоток ИТЭР.

4. Разработанный метод измерения внешней индуктивности и скинового параметра проводников позволил ввести параметризацию устройств с массивными проводниками и измерять при приемочных испытаниях только два частотно независимых параметра, которые полностью определяют соотношения между током и падением напряжения на массивных проводниках в частотной и временной областях.

Личный вклад автора в представленную работу

1. Автор выполнил экспериментальное исследование переходных процессов и условий работы полупроводниковых коммутаторов при различных режимах разряда емкостных накопителей энергии.

2. Автор разработал методы и схемотехнические решения для защиты полупроводниковых ключей емкостного накопителя энергии.

3. Автор создал экспериментальные стенды для исследования переходных процессов и методов защиты полупроводниковых коммутаторов, которые в дальнейшем были использованы для отработки конструкций разрядных контуров емкостных накопителей энергии.

4. Автор участвовал в создании емкостного накопителя энергии 1 МДж, 18 кВ в качестве ответственного исполнителя комплекса работ, включающих в себя сборку, наладку и испытания элементов разрядных контуров и всего емкостного накопителя энергии, а также приемочные испытания и сдачу накопителя энергии в эксплуатацию.

5. Автор участвовал в разработке и испытаниях опытных образцов конденсаторной батареи противотока для коммутационной аппаратуры ИТЭР.

6. Автор разработал и осуществил на практике метод измерения параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скинового параметра. Указанный метод автор применил для параметризации индукторов с массивными витками емкостных накопителей энергии. Это позволило установить в технической документации индукторов и контролировать при их изготовлении два не зависящих от частоты параметра, которые полностью определяют соотношение между током и падением напряжением на индукторах.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 16th IEEE International Pulsed Power Conference, June 17-22, 2007, Albuquerque, USA, (2 доклада)

2. 2nd Euro-Asian Pulsed Power Conference, 22-26 September 2008, Vilnius, Lithuania. (1 доклад)

3. 17th IEEE International Pulsed Power Conference, June 28-July 2, 2009, Washington DC, USA. (3 доклада)

4. 18th IEEE International Pulsed Power Conference, 19-23 June, 2011, Chicago, USA. (3 доклада).

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 14 работах; из них 4 статьи в журналах [57, 62, 64, 65], 7 статей в трудах международных конференции [55, 56, 58-61, 63] и 3 тезиса докладов [66 - 68].

Структура и объем диссертации

Диссертация работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 120 страниц машинописного текста, 25 таблиц, 75 рисунков по тексту, список использованной литеоатуоы из 68 наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующем

1. Разработаны методы и аппаратные средства обеспечения работоспособности полупроводниковых коммутаторов емкостных накопителей энергии. Эти методы позволили создать новые импульсные установки и могут быть в дальнейшем использованы при разработке других источников импульсного тока.

2. Созданы компактные емкостные накопители энергии с полупроводниковыми коммутаторами: емкостной накопитель энергии 1 МДж, 18 кВ с рекордной плотностью энергии 0,38 Дж/см ;

• опытные образцы конденсаторной батареи противотока для коммутационной аппаратуры ИТЭР.

3. Предложен и обоснован метод измерения двух частотно-независимых параметров массивных проводников: внешней индуктивности и скинового параметра. Указанные параметры определяют соотношения между током и падением напряжения на массивных проводниках в частотной и временной областях. Это позволяет упорядочить измерения параметров массивных проводников и их описание как элементов электрической цепи г мощных импульсных установок.

В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача - создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами.

Работа выполнялась в ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» в 2006-2011 годах.

Заключение

1. "Техника больших импульсных токов и магнитных полей" под ред. Комелькова B.C., М., Атомиздат, 1970.

2. M.E.Savage "Final Results From the High-Current, High-Action Closing Switch Test Program at Sandia National Laboratories", Proceeding of 12th IEEE International Conference, Monterey, USA, 1999, pp.1238-1241.

3. Алферов Д.Ф., Воздвиженский B.A., Сибиряк И.О., Сидоров В.А. "Вакуумный управляемый разрядник с пространственно чередующимися стержневыми электродами" ПТЭ, 5,1990, стр. 139-142.

4. Емелин П.Ю., Рутберг Ф.Г., Фридман Б.Э. "Емкостной накопитель энергии Е7-25," ПТЭ, 1993г., №5, с. 109-116.

5. E.Ramezani, E.Spahn, G.Bruderer «А novel high current rate SCR for pulse power applications», Proceeding of 11th IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, MA, USA, 1997, pp.1016-1021.

6. Горбатюк A.B., Грехов И.В., Короткое C.B, Костина JI.C., Яковчук Н.С. «О новой возможности быстрой коммутации больших мощностей силовыми полупроводниковыми приборами», ЖТФ, 1982 г., т.52, №7, с.1369-1374.

7. Горбатюк А.В., Грехов И.В., Костина JI.C., Короткое С.В Яковчук Н.С. «Мощный переключатель микросекундного диапазона реверсивно-включаемый динистор», ЖТФ, 1983 г., т.53, №9, с.1822-1825.

8. Тучкевич В.М., Грехов И.В "Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами". JL, Наука, 1988.

9. Короткое С.В. "Коммутационные возможности реверсивно включаемых динисторов и принципы РВД-схемотехники (обзор)," ПТЭ. 2002. № 4. С. 5-39.

10. T.F. Podlesak, H.Singh, S.Schneider, S.Behr. «High-peak current burst repetitive operation of а 125мм thyristor», Proceeding of 11th IEEE International Pulsed Power Conference, Baltimore, MA, USA, 1997, pp.396-404.

11. J.Shannon, P.Krickhuhn, R.Dethlefsen. "A compact 1 MJ capacitor bank module," in Proc. IEEE PPC, 1985, p.744.

12. E.Spahn, M.Lichtenberg, F.Hatterer. "Pulse forming network for the 10 MJ railgun Pegasus," in Proc. 5th. European Symposium on Electromagnetic Launch Technology, April 10 -11, 1995, paper 79.

13. Th.H.G.G. Weise. "High Energy Pulsed Power Supply System for Large Calibre ENC-Guns ready for Platform Integration," in Proc. IEEE IPPC, 2003, p. 547.

14. J. Herbig, R. Appleton. "A Compact Pulsed Power Supply for ETI Application," in Proc. IEEE IPPC, 2005, p. 1195.

15. J.M.Nery, B.M.Human. "Operation of a 5-MJ capacitor bank for EML materials testing," in Proc. IEEE IPPC 2007, p. 1736.

16. J.M. Neri and T. Holt. "Design of a 500-kJ Capacitor Bank Module for EML Materials Testing," Digests of technical papers of 2005 IEEE Pulsed Power Conference, Monterey, CA., June, 2005, pp. 241 -244.

17. Jesse M. Neri, Brett M. Human. "Operation of a 5-MJ Capacitor Bank for EML Material Testing," Digests of technical papers of 2007, IEEE Pulsed Power Conference, Albuquerque, NM, June, 2007, pp. 1736- 1739.

18. Б.Э. Фридман, Ф.Г. Рутберг. "Мультимегаджоульные и мультимегаамперные емкостные накопители энергии," Известия Академии наук, Энергетика, 1998, № 2, с. 46-70.

19. Е. Spahn, G. Buderer. "A flexible pulsed power supply for EM- AND ETC- launchers" IEEE transactions on plasma science, 12th International Pulsed Power Conference Monterey, California, June 27-30,1999, pp. 1353-1356.

20. Jin-Sung Kim, Young-Ho Choi, Jeung-Ho Chu, and Gi-Yeul Sung. "Analysis on High Surge Voltages Generated in Paralleled Capacitor Banks," IEEE transactions on magnetics, vol. 39, No. 1, January 2003, pp. 422-426.

21. W. McMurray. "Optimum snubber for power semiconductors," IEEE transactions on industry applications, vol. IA-8, No. 5, 1972, pp.593-600.

22. H. Ohashi, "Snubber circuit for high-power gate turn-off thyristors," IEEE transactions on industry applications, voi. IA-19, No. 4,1983, pp. 655-664.

23. A. Pokryvailo, I. Ziv, E. Shviro. "Status of 5mw inductive storage facility at soreq nrc," Digests of technical papers of 2003, IEEE Pulsed Power Conference, Dallas, Texas, June 15-18, 2003, pp. 445-448.

24. A. Welleman, W. Fleischmann. "Solid state switches in bipolar (thyristor) and BIMOS (IGBT) technology for repetitive pulse applications," Digests of technical papers of 2003, IEEE Pulsed Power Conference, Dallas, Texas, June 15-18,2003, pp. 353-356.

25. W. Schmidt, J. Meppelink, B. Richer, K. Feser et al "Behaviour of MO-Surge-Arrester Blocks to fast transients," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 4, No. 1, January 1989, pp. 292-300.

26. C. Dang, T.M. Parrell, P.J. Price. "The response of metal oxide surge arrester to steep fronted current impulses," IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. PWRD-1, No. 1, January 1986, pp. 157-163.

27. M.T. Rahimo, N.Y.A. Shammas "Freewheeling Diode Reverse Recovery Failure Modes in IGBT Applications," IEEE Transactions on Industry Application, March/April 2001, pp 1-10.

28. B.B. Козловский. "Модифицирование полупроводников пучками протонов," СПб.: Наука, 2003. -268с.

29. Б.Э. Фридман. "Переходные процессы при программируемом разряде емкостного накопителя энергии," Электричество, № 12,1989 г., с. 36-41.

30. Б.Э. Фридман. "Формирование импульса тока при программируемом разряде емкостного накопителя энергии," Электричество, 1999 г., №6, с. 42-48.

31. Е. S. Fulkerson, М. A. Newton, S. Hulsey, J. Hammon, W. В. S. Moore "NIF Power Conditioning System Testing at LLNL," PPPS-2001, Digest of technical papers, vol.2., pp. 15241527.

32. E. Spahn, G. Buderer. "The Application of Thyristors as Main Switches in Railguns," Pulsed Power Conference, 1993, Digest of Technical Papers, vol. 2, pp. 583-586.

33. Jorling, J., Hofmann, J., Th. H. G. G. Weise "49 MJ pulsed power facility to produce high magnetic fields," IEEE PPC 2007, pp. 513-516.

34. E. Spahn, G. Buderer. "A flexible pulse power supply for em- and etc- launchers," Pulsed Power Conference, 1999, Digest of Technical Papers, vol.1, pp. 1353 1356.

35. Jin-Sung Kim, Young-Ho Choi, Jeung-Ho Chu, and Gi-Yeul Sung. "Analysis on High Surge Voltages Generated in Paralleled Capacitor Banks," IEEE transactions on magnetics, vol. 39, No. 1, January 2003, pp. 422-426.

36. Безуглов В.Г., Галахов И.В., Гашеев A.C. и др. "Комплекс емкостных накопителей энергии установки ИСКРА-5", ПТЭ, №3, 1991, с.100-103.

37. Th. Н. G. G. Weise et. al. "High energy density pulsed power supply system for large calibre ETC-guns ready for platform integration," IEEE PPC 2003.

38. H. B. Lee et. al. "Development of 150 kJ compact pulsed power system for ETC accelerator," IEEE PPC 2009, pp. 66-69.

39. Б.Э. Фридман, Ф.Г. Рутберг. "Мультимегаджоульные и мультимегаамперные емкостные накопители энергии," Известия РАН, Энергетика, 1998 г., № 2, с. 46-71.

40. Коротков С.В. "Коммутационные возможности реверсивно включаемых динисторов и принципы РВД-схемотехники (обзор)" ПТЭ. 2002. № 4. С. 5-39.

41. P.L. Mondino, Т. Bonicelli, V. Kuchinskiy, A. Roshal. ITER R&D: Auxiliary Systems Cooil Power Supply Components. Fusing Engineering and Design, 55, 2001, p. 325 330.

42. A.Roshal, S. Avanesov, E. Koktsinskaya, et al. Design and Analisys of Switching Network Units for the ITER Coil Power Supply System. Fusing Engineering and Design, 86(5), 2011, p. 1450- 1453.

43. J. Przybilla, R. Keller, U. Keiner, С. Schneider, H. Schulze, F. Nidernostheide. "Advantages in application-design by using direct light triggered thyristors," PCIM Chin 2004, Shanghai.

44. Fridman, B.E.; Drozdov, A.A.; Kuchinski, V.G.; Prokopenko, V.T.; Vesnin, V.V. "5 kV, 300 kJ Capacitive Energy Storage," IEEE PPC-2005, Digest of Technical Papers of 2005, pp 704707.

45. Шнеерсон Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. М.: Энергоатомиздат, 1992,413 с.

46. В.И. Юрченко. Разряд емкости на нагрузку из двух параллельных шин с учетом скин-эффекта. ЖТФ, том XLIII, 1973, № 9, с. 1866 1873.

47. Б.Э. Фридман. "Частотные характеристики сопротивления соленоида с внутренней проводящей трубой и их применение для расчета переходных процессов," Электричество, 1975, №6, с. 69-72.

48. Михайлов В.М. Импульсные электромагнитные поля. Харьков: «Вища школа», 1979,138 с.

49. Б.Э, Фридман. Скин-эффект в массивных проводниках электроимпульсных установок. I. Электромагнитное поле в массивных проводниках. II. Массивные проводники в электрических цепях. Журнал технической физики, 2002, том. 72, вып. 9, с. 41 56.

50. В.Е. Fridman, V.A. Belyakov, E.N. Bondarchuk, A.T. Chegodaev, R.Sh. Enikeev,

51. Б.Э. Фридман, P.Ш. Еникеев, C.B. Коротков, В.А. Мартыненко, H.A. Коврижных, Ю.В. Аристов, В.А. Беляков, Э.Н. Бондарчук, A.A. Дроздов, А.Л. Жмодиков, А.К. Козлов,

52. R.Sh. Enikeev, В.Е. Fridman. "Study of semiconductor switch for energy storage capacitor cell". Proceedings of the 2nd Euro-Asian Pulsed Power Conference, Vilnius, Lithuania 2008, paper 04-4.

53. B.E. Fridman, R.Sh. Enikeev, N.A. Kovrizhnykh, K.M. Lobanov, R.A. Serebrov. "0,5 MJ, 18 kV Module of Capacitive Energy Storage," Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2, 2009, p. 61 65.

54. R.Sh. Enikeev, B.E. Fridman. "Transients in the Capacitor Cells Circuits and Semiconductor Switches Workability," Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2, 2009, p. 382 388.f?

55. B.E. Fridman, N.A. Kovryzhnykh, R.Sh. Enikeev, A.A. Drozdov, A.Yu.Konstantinov,

56. Yu.L. Krukov, A.A. Malkov. "Inductive Storage Inductor for Capacitor Cell," Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2, 2009, p. 646-651.

57. B.E. Fridman, R.Sh. Enikeev, S.V. Korotkov, N.A. Kovrizhnykh, K.M. Lobanov, R.A. Serebrov. "A 0.5-MJ 18-kV Module of Capacitive Energy Storage," IEEE Transactions on plasma science, Vol. 39, Issue 2, 2011, pp. 769-774.

58. Б.Э. Фридман, Baoming Li, B.A. Беляков, Р.Ш. Еникеев, H.A. Коврижных, Ю.Л. Крюков, А.Г. Рошаль, P.A. Серебров. "Емкостной накопитель энергии 1 МДж," Приборы и техника эксперимента, 2011, № 4, с. 51-57.

59. R. S. Enikeev, В. E. Fridman, R. A. Serebrov. "Semiconductor Switches in a Counter-Pulse Capacitor Bank," Conference Record Abstracts of PPC2011, 18th International Pulsed Power Conference, June 19 -23,2011, Chicago, IL, pp. 156-157.