Введение к работе
Актуальность работы
Развитие современной импульсной энергетики требует создания сильноточных устройств, способных генерировать мощные импульсы тока длительностью от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Такие устройства - источники больших импульсных токов, находят применение в различных физических исследованиях, в том числе в опытах с сильноточным электрическим разрядом в плотных средах, для получения сальных импульсных магнитных полей, в схемах питания и защиты обмоток токамаков, в экспериментах по электромагнитному метанию твердых тел и др.
В качестве источника больших импульсных токов наибольшее распространение получили накопители энергии следующих типов: емкостные накопители энергии (ЕНЭ), индуктивные накопители энергии и электромашинные накопители энергии. Среди перечисленных видов накопителей емкостные накопители энергии обладают наименьшей плотностью запасаемой энергии. В то же время, они характеризуются рядом преимуществ перед другими типами накопителей энергии. Они удобны и просты в эксплуатации, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса разрядного тока, способны работать на разные типы нагрузок с высокой эффективностью передачи накопленной энергии.
Одной из основных задач при создании источников больших импульсных токов является разработка надежного и малогабаритного коммутатора тока. До недавнего времени задачи коммутации больших импульсных токов решались с помощью газоразрядных коммутаторов, таких как управляемые воздушные разрядники, игнитроны, тиратроны, вакуумные разрядники и др. Такие коммутаторы имеют недостатки, наиболее серьезными из которых являются: «самоходы» (самопроизвольные срабатывания), ограниченный ресурс работы, невозможность применения в мобильных установках, экологическая опасность (для игнитронов) и др.
При современном уровне развития элементной базы переход к полупроводниковым приборам представляется неизбежным, поскольку они обладают высокой надежностью и достаточно большим сроком службы. Кроме того, известными достоинствами полупроводниковых приборов являются: высокий КПД, мгновенная готовность к работе и экологическая безопасность.
Достигнутый в настоящее время прогресс в создании конденсаторов с высокой плотностью энергии (более 1,5 Дж/см3) и полупроводниковых коммутаторов для больших импульсных токов сделал реальной задачу создания емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами способных в сравнительно небольшом объеме запасать энергию в несколько сотен килоджоулей и генерировать импульсные токи амплитудой в сотни килоампер.
Создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами является задачей, которая имеет существенное значение для современной мощной
импульсной техники. Эта задача требует решения ряда инженерных проблем. Следует разработать схемотехнику и конструкции полупроводникового коммутатора для емкостных накопителей энергии. Необходимо обеспечить стабильную, надежную работу коммутатора в условиях одиночных импульсов ударного тока, при которых происходит сильный нагрев полупроводниковых структур и, возможно, их разрушение под действием импульсных перенапряжений, возникающих при выключении тока (обратном восстановлении ключа) в цепи с большой индуктивностью. Компактное размещение всех компонентов ЕНЭ выдвигает задачу обеспечения работоспособности этих компонентов в условиях одновременного действия электрических, магнитных, тепловых и силовых полей. Поэтому исследование процессов в емкостных накопителях энергии и поиск условий для надежной работы полупроводниковых коммутаторов в этих накопителях является актуальной задачей.
Цель работы
Основной целью работы является создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать переходные процессы в разрядных контурах емкостных накопителей энергии и определить условия возникновения опасных для полупроводниковых ключей режимов;
найти и обеспечить условия для функционирования в режимах ударных токов полупроводниковых коммутаторов двух типов, на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) и на основе фототиристоров при различных режимах разряда и разных нагрузках;
разработать и исследовать конструкции разрядных контуров емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами;
исследовать влияние скин-эффекта в массивных проводниках разрядных контуров на процессы формирования импульса тока в емкостном накопителе энергии.
На защиту выносятся следующие результаты
1. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов в разрядных
контурах емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ при синхронном и программируемом
разряде на различные виды нагрузок (активная нагрузка, короткое замыкание, холостой ход,
разряд на взрывающуюся проволочку).
2. Методы и схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность
полупроводниковых ключей в режиме ударных токов при синхронном и программируемом
разряде 1 МДж 18 кВ емкостного накопителя энергии на различные виды нагрузок.
3. Результаты экспериментального исследования предельной токовой нагрузки диодов в
режиме ударных импульсных токов. Метод экспериментального исследования нагрузочной
способности полупроводниковых ключей в режиме ударных импульсных токов, основанный на увеличении токовой нагрузки до появления термогенерационного пика на осциллограмме прямого падения напряжения и сравнении интегральных параметров импульса тока (заряд и интеграл действия) к моменту достижения термогенерационного пика с интегральными параметрами рабочего импульса тока.
-
Конструкция разрядных контуров емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ с плотностью энергии 0,38 Дж/см3, характеризующегося компактностью, малыми потерями энергии при разряде, способностью работать на различные виды нагрузок в режимах синхронного и программируемого разряда.
-
Результаты экспериментальных исследований переходных процессов, возникающих при включении и выключении высоковольтных тиристорных (silicon controlled rectifier, light triggered) сборок в конденсаторной батарее противотока Международного экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность высоковольтных полупроводниковых тиристорных сборок в режимах работы конденсаторной батареи противотока ИТЭР.
-
Метод измерения частотно-независимых параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скипового параметра, основанный на применении изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки измеренных значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводника в диапазоне частот резко-выраженного поверхностного эффекта.
Научная новизна работы
1. Разработан комплекс методов и аппаратных средств защиты ключей, обеспечивающих
сохранение работоспособности полупроводников в условиях перегрева полупроводниковых
структур ударными токами при различных условиях, возникающих при разрядах емкостных
накопителей энергии.
-
Впервые описаны и систематизированы условия работы полупроводниковых коммутаторов в режиме программируемого разряда емкостного накопителя энергии, в том числе условия возникновения коммутационных перенапряжений и токовых пауз. Эти условия иодтсрждсны в многочисленных экспериментах, где одновременно были зарегистрированы переходные процессы программируемого разряда и быстрые процессы возникновения коммутационных перенапряжений.
-
Впервые обнаружено явление токовой паузы в разрядном коммутаторе при программируемом разряде емкостного накопителя, в течение которой происходит рекомбинация и уменьшение концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах, что может
привести к разрушению коммутатора при его повторном включении. Предложено поддерживать при токовой паузе начальную концентрацию носителей заряда в коммутаторах за счгт протекания тока по цепи гарантированного разряда, впервые использованной в составе конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии.
4. При комплексной защите полупроводниковых ключей варисторами и RC цепями
предложено и обосновано техническое решение выбирать конденсаторы снабберных цепей из
условия подавления перенапряжений только на период времени задержки варисторов. Это
обеспечило малые размеры устройств защиты полупроводниковых коммутаторов и компактность
высоковольтного оборудования конденсаторных ячеек.
-
Новой является схема RCD снабберной цепи, при которой исключены броски тока при включении тиристоров и обеспечивается эффективное подавление коммутационных перенапряжений при выключении тока и обратном восстановлении тиристоров в цепи с индуктивностью.
-
Новым является совместное использование RCD снабберной цепи и форсирующей RC цепи для обеспечения оптимальных условий выключения и включения фототиристоров в разрядном контуре с индуктивностью.
-
Новым является метод измерения двух не зависящих от частоты параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скипового параметра, основанный на применении изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки методом наименьших квадратов значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводников в диапазоне частот резко выраженного скин-эффекта. Указанный метод дает значения параметров массивных проводников, определяющих влияние скин-эффекта на переходные процессы в разрядных контурах реальных импульсных установок.
Практическая значимость работы
1. Разработанные методы и аппаратные средства обеспечения работоспособности
полупроводниковых коммутаторов позволили создать новые конструкции импульсных установок
и могут быть в дальнейшем использованы при разработке других источников импульсного тока
2. Создан компактный емкостной накопитель с полупроводниковыми коммутаторами на
основе РВД с запасаемой энергией 1 МДж, максимальным напряжением 18 кВ и рекордной
плотностью энергии 0,38 Дж/см3. Накопитель выдержал приемо-сдаточные испытания и передан в
эксплуатацию Заказчику (Китай, Нанкинский Университет Науки и Технологии).
3. Разработан и испытан опытный образец конденсаторной батареи противотока с
полупроводниковыми коммутаторами двух типов: на основе мощных импульсных тиристоров и
фототиристоров. Конструкция опытного образца конденсаторной батареи включена в проект
комплекса коммутационной аппаратуры для быстрого защитного вывода энергии из сверхпроводящих обмоток ИТЭР.
4. Разработанный метод измерения внешней индуктивности и скипового параметра
проводников позволил ввести параметризацию устройств с массивными проводниками и измерять
при приемочных испытаниях только два частотно независимых параметра, которые полностью
определяют соотношения между током и падением напряжения на массивных проводниках в
частотной и временной областях.
Личный вклад автора в представленную работу
-
Автор выполнил экспериментальное исследование переходных процессов и условий работы полупроводниковых коммутаторов при различных режимах разряда емкостных накопителей энергии.
-
Автор разработал методы и схемотехнические решения дія защиты полупроводниковых ключей емкостного накопителя энергии.
-
Автор создал экспериментальные стенды для исследования переходных процессов и методов защиты полупроводниковых коммутаторов, которые в дальнейшем были использованы для отработки конструкций разрядных контуров емкостных накопителей энергии.
4 Автор участвовал в создании емкостного накопителя энергии 1 МДж, 18 кВ в качестве ответственного исполнителя комплекса работ, включающих в себя сборку, наладку и испытания элементов разрядных контуров и всего емкостного накопителя энергии, а также приемочные испытания и сдачу накопителя энергии в эксплуатацию.
-
Автор участвовал в разработке и испытаниях опытных образцов конденсаторной батареи противотока для коммутационной аппаратуры ИТЭР.
-
Автор разработал и осуществил на практике метод измерения параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скинового параметра. Указанный метод автор применил для параметризации индукторов с массивными витками емкостных накопителей энергии. Это позволило установить в технической документации индукторов и контролировать при их изготовлении два не зависящих от частоты параметра, которые полностью определяют соотношение между током и падением напряжением на индукторах.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 16lh ШЕЕ International Pulsed Power Conference, June 17-22, 2007, Albuquerque, USA,
(2 доклада)
-
2"d Euro-Asian Pulsed Power Conference, 22-26 September 2008, Vilnius, Lithuania. (1 доклад)
-
17lh IEEE International Pulsed Power Conference, June 28-July 2, 2009, Washington DC, USA. (3 доклада)
4. 18"1 IEEE International Pulsed Power Conference, 19-23 June, 2011, Chicago, USA. (3 доклада).
Публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в 14 работах: 4 статьи в журналах, 7 статей в трудах международных конференции и 3 тезиса докладов. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на Переходные процессы в емкостных накопителях энергии с полупроводниковыми коммутаторами
