Введение к работе
Актуальность. Современные программы фундаментальных и прикладных исследования в области управляемого термоядерного синтеза ( УТС ), предусматривают повышение на один- два порядка импульсной мощностиэлектрофизических установок ( „ЭФУ ), на базе которых -осуществляются эти исследования. В настоящее время в крупневших ускорительных и ядерных центрах ведутся работы по созданию новых или модернизации действующих сильноточных импульсных ускогателей ( СИУ ) с целью увеличить мощность ЭФУ этого класса до 10 -г- 10 ТВт или обеспечить частотный режим работы СИУ, к которым относятся мопщые импульсные ускорители прямого действия и линейные индукционные ускорители ( ЛИУ ). Аналогичные требования к парапет-рам СИУ выдвигают, научно- технические программы по созданию высоко-интенсивных источников рентгеновского излучения, генерации мощных .-электромагнитных колебаний СВЧ - диапазона и ряд других. Повышение импульсной мощности СИУ и / или обеспечение частотного режима их работы мокёт быть достигнуто путем качественных изменении в системах импульсного электропитания ( СИЭП) СИУ. Наиболее перспективны для решения указанной задачи - СИЭП с магнитными звеньями сжатия ( ЫЗС ).
СИЭП с МЗС, обладая рядом преимуществ, нашли широкое применение в качестве модуляторов в ускорительной и лазерной технике. Большой опыт создания СИЭП с МЗС накоплен в НПО " Электрофизика" ( НИИЭФА им. Д.В. Ефремова ), 0ИЯИ, в, МРТИ, НИИЯЗ ТПИ и ИСЭ . ( г. Томск), а такне в ряде зарубежных ускорительных центров. Разработаны и успешно эксплуатируются СИЭП с МЗС для ЭФУ различного назначения с существенно отличающимися выходными параметрами ( уровнем модности, онергип, напряжения, тока, длительности импульса и т.п.). В последние несколько лет наметилась тенденция к созданию многозвенных СІ0П с МЗС. Для таких СИЭП известные инженерные методики расчета основных технических параметров систем питания не позволяют найти оптимальное сочетание параметров, поскольку СИЭП с МЗС представляют собой сложный многопарамстричес-кий объект исследования с болылим числом нелинейных плементов. 3 связи с отим разработка методики расчета и оптимизации параметров СИЭП с МЗС, основанной на математическом моделировании процессов в элементах системы питания и машинном анализе переходных про-
цессов в СИЭП является актуальной научной и практической задачей. Научная новизна. На основе экспериментально- расчетных исследований процесса динамического перемагничивания ферромагнитных лен- " точных сердечников, при характерных для СИЭП сШС скоростях перемагничивания ( порядка 10 Тл/ мкс), предложена усовершенствованная феноменологическая модель процесса,переключения магнитного коммутатора ( МК.) звена сжатия. Исследовано влияние коэффициентов математической модели на форму временных, диаграмм тока и напряжения на обмотке МК и предложена методика определения .коэффициентов модели по экспериментально полученным временным диаграммам. С помощью предложенной методики определены,коэффициенту математической моде- -ли, описывающей процесс динамического перемагничивания ферромагнитных сердечников из;аморфного сплава УСР 7421,
Для многозвенных СИЭП с МЗС в аналитическом виде решена задача, о минимизации суммарных потерь в магнитных-коммутаторах и получены соотношения для определения коэффициентов сжатия ( обьемов, массы ферромагнитного материала)' в каждом звене сжатия. Проанализированы критерии оптимизации СИЭП с МЗС и для сопоставления основных технических параметров различных вариантов многозвенных СИЭП предложена методика, позволяющая расчетным путем.( без дорогостоящих экспериментальных исследований ) осуществить выбор параметров системы питания, которые, с учетом исходных требований к условиям функционирования СИЭП, оказываются оптимальными.
Разработана программа расчета переходных процессов в СИЭП с МЗС, использующая предложенную математическую модель для описания процесса переключения МК звеньев сжатия. Приведены результаты машин- . ного анализа переходных процессов,на основании которых были выбраны технические параметры систем импульсного электропитания с маг-гатными комутаторами для реальных ЭУ. .; . Практическая ценность. Разработанные методики и программы позволяют оптимизировать основные технические параметры СИЭП с МЗС расчетным путем на начальном этапе проектирования СИЭП, в отличие от известной инженерной методики расчета параметров магнитных генераторов импульсов, согласно' которой'оптимизация параметров проводится после создания и .испытания одного.илй нескольких вариантов, генератора этого типа. Для многозвенных СИЭП с ШС, как; и для СИЭП мощных ЭФУ, оптимизация параметров системы импульсного электропитания расчетным путем оказывается единственно приемлемой по эконо-»-.-'-
V4--v
;шчёским соображениям ( стоимость нескольких экспериментальных
.вариантов СИЭГГ с МЗО или затраты на модернизацию неоптимально разработанной СИЭП соизмеримы; со стоимостью собственно СИЭП с МЗС ). Результаты проведённых исследований использованы при создадаи СИЭП.с МЗС различного класса в рамках совместных научно-исследовательских абот,.;выполненных МШИ совместно с ИТЭЗг и совместно с НПО " Электрофизика". '"
. Разработанная программа машинного анализа переходных процессов в.СИЭП с МЗС внедрена-в НИЙЗФА/им,'Д.В.Ефремова. Апробация'работы.; Основные результаты диссертации докладывались .на 6-ой Всесоюзной конференции по теории и методам' расчета нелинейных цепей.в г." Ташкенте ( 1982 г.),на 11-ом Всесоюзном совещании':по ускорителям заряженных частиц в г. Дубне ( 1988 г.), на'8-ом Всесоюзном симпозиуме- по.сильноточной электронике в г. Свердловске С.1990 гу) и на научных конференциях МИФИ,-Публикации. Основные результаты, изложенные в диссертации,опубликованы в 12 печатных трудах и 8 отчетах по научно- исследовательским работам. '::"'.,-"<'' ':;.' "'-" ';.;""'. Структура и обьем диссертации.. Диссертация состоит из введения,
. четырех глав с краткими, выводами,"заключения и списка цитируемой литературы из 117. наименований. Общий объем диссертации- 175 страниц, из них: основного текста - 125 страниц,.рисунки- 37 страниц,
-список литературы -'13 страниц. ..,.,. .' Основные результаты и положения,.'представленные к защите:
1. Математическая модель процесса динамического перемагничива-
, ния крупногабаритных ферромагнитных ленточных сердечников, исполь
зуемых в магнитных коммутаторах СЮП и индукторах ЛИУ.
2. Применение одного из вариантов.метода переменные состояния
(реализованного в виде расчетной программы ') для машинного анализа
. переходных процессов в системах импульсного электропитания с магнитными звеньями сжатия и результаты расчетов переходных процессов в модернизированных (с учетом-этих результатов Г системах импульсного электропитания ЛИУ- 5/5000 ( ИТЭШ, г. Москва) и экспериментального высоковольтного импульсного генератора НПО " Электрофизика" (г. С.-Петербург). -
3.. Методика оптимизации основных технических параметров систем импульсного электропитания с магнитными звеньями сжатия по совокупности критериев, таких как: минимум объема ( массы стали ) маг-
нитных коммутаторов, максимум общего коэффициента 'сжатия^ мини- . мум потерь энергии при перемагничивании магнитных коммутаторов.
