научная статья по теме ЕМКОСТНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ 1 МДЖ Физика

Текст научной статьи на тему «ЕМКОСТНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ 1 МДЖ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 5, с. 101-105

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.319.53

ЕМКОСТНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ 1 МДж

© 2011 г. Б. Э. Фридман, Baoming Li*, В. А. Беляков, Р. Ш. Еникеев, Н. А. Коврижных,

Ю. Л. Крюков, А. Г. Рошаль, Р. А. Серебров

НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова Россия, 196641, Санкт-Петербург, Металлострой, дорога на Металлострой, 3 *Nanjing University of Sciences & Technology P.R. China, 210091, Nanjing, Xiao Ling Wei, 200 Поступила в редакцию 04.03.2011 г.

Емкостный накопитель энергии предназначен для генерации мощных импульсов тока. Установка состоит из двух модулей емкостного накопителя энергии, пульта управления и кабельного коллектора для подключения к установке нагрузки. Каждый модуль — это емкостный накопитель энергии с запасаемой энергией 0.5 МДж и напряжением 18 кВ, построенный на 8 конденсаторных ячейках с реверсивно включаемыми динисторами в качестве ключей. Модуль имеет объем 1.3 м3. Полупроводниковые ключи в конденсаторных ячейках запускаются импульсами света, которые передаются от пульта управления через волоконно-оптические кабели. Устройство спроектировано для работы в режиме программируемого разряда, при котором полупроводниковые ключи в конденсаторных ячейках включаются не одновременно, в соответствии с заданной программой. Максимальная амплитуда импульса выходного тока при одновременном включении разряда всех ячеек и коротком замыкании на нагрузке составляет 800 кА. Длительность фронта импульса разрядного тока ячейки 150 мкс.

Емкостные накопители энергии широко используются как источники импульсного тока в различных физических экспериментах, включая исследования электрического разряда в конденсированной среде [1—3]. Развитие технологии изготовления конденсаторов с высокой плотностью энергии (>1 Дж/см3) и прогресс в производстве силовых полупроводниковых ключей создали основу для разработки компактных источников импульсного тока на основе емкостных накопителей энергии, которые могут запасать энергию в сотни килоджоулей в сравнительно небольшом объеме и генерировать импульсные токи амплитудой в сотни килоампер и более [4, 5].

Современные емкостные накопители имеют модульную структуру. Конденсаторная батарея в таких накопителях разделена на модули, каждый из которых содержит в своем составе несколько конденсаторных ячеек. В ячейках кроме конденсатора и ключа разрядного тока имеются балластные и защитные резисторы, индуктор, датчики систем управления и диагностики [6]. Цепь формирования импульса тока конденсаторной ячейки включает в себя замыкающий полупроводниковый ключ, кро-убарный ключ, промежуточный индуктивный накопитель энергии (индуктор), балластные резисторы и другие устройства [7].

Компактное размещение в малом объеме компонентов конденсаторной батареи выдвигает проблему обеспечения работоспособности этих компонент в условиях одновременного действия

электрических, тепловых, магнитных и силовых полей. Большое количество конденсаторных ячеек в составе емкостного накопителя энергии позволяет генерировать импульсы тока в режиме программируемого разряда, при котором ключи в ячейках замыкаются не одновременно, в соответствии с заранее определенной временной программой [8—11]. Реализация такого режима выдвигает дополнительные технические требования к аппаратуре управления накопителя энергии и конденсаторных ячеек. Все эти проблемы были решены при создании емкостного накопителя энергии, описанного в данной статье.

Предложен емкостный накопитель энергии с запасаемой энергией 1 МДж, состоящий из двух модулей и 16 конденсаторных ячеек. Рассматривается структура установки и ее возможности формировать импульс тока в нагрузке в режиме программируемого разряда.

1. СОСТАВ УСТАНОВКИ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Установка (рис. 1) состоит из двух модулей емкостного накопителя энергии, кабельного коллектора и пульта управления.

Ее технические характеристики: число модулей емкостного накопителя энергии — 2; запасаемая энергия — 1 МДж; максимальное напряжение на конденсаторах — 18 кВ; максимальный ток в режиме синхронного разряда — 800 кА; фронт импуль-

102

ФРИДМАН и др.

са тока в режиме синхронного разряда — 150 мкс; число ступеней формирования тока в режиме программируемого разряда (число конденсаторных ячеек) — 16; задержка времени запуска конденсаторных ячеек — от 0 до 32 мс, дискрет установки временной задержки — 1 мкс; длительность зарядки — <30 с; напряжение питания 3 х 380 В, 50 Гц; максимальная потребляемая мощность 80 кВт; объем модуля 1.3 м3; масса модуля 2200 кг.

Каждый модуль — это функционально завершенный емкостный накопитель энергии с дистанционным управлением, содержащий 8 конденсаторных ячеек с ключами на реверсивно включаемых динисторах (р.в.д.) [6]. Конденсаторная ячейка собрана на конденсаторе с плотностью запасаемой энергии 1.3 Дж/см3, изготовленном компанией ГСАЯ (Италия). Ее внешний вид показан на рис. 2. Подробно конденсаторная ячейка описана в [6]. Она имеет следующие технические характеристики: запасаемая энергия — 64 кДж; емкость — 400 мкФ; максимальное напряжение — 18 кВ; индуктивность замещаемых индукторов: № 1-25 мкГн, № 2-40 мкГн, № 3 - 80 мкГн; максимальный ток — 60 кА; размеры (длина х ширина х высота) — 398 х 333 х 795 мм.

На рис. 3 представлена блок-схема модуля. Модуль [12] содержит 8 конденсаторных ячеек, 8 низ-

ковольтных блоков запуска, защитный контактор К с нормально-замкнутыми высоковольтными контактами для нейтрализации заряда конденсаторов, зарядное устройство и блок управления. Модуль питается от трехфазной промышленной электрической сети 3 х 380 В, 50 Гц. Разрядный ток выводится из модуля через 16 коаксиальных кабелей, по два кабеля от каждой конденсаторной ячейки. Эти кабели передают разрядный ток через кабельный коллектор в нагрузку.

Каждый модуль соединен с удаленным пультом управления электрическим кабелем для передачи сигналов управления и дуплексной волоконно-оптической линией связи для передачи информации о работе блоков, входящих в состав модуля. Кроме того, синхронизирующие импульсы для запуска р.в.д.-ключей в конденсаторных ячейках передаются от пульта управления к низковольтным блокам запуска через 8 волоконно-оптических линий. Компьютер, соединенный с пультом управления, служит для предварительного задания режимов работы модулей, а также для отображения на мониторе диагностической информации о работе установки и ее составных частей.

ЕМКОСТНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ 1 МДж 2. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

Система управления установки включает в себя аппаратуру управления и контроллеры, размещенные в модулях и в пульте управления. Контроллер пульта соединен волоконно-оптической линией и интерфейсом RS-485 с контроллерами модулей. Интерфейс RS-485 используется также для информационного обмена с другими периферийными контроллерами и с измерительными приборами — киловольтметрами. Компьютер соединен с контроллером пульта управления беспроводным интерфейсом Wi-Fi.

Система управления и модули могут находиться в состояниях 1 (исходное состояние), 2 (готовность), 3 (заряд), 4 (после заряда), 5 (после импульса). При нормальной работе состояния изменяются в естественной последовательности 1—2—3—4—5—1 при нажатии оператором установки соответствующих кнопок управления на пульте. В случае любых непредвиденных обстоятельств оператор может перевести систему управления из любого состояния в состояние 1 (исходное состояние). В результате зарядное устройство модуля будет выключено, высоковольтные контакты K (рис. 3) замкнутся и энергия, запасенная в конденсаторах, выделится в балластных резисторах конденсаторных ячеек. Главным назначением контроллеров является проверка и диагностика модулей и пульта управления. В случае неправильного функционирования любых блоков контроллеры прерывают естественную последовательность состояний работы установки и принудительно

Рис. 2. Внешний вид конденсаторной ячейки.

3x380 В -

Блок управления

I >

+ 18 кВ

Зарядное устройство

о-о-

Блок запуска 1

Блок запуска 2

от пульта управления

<

О-

Блок запуска 8

Блок контроллеров

w V

л Контроллер

I

_П_

Ячейка 1

ВДЗ)

_П_/

Ячейка 2

Ячейка 8

4)4)

к коллектору кабельному

Рис. 3. Блок-схема модуля. ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 5 2011

104

ФРИДМАН и др.

Ток, кА 600

500 400 300 200 100 0

2.0 2.5 Время, мс

Рис. 4. Ток при синхронном разряде одного модуля на короткозамкнутый коллектор. Начальное напряжение на конденсаторах Щ = 18 кВ.

Напряжение, кВ 16

12 8

50

100

150

200 250 Время, мс

Рис. 5. Напряжение на конденсаторах при синхронном разряде модуля в режиме холостого хода (без нагрузки).

4

0

переводят систему управления в состояние 1 (исходное состояние).

3. РЕЖИМ ПРОГРАММИРУЕМОГО РАЗРЯДА

Режим программируемого разряда реализуется при неодновременном запуске конденсаторных ячеек [8—10]. Установка имеет 16 конденсаторных ячеек и 16 независимых каналов запуска. Время запуска задается программатором [13], который размещен в пульте управления и соединен с контроллером пульта через интерфейс RS-485. Контроллер пульта загружает уставки времени в программатор перед зарядом конденсаторных ячеек. После завершения зарядного процесса оператор нажимает кнопку Pulse и программатор генерирует последовательность импульсов света в соответ-

Ток, кА 200

150 100 50 0

23

56

7 8 9 Время, мс

Рис. 6. Ток при программируемом разряде двух модулей на короткозамкнутый коллектор. Начальное напряжение на конденсаторах Ц) = 14 кВ. Задержка между моментами времени запуска разряда конденсаторных ячеек 500 мкс.

ствии с предварительно заданной программой, которые запускают импульсный разряд конденсаторных ячеек.

Режим программируемого разряда создает возможность согласовывать форму импульса тока с электродинамическими и электромеханическими процессами в нагрузке, а также обеспечивает оптимальный режим выделения энергии из конденсаторной батареи. Как правило, режим программируемого разряда повышает к.п.д. комплекса конденсаторная батарея — нагрузка. Данная установка спроектирована специально для работы в режиме програ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком