Прецизионные источники тока с высокими динамическими характеристиками для питания электромагнитов ускорителей заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.'.

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА. АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТОВ ИУЗЛОВ

Основные требования к источникам тока. Возмущающие воздействия

Тиристорный преобразователь и устройство фазового управления

Типовая структура источника питания электромагнита и расчет характеристик основных узлов.

Первичные преобразователи тока. Задающее устройство. Усилитель ошибки.

СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ С ВЫСОКИМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ.

Параметрический синтез систем регулирования тока с активным устройством сглаживания пульсаций.

Повышение динамических характеристик источников тока.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

Промышленная серия прецизионных регулируемых источников стабилизированного тока ИСТ 2.

Особенности источников питания соленоидов магнитных полей и кольцевого электромагнита ускорительно-накопительного комплекса

Другие применения.

Электрофизические установки и, в частности, ускорительные комплексы как инструмент для физических исследований всегда находились на переднем крае науки. Эти установки отражают последние достижения в области науки, техники и технологии и в своем постоянном развитии инициируют дальнейший прогресс в этих областях.Система энергообеспечения электрофизических установок содержит в своем составе большое количество мощных источников питания, управляемых в широких диапазонах токов и напряжений по сложным законам. Источники должны обладать высокими метрологическими характеристиками, что было всегда серьезной проблемой на всех этапах развития ускорительной техники.В научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова со дня его основания ведутся работы по созданию электромагнитных систем с соответствующими источниками питания для крупнейших ускорителей заряженных частиц вьюоких энергий: Дубнинского синхрофазотрона, протонного синхротрона Института теоретической и экспериментальной физики в г. Москве, электронного синхротрона в г. Ереване, Серпуховского протонного синхротрона, циклотрона У 240 в г. Киеве, а также других ускорителей на средние энергии.Развитие ускорительных комплексов идет в направлении непрерывного повышения энергии и интенсивности ускоренного пучка, растет индукция магнитного поля в поворотных и фокусирующих магнитах, увеличивается длина кольца.Одновременно возрастают требования к характеристикам формируемого магнитного поля по точности, стабильности, уровню пульсаций и соответствующие требования к обеспечивающим их системам питания.Требования возрастают также и к питанию электромагнитного оборудования физического эксперимента и каналов пучков заряженных частиц. Работы по созданию прецизионных систем питания с вьюокими динамическими характеристиками актуальны не только при создании новых ускорительных комплексов, но и при модернизации оборудования для экспериментов при постановке и решении новых задач физики.По данной теме имеется большое число публикаций [1-4], что обусловлено уникальностью каждого создаваемого ускорителя.Прецизионные источники системы питания электромагнитных систем ускорительных комплексов могут быть разбиты на три категории, отличающиеся своими динамическими характеристиками.К первой категории относятся источники, предназначенные для питания накопительных колец, коллайдеров и каналов транспортировки пучка. Для этой категории наиболее характерен режим работы, когда после прогрева системы устанавливается и поддерживается постоянное значение тока с малым уровнем пульсаций в течение длительного промежутка времени.Вторая категория источников питания предназначена для ускорения частиц в клистронах. Источники этой категории обеспечивают бьютрый подъем тока для экономии энергии и затем ток стабилизируется на плоской вершине.Перерегулирование должно быть минимальным.Третья категория источников питания обеспечивает требуемый закон изменения магнитного поля в кольцевом магните, в котором происходит ускорение заряженных частиц. Наличие частиц, испытывающих влияние магнитного поля на всех участках формируемого цикла, определяет жесткие требования к источникам питания. На рисунке 1 представлены характерные участки обобщенного токового цикла с указанием наиболее существенных требований.ПЕРЕРЕГУЛИРОВАНИЕ ВЫХОДНОЙ ТОК ДОЛГОВРЕМЕННАЯ СТАБИЛЬНОСТЬ _ВРЕМЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ Рисунок 1 - Характерные участки токового цикла источников питания При формировании магнитного цикла ускорителя основной задачей всегда оставалось обеспечение питания от источников тока с высокой точностью (в том числе и динамической), стабильностью и низким уровнем пульсаций выходного тока. Важным фактором является при этом обеспечение надежности работы оборудования, его ремонтопригодности, высоких экономических показателей.Ниже приведены наиболее характерные требования, предъявляемые к системам питания на действующих ускорителях.Требование к стабильности магнитного поля диполей основного кольца устанавливается из желаемой стабильности положения пучка в радиальном направлении. Отклонения обычно составляют 2-5 мм на 10'^ изменения поля. В установке L E P , например, при энергии ускоренного пучка 600 ГэВ допуск на стабильность магнитного поля составляет 10"^. Относительная погрешность поля в квадрупольных линзах составляет 10"^ 10'^ при отсутствии совпадения пульсаций поля с резонансами пучка. В случае, если избежать резонансов не удается, допуск ужесточается до величины 10'^, как например, в протонном коллайдере.Допуск на пульсации токов основных магнитов ISR в установке составил даже Ю"'^ . Это объясняется тем, что магниты там выполняют комбинированные функции (т.е. комбинация диполей и квадруполей) и пульсации тока усиливают потери пучка на резонансах. Эксперименты на накопители протонов с антипротонами в S P S подтвердили необходимость такого вьюокого допуска на ток квадруполей для поддержания на минимуме потерь пучка.Допуски на параметры магнитного поля на отдельных участках цикла синхротронов могут отличаться. Это объясняется конструктивными и другими особенностями их магнитных систем. Допуски на стабильность поля при инжекции и ускорении для УНК составляют соответственно 3 • 10"^ и 10^^. Нестабильность поддержания тока на "плато" около 10'^. Пульсации тока на "плато" должны обеспечиваться на уровне не более 10"^.

Выводы

1. Поставка промышленностью более 300 источников ИСТ2 в течение последнего десятилетия позволила обеспечить потребности физического эксперимента и подтвердила правильность принятых принципиальных и конструктивных решений. Экспериментальные результаты, полученные на образцах 20000 кА- 300 В и 4000А- 1860 В, обнаружили достаточный запас в реализации технический требований к прецизионным сильноточным источникам большой мощности.

2. Отдельные узлы источников ИСТ2 и предложенные автором структурные решения системы автоматического регулирования тока нашли применение на объектах электроснабжения железных дорог, электрифицированных на постоянном токе, в электрометаллургии и в некоторых других областях техники.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические и экспериментальные исследования источников питания электромагнитного оборудования каналов заряженных частиц и кольцевых электромагнитов ускорительно-накопительных комплексов сверхвысоких энергий, выполненные при непосредственном участии автора, дали следующие основные результаты:

1. Предложена структура прецизионного источника, содержащего управляемый многофазный выпрямитель и устройства сглаживания пульсаций, проведен параметрический синтез таких источников с высокими динамическими характеристиками для питания электромагнитного оборудования ускорителей заряженных частиц.

2. Предложены, обоснованы теоретически и внедрены новые структурные решения, обеспечивающие монотонный характер переходных процессов при выходе на плоские участки импульса тока при формировании магнитного цикла ускорителя. Выработаны рекомендации по выбору параметров системы автоматического регулирования при настройке систем с различными параметрами и применению данных решений.

3. Предложены и внедрены решения, увеличивающие глубину автоматического регулирования тока питания электромагнитов до 0,005 номинального значения с сохранением динамических и точностных характеристик источника питания и повышающие эффективность использования фильтрового оборудования.

4. Разработана и освоена промышленностью серия прецизионных регулируемых источников стабилизированного тока типа ИСТ2 мощностью до 1300кВт с диапазоном номинальных значений токов от 500 до 10000 А и напряжений от 48 до 825 В. Стабильность тока 2*10"5, дискретность регулировки 10"5 от номинального значения Удельные весо-габаритные показатели улучшены по отношению к однотипным источникам типа ИСТ в 1,2-1,7 раз.

5. Разработаны, изготовлены и испытаны регулируемый источник стабилизированного тока питания соленоидов сильных магнитных полей 20000 А/300 В и экспериментальный образец источника 4000 А/1860 В для питания

1. Бакланов Б.А., Веремеенко В.Ф. и др. Стабилизация токов в цепях питания магнитов ведущего поля и корректирующих магнитов. ПТЭ № 4, 1976, с. 34

2. Вартанян Б.А., Мартиросян В.А. Реконструкция системы питания Ереванского синхротрона. "Труды V Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц", Дубна, 1976, т. 2, с 254-258 Комар Е.Г. Основы ускорительной техники. М.: Атомиздат, 1975, с. 368

3. Васильев С.Н. и др. Реконструкция системы питания кольцевого электромагнита БУ-70. В кн.: Труды восьмого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. - Дубна, 1983, т. 11, с. 123

4. Шипилло H.B. и др. Управляемый выпрямитель в системах автоматического управления. /Под ред. Поздеева А.Д. -М.:Энергоиздат, 1984. 352 с.

5. Васильев С.Н., Гусев O.A., Федоров В.Д. Тенденции развития систем питания ускорителей заряженных частиц. В кн. Труды Седьмого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Т.1 -Дубна: ОИЯИ, 1981, с. 315

6. Полупроводниковые выпрямители/ Под ред. Ф.И. Ковалева и Г.П. Мостковой. М.: Энергия, 1967

7. Феоктистов А.Н., Суханов А.И., Карасев A.B. Применение кольцевой системы выпрямления в низковольтных сильноточных агрегатах. -Электротехника, 1978, № 5, с 37 .

8. Крайчик Ю.С. Гармоники неканонических порядков в схемах с управляемыми выпрямителями. Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт, 1966, № 5, с. 84

9. Зеночкин Ю.П. Раскин Л.Я. Анализ влияния несимметричной сети, питающей преобразователь, и импульсов управления на величину амплитудной модуляции выходного напряжения. В кн. Стабилизированные вентильные преобразователи: Труды ВНИИЭМ, т. 50, М„ 1977.

10. A.c. 555530 (СССР). Многоканальная система управления/ Л.И. Седов. -Опубл. в БИ, 1977, № 15.

11. Шипилло В.П., Попов С.Г. Исследование возможности снижения субгармонических составляющих вентильного преобразователя при помощи замкнутой структуры. Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника. - 1977, вып. 5 88.

12. А.с. № 612382 (СССР). Устройство для управления вентильным преобразователем/ B.C. Воронин, И.В. Нежданов, А.А. Портунеев. -Опубл. в БИ, 1978, № 23.

13. Шипилло В.П. Исследования процессов в замкнутых вентильных системах методов Z-преобразования. Электричество, 1969, № 11, с. 63

14. Наталкин А.В., Колоколкин A.M. Применение метода z-преобразования для анализа замкнутых вентильных систем с асинхронной одноканальной системы управления. Электричество, 1976, № 10

15. The phase-locked oscillator a new control system for controlled static convertors. IEEE Trensaction on power apparatus and systems, March, 1969

16. Бакланов .А., Веремеенко В.Ф., Карлинер M.M., Литвинов A.A., Петров С.П. Магнитомодуляционный измеритель тока. ИЯФ, 74-40, Новосибирск, 1974, с. 10

17. Michai C.J. An inexpensive large band Width precision d.c. transformer for stabilized magnet power supplines 'Brendford Electronic limited Grawley cussex, England, 1970 P. 865

18. Веремеенко В.Ф., Бакланов Б.А. Прецизионный широкополюсный измеритель постоянного тока на 10 кА. ПТЭ № 6, 1981, с. 77 Appelo Н.С. et al., Thezero-Flux DC Current Transformer IEEE Trans Nucl.Sci. 24 (1997) 1810

19. Янус В.И., Фритман Л.Х., Дрожжина В.И. К теории дифференциальных феррозондов с продольным возбуждением. В сб. "Производственно-техническая информация по геофизическому приборостроению" Л. ОБК МГ и ОН СССР, Вып. 3, стр. 73

20. Мозин И.В., Горелкин A.C. и др. Аппаратура для измерения малых магнитных полей в кольцевом электромагните протонного синхротрона. ПТЭ, 1971, № 2, с. 26 Б.А.Алексеев, A.B. Мизинцев и др.

21. Серия регулируемых источников стабилизированного тока типа ИСТ второго поколения для ускорительных комплексов высоких энергий Труды X Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна: ОИЯИ. 1987г., с.309.

22. Особенности построения систем автоматического регулирования магнитного поля протонных синхротронов и ускорительно-накопительных комплексов Вкн.:

23. Труды X Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна: ОИЯИ. 1987г., с.51

24. В.А. Засенко, A.B. Мизинцев и др Источник стабилизированного тока серии ИСТ2, ПТЭ,.1989, №2, стр.243

25. Васильев С.Н. и др. Импульсные источники питания линз резонансной раскачки для медленного вывода пучка протонов. В кн. : Труды пятого Всесоюзного совещания по ускорителям заряженнных частиц. М. Наука 1977 т.2 C238-240

26. О.А.Гусев и др. Результаты модернизации системы регулирования и сглаживания пульсаций магнитного поля протонного синхротрона ИТЭФ В сб. Труды 7 Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц. Дубна: ОИЯИ. 1981г., с.334

27. A.c. № 1387133 Устройство активного подавления пульсаций

28. B.А. Дударенко Ю.И. Хунт Открытия. Изобретения 1988, №13 Донской Н.В. и др. Управляемый выпрямитель в системах автоматического управления. /Под ред. Поздеева А.Д. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 349 с.

29. Holec. Systems for fundamental and Applied researrch (информация фирмы HOLEC, Нидерланды)

30. В.А.Засенко, A.B. Мизинцев и др.