научная статья по теме ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ АТОМАРНОГО ИНЖЕКТОРА Физика

Текст научной статьи на тему «ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ АТОМАРНОГО ИНЖЕКТОРА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 69-73

ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.316.722.9

ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ АТОМАРНОГО

ИНЖЕКТОРА

© 2009 г. В. В. Колмогоров, Г. Ф. Абдрашитов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, ул. Лаврентьева, 11 E-mail: V.V.Kolmogorov@inp.nsk.su, G.F.Abdrashitov@inp.nsk.su Поступила в редакцию 27.04.2009 г.

После доработки 08.06.2009 г.

Для корпускулярного нагрева плазмы в плазменной установке FRC (США) в Институте ядерной физики СО РАН (Новосибирск) разработаны, изготовлены и введены в эксплуатацию шесть инжекторов атомов водорода с энергией частиц 40 кэВ, эквивалентным током 25 А и длительностью работы >1 с. Для высоковольтного питания атомарных инжекторов разработаны и изготовлены оригинальные источники высоковольтного напряжения 40 кВ мощностью 1.7 МВт, имеющие широкий диапазон регулирования выходного напряжения и способные быстро выключаться в случае высоковольтного пробоя нагрузки. Источники высоковольтного питания атомарных инжекторов являются секционированными выпрямителями с дискретным регулированием выходного напряжения, особенностью схемы является использование дополнительных быстродействующих полупроводниковых ключей, закорачивающих выходы выпрямительных секций. Описаны схема и элементы конструкции и приведены результаты испытаний источников высоковольтного питания атомарных инжекторов.

PACS: 84.30.Jc, 84.70.+p

ВВЕДЕНИЕ

Квазистационарные атомарные пучки с низкой угловой расходимостью часто используются для эффективного нагрева плазмы в плазменных установках. Одним из наиболее важных требований к таким атомарным пучкам является большая мощность (мегаватты) и высокая энергия частиц (десятки килоэлектронвольт). Длительность работы атомарных инжекторов для нагрева плазмы зависит от длительности работы плазменной установки и может быть от десятков миллисекунд до десятков секунд. Системы высоковольтного питания атомарных инжекторов, разработанные в ИЯФ СО РАН, обеспечивают стабильный уровень (±2%) выходного напряжения в диапазоне от 20 до 45 кВ при номинальном токе до 45 А. Источники высоковольтного питания допускают "многопробойный" режим работы с автоматическим восстановлением заданных параметров после высоковольтного пробоя в нагрузке. Основные параметры источников высоковольтного питания атомарных инжекторов: диапазон выходного напряжения 20—45 кВ; максимальный ток 45 А; шаг регулировки напряжения 1 кВ; длительность фронтов напряжения <200 мкс; минимальная длительность импульса 5 мс, максимальная — 2 с; регулируемое время восстановления после срабатывания защиты 2—20 мс; минимальная пауза

между импульсами 120 с; параметры сети: напряжение 4160 В, частота 50—60 Гц.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИСТОЧНИКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ

При создании источников высоковольтного питания с большой выходной мощностью (единицы мегаватт) и выходным напряжением до 50 кВ наиболее эффективной представляется схема секционированного выпрямителя с использованием многообмоточных трансформаторов, работающих с частотой промышленной сети. Выпрямители напряжения вторичных обмоток трансформаторов вместе с полупроводниковыми ключами составляют выпрямительные секции, число последовательно включенных выпрямительных секций определяет уровень выходного напряжения схемы. Такая схема в зарубежной литературе называется Pulse Step Modulator [1]. Секционированный выпрямитель состоит из N последовательно включенных выпрямительных секций, включающих в себя источник постоянного напряжения U1 (диодный выпрямитель с емкостным фильтром), быстродействующий полупроводниковый ключ S и "обратный" диод VD (рис. 1).

Выходные напряжения выпрямительных секций одинаковы и определяются классом по напряжению полупроводникового ключа. Наиболее

и = и1и

¿я

^УВм

и1

• • •

УВ2

УВ,

Нагрузка

Рис. 1. Функциональная схема секционированного дискретно-регулируемого источника высоковольтного питания.

предпочтительным можно считать напряжение 1000—1200 В. Уровень выходного напряжения секционированного выпрямителя определяется числом включенных секций, при этом обратные диоды выключенных выпрямительных секций создают путь току нагрузки. Источниками постоянного напряжения секций обычно служат диодные выпрямители, переменное трехфазное напряжение на которые подается от многообмоточных трансформаторов.

Разработанный в ИЯФ СО РАН секционированный выпрямитель состоит из 48 последовательно включенных выпрямительных секций с ключами на основе высоковольтных ЮВТ-тран-зисторов (рис. 2). Каждая выпрямительная секция имеет собственное устройство токовой защиты и дополнительный транзисторный ключ, закорачивающий выход секции. Такое решение позволяет минимизировать энергию, выделяемую в элементы ионно-оптической системы атомарного инжектора при высоковольтном пробое. Выпрямительные секции питаются от вторичных обмоток двух трансформаторов, каждый из которых имеет 24 группы трехфазных обмоток. Вто-

ричные обмотки одного из трансформаторов соединены в "звезду", а второго — в "треугольник", что уменьшает амплитуду пульсаций выходного напряжения и улучшает форму входного тока трансформаторов.

Выбранная схема имеет ряд достоинств:

1) при отказе одной или двух выпрямительных секций источник высоковольтного питания сохраняет практически номинальные параметры; при этом ток нагрузки замыкается через диоды, включенные параллельно выходу секций;

2) схема может иметь минимально возможные (5—10 мкс) фронты нарастания и спада выходного напряжения, скорость нарастания и спада выходного напряжения определяется законом управления секциями, скорость нарастания выходного тока ограничена индуктивностью защитного дросселя;

3) силовая схема выпрямительных секций позволяет применять различные законы управления, включая широтно-импульсное регулирование с высокой частотой преобразования, что, при необходимости, позволяет достичь высокой точности стабилизации выходного напряжения;

4) накопленная энергия высоковольтного источника питания сосредоточена, в основном, в емкости высоковольтного кабеля, присоединяющего источник к нагрузке, и эта энергия обычно не превышает нескольких джоулей;

5) каждая выпрямительная секция оснащена транзисторным ключом, закорачивающим выход при пробое в нагрузке, что позволяет избежать использования дорогостоящих высоковольтных систем активной защиты атомарного инжектора.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ СЕКЦИИ

Каждая управляемая выпрямительная секция (рис. 3) имеет схему плавной зарядки (Я1 = = 100 кОм и транзисторный модуль М1) фильтрующих конденсаторов С1—С3 (С1 = С2 = С3 = = 4700 мкФ), которая ограничивает ток при подключении высоковольтного источника питания к сети. Основным ключевым элементом, подключающим выпрямительную секцию к нагрузке и отключающим при пробое нагрузки, является транзисторный модуль М2. Управление модулем М2 осуществляется с помощью оптоволоконного кабеля, обеспечивающего гальваническую изоляцию выпрямительной секции от системы управления. Защитный закорачивающий выход секции ключ (транзисторный модуль М3) включает в себя как обратный диод, включенный параллельно транзистору, так и диод-рекуператор, защищающий выход секции от перенапряжения. Скорость нарастания

2

1

Рис. 2. Принципиальная схема секционированного выпрямителя с дискретным регулированием выходного напряжения.

тока при пробое в нагрузке ограничена дросселем Ь = 150 мкГн и сопротивлением Я2 = 0.1 Ом. Питание управляющей электроники каждой выпрямительной секции осуществляется от вторичных обмоток силового трансформатора с помощью маломощного понижающего трансформатора Тр1 и выпрямителя УВ2. Каждая выпрямительная секция оснащена предохранителями В1—Г4 и вари-сторами УЛЯ ь УЛЯ 2.

УСТРОЙСТВО ПАССИВНОЙ ЗАЩИТЫ ИОННО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АТОМАРНОГО ИНЖЕКТОРА

Для уменьшения энергии, выделяемой в элементах конструкции ионно-оптической системы атомарного инжектора при высоковольтном пробое, применена схема дополнительной пассивной защиты, состоящая из последовательно включенных дросселя Ь1 и резистора Я, а также обратного

+24 +24

Рис. 3. Схема выпрямительной секции источника высоковольтного питания. M^—M^ - транзисторные IGBT-модули BSM75GB170DN2 (EUPEC, Германия); VD1 - трехфазный диодный выпрямитель VUO62-16N07 (IXYS, США); VAR1- варистор V751BA60 (1200 V, 3200 Дж), VAR2 - СН2-2-1200 В; С1-С3 - электролитические конденсаторы B43456-4700 мкФ-400 В (Epcos, Германия).

¿(Вход)

Измерение выходного тока

^(шунта) = 0.

R1 Ri

R3

0 ¿/(Выход)

T-1524

• • •

3. Ru rD1

R9

п

VD1

T-1524

R

10

J-*-QEh

R11

= С,

\y \y

Измерение

напряжения

Рис. 4. Схема пассивной защиты источника питания от пробоя в нагрузке Я, УВ) и схемы регистрации высоковольтного пробоя при превышении тока и при спаде напряжения.

диода УВ (рис. 4). Защитная индуктивно-рези-стивная цепочка подключена между выходом источника питания и высоковольтным кабелем,

имеющим значительную собственную емкость (единицы нанофарад), и служит для ограничения скорости нарастания выходного тока при высо-

ковольтном пробое. Важную роль при реализации быстродействующей защиты мощных источников высоковольтного питания играют схемы регистрации высоковольтного пробоя в нагрузке. Регистрация пробоя и передача сигнала в систему управления с минимальной задержкой позволяют снизить энергию, выделяемую в элементах ион-но-оптической системы атомарного инжектора и уменьшить риск разрушения элементов конструкции ионного источника. На рис. 4 показаны схемы регистрации высоковольтного пробоя: схема, фиксирующая превышение максимального тока нагрузки, и схема, регистрирующая спад высоковольтного напряжения.

Схема фиксации превышения максимального тока состоит из шунта, порогового элемента на основе стабилитрона и оптоволоконного передатчика Т-1524. При превышении напряжением на шунте уровня открывания стабилитрона через светодиод оптоволоконного передатчика начинает протекать ток, световой сигнал поступает в схему управления, которая выключает источник питания на определенное время.

Схема фиксации пробоя по спаду напряжения состоит из вы

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