Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Схемы и составные элементы систем импульсной передачи магнитной энергии
1.1 Схемы импульсной передачи магнитной энергии 13
1.2 Характеристики сильноточных коммутаторов и генераторов тока ... 26
Выводы к главе 1 34
Глава 2. Определение параметров элементов индуктивных каскадов с различными схемами импульсной передачи энергии
2.1 Введение 36
2.2 Расчет параметров каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока трапецеидальной формы .39
2.3 Тороидальный ИН в схеме пошаговой коммутации 47
2.4 Соленоидальный накопитель в схеме с согласующей емкостью 56
Выводы к главе 2 66
Глава 3. Исследование работы Магнитного усилителя
3.1 Введение 68
3.2 Принцип работы и согласование параметров усилительного каскада 69
3.3 Проектирование и изготовление рабочего макета 73
3.4 Эксперименты на макете Магнитного усилителя 76
3.5 Определение параметров тороидального ИН для МУ стенда МОЛ... 82
Выводы к главе 3 86
Глава 4. Исследование работы отдельных элементов стенда МОЛ
4.1 Математическое моделирование работы Магнитного усилителя 87
4.2 Исследование работы кабельной линии до согласующей емкости 95
Выводы к главе 4 .97
Заключение 98
Список литературы 101
Приложения.. .109
- Характеристики сильноточных коммутаторов и генераторов тока
- Расчет параметров каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока трапецеидальной формы
- Принцип работы и согласование параметров усилительного каскада
- Математическое моделирование работы Магнитного усилителя
Введение к работе
Физика высоких плотностей энергии является фундаментальным направлением современной науки, в рамках которого проводятся исследования поведения вещества в сверхсильных магнитных полях, высокоскоростного ускорения макротел, исследования в области термоядерного синтеза. К ним же относятся разработки сверхмощных источников лазерного и мягкого рентгеновского излучений, применяемых в экспериментах по программам «инерциального» термоядерного синтеза.
Так как разрядная мощность используемых электрофизических установок обычно на много порядков превышает величину мощности, обеспечиваемой промышленной электрической сетью, в системах питания этих установок применяются различные устройства накопления и импульсного преобразования электромагнитной энергии..
Для накопления энергии широко используются; емкостные накопители (ЕН) отличающиеся простотой, надежностью и невысокой стоимостью. Они способны продолжительное время хранить запасенную энергию и сравнительно быстро отдавать ее в нагрузку. Для работы небольшой установки с мощностью менее 1011 Вт и энергозапасом до 1 МДж необходимо несколько сотен конденсаторов, зарядное и управляемое коммутирующее устройство. Эти элементы, включая электрические разрядники с рабочим напряжением до 40 кВ, хорошо отработаны и освоены промышленным производством. С ростом масштаба установки и увеличением ее мощности увеличивается размер батареи, количество и длина силовых кабелей, усложняются элементы защиты и управления. При этом надежность работы системы в целом снижается. Несмотря на существенные успехи в разработке новых типов конденсаторов [1-3] их стоимость оказывается очень высокой для обеспечения физического эксперимента, соответствующего современному уровню исследований.
Вместо ЕН могут применяться индуктивные накопители энергии (ИН), плотность запасаемой энергии в которых на несколько порядков больше," чем в конденсаторах [2, с.68]. При этом для работы ИН требуются сложные сильноточные высоковольтные прерыватели тока. Быстрое прерывание тока при относительно длительных временах накопления энергии в ИН (более 1 с) является непростой задачей, исследованию которой посвящено большое количество работ [5,6]. Разработаны конструкции многоступенчатых выключателей с большой величиной токонесущей способности (произведение величины тока через размыкатель на длительность импульса тока) и быстрым обрывом цепи, что достигается параллельным включением размыкателей с различными характеристиками. Однако в таких устройствах импульс разрядного напряжения прикладывается ко всей; параллельной цепочке и поэтому требования к электрической прочности одинаковы для каждой ступени выключателя. По этой же причине мощность, которая может быть получена с одного ИН, ограничивается величиной 1010 Вт [7]. В схемах с умножением тока при разряде нескольких параллельных секций ИН, мощность: разрядного импульса может быть увеличена до 101' Вт.
Ряд установок с импульсной мощностью такого масштаба был создан в 70-е годы прошлого века в ГНЦ РФ ТРИНИТИ - в то время филиале Института атомной энергии им. И.В.Курчатова (г.Троицк, Московская область. Далее ТРИНИТИ). По программе лайнерного термоядерного 0-пинча с магнитной термоизоляцией Э.А.Азизовым и И.В.Кочуровым были проведены исследования работы взрывных коммутаторов тока [15] И; выполнены первые опыты по магнитному сжатию лайнера в соленоидальной катушке [16]. Создание системы; с 30-ти секционным индуктивным накопителем на 20 МДж [17] было остановлено в связи с реализацией приоритетных задач по токамакам.
В установках с энергозапасом порядка 10 МДж и выше применение ИН может быть оправданно при введении дополнительного каскада усиления мощности - импульсного накопителя, плотность энергии в котором не должна быть меньше, чем у ИН. Применение каскада с еще одним ИН до определенного времени наталкивалось на ограничение доли передаваемой магнитной энергии. Альтернативных согласующих устройств, за исключением передающей цепи с мотор-генератором ударного действия [18], за прошедшие годы изобретено не было. Стоит отметить, что согласующий элемент между двумя ИН должен быть преобразователем вида энергии, способным «пропустить» через себя импульсным образом значительную часть начального энергозапаса, К тому же, если такое устройство и удается создать, то оно обоснованно может быть использовано и в качестве первичного устройства накопления энергии, работающего непосредственно на нагрузку. Необходимость в первичном ИН отпадает. Из разработанного согласующего мотор-генератора через некоторое время получился перспективный самостоятельный источник энергии - компульсатор [19].
В середине 80-х годов в ТРИНИТИ научным руководителем данной работы был предложен новый способ импульсной передачи магнитной энергии между индуктивными накопителями, позволяющий обойти ограничение по величине передаваемой; магнитной энергии. Он был обоснован в серии теоретических работ и проверен экспериментально [20-22,29]. Идея способа заключалась в организации импульсного дискретного процесса включения секционированного ИН. В течение короткого времени была выполнена серия работ по оптимизации предложенного способа. Значительный вклад был внесен научными коллективами ТРИНИТИ и Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры (ФГУП НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, г.Санкт-Петербург. Далее НИИЭФА.) под руководством Э.А.Азизова, В.АЛгнова, А.М.Столова и ВХ.Кучинского. Разработаны различные варианты схемотехнических решений в которых величина переданной в индуктивную нагрузку магнитной энергии может достигать величины 0,7 и более от первоначально запасенной: в ИН [30,31]. Таким образом, была принципиально решена проблема согласования усилительных каскадов на основе ИН, что открывало возможность создания источников электрических импульсов с запасаемой энергией более
6 100 МДж и мощностью свыше 1012 Вт [32]. В таких системах коммутаторы -выключатели токов в разных, каскадах функционально разделены как по временам зарядки, так и по уровням разрядных напряжений.
Работы по магнитным накопителям были связаны с создающимся в то время энергокомплексом токамака с сильным полем Т-14 (ТСП) с тороидальным индуктивным накопителем ТИН-900 (запасаемая: энергия до 900 МДж). Накопитель был разработан и изготовлен в НИИЭФА. Непосредственно, ТСП предназначался для исследований по адиабатическому сжатию и; нагреву термоядерной плазмы быстро нарастающим магнитным полем; Из ТИН-900 в катушки тороидального поля токамака передавалось до 130 МДж [8,33]. В следующей модификации токамака ТСП-2АС предполагалась импульсная передача уже более 500 МДж. Была; сделана попытка оценить возможность использования накопителя ТИН-900 в схеме вывода энергии основанной ; на; переключении; витков вторичной обмотки для питания установки большого плазменного фокуса [34,35,47]. Исследовались и: другие схемы использования ИН, например, для питания квазипостоянных электромагнитов, способных -генерировать сильные магнитные поля [36,48].;.
На установке АНГАРА (ТРИНИТИ) достигнуты существенные успехи по генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения (МРИ), используемых для нагрева термоядерных мишеней. Согласно результатам экспериментов по быстрому сжатию лайнеров, на подобных установках, в том числе Z (Сандиа, США), при токе 50 МА уровень энергии излучения превысит 10 МДж, что обеспечит поджиг термоядерной мишени с коэффициентом усиления много большим 1. В связи с этим, Минатомом РФ была поставлена задача разработки; проекта БАЙКАЛ - большой электрофизической установки с инерциальным удержанием. Она полностью основана на магнитном накоплении и преобразовании энергии и по своим параметрам на порядок величины превышает существующие в мире установки. В качестве базового накопителя этой установки использован накопитель ТИН-900, дополненный несколькими последовательными каскадами усиления тока и мощности. Схема установки БАЙКАЛ приведена на рис .АЛ (приложение А) [4,49].
Основные параметры установки БАЙКАЛ: ток в нагрузке 50 МА мощность электрического импульса 500-1000 ТВт метод генерации МРИ сжатие плазменных оболочек длительность импульса тока в фазе сжатия лайнерной нагрузки 100-300 не энергия МРИ излучения 10 МДж. длительность импульса излучения ~10 не
Проектируемая установка является лабораторной, что дает возможность проводить систематические научные исследования. В разработке проекта принимают участие ведущие институты страны: РНЦ «Курчатовский институт», ТРИНИТИ, НИИЭФА, РФЯЦ-ВНИИТФ (г.Снежинск, Челябинская обл.) и другие. Практическое исследование каждого каскада обострения мощности проводится на экспериментальном стенде МОЛ, который создается в ТРИНИТИ с 1999 г. Стенд является аналогом одного модуля установки БАЙКАЛ [49 - 52];
Энергоемкие ИН представляют собой, как правило, систему многовитковых катушек, взаимоиндукция которых при импульсном разряде приводит; к перераспределению магнитных потоков и токов в ИН. Техническая реализация мощных систем, например, рассматриваемого в работе стенда МОЛ, была бы невозможна без учета этих эффектов, а работа исследованного автором: Магнитного усилителя мощности напрямую основана на передаче энергии между витками ИН, имеющими магнитную связь. В этом ряду особое место занимают импульсные системы передачи энергии с дискретным преобразованием схемы,. для которых задачи определения влияния магнитной связи между секциями на разрядные характеристики ИН были поставлены и решены впервые. s Цель диссертационной работы
Целью работы является исследование разрядных режимов индуктивных накопителей с сильной магнитной связью между секциями и разработка схемы усилителя мощности для стенда МОЛ.
Актуальность темы
Постановка основных исследуемых задач была ориентирована на решение ряда электрофизических проблем, связанных с созданием установки МОЛ и разрабатываемым проектом установки БАЙКАЛ.
Научная новизна
Впервые проведен подробный анализ перераспределения токов в тороидальном и соленоидальном ИН с сильной магнитной связью между секциями.. Анализ выполнен для пошаговой и синхронной передачи энергии в нагрузку.
Исследованы способы предотвращения инверсии тока в крайних секциях соленоидального ИН, основанные на различных принципах.
Экспериментально исследована; схема Магнитного усилителя тока и мощности с размыкателями тока на основе электрически взрываемых проводников (ЭВП). Показана работоспособность этих размыкателей с дугогасящей средой на основе мелкодисперсного кварцевого песка при прерывании тока амплитудой более 100 кА при временах зарядки до 300 мкс. Получено сокращение фронта импульса тока в нагрузке в 20 раз при одновременном увеличении его амплитуды на 20%.
Предложена схема Магнитного усилителя тока (МУ) для стенда МОЛ на основе тороидального ИН и ЭВП размыкателями и рассчитаны его рабочие параметры.
Предложен универсальный метод расчета параметров индуктивного каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока с заданными амплитудой и длительностью.
В настоящей работе приведены результаты, полученные автором в период с 1995 по 2003 г. при разработке проекта, установки ПФ-100 и работе над первыми двумя каскадами строящейся установки МОЛ.
Диссертационная работа содержит 112 страниц, 70 рисунков, 1 таблицу и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Автором опубликовано 15 научных работ, 6 из них по теме диссертации [35,47,49,51,52,57].
В первой главе работы сделан обзор схем передачи магнитной энергии между ИН и возможных источников энергии для их зарядки. Приведены сведения о коммутаторах тока, характеристики которых в значительной мере определяют мощность вывода энергии в нагрузку.
Во второй главе представлен расчет параметров индуктивного каскада на основе секционированного ИН обеспечивающего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока с заданными амплитудой и: длительностью. В основе расчета использована схема поддержания, тока с использованием ограничивающего нелинейного сопротивления, обобщенная на случай произвольного порядка переключения элементов ИН из последовательного соединения в параллельное (без учета магнитной связи между ними), а также схемы с отключением магнитосвязанных секций. Рассчитаны параметры систем для наиболее общих случаев - схемы пошагового деления ИН на две части и схемы с числом переключений, равным числу элементов.
Учет взаимной магнитной связи между переключаемыми секциями ИН при выборе схемы коммутации накопителей показан на примерах передачи энергии из ИН тороидального и соленоидального типа. Оба случая имеют непосредственное отношение к работе над проектом БАЙКАЛ и стенду МОЛ. В тороидальной системе ТИН-900 при нарушении однородности токового распределения опасность представляют азимутальные нагрузки на катушки (диаметр каждой 4 м, рабочий ток до 2 МА). В соленоидальном 30-ти секционном накопителе ИН-1 задачей было предотвращение инверсных токов в крайних секциях катушки. Эффекты, связанные с влиянием взаимной магнитной связи на распределение тока в ИН, проанализированы и доведены до количественной оценки. В частности, предложены и изготовлены компенсирующие элементы, устраняющие инверсию тока при выводе энергии из накопителя ИН-1 в установке МОЛ.
В третьей главе приводятся результаты исследования работы импульсного каскада усиления тока и мощности - Магнитного усилителя. Его работа основана на отключении магнитосвязанных витков и использовании размыкателей тока на основе электрически взрываемых проводников (ЭВП).; На созданном рабочем макете МУ с энергозапасом, до 15 кДж проведены эксперименты при токах зарядки до 120 кА. Коэффициент усиления тока в МУ оказался равным 1,7 при разряде на короткозамкнутую цепь и 1,2 при передаче энергии в индуктивную нагрузку. Длительность фронта импульса тока в нагрузке сокращена почти в 20 раз. Экспериментально подтверждена возможность использования в схеме МУ прерывателей тока на основе ЭВП с дугогасящей средой на основе мелкодисперсного кварцевого песка с характерными временами зарядки МУ порядка 300 мкс.
Разработана электромагнитная система тороидального ИН для Магнитного усилителя установки МОЛ с энергозапасом до 7 МДж. По результатам измерений взаимных индуктивностеи двух прямоугольных витков накопителя обосновывается его разбиение на группы с параллельным и последовательным соединением витков и выбор коэффициента усиления тока. Этот тороидальный накопитель был изготовлен в НИИЭФА в 2003 г. и, на момент оформления рукописи работы, предполагалось приступить к его монтажу, непосредственно, на установке МОЛ.
Четвертая глава посвящена исследованию работы второго усилительного каскада стенда МОЛ. Приводятся результаты математического моделирования работы МУ по созданной программе, учитывающей динамику прерывания тока в и 26 ЭВП размыкателях МУ и взаимную магнитную связь между переключаемыми витками ИН. Достоверность результатов расчетов подтверждена сравнением их с результатами проведенных экспериментов и с выборочными данными, полученными другими авторами. Кроме расчета рабочих, параметров МУ, определены допустимые границы отклонения поперечного сечения одного из ЭВП первой ступени при которых существует эффект автосинхронизации прерывания тока в ЭВП размыкателях.
Также приведены расчетные характеристики затухающих электрических колебаний; в кабельных линиях согласующей емкости, остающиеся после окончания процесса передачи энергии из ИН-1 в МУ и срабатывания защитных замыкателей..
Основные положения, выносимые на защиту
Результаты экспериментов на макете двухсекционного Магнитного усилителя с размыкателями токаї на основе электрически взрываемых проводников, в которых получено 20-кратное сокращение фронта токового импульса с одновременным увеличением его амплитуды.
Результаты математического моделирования работы Магнитного усилителя стенда МОЛ, показавшие эффект автосинхронизации прерывания тока в размыкателях усилителя при 5% отклонении сечения электрически взрываемых проводников первой ступени.
Предложенный способ предотвращения инверсии тока в торцевых секциях соленоидального накопителя ИН-1 с помощью введения дополнительных индуктивностей в разрядные цепи соседних с ними секций.
Результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах. - на седьмой и девятой международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (1996 и 2002 г., соответственно, Россия), на международной конференции по плазменной науке IEEE ICOPS 1997г. (г. Сан-Диего, США), на 13-й международной конференции по импульсным системам питания IEEE IPPC 2001 г. (г.Лас-Вегас, США). Основные результаты опубликованы в научных журналах: Приборы и техника эксперимента (№1, 2002 г.), Вопросы атомной науки и техники (серия Термоядерный синтез, №3, 2001 г.), а также в сборнике трудов ОФТР ТРИНЙТИ «Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в 2001 году» (г.Троицк, 2002 г.).
Характеристики сильноточных коммутаторов и генераторов тока
В схеме, показанной на рис.1,. в том числе и в схеме одновременного умножения тока, длительность процесса передачи энергии определяется работой размыкателя. Он является генератором напряжения, обеспечивающим возрастание тока в нагрузке. Очевидно, что максимальная амплитуда тока в размыкателе равна зарядному току ІГмдкс h в то время как максимальная амплитуда тока в индуктивной нагрузке 1н 1о- При одинаковых напряжениях на размыкателе и нагрузке имеет место очевидное неравенство Wr WH- Величина отношения WJ/WH показана на рис.2. Принцип работы схемы с последовательно-параллельным переключением секций заключается в минимизации отношения токов 1г / Ін в процессе вывода энергии. В системе пошагового умножения это удается выполнить сравнительно легко, так как условие ІгмдксЯн 1 выполняется для всего процесса, кроме первого шага работы системы (включения нагрузки в цепь ИН). По этой причине величина рассеянной в размыкателях энергии может быть значительно уменьшена. Это видно при рассмотрении второго члена в выражении (17) для КПД, отражающего относительные потери энергии. При нем имеется малый коэффициент, равный величине 1/(2N).
Система импульсной передачи магнитной энергии, приведенная на рис.11, часто воспринимается как электромеханический аналог взрывомагнитного генератора (ВМГ) с уменьшающейся индуктивностью контура накопления энергии. При таком рассмотрении следует положить коэффициент «генерации» энергии ВМГ меньшим І единицы (отношение выходной энергии к энергии начального магнитного поля накачки). Эту систему можно оценить и с другой стороны. Если накопительная индуктивность содержит N одинаковых катушек с полной магнитной связью, то пошаговая индуктивность такого ИН убывает в соответствии с законом LHH і (N/i)2 и величина LH/LHH І аналогична использованной в [30] при выводе соотношения (17).
Таким образом, вся совокупность ИН, работающих в пошаговом режиме вывода магнитной энергии, представляет собой единый класс систем вне зависимости от конкретных используемых схемных решений. В сжатом виде математическая модель передачи энергии для таких систем с любой последовательностью срабатывания нелинейных размыкателей тока изложена в [35].
Основная проблема, связанная с разработкой сильноточных размыкателей тока, используемых в системах питания с ИН, заключается в необходимости совмещения длительного режима заряда ИН и быстрым переключением тока в нагрузку при высоком напряжении. В настоящее время разработаны размыкатели, основанные на; различных принципах действия и имеющие различную величину разрывной мощности [7].
Размыкатели, основанные на электромеханическом приводе, позволяют пропускать токи большой амплитуды и длительности. Характерное время срабатывания порядка нескольких миллисекунд.
Наиболее просты и технологичны в использовании размыкатели тока на основе ЭВП. В большинстве случаев можно достаточно точно рассчитать геометрию взрываемых проводников и временные параметры процесса прерывания тока [2, с.156], [9,60,63]. В среднем, коэффициент обострения фронта импульса тока в нагрузке не превышает пяти - шести раз. Применение многоступенчатых размыкателей (комбинации: параллельных выключателей разных типов) позволяет поднять эту величину на два порядка. В [70] приведена конструкция и результаты испытаний трехступенчатого выключателя с обострением фронта в 5000 раз.
Сильноточные размыкатели, основанные на использовании взрывчатых веществ (ВВ), применяются уже продолжительное время. Основные физические принципы их работы - разрушение проводника в полузамкнутом объеме, механическое раздвижение контактов при взрыве ВВ, гашение дуги продуктами детонации [10];.
Для прерывания больших токов, в НИИЭФА разработаны несколько типов взрывных размыкателей [36]. На рис.12 показаны два размыкателя: РВ50/50 (4 г ВВ) и РВ50/1000 (30 г ВВ). Вес первого 30 кг, второго 130 кг. Они рассчитаны на токи 50 кА и 1 МА, соответственно [52]. В настоящее время, эти размыкатели предполагается использовать в стенде МОЛ. В других крупных энергокомплексах подобные размыкатели устанавливаются в цепях аварийной защиты систем питания.
Разработаны различные типы плазменных размыкателей тока с характерными временами работы от микросекунд до сотен наносекунд и менее [71,72]. Они применяются в выходных каскадах мощных установок для формирования короткого импульса тока непосредственно в нагрузке. Необходимо отметить, что пока нет достаточного физического понимания всех процессов, происходящих при разрушении проводимости межэлектродных плазменных перемычек, и исследования в этой области продолжаются.
Для облегчения работы размыкателей тока применяются дополнительные схемы, например, генераторы импульсного противотока, позволяющие на короткое время прервать ток в размыкателе для гашения дуги и увеличения электрической прочности межэлектродного промежутка [7].
Для включения сильноточных цепей, в основном, используются электрические разрядники [24] и полупроводниковые приборы. В небольших системах питания с ЕН часто применяются полупроводниковые тиристорные ключи. Они просты в использовании, но имеют ограничения по величине приложенного напряжения и рабочего тока, а также величине нарастания тока порядка 109 А/с, определяемой конечной скоростью диффузии носителей тока в проводящей структуре. Разработаны полупроводниковые приборы на времена срабатывания порядка 0,1 мкс и большие коммутируемые токи [10].
Разрядники, применяемые при высоких энергиях и мощностях, управляемые и неуправляемые, отличаются формой и размерами электродов, средой и рабочим давлением внутри корпуса.
Расчет параметров каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока трапецеидальной формы
В последние годы большое внимание уделяется разработке компактных многоцелевых импульсных источников электромагнитной энергии, способных генерировать импульсы с энергией до 10 МДж; и выше. Это взрывные магнитокумулятивные (ВМГ) и магнитогидродинамические генераторы (МГД). Принцип действия ВМГ заключается в осуществлении: быстрой деформации индуктивности с начальным магнитным потоком, в результате которой величина индуктивности уменьшается, а увеличивающийся ток переключается в цепь нагрузки [77]. Начальная индуктивность генератора, определяемая исходной геометрией деформируемой обмотки (полосковая линия, коаксиальные проводники или спираль с коаксиальным обратным токопроводом) может быть различной. В работе ВМГ значительную роль играет кинетическая энергия деформируемой взрывом токовой арматуры, которая является промежуточным звеном передачи и обострения импульса тока. В настоящее время ВМГ используют для питания практически всего спектра нагрузок от ускорителей макротел до плазменных пинчей. Все чаще используют последовательно размещенные МК генераторы, включенные в каскадную схему усиления тока. Разработаны автономные источники энергии для зарядки ВМГ начальным током, использующие небольшое количество ВВ [53,54].
Несмотря на высокую стоимость и ограниченный КПД (0,12-0,20), использование ВМГ целесообразно для проведения уникальных экспериментов с большими энергиями, токами и мощностями. Разрушение генератора, а в ряде случаев и расположенной на его выводах нагрузки, делает невозможным его использование в систематических исследовательских работах.
Другой тип взрывных генераторов - МГД генераторы, при работе которых разогретый газ с высокой проводимостью (плазма) двигается поперек внешнего магнитного поля [13]. Разработаны устройства с разным числом электродов и схемой подключения [78], с характерными временами непрерывной работы от десятков микросекунд до нескольких секунд. Во многих случаях существует возможность самовозбуждения, обеспечивающего автоматическую генерацию поперечного магнитного поля [75]. Эффективность преобразования энергии оценивается величиной пять процентов. Исследования взрывных источников плазмы показали, что наиболее перспективным является ячеистый газо-кумулятивный заряд ВВ. При его детонации образуется; высокоскоростной газовый поток, движущийся со скоростью около 10 км/с в воздухе при нормальных условиях и имеющий электропроводность не менее 10 кОм/м. Это значительно выше параметров газового потока, образующегося при выходе детонационный волны на плоский торец заряда ВВ. Варьированием геометрических размеров заряда ВВ можно изменять размеры струй, а конструкция заряда ВВ позволяет перекрыть практически любое сечение канала МГД генератора. Наиболее известным, из разработанных к настоящему времени, является пороховой МГД генератор Памир-Зу, разработанный в ТРИНИТИ совместно с Институтом высоких температур (ИВТАН, г.Москва) [78]. Он способен в течение 10 с выдавать в нагрузку ток амплитудой до 30 кА при напряжении 500 В. Импульсные МГД генераторы используются для научных геофизических и других исследований [79,80]. Выводы к главе 1 При проведении систематических исследований на импульсных электрофизических установках применяют неразрушаемые источники тока; на основе емкостных и индуктивных накопителей энергии. При большой: энергоемкости установок предпочтительны индуктивные накопители, обладающие большей удельной энергоемкостью, однако их мощность, определяемая характеристиками применяемых размыкателей тока,, во многих случаях недостаточна. Обеспечить высокую эффективность использования начальной энергии, и одновременно оптимизировать условия работы выключателей тока, позволяет разработанная в ТРИНИТИ схема с последовательными индуктивными каскадами усиления мощности, передача энергии между которыми осуществляется при поэтапной перекоммутации элементов секционированных накопительных катушек. Системы питания, в которых применены последние достижения в области передачи и кумуляции электромагнитной энергии, часть, из которых была рассмотрена выше, в настоящее время разрабатываются и строятся. Например, проект крупной установки БАЙКАЛ: и аналог ее одного модуля -экспериментальный стенд МОЛ. Из общего ряда технических проблем, с ними связанных, можно выделить четыре, наиболее общих: - согласование усилительных каскадов систем для обеспечения необходимого импульса тока в физической нагрузке; - выбор схемы перестроения секционированных накопительных катушек с учетом влияния взаимной магнитной связи между ними; - исследование работы Магнитного компрессора - устройства обострения микросекундного диапазона на основе сжимающегося плоского лайнера, который является электромагнитным неразрушаемым аналогом взрывомагнитного генератора; - разработка новых коммутаторов тока, соответствующих предполагаемым режимам работы. В частности, плазменных размыкателей, формирующих высоковольтный импульс тока длительностью порядка 100нс на завершающем элементе - лайнере. Исследования по таким различным направлениям деятельности ведутся в тесной кооперации ведущих научных институтов страны. В диссертационной работе приводятся результаты исследований, полученные автором при решении первых двух из обозначенных задач. При этом рассмотрена работа как существующих накопителей ТИН-900 и ИН-1 (глава 2), так и разработанного ИН для Магнитного усилителя стенда МОЛ (главы 3 и 4),
Принцип работы и согласование параметров усилительного каскада
Энергия и мощность источника питания для таких систем должна быть существенно выше, чем у существующих в настоящее время. В одном из проектов предложено использовать синхронный мотор-генератор с преобразователем мощности, обеспечивающим различные программируемые формы импульса тока [44]. Перспективным источником энергии для питания квазипостоянных магнитов может стать система на основе индуктивных накопителей с пошаговым процессом передачи энергии [22,32]. Система питания с переключением четырех секций ИН уже создается [36].
В работах, проводимых по программам термоядерных исследований с системой МАТО (сжатие нагретой, замагниченной плазмы) прогнозируется зажигание термоядерной реакции при условии создания системы питания: энергоемкостью 0,5 - 1 ГДж и временем передачи энергии 5 - 10 мкс [45]. Для этого предполагается использовать спиральный взрывомагнитный генератор, для обеспечения работы которого не требуется больших финансовых вложений на строительство зданий и сооружений [46]. Однако в фундаментальных научных исследованиях, связанных с проведением большого числа экспериментов, требуются системы питания, способные работать в лабораторных условиях [55]. Как и в предыдущем примере, решением проблемы может стать использование индуктивных накопителей энергии.
При создании системы питания электрофизической установки необходимо согласование параметров всех ее элементов; В разделе 2.1 приведен расчет параметров системы на основе секционированного ИН, способной сформировать и поддержать в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока с заданной амплитудой и длительностью. В основе расчета использована известная схема поддержания тока с ограничивающим нелинейным сопротивлением [22], обобщенная на случай произвольного порядка; переключения элементов. С помощью разработанной автором методики рассчитаны параметры систем для двух общих случаев - схемы последовательного деления ИН на два и схемы с полным числом шагов переключений. В качестве определяющего параметра для сравнительных оценочных расчетов использована постоянная времени нагрузки, которая является, функцией геометрических размеров ИН и удельного сопротивления материала: обмотки [14]. Магнитной связью между переключаемыми элементами при этом пренебрегается.
В разделе 2.2 представлен проект установки большого плазменного фокуса ПФ-100 (100 МДж в камере установки), предназначенной для термоядерных исследований. Одновременно с обсуждением принципа построения мощной импульсной, системы питания, использующей; несколько последовательных индуктивных усилительных каскадов, исследовано взаимное влияние переключаемых катушек тороидального накопителя ТИН-900. Обоснован выбор схемы переключения: элементов ИН обеспечивающей симметрию токового распределения и силовое равновесие катушек накопителя. Приведена схема соединения выводов витков вторичной обмотки накопителя и результаты расчета параметров передачи энергии; в индуктивную нагрузку с учетом взаимной магнитной связи между переключаемыми элементами. Результаты проведенных исследований были использованы при создании проекта установки БАЙКАЛ, в системе питания которой также используется накопитель ТИН-900.
Как ранее отмечалось, стенд МОЛ предназначен для исследования работы основных ступеней схемы передачи энергии установки БАЙКАЛ и генерации электрического импульса мегаджоульного уровня. Различия схемы стенда МОЛ от установки БАЙКАЛ связаны с его меньшей энергоемкостью и использованием разработанных к настоящему времени коммутаторов тока. Применение разрядной схемы с согласующей емкостью (в проекте установки БАЙКАЛ ее нет) оправдано тем обстоятельством, что позволяет улучшить характеристики процесса передачи энергии и что подобная конденсаторная батарея существует в непосредственной близости от установки МОЛ (в лабораторном зале).
\ Блок-схема установки МОЛ показана на рис.17. В нее входят: генератор постоянного тока, накопитель ИН-1, согласующая емкость С1, Магнитный усилитель (МУ), Магнитный компрессор (МК), Повышающий трансформатор напряжения ТІ и Система плазменных прерывателей тока (ППТ) с конечной нагрузкой - лайнером. Устройство МК, ТІ и ППТ показано на рис.А.2а,б,в -(приложение А).
На созданном в ТРИНИТИ макете МК, использующего емкостный накопитель энергии, проводятся эксперименты, направленные на изучение динамики течения концевых участков лайнера и достижение конечной цели -сжатия магнитного потока и вывода его в нагрузку. Разработка ППТ ведется в РНЦ «Курчатовский институт». На установке МОЛ предполагается существенно увеличить параметры импульса тока, получаемые с помощью плазменных прерывателей на других крупных установках, и обеспечить на физической нагрузке импульс тока величиной 1,8 МА при напряжении І 3 MB с фронтом нарастания —150 не. Это позволит, определить пути. продвижения в область параметров, заложенных в проекте установки БАЙКАЛ.
Установка МОЛ-в настоящее время еще строится. На ней изготовлена и; испытана система управления и система регистрации параметров эксперимента. Изготовлены и установлены взрывные размыкатели тока РВ50/50. Проведены испытания ИН-1 при зарядке током до 40 кА и.эксперименты по умножению тока на активной, нагрузке в 15 и 30 раз [52]. В разделе 2,4 рассмотрены возможные способы выравнивания токового распределения в крайних секциях ИН-1, что связано с использованием в качестве низковольтных замыкателей тока переключаемых секций сильноточных полупроводниковых диодов.
Математическое моделирование работы Магнитного усилителя
В проекте системы питания установки ПФ-100 с предполагаемой величиной энергии в камере установки 100 МДж, разработанном научным коллективом под руководством д.ф.-м.н. А.П.Лотоцкого, впервые было предложено схемотехническое решение с промежуточным индуктивным накопителем. Его зарядка от ТИН-900 осуществлялась по одной из схем высокоэффективной передачи энергии. При этом элементы импульсного магнитного каскада функционально были разделены на группы, каждая из которых полностью отвечала за один из двух режимов работы: режим зарядки и режим разряда на нагрузку [32]. Были получены аналитические решения для основных уравнений, соответствующих состоянию системы после каждого шага коммутации, выполнен анализ работы системы при введении статистического отклонения во временную программу срабатывания размыкателей [35], проведено математическое моделирование движения плазменной оболочки с различным начальным профилем давления газа в камере установки.
В данном разделе представлены полученные автором результаты, касающиеся определения параметров элементов системы питания установки ПФ-100. Рассмотрено условие сохранения симметрии токового распределения в секциях накопителя ТИН-900, обеспечивающее силовое равновесие системы. Последнее обстоятельство связано с тем, что- первоначально этот ИН был спроектирован для питания обмоток тороидального магнитного поля токамака ТСП с последовательным включением витков вторичной обмотки в одну цепь, а при использовании схемы пошаговой коммутации элементов,, токи в витках накопителя будут иметь различные значения.
Основные элементы установки ПФ-100 показаны на рис.26. Первичная обмотка накопителя ТИН-900 заряжается от двух ударных генераторов ТКД-200 (см. рис.16). После срабатывания замыкателя Зі и размыкателя Pi во вторичной обмотке накопителя ток увеличивается до 2 МА.
Передача энергии в дополнительный индуктивный накопитель 1 , выполненный в виде двухвитковой коаксиальной катушки, осуществляется при поочередном переключении всех витков вторичной обмотки ТИН-900 из последовательного соединения параллельное в течение 30 мс при срабатывании групп размыкателей, обозначенных общим элементом Р2. По окончании этого процесса входные шины Ц шунтируются замыкателем Зг. Размыкатели Рз обеспечивают симметричную по азимуту подачу тока в камеру плазменного фокуса, расположенную непосредственно над накопителем Li. Компоновочный эскиз системы показан на рис.27. .
При выборе схемы переключений были учтены два момента. Первое, схема с максимальным числом шагов переключений Np=N=32 обеспечивает наилучшие характеристики процесса передачи энергии, однако при ее применении амплитуды токов в переключаемых секциях ТИН-900 будут различны. Второе, равенство токов в элементах может быть получено в схеме пошагового деления этого ИН на два с 6 шагами коммутации. В ходе работы было предложено использовать схему с 10 шагами, характеризующейся раздельными переключениями в четных и нечетных секциях. Она позволяет на 10% поднять величину передаваемой энергии относительно варианта с 6 переключениями и снизить долю энергии, рассеиваемую в размыкателях.
Возможность применения схемы связана с тем, что при числе витков тороидального накопителя, равном N, его магнитная система имеет N/2 плоскостей симметрии. Хотя в четных секциях ИН значения токов могут отличаться от токов в нечетных секциях, симметрия магнитной конфигурации относительно средней плоскости любой из катушек не нарушается, а боковые нагрузки на отдельные витки ИН компенсируются. При равенстве токов слева и справа от витка, результирующая сила направлена к центру ИН.. Такое направление силы: и ее величина допускаются существующей конструкцией накопителя. Схема компенсации, силовых нагрузок на отдельный виток: при равенстве токов слева и справа (Із=Іі)} показана на рис.28.
Разработана разрядная схема ТИН-900, которая представлена на рис.29. Элементы L Г - L32 соответствуют виткам вторичной обмотки накопителя, Ьг -дополнительный индуктивный накопитель. РВ1 — РВ32 - сильноточные размыкатели; тока. Соответствующие им замыкатели, соединяющие выводы элементов с шинами ИН, идентичны между собой и индексами не обозначены.
В начальный момент времени индуктивности LI - L32 включены последовательно и в них течет электрический ток величиной 1о. Проходя против часовой стрелки (по схеме) по нечетным секциям он возвращается в обратном направлении по четным секциям. При этом не требуется организация обратного витка, компенсирующего полоидальное магнитное поле системы.
Похожие диссертации на Исследование импульсной передачи энергии из индуктивных накопителей с магнитосвязанными секциями
