Вывод и рекуперация энергии в индуктивных и емкостных накопителях тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

084603352 На правах рукописи

ЕРОХИН Александр Иванович

ВЫВОД И РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ В ИНДУКТИВНЫХ И ЕМКОСТНЫХ НАКОПИТЕЛЯХ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц н ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 3 июн 2010

НОВОСИБИРСК - 2010

004603352

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

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

МЕДВЕДКО Анатолий Степанович

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

КУКСАНОВ

Николай Константинович

ХОДЖИБАГИЯН Гамлет Георгиевич

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

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

кандидат технических наук, Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна.

Российский научный центр "Курчатовский институт", г. Москва.

Защита диссертации состоится « » _2010 г.

в « // 10 » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.01 Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан « г? » С/ О^г .г -<_2010 Г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А. В. Бурдаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В электрофизических установках, содержащих индуктивные или емкостные накопители энергии, является актуальной проблема безопасного вывода запасенной энергии. В сверхпроводящих магнитах запасенная энергия потенциально может вызвать серьезные повреждения при срыве сверхпроводимости в случае, если дополнительные меры предосторожности не будут приняты.

Первая часть работы посвящена разработке систем вывода энергии из сверхпроводящих магнитов Большого адронного коллайдера (БАК, Швейцария), являющегося на сегодняшний день самым большим коллайдером в мире. Магнитная система коллайдера, составляющая около 27 км, состоит преимущественно из сверхпроводящих магнитов с рабочей температурой 1,9 К. Энергия, запасенная во всей магнитной системе, составляет порядка 10 ГДж, а максимальный ток варьируется от сотен ампер в цепи корректирующих магнитов до 13 кА в цепи основных магнитов. Большинство сверхпроводящих магнитов коллайдера требуют защиты в случае перехода проводника в резистивное состояние. Это обусловлено тем, что скорость распространения срыва сверхпроводимости не достаточно высока, чтобы избежать локального перегрева и дальнейшего разрушения того участка обмотки, где произошел срыв. При этом основным элементом защиты является система вывода энергии из сверхпроводящих магнитов, включая внешний балластный резистор, размыкатели тока и всю необходимую электронику управления. Основной задачей автора в данной работе, помимо разработки элементов систем вывода энергии, было обеспечение их надежности и необходимого быстродействия систем. При этом важна надежность как с точки зрения предотвращения выхода из строя магнитов БАК, так и с точки зрения бесперебойного функционирования всего комплекса в целом.

Вторая часть работы посвящена системе питания плазменной установки со скрещенными электрическими и магнитными полями. В этой установке, выполненной в виде цилиндрического объема, на торцах размещены две группы электродов, которые задают электрическое поле в плоскости, перпендикулярной оси установки, создавая особые условия для удержания плазмы. Система питания такой установки состоит из 20 четырех-квадрантных преобразователей с диапазоном выходных напряжений источников в пределах до ±600 В и диапазоном токов до ±500 А, обеспечивая при этом рекуперацию энергии буферных конденсаторных батарей.

Целью работы явилась разработка ключевых элементов систем вывода энергии из 13 кА дипольных и квадрупольных магнитов, а также разработка, производство и испытания 205 систем вывода энергии из 600 А

корректирующих магнитов БАК. Целью второй части работы явилась разработка, производство и испытание 4-квадрантных преобразователей напряжения мощностью 300 кВт для системы питания плазменной установки в г. Сан-Диего (США).

Научная новизна

1. Для 4 кА размыкателей тока, являющихся коммутирующим элементом в 13кА системах вывода энергии, было проведено компьютерное моделирование магнитной цепи размыкателя с учетом динамики подвижных частей электромагнитного привода и совместно с моделью электрических цепей его управления. В компьютерной модели была построена эквивалентная электрическая схема, отражающая все указанные типы элементов, а также проведена оригинальная сшивка моделей электрической, магнитной и механической систем размыкателя. На основании проведенного моделирования выработаны и реализованы рекомендации по управлению размыкателем.

2. В качестве коммутирующего элемента (размыкателя) системы вывода энергии из 600 А корректирующих магнитов был предложен промышленно выпускаемый выключатель переменного тока. Его конструкция была изменена на основании разработки автора и по его рекомендации с учетом особенностей цепи питания сверхпроводящих магнитов, а также с учетом требований по надежности размыкания цепи. Как результат модернизации, предложенной автором, в конструкцию размыкателя встроен второй независимый канал расцепления, что существенно повышает надежность всей системы вывода энергии.

3. Для гашения дуги, возникающей между контактами при их размыкании, и для увеличения ресурса размыкателей впервые было предложено установить конденсаторный снаббер в цепи сверхпроводящих магнитов. В отличие от релейных цепей переменного тока, где традиционно используются КС-снабберы, в цепи постоянного тока (в данном случае -цепи сверхпроводящих магнитов) допустимая емкость снабберного конденсатора ограничена не возникающими импульсными токами, а требованием на ограничение времени размыкания цепи. Использование токоограничивающего резистора в данном случае нецелесообразно, а емкость конденсатора выбирается такой, чтобы за время размыкания силовых контактов размыкателя обратное напряжение, возникающее в цепи, не успевало дорасти до величины достаточной для образования дуги.

4. Для систем вывода энергии из корректирующих магнитов электроника, непосредственно управляющая выключателями, разрабатывалась и изготавливалась в ИЯФ. При определяющем участии автора были заложены основные принципы управления выключателями:

использование независимых каналов управления каждым из выключателей; внештатные (аварийные) ситуации приводят к размыканию цепи и дальнейшему выводу энергии из корректирующих магнитов, что не приводит ни к повреждению магнитов, ни к сбросу пучка; обрыв сигнальных и сетевых проводов, а также пропажа напряжения питания собственных нужд не приводят к бездействию системы вывода энергии - в случае замкнутой цепи происходит ее размыкание, в случае разомкнутой цепи замыкание последней невозможно.

5. Для системы питания плазменной установки (г. Сан-Диего, США) была проведена разработка, которая обеспечила устойчивую работу комплекса преобразователей на общую нагрузку в виде плазмы. Для рекуперации энергии конденсаторных батарей на каждую группу преобразователей установлено по одному рекуператору. Решена задача по ограничению коммутационных перенапряжений и минимизации тепловых коммутационных потерь на ЮВТ.

Практическая значимость работы

1. Проведенное моделирование работы 4 кА размыкателей тока для систем вывода энергии из основных магнитов позволило модифицировать их (размыкатели) с учетом всех требований цепи питания этих магнитов, включая требование на быстродействие, устойчивую работу в достаточно широком диапазоне токов управления, а также исключение дребезга силовых контактов размыкателей.

2. Автором разработана система вывода энергии из корректирующих магнитов БАК, под его руководством в ИЯФ серийно изготовлены 205 таких систем, которые были испытаны и затем поставлены в ЦЕРН (Женева) на кольцо БАК. Проведенные испытания показали, что предложенные автором конденсаторные снабберы не только существенно уменьшили время размыкания цепи, но и увеличили ресурс размыкателей с 2000 срабатываний под полным током до 13000 срабатываний (гарантируемый заводом ресурс механики) с соблюдением всех требований на возможность их использования в цепи питания сверхпроводящих магнитов. Модифицированные размыкатели, произведенные для ЦЕРН на основе разработок автора, прошли сертификацию в независимом сертификационном центре в Берлине.

3. По второй части работы описано, что в ИЯФ были изготовлены 2 преобразователя (рекуператора) и 22 контроллера, а в 2003г. в Сан-Диего (США) по рекомендациям автора - 20 преобразователей. В целом система питания обеспечивала функционирование установки в течение всего срока эксплуатации (несколько лет).

Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:

1. Для систем вывода энергии из основных магнитов БАК проведено моделирование работы электромагнитного привода автоматического размыкателя тока с учетом нелинейности (насыщения) участков магнитной цепи, с учетом изменения зазора в магнитной цепи и с сопряжением электрических цепей управления с магнитной цепью привода. На основании выполненного моделирования выработаны рекомендации, которые позволили обеспечить оптимальный режим работы всех 254 размыкателей ВАБ-49, установленных позднее в тоннель БАК. При этом сами размыкатели были выпущены заводом с учетом результатов моделирования.

2. Разработаны, произведены и испытаны 205 систем вывода энергии из корректирующих магнитов. Было решено использовать в каждой цепи по три, полностью независимых (с независимыми каналами управления), размыкателя, соединенных последовательно, что существенно уменьшает вероятность отказа системы в целом. При этом третий выключатель, оставаясь резервным при штатной работе двух других, срабатывает только тогда, когда появляется информация о сбое при размыкании двух основных выключателей этой цепи. Такая топология существенно увеличила надежность систем вывода энергии.

3. Проведенная автором доработка автоматических выключателей В А57-35 позволила использовать их в качестве размыкателей тока в системах вывода энергии из корректирующих магнитов. Конструкция выключателей была изменена на основании разработки автора и по его рекомендации с учетом особенностей цепи питания сверхпроводящих магнитов, а также с учетом требований по надежности размыкания цепи. Как результат модернизации, предложенной автором, в конструкцию размыкателя встроены два независимых канала расцепления, что существенно повысило надежность всей системы вывода энергии.

4. Предложенные конденсаторные снабберы позволили минимизировать время горения дуги между контактами, а, следовательно, уменьшить общее время размыкания и увеличить ресурс размыкателей.

5. Для плазменной установки со скрещенными электрическими и магнитными полями проведена разработка, обеспечившая устойчивую работу всего комплекса преобразователей (двадцати штук) на одну общую нагрузку в виде плазмы, являющейся в данном случае нелинейной нагрузкой. Предложенная автором разработка позволила рекуперировать энергию конденсаторных батарей. Устойчивость и стабильность системы обеспечена в полосе частот от режима постоянного напряжения до двухсот герц. Решена задача по ограничению коммутационных перенапряжений и минимизации тепловых коммутационных потерь на ЮВТ.

Апробация работы н публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинаре в Институте ядерной физики им. Будкера СО РАН и на конференциях 1САР2000 (Дармштадт, Германия, 2000г.) и 1РМС (Лас-Вегас, США, 2001г., 2008г.), а так же опубликованы в виде 9 статей, из них 2 в реферируемых журналах.

Структура работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из (39) наименований, изложена на (144) страницах машинописного текста, содержит (68) рисунков и (17) таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность применения систем вывода энергии из сверхпроводящих магнитов и четырехквадрантных преобразователей напряжения, а также показана практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе показана необходимость использования систем защиты сверхпроводящих магнитов, в частности систем вывода энергии. Показаны различные варианты систем защиты сверхпроводящих магнитов и приведен обзор существующих систем вывода энергии в ведущих ускорительных лабораториях: БЕБУ (Германия), ГИАЬ (США), ИЯФ (Россия).

Во второй главе кратко описывается магнитная система БАК, приведены виды магнитных цепей и их параметры (Таблица 1).

Таблица 1

Тип цепи Ток Кол-во цепей

Основные диполи 13 кА 8

Основные квадруполи 13 кА 16

Индивидуально запитываемые квадруполи 4 - 6 кА 78

Сепарирующие диполи 6 кА 16

Квадруполи финальной фокусировки 12 кА 8

Корректирующие магниты с системами вывода энергии 600 А 202

Корректирующие магниты без систем вывода энергии 60-600 А 1243

Показана необходимость использования систем вывода энергии для основных (дипольных и квадрупольных) и корректирующих магнитов БАК,

приведены широко используемые принципы и требования для систем защиты сверхпроводящих магнитов:

- разбивка всего кольца на сектора, что позволяет получить цепи с меньшей запасенной энергией магнитного поля;

- быстрое детектирование срыва;

- шунтирование магнита (резистором или диодом в случае необходимости), в котором произошел срыв, от остальной цепи;

- распределение энергии в «сорвавшемся» маните;

- контролируемый вывод энергии из всей цепи магнитов.

Далее приведены особенности регистрации срыва сверхпроводимости для корректирующих магнитов и основных магнитов БАК и описываются системы вывода энергии из основных магнитов, приведены их параметры (для дипольных цепей Таблица 2).

Таблица 2

Параметр Шй Величина

1ном А 11850

1макс А 12840

Ьцепи Гн 15.7

сШ&макс А/с 10.0

N Шт. 154

Одним из основных элементов системы вывода энергии является размыкатель цепи, коммутирующий цепь питания таким образом, что в нее вводится балластный резистор. В главе приведены требования, которым должен удовлетворять размыкатель тока для обеспечения необходимой надежности системы вывода энергии.

В активном (при ненулевом токе) состоянии магнитной цепи, система всегда должна быть управляемой и готовой к выводу энергии, вне зависимости от состояния какой-либо инфраструктуры. В главе приведены решения, предусмотренные для удовлетворения этим требованиям. Введено понятие сбоя системы вывода энергии, перечислены виды сбоев, их вероятность. Показаны методы минимизации вероятности сбоев при размыкании систем вывода энергии.

В конце главы приводится постановка задачи для автора диссертации.

В третьей главе приводятся параметры выбранного размыкателя тока ВАБ49, описываются принципы его работы и обосновывается необходимость моделирования работы электромагнитного привода размыкателя. Далее в главе описывается модель привода, и приводятся результаты моделирования.

При моделировании обязательным требованием является наглядность представления узлов и элементов привода, наличие возможности проверки правильности составленной или выбранной модели, удобное отображение протекающих в модели процессов. Основную особенность моделирования составила необходимость учесть динамику процессов в механических цепях, в магнитных цепях и в электрических цепях, в строгой связи всех этих процессов.

Основываясь на описании устройства размыкателя и основных принципах его работы, можно сформулировать следующие особенности:

- магнитная цепь содержит участки магнитопровода различного сечения, при этом на некоторых участках магнитопровод приходит в состояние насыщения;

- магнитная цепь содержит воздушные зазоры, величина которых изменяется во времени, что означает изменение во времени и суммарных сил, действующих на ярмо;

- необходимо согласование электрических управляющих цепей с эквивалентным электрическим представлением магнитной цепи и подвижных частей механики, с учетом их масс и геометрии.

В процессе моделирования переходных процессов, возникающих в электромагнитной системе размыкателя, моделировались и регистрировались:

1) магнитные потоки во всех цепях;

2) движение левого и правого ярма с выводом координаты;

3) скорости движения левого и правого ярма;

4) результирующие силы, действующие на ярмо;

5) токи в удерживающей и импульсной катушках;

6) напряжения на катушках.

Далее в главе приводится семейство кривых для времен полного отрыва левого и правого ярма в зависимости от напряжения на зарядном конденсаторе и от тока в удерживающей катушке, а также приводятся рекомендации для оптимального управления приводом размыкателя. На рис. 1 приведена блок-схема модели электромагнитного привода.

В четвертой главе приведен обзор цепей корректирующих магнитов БАК, приведены их параметры, и сформулированы требования на системы вывода энергии. На рис. 2 показан общий вид цепи питания и защиты корректирующих магнитов.

Рис. 1. Блок-схема модели привода.

магнит 1 магнит N

1 тт^ ! )

1 1 1 Ь ь 1 1 1

р битр гЛЛЛгл —1 1—

1Г II

С

Рис. 2. Схема цепи корректирующих магнитов, включая систему вывода

энергии.

Топология системы вывода энергии приведена на рис. 3. Предложено использование трех размыкателей тока последовательно, что увеличивает надежность системы. Вероятность сбоя хотя бы одной из 202 систем вывода энергии за 30 лет эксплуатации БАК составляет менее ЮЛ В штатном режиме коммутируются только размыкатели ВгА и ВгВ, а Вг2 остается в замкнутом состоянии, размыкаясь только в случае одновременного сбоя первых двух. Такое резервирование существенно увеличивает ресурс системы.

fuse

R_dump 0.7 Ом

Csnab _L 0.8мФ"

IV

ВгАС управление ВгА

ВгВ<= управление ВгВ

\ \ \ BrZC управление BrZ

Ral I Rb I iRcl

440u[ |440u| |440u|

Рис. 3. Элементы системы вывода энергии.

В качестве размыкателя тока был выбран промышленно выпускаемый автоматический выключатель ВА57-35. Однако для удовлетворения всем требованиям автором была предложена доработка выключателей: удалены тепловой и электромагнитный расцепители, а в освободившемся пространстве совместно установлены расцепители на основе импульсной и удерживающей катушек.

Для защиты от возникающей дуги при размыкании силовых контактов под током предложен конденсаторный снаббер, установленный параллельно размыкателю, так, что ток индуктивной цепи, в случае выключения размыкателя, в первый момент времени замыкается через конденсатор. В главе сформулированы критерии выбора величины емкости конденсаторного снаббера.

На рис. 4а) показано, что без использования снаббера при индуктивности нагрузки ЮмГн время горения дуги составляет около 8 мс. На рис. 46), для сравнения, показан процесс размыкания выключателя при использовании снаббера для цепи с индуктивностью такой же величины. На рисунках приведены время задержки срабатывания расцепителей Д^, время горения дуги и время зарядки конденсатора снаббера Д13.

t [ms]

400 [V]

300

200

a)

Breaker Voltage

/T\

iiHPH

л -Г-

11 ms]

б)

Рис. 4. Напряжение между контактами при токе 600 А: а)С5П = 0,б)С5П=0.8 мФ.

Далее в главе приводится краткое описание управляющей электроники, часть из которой разрабатывалась в ЦЕРН, а часть - сотрудником ИЯФ Горчаковым K.M. при участии автора.

В пятой главе приводятся результаты испытаний, таких как:

- выбор величины емкости снаббера;

- типовые испытания и испытания на долговременную надежность;

- производственные испытания;

- тепловые испытания;

- испытания на этапе запуска БАК.

Были отработаны решения по выбору автоматических выключателей и по выбору емкости конденсаторного снаббера. Испытания проводились для ряда значений емкости от 0 до 0.96 мФ.

При испытаниях на долговременную надежность были проведены 13000 размыканий под током в 600 А для системы из двух размыкателей. Испытания показали полную работоспособность размыкателей после 13000 циклов. Такие параметры, как времена срабатывания расцепителей и сопротивления контактных групп оставались в пределах статистической погрешности на протяжении всех испытаний.

Далее в главе описываются испытания, проводимые в процессе серийного производства систем, после монтажа систем в ЦЕРН и испытания, проводимые на этапе запуска БАК. Испытания показали надежность и соответствие предъявленным требованиям всех 205 серийно изготовленных и поставленных в ЦЕРН систем.

В шестой главе описывается система питания электродов плазменной установки со скрещенными электрическим и магнитным полями (г. Сан-Диего, США). Обосновывается необходимость разработки системы 4-квад-рантных преобразователей напряжения с рекуперацией энергии (рис. 5).

Выпрямитель! Преобразователь 1-1 Рабочий об»и Преобразователь 2-1 Выпрямитель!

Рис. 5. Система питания электродов.

На рис. 6. приведено схемное решение для 4-квадрантного

преобразователя, выходное напряжение которого при симметричном напряжении питания и симметричном ШИМ равно:

<инагр >=ис1с ^-у).

где Т=\1рс10ск период ШИМ; т - временной интервал, когда £>2 открыт.

(+)1ЭС 675 В

(-"ЮС -673 В

Рис. 6. Силовая схема преобразователя.

Далее в главе описывается возможность возникновения обратных для входной конденсаторной батареи токов, как при коммутации ключей полумоста, так и в силу сложного распределения плотности тока электронов и ионов в плазме. Поскольку напряжение питания преобразователей обеспечивается тиристорными выпрямителями, то, при возникновении в преобразователях токов обратного направления, вполне может возникнуть ситуация, в которой суммарная величина этих токов превышает величину прямого тока, отдаваемого выпрямителем. В этом случае начинает накапливаться излишняя энергия во входных фильтрующих конденсаторах С1 или С2, приводя к перенапряжению на них. Оценочно усредненная величина обратного тока для комплекса из 10 преобразователей составляет порядка 10% от среднего прямого тока. Для компенсации этого тока, а, следовательно, и для предотвращения перенапряжений на батарее, в каждую группу преобразователей включен рекуператор (рис. 7), работающий квазилинейной нагрузкой. Рекуператор перебрасывает излишний заряд, накопленный в фильтрующих конденсаторах одной из полярностей, в конденсаторы источника другой полярности, в котором потребляемый ток преобладает над «возвращаемым».

(+)ЭС 675 в

(-)ОС -675 В

Рис. 7. Силовая схема рекуператора.

Приводится решение проблемы по ограничению коммутационных перенапряжений. В диссертации приведена эквивалентная схема преобразователя (рекуператора) с учетом паразитных индуктивностей шин и с защитными цепями (снабберами). При заданных защитных цепях ожидаемое перенапряжение для данной схемы составляет не более 230 В. При испытании на полном токе коммутационные перенапряжения не превысили 170 В.

\

Для управления преобразователями и рекуператорами сотрудником ИЯФ Скоробогатовым Д.Н. при участии автора был разработан контроллер, функции которого:

— генерация ШИМ;

— сбор блокировок;

— аналоговые измерения;

— система обратной связи (две петли обратной связи).

Обратная связь позволила обеспечить стабильность работы системы преобразователей и рекуператоров в полосе частот до 200 Гц.

В конце главы приводятся результаты испытаний преобразователей и рекуператоров. Проведенные испытания в ИЯФ и в Сан-Диего показали способность работы преобразователей и рекуператоров при полных токах и напряжениях. Также были проведены испытания системы из нескольких преобразователей и двух рекуператоров при работе на плазму.

Позднее, по завершению монтажа всей установки, была испытана вся система питания из 20 преобразователей и 2 рекуператоров. Испытания проводились при работе на плазму при полном токе до ±500 А и напряжении до ±300 В (выше поднять напряжение не удалось по причине пробоев между электродами). При этом была обеспечена необходимая точность регулировки и стабильность не хуже 1%, что вполне достаточно для поддержания необходимых параметров плазмы. Несмотря на нелинейность нагрузки (плазмы), обратная связь преобразователей и рекуператоров обеспечила устойчивую работу во всем диапазоне токов и напряжений.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ерохин А.И., Медведко А.С. Компьютерное моделирование импульсной цепи управления размыкателя постоянного тока в системе вывода энергии из 13кА сверхпроводящих магнитов. Препринт ИЯФ, 2007г.

2. A. Erokhin, A. Medvedko. Modeling and computer simulation of the pulsed powering of mechanical D.C. circuit breakers for the CERN/LHC Superconducting Magnet Energy Extraction System. 6th ICAP, Darmstadt, Germany, 2000.

3. A. Erokhin, A. Medvedko, K.D. Petersen. Modeling and computer simulation of the pulsed powering of mechanical D.C. circuit breakers for the CERN/LHC Superconducting Magnet Energy Extraction System. LHC PR442, 2001.

4. K. D. Petersen, A. Erokhin et al. Energy extraction in the CERN Large Hadron Collider. IPMC, Las Vegas, 2001.

5. G. J Coelingh, A. Erokhin et al. Design and commissioning of the Energy Extraction systems for the LHC corrector magnet circuits. IPMC, Las Vegas, 2008.

6. Ерохин А.И., Медведко A.C., Скоробогатов Д.Н. Четырехквадрантный преобразователь напряжения, 500В 600А. Препринт ИЯФ, 2006г.

7. Ерохин А.И., Медведко А.С. Компьютерное моделирование импульсной цепи управления размыкателя постоянного тока в системе вывода энергии из 13кА сверхпроводящих магнитов. Вестник НГУ, Серия «Физика», Том 4, №2,2009, стр. 84-91.

8. А.И. Ерохин и др. Четырехквадрантный преобразователь напряжения 600В, 500А. Приборы и техника эксперимента, 2010, № 2.

9. Erokhin A. et al. A Four Quadrant Voltage Converter (600 V, 500 A). Instruments and Experimental Techniques, 2010, Vol. 53, No. 2, pp. 240-246.

ЕРОХИН Александр Иванович

Вывод и рекуперация энергии в индуктивных и ёмкостных накопителях

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Сдано в набор .31.03.2010 г. Подписано в печать 1.04.2010 г. Формат 60x90 1/16 Объем 1.0 печ.л., 0.8 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ №10_

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

Введение

Глава 1. Сверхпроводящие магниты и срыв сверхпроводимости. Обзор существующих систем защиты.

Глава 2. Постановка задачи.

2.1. Общий вид магнитной системы Большого Адронного Коллайдера.

2.2. Основные принципы защиты магнитов БАК при срыве сверхпроводимости.

2.3. Особенности регистрации срыва сверхпроводимости для магнитов БАК.

2.4. Системы вывода энергии из 13кА дипольпых и квадрупольных магнитов.

2.5. Надежнос ть систем вывода энергии.

2.6. Постановка задачи для автора.

Глава 3. Размыкатель тока для системы вывода энергии из основных магнитов.

3.1. Общее описание и устройство размыкателя.

3.2. Принцип работы размыкателя.

3.3. Эквивалентная схема магнитной цепи электромагнитного привода.

3.4. Результаты моделирования.

3.5. Оптимизация быстродействия размыкания импульсной катушкой.

3.6. Выводы.

Глава 4. Система вывода энергии из корректирующих магнитов.

4.1. Параметры цепей корректирующих магнитов, требования к системам вывода энергии.

4.2. Элементы системы вывода энергии.

4.3. Выводы.

Глава 5. Испытания систем вывода энергии из корректирующих магнитов.

5.1. Экспериментальная отработка основных решений, испытания на соответствие требованиям и на долговременную надежность.

5.2. Производственные испытания, монтажные испытания.

5.3. Испытания в режиме короткого замыкания. Тепловой прогон.

5.4. Испытания систем вывода энергии из корректирующих магнитов на этапе запуска БАК.

5.5. Результаты испытаний.

Глава 6. Система четырехквадраптных преобразователей напряжения, 600В, 500А с рекуперацией энергии.

6.1. Описание установки.

6.2. Обоснование требований и выбор схемы системы питания электродов. -1!

6.3. Преобразователь (схемные решсиия).

6.4. Рекуператор (схемные решения).

6.5. Применение снабберов для подавления коммутационных перенапряжений. Тепловые потери.

6.6. Контроллер, система защиты, измерения и обратная связь.

6.7. Результаты испытаний па испытательном стсндс в ИЯФ.

6.8. Результаты испытаний на испытательном стенде Archimedes.

6.9. Выводы.

В электрофизических установках, содержащих индуктивные или емкостные накопители энергии, является актуальной проблема безопасного вывода запасенной энергии. В сверхпроводящих магнитах запасенная энергия потенциально может вызвать серьезные повреждения при срыве сверхпроводимости в случае, если дополнительные меры предосторожности не будут приняты.

Институт ядерной физики СО РАН принимал активное участие в строительстве Большого адронного коллайдера (БАК) (ЦЕРН, Швейцария), являющегося на сегодняшний день самым большим коллайдером в мире. Автор диссертации принимал непосредственное участие в контрактной деятельности ИЯФ с ЦЕРН с 1997 года. Магнитная система коллайдера, периметром около 27км, состоит преимущественно из сверхпроводящих магнитов с рабочей температурой 1.9К. Энергия, запасенная во всей магнитной системе, составляет порядка ЮГДж, а максимальный ток варьируется от сотеп ампер в цепи корректирующих магнитов до 13кА в цепи основных магнитов. Большинство сверхпроводящих магнитов коллайдера требуют защиты в случае перехода проводника в резистивное состояние. Это обусловлено тем, что скорость распространения срыва сверхпроводимости не достаточно высока, чтобы избежать локального перегрева и дальнейшего разрушения того участка обмотки, где произошел срыв. При этом основным элементом защиты является система вывода энергии из сверхпроводящих элементом защиты является система вывода энергии из сверхпроводящих магнитов, включая внешний балластный резистор, размыкатели тока и всю необходимую электронику управления. Основной задачей автора в данной работе, была разработка элементов систем вывода энергии, обеспечение их надежности и необходимого быстродействия систем. При этом важна высокая надежность как с точки зрения предотвращения выхода из строя магнитов БАК, так и с точки зрения бесперебойного функционирования всего комплекса в целом.

Вторая часть работы посвящена 5МВт системе питания плазменной аксиально-симметричной установки со скрещенными электрическими и магнитными полями. В этой установке, выполненной в виде цилиндрического объема, на торцах размещены две группы электродов, которые задают электрическое поле в плоскости, перпендикулярной оси установки, создавая особые условия для удержания плазмы. Система питания такой установки состоит из 20 четырехквадрантных преобразователей с диапазоном выходных напряжений источников в пределах до ± 600В и диапазоном токов до ± 500А, обеспечивая при этом рекуперацию энергии буферных конденсаторных батарей.

Автор выносит на защиту:

1. Для 4кА размыкателей тока, являющихся коммутирующим элементом в 13кА системах вывода энергии, впервые было проведено компьютерное моделирование магнитной цепи размыкателя с учетом динамики подвижных частей электромагнитного привода и совместно с моделью электрических цепей его управления. В компьютерной модели была построена эквивалентная электрическая схема, отражающая все указанные типы элементов, а также проведена оригинальная сшивка моделей электрической, магнитной и механической систем размыкателя. На основании проведенного моделирования выработаны и реализованы рекомендации по управлению размыкателем.

2. В качестве коммутирующего элемента (размыкателя) системы вывода энергии из 600А корректирующих магнитов был предложен промышленно выпускаемый выключатель переменного тока. Его конструкция и схема управления была изменена на основании разработки автора и по его рекомендации с учетом особенностей цепи питания сверхпроводящих магнитов, а также с учетом требований по увеличению надежности размыкания цепи. Как результат модернизации, предложенной автором, в конструкцию размыкателя встроен второй независимый канал расцепления, что существенно повышает надежность всей системы вывода энергии. Также, на основе анализа, проведенного в ЦЕРН, было решено использовать в каждой цепи по три, полностью независимых, размыкателя, соединенных последовательно, что существенно уменьшает вероятность отказа системы в целом. При этом третий выключатель, оставаясь резервным при штатной работе двух других, срабатывает только тогда, когда появляется информация о сбое при размыкании двух основных выключателей этой цепи.

3. Для гашения дуги, возникающей между контактами при их размыкании, и для увеличения ресурса размыкателей впервые было предложено установить конденсаторный снаббер в цепи сверхпроводящих магнитов. В отличие от релейных цепей переменного тока, где традиционно используются RC-снабберы, в цепи постоянного тока (в данном случае — цепи сверхпроводящих магнитов) допустимая емкость снабберного конденсатора ограничена не возникающими импульсными токами, а требованием на ограничение времени размыкания цепи. Использование токоограничивающего резистора в данном случае нецелесообразно, а емкость конденсатора выбирается такой, чтобы за время размыкания силовых контактов размыкателя обратное напряжение, возникающее в цепи, не успевало дорасти до величины достаточной для образования дуги.

4. Электроника, непосредственно управляющая выключателями, разрабатывалась и изготавливалась в ИЯФ. При определяющем участии автора были заложены основные принципы управления выключателями: использование независимых каналов управления каждым из выключателей; внештатные (аварийные) ситуации приводят к размыканию цепи и дальнейшему выводу энергии из корректирующих магнитов, что не приводит ни к повреждению магнитов, ни к сбросу пучка; обрыв сигнальных и сетевых проводов, а также пропажа напряжения питания собственных нужд не приводят к бездействию системы вывода энергии — в случае замкнутой цепи происходит ее размыкание, в случае разомкнутой цепи замыкание последней невозможно. Заметим, что платы электроники, ответственные за логику системы и за связь с внешним миром, изготавливались в ЦЕРН.

5. Для системы питания плазменной установки (г. Сан-Диего, США) была проведена разработка, которая обеспечила устойчивую работу комплекса преобразователей на общую нагрузку в виде плазмы. Для рекуперации энергии конденсаторных батарей на каждую группу преобразователей установлено по одному рекуператору. Решена задача по ограничению коммутационных перенапряжений и минимизации тепловых коммутационных потерь на IGBT.

6.9. Выводы

На испытательных стендах, как преобразователь, так и рекуператор показали возможность работы при максимальной мощности до 300 кВт во всех четырех квадрантах вольт-амперной характеристики. Позднее, по завершению монтажа всей установки (Рис.54.), была испытана вся система питания из 20 преобразователей и 2 рекуператоров. Испытания проводились при работе на плазму при полном токе до ±500А и напряжении до ±300В (выше поднять напряжение не удалось по причине пробоев между электродами). При этом была обеспечена необходимая точность регулировки и стабильность не хуже 1%, что вполне достаточно для поддержания необходимых параметров плазмы. Несмотря на нелинейность нагрузки (плазмы), обратная связь преобразователей и рекуператоров обеспечила устойчивую работу во всем диапазоне токов и напряжений. [29]

Заключение

Результаты проделанной работы:

1. Для систем вывода энергии из основных магнитов БАК проведено моделирование работы электромагнитного привода автоматического размыкателя тока с учетом нелинейности (насыщения) участков магнитной цепи, с учетом изменения зазора в магнитной цепи и с сопряжением электрических цепей управления с магнитной цепыо привода. Па основании выполненного моделирования выработаны рекомендации, которые позволили обеспечить оптимальный режим работы всех 254 размыкателей ВЛБ-49, установленных позднее в тоннель БАК. При этом сами размыкатели были выпущены заводом с учетом результатов моделирования.

2. Разработаны, произведены и испытаны 205 систем вывода энергии из корректирующих магнитов. Было решено использовать в каждой цени по три, полностью независимых (с независимыми каналами управления), размыкателя, соединенных последовательно, что существенно уменьшает вероятность отказа системы в целом. При этом третий выключатель, оставаясь резервным при штатной работе двух других, срабатывает только тогда, когда появляется информация о сбое при размыкании двух основных выключателей этой цени. Такая топология существенно увеличила надежность систем вывода энергии.

3. Проведенная автором доработка автоматических выключателей ВА57-35 позволила использовать их в качестве размыкателей тока в системах вывода энергии из корректирующих магнитов. Конструкция выключателей была изменена на основании разработки автора и по его рекомендации с учетом особенностей цепи питания сверхпроводящих магнитов, а также с учетом требований по надежности размыкания цепи. Как результат модернизации, предложенной автором, в конструкцию размыкателя встроены два независимых канала расцепления, что существенно повысило надежность всей системы вывода энергии.

4. Предложенные конденсаторные снабберы позволили минимизировать время горения дуги между контактами, а, следовательно, уменьшить общее время размыкания и увеличить ресурс размыкателей.

5. Для плазменной установки со скрещенными электрическими и магнитными полями проведена разработка, обеспечившая устойчивую работу всего комплекса преобразователей (двадцати штук) на одну общую нагрузку в виде плазмы, являющейся в данном случае нелинейной нагрузкой. Предложенная автором разработка позволила рекуперировать энергию конденсаторных батарей. Устойчивость и стабильность системы обеспечена в полосе частот от режима постоянного напряжения до двухсот герц. Решена задача по ограничению коммутационных перенапряжений и минимизации тепловых коммутационных потерь на IGBT.

В заключение автор выражает глубокую благодарность В.В. Анашину за интерес и постоянное внимание к данной работе, А. С. Медведко, без руководства и постоянной заботы которого, данная работа просто не могла бы появиться, К.М. Горчакову, Д.Н. Скоробогатову за плодотворное сотрудничество, М.Н. Кондаурову и П.А. Селиванову за разработанное интерфейсное программное обеспечение, О.А. Павлову, А.Р. Штейнке, В.Н. Степановой и Т.Г. Митяниной за творческий подход и высокий профессионализм при конструировании систем вывода энергии и элементов силовой электроники, З.М. Абловой, В.В. Березкину, В.Н. Васильеву, А.В. Семенову, A.M. Ошуркову, С.О. Суворову, А.А. Морозову за высокий профессионализм и мастерство при монтаже систем, В.Ф. Веремеенко и В.А. Шкаруба за ценные дискуссии и дружеское участие.

141

1. A. Devred. Review of superconducting storage-ring dipole and quadrupole magnets. CERN Accelerators School General Accelerator Physics Course, 1997.

2. С. Фонер, Б. Шварц, Металловедение и технология сверхпроводящих материалов, М., Металлургия, 1987.

3. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы, М., Мир, 1976.

4. М.Уилсон. Сверхпроводящие магниты, М., Мир, 1995.

5. К. Н. Mess. Quench Protection at HERA. РАС, Washington, 1987, p. 1474.

6. LHC design report. Vol.1 The main ring. CERN. 2004.

7. R. Schmidt. Accelerator physics and technology of the LHC. CERN Yellow Report 99-01, 1998.

8. R. Schmidt. Protection of the superconducting corrector magnets of the LHC. Proceedings of EPAC, Austria, 2000.

9. F. Rodriguez, D. Hagedorn. Modelling of the Quenching Processes in Complex Superconducting Magnet Systems. 12th International Conference on Magnet Technology, Leningrad, Note 159, 1991.

10. R. Denz. Description of QPS signals in LHC. CERN EDMS Doc. No356568.

11. K. Dahlerup-Petersen et al. The CERN/LHC Energy Extraction Switches and their Arc Detector System. IPMC, San-Francisco, 2004. pp. 580-583.

12. Procurement of a 13 1<A Current Distribution Bus-way for a D. C. Power Transmission Line. Technical Specification. October, 1998.

13. A.V. Fernandez. Reliability of the quench protection system for the LHC superconducting elements. A PhD Thesis, Barcelona, 2003. pp. 151-155.

14. ГОСТ 50030.2-99 (МЭК 60947-2-98). Автоматические выключатели. Москва, 1999.

15. Мешков И., Чириков Б. «Электромагнитное поле», Новосибирск, 1973.

16. Смирнов А. «Программа NL3 для компьютерного моделирования нелинейных электронных схем». Новосибирск, ИЯФ, 1998.

17. К. Dahlerup-Petersen et al. Simulations and operational experience with energy extraction in the LHC superconducting magnet chains. IPMC, Las Vegas, 2008.

18. G. J. Coelingh, B. Bellesia. Short Circuit Tests: First Step of LHC Hardware Commissioning Completion. EPAC, Italy, 2008. p.304.

19. A.V. Fernandez, F. Rodriguez. Test procedure and acceptance criteria for the 600A. CERN EDMS document No874716.

20. G. J. Coelingh, K. Dahlerup-Petersen, K.H. MeB. Results from commissioning of the energy extraction facilities of the LHC machine. EPAC, Italy, 2008. p. 1383.

21. Литвак А.А., Путвинский С.В., Семенов В.Е.// Материалы XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. М.: ИОФ РАН, 2003. С. 47.

22. С.Е. Ahlfeld, J.G. Gilleland. Commercial Application of Plasma Mass Separation in the Archimedes Filter Plant. Waste Management Conference, Tucson, 2003.

23. ABB Review. Корпоративный технический журнал группы АББ, Март 2008.

24. Technical information FZ1200R17KF6CB2. Datasheet; http:// www.eupec.com /gb/2PRODUCTS/2l JProductRange/pdf/fzl 200r 17kf6cb2 v.pdf.

25. Беркович Е.И. Полупроводниковые выпрямители. M.: Энергоатомиздат, 1986.

26. Смирнов А. «Программа LES для компьютерного моделирования линейных электронных схем». Новосибирск, ИЯФ, 1991.

27. I.N. Churkin, A.G. Steshov. Electrode system for plasma source with crossed fields. International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement №5, Novosibirsk, vol.47, 2005, pp.348-350.

28. A. Erokhin et al. LHC 600A corrector magnets with energy extraction systems. Attachment for the CERN EDMS Doc.No874713, 2007.

29. A. Erokhin. LHC Main dipoles MB. Attachment for the CERN EDMS Doc. No874716. 2007.

30. Ерохин А.И., Медведко A.C. Компьютерное моделирование импульсной цепи управления размыкателя постоянного тока в системе вывода энергии из 13кА сверхпроводящих магнитов. Препринт ИЯФ, 2007г.

31. A. Erokhin, A. Medvedko. Modeling and computer simulation of the pulsed powering of mechanical D.C. circuit breakers for the CERN/LHC Superconducting Magnet Energy Extraction System. 6th ICAP, Darmstadt, Germany, 2000.

32. A. Erokhin, A. Medvedko, K.D. Petersen. Modeling and computer simulation of the pulsed powering of mechanical D.C. circuit breakers for the CERN/LHC Superconducting Magnet Energy Extraction System. LHC PR442, 2001.

33. K. D. Petersen, A. Erokhin et al. Energy extraction in the CERN Large Hadron Collider. A project overview. 13th IPMC, Las Vegas, 2001.

34. A. Erokhin et al. Design and commissioning of the Energy Extraction systems for the LHC corrector magnet circuits. IPMC, Las Vegas, 2008.

35. Ерохин А.И., Медведко A.C., Скоробогатов Д.Н. Четырехквадрантный преобразователь напряжения, 500В 600А. Препринт ИЯФ, 2006г.

36. Ерохин А.И., Медведко А.С. Компьютерное моделирование импульсной цепи управления размыкателя постоянного тока в системе вывода энергии из 13кА сверхпроводящих магнитов. Вестник НГУ, Серия «Физика», Том 4, №2, 2009, стр. 84-91.

37. Ерохин А.И., Медведко А.С., Скоробогатов Д.Н. Четырехквадрантный преобразователь напряжения 600В, 500А. Приборы и техника эксперимента, № 2, 2010.f