Разработка и оптимизация систем импульсного электропитания с магнитными звеньями сжатия тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ШШШЮ-ШИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ВАРЛАМОВ Николай Викторович

, РАЗРАБОТКА И ОПТИМЮАЩЯ СИСТЕМ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С МАГНИТНЫМИ ЗВЕНЬЯМИ СИАТИН

01.04.13 - Электрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. .

ОД

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Автор

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском государственном инженерно- ;

1

физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель - кандидат технических, наук, доцент

Львов Е.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Кленов Г.И.

кандидат физико-математических наук Янковский Б.Д. Ведущее предприятие: Объединенный институт ядерных . исследований

- с

Защита диссертации состоится "16" января 1995 г„ в 16 час» 00 мин. на заседании диссертационного совета К 053.03.0? в Московском государственном инженерно-физическом институте, (техническом университете) по адресу: 115409, Москва,Каширское шоссе, д.31, тел.323-91-67

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ Автореферат разослан "0~п декабря 1994 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.В.Нестерович

. ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ :

Актуальность. Современные программы фундаментальных и прикладных исследований в области управляемого термоядерного синтеза ( УТС ), предусматривают повышение на один- два порядка импульсной мощности плектрофизических установок ( „ЭФУ ), на базе которых -осуществляются эти исследования. В настоящее время в крупнели их ускорительных и ядерных центрах ведутся работы по созданию новых или модернизации действующих сильноточных импульсных ускооителей ( СИУ ) с целыо увеличить мощность Э§У этого класса до 10^-;. 10^ ТВт или обеспечить частотный режт работы СИУ, к которым относятся мощные импульсные ускорители прямого действия и линейные индукционные ускорители ( ЛЙУ ). Аналогичные требования к параметрам СИУ ввдвигаят, научно- технические программы по созданию высокоинтенсивных источников рентгеновского излучения, генерации мощных .-электромагнитных колебаний СВЧ - диапазона и ряд других. Повышение импульсной мощности СИУ и / или обеспечение частотного режима их работы мокёт быть достигнуто путем качественных изменений в системах импульсного электропитания ( СИЭП) СИУ. Наиболее перспективны для решения указанной задачи - СИЭП с магнитными звеньями сжатия ( ЫЗС ).

СИЭП с МЗС, обладая рядом преимуществ, нашли широкое применение в качестве модуляторов в ускорительной и лазерной технике. Большой опыт создания СИЭП с МЗС накоплен в НПО " Электрофизика" ( НИИЭФА им. Д.В. Ефремова ОИЯИ, М, МРТИ, НИИЯЗ ТПИ и ИСЭ . ( г. Томск), а таюе в ряде зарубежных ускорительных центров. Разработаны и успешно эксплуатируются СИЭП с МЗС для ЭФУ различного назначения с существенно отличающимися пычоднчки параметрами ( уровнем мощности, онергип, напрякения, тока, длительности импульса и т.п.). В последние несколько лет наметилась тенденция к созданию многозвенных С1£ЭП с МЗС. Для таких СМЭП известные инженерные методики расчета основных технических параметров систем питания не позволяют на'"!ти оптимальное сочетание параметров, поскольку СИЭП с МЗС представляют собоЗ сложный многопарамстричес-кий обьект исследования с болылим числом нелинейных плементов. 3 связи с птим разработка методики расчета и опттшатт параметров СИЭП с МЗС, основанной на математическом моделировании процессов в элементах системы питания и машинном анализе переходных про-

цессов в СИЭП является актуальной научной и практической задачей. Научная новизна. На основе экспериментально- расчетных,исследований процесса динамического перемагничивания ферромагнитных лен- " точных сердечников, при характерных для СИЭП с МЗС скоростях перемагничивания ( порядка 10 Тл/ мкс), предложена усовершенствованная феноменологическая модель процесса,переключения магнитного коммутатора ( МК.) звена сжатия. Исследовано влияние коэффициентов математической модели на форму временных, диаграмм тока и напряжения на обмотке МК и предложена методика определения .коэффициентов модели по экспериментально полученным временным диаграммам. С помощью предложенной методики определены коэффициенты математической модели, описывающей процесс динамического перемагничивания ферромагнитных сердечников из;аморфного сплава УСР 7421,

■Для многозвенных СИЭП с МЗС в аналитическом виде решена задача, о минимизации суммарных потерь в магнитных-коммутаторах и получены соотношения для определения коэффициентов сжатия ( обьемов, массы ферромагнитного материала)' в каждом звене сжатия. Проанализированы критерии оптимизации СИЭП с МЗС и для сопоставления основных технических параметров различных вариантов многозвенных СИЭП предложена методика, позволяющая расчетным путем.( без дорогостоящих экспериментальных исследований ) осуществить выбор параметров системы питания, которые, с учетом исходных требований к условиям функционирования СИЭП, оказываются оптимальными.

Разработана программа расчета переходных процессов в СИЭП с МЗС, использующая предложенную математическую модель для описания процесса переключения МК звеньев сжатия. Приведены результаты машин- . ного анализа переходных процессов,на основании которые были выбраны технические параметры систем импульсного электропитания с магнитными коммутаторами для реальных ЭЗУ. . ; . ■ Практическая ценность. Разработанные методики и программы позволяют оптимизировать основные технические параметры СИЭП с МЗС расчетным путем на начальном этапе проектирования СИЭП, в отличие от известной инженерной методики расчета параметров магнитных генераторов импульсов, согласно' которой'оптимизация параметров проводится после создания и. испытания одного.или нескольких вариантов, генератора этого типа. Для многозвенных СИЗП с МЗС, как;и для СИЭП мощных ЭФУ, оптимизация параметров системы импульсного эяектропи-тания расчетные путем оказывается единственно приемлемой по экоюк • "•

мичёским соображениям ( стоимость нескольких экспериментальных .вариантов СГОН с МЗС или затраты на модернизацию неоптимально разработанной СИЭП соизмеримы; со стоимостью собственно СИЭП •с.МЗС ). Результаты проведённых исследований использованы при создании СИЭП.с МЗС различного класса в рамках совместных научно-исследовательских работ, выполненных МИШ. совместно с ИТЭЗ? и совместно с НПО " Электрофизика".

■ Разработанная программа машинного анализа переходных процессов в СИЭП с МЗС внедрена в НИИЭЗА им. Д.В.Ефремова. Апробация'работы.' Основные результаты диссертации докладывались .на 6-ой Всесоюзной конференции по теории и методам расчета нелинейных цепей в г. Ташкенте ( 1982 г.),на 11-ом Всесоюзном совещании:по ускорителям заряженных частиц в г. Дубне ( 1988 г.), на 8-ом Всесоюзном симпозиума по сильноточной электронике в г. Свердловске ( 1990 р.) и на научных конференциях МИФИ,-Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации,опубликованы в 12 печатных трудах и 8 отчетах по научно- исследовательским работам. '.■;.' -7

Структура и обьем диссертации». Диссертация состоит из введения, . четырех глав с краткими. выводами,"'заключения и списка цитируемой литературы из 117. наименований.' Общий объем диссертации- 175 страниц, из них: основного текста - 125 страниц,.рисунки- 37 страниц, - список литературы -'13 страниц. •■-...•... Основные результаты и положения,.' пред став ленные к защите:

1. Математическая модель процесса динамического перемагничива-, гая крупногабаритных ферромагнитных ленточных сердечников, используемых в магнитных .коммутаторах СИЭП и индукторах ЛИУ.

2. Применение одного из вариантов.метода переменные состояния (реализованного в виде расчетной программы ') для машинного анализа

. переходных процессов в системах импульсного электропитания с магнитными звеньями сжатия и результаты расчетов переходных процессов в модернизированных (с учетом-этих результатов ) системах импульсного электропитания ЛИУ- 5/5000 ( ИТЭШ, г. Москва) и экспериментального высоковольтного импульсного генератора НПО " Электрофизика" (г. С.-Петербург). -

3.. Методика оптимизации основных технических параметров систем импульсного электропитания с магнитными звеньями сжатия по совокупности критериев, таких как: минимум объема ( массы сталь ) маг»

нитных коммутаторов, максимум общего коэффициента'сжатия^ мини- . мум потерь энергии при перемагничивании магнитных коммутаторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящей работе представлены методика и программа машинного анализа переходных процессов в системах импульсного электропитания с магнитными звеньями сжатия; методика расчета основных технических параметров СЙЭП с МЗС, удовлетворяющих совокупности критериев оптимизации, а такие результаты использования предложенных методик при разработке СИЭП реальных ЭФУ. В первой части дан обзор систем импульсного электропитания СИУ, приведены параметры наиболее известных СИУ, указаны программы модернизации СИЭП СИУ, отмеченные в публикациях последних лет. Анализ публикаций показывает, что,несмотря на заметное отличие выходных параметров ( уровней мощности, энергии,напряжения, тока, длительности импульса и т.п. ) и существенно различное назначение СИУ ( как прямого действия, так и ЛИУ\ научные и прикладные программы их развития оказываются во многом схожими и предусматривают повышение импульсной мощности СИУ и реализацию работы многих мощных ЭФУ в частотном режиме. Следует подчеркнуть, что возникающие в связи с этим научно- технические задачи затрагивают не только собственно ускорительные тракта СИУ, но и системы импульсного электропитания таких ускорителей,

В настоящее время для повышения импульсной и средней мощности СИУ, наряду с исследованиями и разработками по созданию более совершенных источников ионных и электронных пучков и решением проблем эффективной транспортировки таких пучков, особое значение имеет соответствующая модернизация систем импульсного,электропитания существующих установок и создание СИЭП, отвечающих новым требованиям для проектируемых установок. Обеспечить повышенную средни» мощность в СИЭП возможно следующими известными способами:

- осуществить накопление и коммутацию большей энергии;

- повысить частоту формирования импульсов на вмходе СИЭП;

- оптимизировать канал энергопередачи СИЭП,. уменьшить потери в его элементах при передача энергии и/ми сформировать на выходе импульс, по форме более близкий к идеальной.

б

Показано, что СИЭП о МЗС позволяют решить задачу повышения . /мощности СИУ и., обеспечить частотный реким их работы. Отмеча-

■ ется, что магнитные коммутаторы,являющиеся одним из элементов -звена, сжатия,.обладают рядом преимуществ:'

- коммутаторы этого типа не, имеют ограничений на число актов кокмуталик и амплитуду коммутируемо?} мощности ( тока и

-: напряжения ) и.скорость нарастания.коммутируемого тока;

- стабильность характеристик современных ферромагнитных материалов позволяет использовать'МК в СИЭП с параллельными каналами 'энергопотока без возникновения разбаланса.во времени коммутации;

. - МК "обладают, уникальным, свойством распределённого коммутатора, образуя в проводящем, ( насыщенном ) состоянии, при соответствующем -.конструктивном выполнении, формирующую линию.

■ Анализ состояния и требований к современным СИУ .показывает, что

■ перспективным направлением их развития является.создание.установок, ; имеющих С1ГЭП с МЗС. Отмечается, что при разработке таких'систем

.питания необходимо, анализировать несколько вариантов СИЭП,. предназначенных для -одного СИУ, определять взаимное влияние элементов систем питания и находить'-оптимальный вариант СИЭП, отвечающий условиям функционирования СИУ. Указывается, что. известные оценочные инженерные методики дают достаточно неточные значения параметров СИЭП с МЗС и'не содержат, алгоритма оптимизации параметров. Уровень мощности, габариты и стоимость Э5У рассматриваемого класса делают.невозможным ( по экономическим соображениям ) создание нескольких различных вариантов СИЭП с МЗС для выбора наилучшего варианта по результатам испытания, либо экспериментальную оптимизацию созданной СИЭП с МЗС путем сколько- нибудь существенного изменения конструкции ее элементов. Таким образом обосновывается необходимость' рассмотрения в. совокупности вопросов математического моделирования процессов в элементах СИЭП с МЗС, численного расчета переходных процессов в системе питания в целом и разработки методики оптимизации основных технических параметров СИЭП с МЗС.

Значительное место в диссертации отведено вопросам математического моделирования процесса динамического перемагннчивания ( ДП ) крупногабаритных ферромагнитных сердечников ( КФС ) с учетом специфики их применения в магнитных коммутаторах СИЭП с МЗС. Покаааио, что;в отличие от квазистатического перемагннчивания, для которого хорошо известны вачнейщие параметры и соотношения для математмчес-

кого описания этого процесса, динамическое перемагничивание ферромагнетика является процессом более'-сложным, как с"точки зрения эоз--никащих физических эффектов, так и с точки;.зрения, математического ' описания этих эффектов и процесса'.перемагничивания.в,целом. Проа- ' наяизированы существующие математические модели,"описьйакщие дина-' шку перемагничивания ферромагнитных сердечников. •" -V,..' / Анализ известных математических моделей показал,что они имеп'т' • феноменологический характер, не являются универсальными, разрабо- '. таны и протестированы в режимах, как правило;нехарактерных для мощных СКЭП с МЗС. В связи с этим сформулированы требования, которым должна удовлетворять математическая'модель процесса динамического ■ перемагничивания Ж, Отмечается, что математическая модель'долшга-. обеспечивать описание процесса ДП КФС из различных ферромагнитных. ; -материалов с соотношением внешнего, и внутреннего .диаметров, ШС, .' существенно большим единицы.: Кроме • того /математическая .модель должна обеспечить адекватное,описание процесса ДП,МК при различ-, ных значениях амплитуды и формы воздействующих .'импульсов. напряжения при характерном для ШС времени перемагничивания:0Д4. I икс. В ре- ••. зультате сопоставления экспериментально полученных временных диа,-грамм тока и напряжения на обмотке ЖС (.при его. испытании в режиме ДП ) с соответствующими диаграммами,' полученными путем машинного расчета по известным математическим моделям, показано, что недас-. редственное. использование этих,моделей не удовлетворяет требовал--ниям, сформулированным для описания процесса ДП магнитных коммутаторов СЙЭП с МЗС. ' ■ - : Г;-- /

В работе.предлагается усовершенствованная математическая модель,' которая удовлетворяет, требованиям, сформулированным, для описания ,,. процесса ДП магнитных коммутаторов СИЭП с МЗС и которая имеет вид: . .

л

где: В- магнитная индукция, Вг- остаточная индукция, Н- напряженность магнитного поля, Нст(В)-'зависимость мевду Н и В. при квазистатическом перемагнйтивании ;-1®С'ё. электропроводность ферромаг--.'■; нитного материала, 6 толщина ленты. КЗС, р и ^'-/коэффициенты,; -характеризующие степень проявления поверхностного аф(Т>екта 'и магшгг-.' ной вязкости. '. '..'.' '■.'-.-- г г '..'•;■."..-'';_. ;.;:'■-'-;.-

Для проверки адекватности предложенной модели были проведены .экспериментально- расчетные исследования. Экспериментальная часть

исследований состояла в. испытании 1®С ( различных-типоразмеров и . ■изготовленных из различных, ферромагнитных материалов) з.режиме

динамического перёмагничивания при характерной скорости перемаг-... ничивания около 10 Тл/ икс. " Проведены исследования в режиме ДП ШС. из пермаллоя 50 НП и 79 Ш С, толщина ферромагнитной ленты 10 кк и 20 мюг), а .такке .из аморфного материала УСР 7421 ( толщина ленты 24 мкмУ при воздействии на обмотку КФС импульсов ::напряжения различной, аглплитуцы и фор:.'ы. Осциллограгг/ы, полученные в результате .экспериментов, сопоставлены.с результатами машинного расчета'переходных процессов .в соответствующих цепях испытатель-ннх установок, причем описание процесса ДП-КЗЮ осуществлялось в программе по1 предложенной модели.. Отличия -экспериментальных и расчетных временных диаграмм токов ..и напряжений на обмотке КШС 'составляют около 10:5.'Показано/ что выбранные для одного из .'•режимов пёремагдачивания -коэффициенты,модели не требуют коррекции при изменении режима ДП С ^при ■варьировании формы», амплитуды, длительности' воздействующего импульса напряжения и хорокпе соответствие расчетных и экспериментальных временных,диаграмм сохраняется. . ■ :,"'"'- .'. . ' '' ■

Исследовано влияние коэффициентов.математической модели на форму: временных диаграмм тока и напряжения на; обмотке К$С. Коэффициент.*г варьировался в пределах 15 4.-60 к 0м/ м, а коэффициент р.в диапазоне. 3 * 18. Показано, что при фиксированном значении р.-и увеличении ток ,перемагничхгвания уменьшается» При фиксирован, ном значении''коэффициента ' - и уменьшении р паметно увеличивается значение производной тока;перемагничивания по времени. Отмечается, что коэффициенты 1 и р различию? образом влияют на форму зременнътх диаграмм тока и наполнения на обмотке КЭС и для получения модели сердечника по результата»? его испытаний в режиме ДП необходимо на^ти. соответствующие значения как для коэффициента р , так и для коэффициента 'С . В работе предложена методика определения коэффициентов модели ^ и . Р по результатом стендовых испытали КЗС. На первом,этапе нахзэдения коэффициентов модели-определяют между каким! расчетными временными диаграммами токов-и напряжен«« располагаются диаграммы, полненные экспериментально. Затем находят расчетную зависимость тока и напряжения на обмотке 1С5С. в среднем паи-

менее удаленную от экспериментальных диаграмм. После чего , используя характерные точки временной диаграммы тока и введя в рассмотрение производные по времени от тока и напряжения на обмотке КФС, а такие учитывая различное влияние на форму временных диаграмм тока и напряжения коэффициентов 1 и р, проводят окончательную настройку. Согласно предложенной методике для партии из 50 сердечников типоразмера 65 х 4С х Ю мм^, изготовленных из аморфного сплава УСР 7421, получены значения коэффициентов ^ 6 124 34 кСм/м и р е 4~ 15 ( большой разброс в значениях коэффициентов объясняется невысоким уровнем технологии изготовления сердечников ). В работе отмечается, что для МК созданного с использованием этих сердечников,впоследствии было получено хорошее соответствие между . результатами расчетов и экспериментально полученными диаграммами тока и напряжения на МК.

Значительное место в работе отведено анализу критериев, в соответствии с которыми осуществляется-оптимизация СИЭП с МЗС. Предложена методика расчета параметров СИЭП, удовлетворяющих совокупности критериев оптимизации. Показано, что критерий минимума объема (массы ферромагнитного материала МК) и критерий максимума общего коэффициента сжатия СЮП с МЗС выполняются при близких условиях, при этом, как правило, объем (масса) ферромагнитного материала МК в звеньях сжатия одинаков и, как следствие, коэффициенты сжатия МЗС оказываются одинаковыми.

Учитывая связь энергии потерь при'ДЦ МК с коэффициентом пере-' ключения ШС (используемого, в МК), суммарные потери в МК СЮП можно представить в виде:

... + й-г, д^зс*))]}

где: С - вр'емя перемагничивания-МК 1-го звена сжатия; ЭС] - коэффициенты сжатия звеньев; коэффициенты ^ зависят от параметров, характеризующих структуру'и.способность МЗС'передавать энергию последующим звеньям; коэффициенты ^характеризуют свойства Ж в. режиме ДП,

В работе отмечается, что суммарные потери в МК СИЭП с МЗС могут быть минимизированы,'полагая, что, общий коэффициент сжатия,

СИЭП является заданным.В аналитическом виде получено распределение значений коэффициентов сжатия Xj для ЮС пятизвенной СИЭП. Указано, что методом математической иццукции могут быть найдены значения коэффициентов сжатия при любом числе МЗС в СИЭП, причем:

п-1 1

- - !?>д 1W w ""г. '. J

<> l-J I 2 fi+j-L+i' J

Анализ этих соотношений показывает, что,в отличие от критериев ш-.нимума общего объема Ж или максимума общего коэффициента сжатия, критерий минимума суммарных потерь в МК СИЭП выполняется при неравномерном распределении значений коэффициентов сжатия звеньев (зна- ' чения коэффициентов сжатия должны убывать от входных МЗС к выходным звеньям сжатия)..

В работе проведено сопоставление общих объемов, коэффициентов сжатия и суммарных потерь в МК для СИЭП, в которых выполняются условия одного из критериев оптимизации и вариантов СИЭП, в которых эти условия не соблюдаются. Такое сопоставление проведено .и для вариантов СИЗП с МЗС, в которых выполняются условия различных критериев, оптимизации. На примере трехзвенной СИЭП, полагая, что соответствующие коэффициенты и 9" мало отличаются для МЗС, получены упрощенные оценочные соотношения и графические зависимости, показывающие (в относительных единицах) к каким изменениям общего объема, коэффициента сжатия или'суммарных потерь приводит отклонение ■коэффициентов сжатия,звеньев от оптимальных'значение. •

При разработке СИЭП с МЗС одним из основных является вопрос оптимального выбора числа звеньев сжатия, обеспечивающих заданный общий коэффициент сжатии СИЭП.• Приводятся соотношения и соответствующие графические зависимости, позволяющие оценить (в относительна единицах), к каким изменениям-.общего объема МК или суммарных потерь з МК СИЭП приведет отклонение от оптимальных значений коэффициентов сжатия звеньев в зависимости от числа МЗС и значения

С*

общего коэффициента, сжатия системы питания.. Для двух-^трех-.и '■> С

четырехзвенных вариантов СИЭП с.МЗСприведены графические зави-симостн относительных отклонений Общего, обьома МК или сумкар- ':,:. V ь;?.:ч- потерь в МК СИЭП от числа звеньев сжатия ( пронормированные , соответственно по общему объему или-суммарным:потерям четырех- V ' звенной СИЭП с общим коэффициентом сжатия равным 64). ;На основе V;., получениях соотношений, и графических .'зависимостей предложена"- , 7: ■ методика расчета основных параметров СИЭП-с МЗС ( выбор, числа ■;.' звеньев сжатия, распределение коэффициентов,-сжатия магнитных : ■ ' > ,;'-звеньев, оценки общего объема Ш и суммарных потерь в них) , которая позволяет учесть дополнительные требования, обеспечиваю-,,. те необходимы/ реяим работы СИУ и выполнение, .определенных уело-;. , .- ,' зий для нормального функционирования .СИЭП с МЗС. К,таким условиям * Г' , -обычно относятся : эксплуатация МК и управляемого коммутатора первичного какоцителя в режиме,близком к номинальному ( в против- 7, .ном случае СИЭП с МЗС 'шкет потерять свое основное, преимущество. - .,...- -. неограниченный ресурс работы ) ; минимизация' общих габаритов -.( обгдзг. ; го веса ). СИЭП и/ или ее стоимости. Соблюдение этих требований,-нередко противоречит условиям, при которых выполняотся критерии '..;.-.,. оптимязацяп, однако полученные в работе соотношения позволяют '.•-.". сравнивать основные технические параметры СИЭП на начальном этапе'-V, • их разработки и осуществлять выбор варианта СИЭП с МЗС, удовлетвори- ' . куцего совокупности критериев и дополнительным требования». - ' В работе изложена методика малинного анализа переходных .процессов • в СПЗП с МЗС и приведены.результаты, ''пйлучзнные'с. помощью предло-йвнпоЗ методики, при разработке модуля СИЭП ускорителя ЛйУ-5/5000 . ;' ( ИТЭФ) и исследованиях экспериментального высоковольтного импульс- .-ного генератора- ( НПО " Электрофизика "). Поскольку критерии оптимизации 'л дополнительные требования, предъявляемые к основным технически;.: параметрам СИЭП с МЗС , как правило, носят противоречивый ' . ■ характер, разработчик систем питания с ШС лигаен возможности изначально рассчитать " с запасом" параметры для определенного варианта . СИЭП. Отмечается, что для многозвенных СИЭП и.СИЭП мощных ЭЗУ метод мотеиатического моделирования процессов в системах питания является' , 'практически единственным способом,'позволяющим анализировать работу кгсколькнх вариантов СИЭП, имеющих, например, различное конструктивное выполнение отдельных узлов.

Рассматриваются некоторые схемы замещения магнитных звеньев

сжатия * и ; анализируются, возможные упрощения и дополнения к предложенной во второй главе модели, описывающей процесс пореклв-. чения МК. За счет введения в модель параметра состояния МК

обеспечена возможность использования модели для описания процесса переключения.!® как в прямом , так и в обратном направлении ( что особенно существенно для анализа процесса восстановления исходного . состояния СИЭП при частотном рекиме работы ). Г. .Отмечается,'что для машинного анализа цепей , содержащих нелинейные динамические 'элементы (к. этой категории элементов относятся МК ) целесообразно использовать метод переменных состояния* , в котором базисше переменные 1ь. ( токи в индуктивных элементах ) и^сГнапря-' ¡кения.' на емкостных элементах) представляют для СИЭП с МЗС наибольший практический интерес, Показано, что в упомянутом базисе перемен. гньтх система дифференциальных уравнений ( СДУ ), описывающая переходный процесс в СИЭП с МЗС и.содержащая нелинейные дифференциальные •*• соотношения для моделирования процесса ДП магнитных коммутатороз, может быть приведена к форме Коши и проинтегрирована. Указывается, что в схемах замещения СИЭП с МЗС, как правило, встречаются индук- • тивные звезды и емкостные контура. В этом случае алгоритм формирования систэкы.дифференциальных уравнений приводит СДУ к форме Коши , одновременно поникая порядок СДУ, поскольку некоторые-переменные состояния оказывается линейно зависимыми.На основе изложенного .,в работе варианта метода переменных состояния была разработана программа анализа переходных процессов в СИЗП с МЗС. Программа прошла тестирование путем, сопоставления результатов расчета с экспериментально 'полученными осциллограммами в одно- и двухзвенном магнитном генераторе импульсов,а в последующем-путем сопоставления результатов расчета с экспериментально полученными осциллограммами при разработке и испытаниях СИЭП с МЗС.

Разработанная программа использовалась для расчета переходных процессов в экспериментальном высоковольтном импульсном генераторе ..,( НПО " Электрофизика " ) с магнитным ззеном сжатия. Генератор сос-

• тоял из емкостного накопителя в виде двойной формирующей линии

• ( Д$Л ), газового-разрядника (• ГР ), формирующей линии ( ФЛ ), магнитного коммутатора, передающей линии ( ПЛ ) и нагрузочного резис— тора. МК содержал 7 тороидальных сердечников типоразмера 427 х 356х 20.1<гД изготовленных из неотожженной аморфной ленты УСР 7421 и

-имеющих лавсановую изоляцию. При машинном расчете переходных процес-

сов в генераторе ДФЛ и <5Л моделировались .традиционно - в в#иде искусственных линий на схеме замещения, а для сопоставления потерь в основных узлах генератора были учтены.реальные характеристики, ',"• коммутирующего ДЗ?Л газового разрядника', который на схемезамеще- . ния моделировался последовательным соединением индуктивного,"и'нелинейного резистивного элементов. Моделирование процессов-'в МК .-'; было выполнено в соответствии с предложенным в главе 2 соотноше*-' нием и с учетом аксиальной протяженности.габаритов МК, путем введения в схему замещения каскадно. соединенных звеньев'сжатия .••/"•.'-• ( по числу сердечников в Ж ). . \ . - '

Результаты расчетов.( получившие экспериментальное подтверж- .-■ дение} показали, что при зарядке М до напряжения 140 + 160 кВ потери в МК составляют около 60 Дм, что на 30?, меньше потерь в .<■ ГР. Било установлено, что до 10 % запасенной энергии сосредотачивается е зарядном дросселе и лишь 40 % энергии поступает,в ПЛ. За счет варьирования параметров схемы замещения на основе машинного анализа переходных процессов в генераторе была оптимизирована его работа ( в рамках выбранного технического решения ). Увеличение на порядок индуктивности зарядного .дросселя ДМ и уменьшение числа сердечников ( с 7 до 5 ) позволило снизить потери в МК на 15 увеличить амплитуду импульса в ПЛ на 10 % и увеличить' энергию передаваемую в нагрузку в 1,6 раза. .

3 работе отмечается, что практическое применение разработанных методик и программ осуществлено при создании модуля СИЭП с.МЗС для ЛИУ - 5/500С в рамках научных исследований, выполненных, совместно МИШ и ИТЭ'Ш и направленных на модернизацию системы питания этого ускорителя. Необходимость модернизации СИЭП вытекает из"кон-.пегадни создания сильноточных Л!1У, для которых требуется обеспечить высокую стабильность и повторяемость импульсов ускоряющего напряжения ( соответствующие допуски составляют единицы процентов ).. При разработке СИЭП следовало учесть ряд дополнительных ограничений, а именно: общий обьем МК СИЭП не долкен превосходить суммарного объема индукторов ЛИУ ( ограничение на стоимость проекта ) ; число коммутаторов первичных накопителей должно быть минимальным и обеспечивать частотный речдам работы; средний темп набора энерпгл должен составлять не менее 0,5 МэВ / м при сохранении конструкций действовавших ускоряющих секций.

В связи с тем, что ускоряющие ячейки содержат пермаллоевые лен-

точные-Ш8С типоразмера 430 х 200 х 25 мм темп набора энергии около Г МэВ/м . можно обеспечить при формировании на выходе СИЗП . прямоугольного импульса напряжения длительностью 150 - 200 не. В этом случае амплитуда импульса напряжения, воздействующего на каждый индуктор составляет около 25 кВ, ток перемагничиванияКОС не превосходит I кА и эффективность передачи энергии пучку составляет около 70 %. Требование обеспечить нефорсированный ( близкий к номинальному ) режим работы для коммутатора ( тиратрона ТГИ I-2500/50 )первичного накопителя обусловило предварительной выбор общего кээффицинта сжатия СИЭП ¿е = 50.

Формирование высоковольтных импульсов напряжения длительностью 150 - 200 не на низкоомной нагрузке -представляет собой достаточно сложную задачу, поскольку применение формирующих устройств с распределенными параметрами неприемлемо из-за их габаритов, а в формирующих цепях с сосредоточенными параметрами заметное влияние на форму импульса оказывают паразитные параметры. В работе проведен расчет переходных процессов и проанализирована влияние на форму' импульса основных параметров цепи формирующего двухполюсника, в котором ищуктивные элементы частично или полностью реализуются за счет паразитных индуктивностей конденсаторов. Машинный анализ цепи двухполюсника показал, что напряжение'на конденсаторах корректирующих иетвей не превосходит 55 % от значения напряжения конденсатора - накопителя, з результате чего формирующий двухполюсник был изготовлен из керамических конденсаторов и его габариты были резко снижены.'

В работе отмечается, что для формирования фронта импульса целесообразно использовать МК с распределенными параметрами» Машинный расчет различных вариантов Ж выходного звена СИЭП показал, что приемлемые габариты обеспечивает Ж с сердечниками из аморфного сплава УСР 7421 при этом длина МК коаксиальной конст-. рукции не превосходит 0,6 м , а диаметр-0,15 м. Такой МК обеспечивает коэффициент сжатия,равный 1,6. Согласно методике, изложенной в третьей главе диссертационной работы,при разработке модуля СИЭП . был выбран вариант с тремя входными MX, в которых выполнены условия критерия минимума суммарных потерь в МК и имеющих следующие коэффициенты сжатия = 4,5 ; = 3 ; ЭСз = 2,45 .

Требование минимизировать число управляемых коммутаторов в СИЭП обусловило введение параллельных каналов энергопотока. По результа-

там машинного расчета переходных процессов в СЮП с МЗС в работе дан анализ допусков основных элементов магнитных, звеньев сжатия. ; ;'; Показано, что при относительном отклонении.не более ^чем на 5 % от номинальных значений емкости накопителей МЗС и индуктивности..соответствующих контуров,.а также при разбросе токов перемагничивания ; МК в пределах М * 15 % , разбаланс во времени срабатывания-,парал- ..'г.-' лельных каналов оказывается меньше 5 не. С учетом полученных,ре-'-, зультатов был разработан проект модуля СИЭП с МЗС , в котором рас-, параллеливание каналов, энергопотока предусмотрено после первого- , -МЗС ( 4 канала ) и третьего МЗС ( 3 канала )..

Основные результаты работы.

1. В диссертационной работе рассмотрены.и-решены актуальные .. ; для СЮП.с магнитными звеньями скатия задачи : предложена усовер- • шенствованная модель для описания процесса динамического пере- . магничивания крупногабаритных . ферромагнитных сердечников, и' про-. , анализирован вопрос о ее адекватности ; дано аналитическое реше- -. ние задачи о минимизации' суммарных потерь в магнитных коммута- . - -торах СИЭП , указаны соотношения для определения коэффициентов сжатия ( объемов, массы ферромагнитного материала МК ) в каждом . звене сжатия СИЭП , удовлетворяющих этому условию ; проанализированы критерии оптимизации систем питания с магнитными-коммутаторами и предложена методика для сопоставления основных технических параметров ( объемов, массы ферромагнетика в МК, коэффициентов -снатия, потерь в МК ) СИЭП , рассчитанных в соответствии с различ-. нь&'и критерия;.® оптимизации; содержится описание алгоритма машинного расчета переходных процессов в СИЗП с МКИ и даны сведения о внедрении и использовании диссертационной работы и ее резуль- -татов при разработке и оптимизации СИЭП мощных электрофизических установок.' .'.''■

2. Предложенная усовершенствованная модель для описания процесса динамического перемагничивания КЗЮ , с учетом результатов проведенных экспериментально - расчетных работ, может считаться адекватно описывающей процесс ДП сердечников." Эта модель была использована для анализа переключающих свойств магнитных коммутаторов СИЭП и рассмотрения вопроса о формировании ускоряющего поля индукторами ЛИУ. По результатам экспериментальных исследований определены .

V 16

параметры модели, описывающей процесс ДП ферромагнитных сердечников из аморфной ленты ( материал УСР 7421 ).

,3. Для расчета переходных процессов в СИЭЛ с магнитными звеньями сжатия разработана программа машинного анализа процессов в таких системах. Программа внедрена в НПО " Электрофизика " ( г, С. - Петербург ) . Результаты расчетов использованы при разработке и оптимизации параметров СИЭП ряда мощных электрофизических установок ( ЛИУ - 5 / 5000 , ИТЭЗ? г. Москва ; экспериментальный высоковольтный импульсный генератор НИО СИУ научно - производственного объединения " Электрофизика " г. С, - Петербург ).

4. В аналитическом'виде решена•задача о минимизации потерь в магнитных коммутаторах многозвенных систем питания, получено соответствующее распределение для коэффициентов сжатия магнитных звеньев и проведен сравнительный анализ основных параметров СИЭП, оптимизированных с соответствии с различными критериями. Тем самым достигнута возмокность на начальном этапе расчета СИЭП •выбрать оптимальные значения основных технических параметров систем питания рассматриваемого класса.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Вулыкин В.М. Варламов Н.В, Мирошниченко А.Л.

. , Применение метода переменных состояния для расчета цепей электрофизических'установок // В сборнике Теория, расчет и экспериментальные работы по. ускорителям заряженных частиц , М.: Энергоиздат, 1982, с. 92-96

2. Вулыкки В.М., Варламов Н.В. Метод расчета переходных процессов

в нелинейной цепи по динамическим характеристикам нелинейного эле- . , мента // Тезисы докладов 6-ой Всесоюзной межвузовской конференции . по теории и методам расчета нелинейных цепей. Ташкент , 1982, с 21-• 22.

3. Булыкин В.М«, Варламов Н.В. Емельянов В.К. Львов Е.И.

Анализ переходных процессов в .системе электропитания линейных индукционных ускорителей. // В сб. Разработка линейных ускорителей и их применение в радиационном эксперименте. М.: Энергоиздат , 1986, с. 59-63«.

4.. Вулыкин В.М., Варламов Н.В., Емельянов В.К., Львов Е.И..

Ьценка влияния подводящего фидера на переходный процесс в системе питания линейного индукционного ускорителя. // В сб. Разработка линейных ускорителей и их применение в радиационном эксперименте» М.: Энергоатомиздат . 1986, с. 50-53

5. Булыкмн В.М., Варламов Н.В., Емельянов В.К., Львов Е.И., Оптимизация магнитных звеньев импульсной компрессии в схеме питания электрофизических установок // В сб. Разработка линейных ускорителей и их применение в радиационном эксперименте. М.: Энергоатом-издат 1986, с. 54-58 . " ' ■ '

6. Варламов Н.В., Купцов В.А., Львов Е.И. Машинный анализ переходных процессов в магнитных генераторах // В сб. Измерение и моделирование процессов в импульсных электродинамических системах, М.: Энергоатомиздат, 1936, с. 32-35

7. Варламов Н.В., Емельянов З.К., Купцов В.А., Математическое моделирование процессов переыагничивания ленточных ферромагнитных сердечников // В сб. Измерение и моделирование процессов в импульсных электродинамических системах , М.: Энергоатомиздат, 1985 с. 35-41

0. Варламов И,В., Купцов В,А., Львов Е.И. Схема формирования импульса напряжения прямоугольной формы на низкоомной нагрузке // В сб. Импульсные электродинамические системы, М.: Энергоатомиздат , 1937, с. 3-7

9. Варламов Н.В., Купцов В,А., Львов Е.И. Синтез линейной схемы замещения индуктора ЛИУ // В сб. Мощные фязико- энергетические системы, М.: Энергоатомиздат, 1988 с. 73-78

1С. Львов Е.И., Варламов Н.В», Купцов В.А. Модуль системы импульсного

электропитания с магнитной компрессией мощности // Труды 11-го Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, Дубна, IS89, т.2,с. 337-333. ■

11. Еорзов Р.Г., Истомин Ю.А., Печерский О.П., Варламов П.В. и др. ЗмсокоеольтииЯ наносекунцныЯ генератор с магнитным коммутатором

( I. Описание установки ) // Труды 8-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, Свердловск, 1990, с. 130-182

12. Варламов Н.В., Львов Е.И., Борзов Р.Г., Истомин О.А. и др. Высоковольтный наносекундный генератор1 с магнитным коммутатором

( 2. Численное моделирование и оптимизация звена магнитного сжатия) // Труды 8-го Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике, . Свердловск, 1990, с. 183-185.