научная статья по теме ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО АТОМАРНОГО ИНЖЕКТОРА ТОКАМАКА ALCATOR-CMOD Физика

Текст научной статьи на тему «ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО АТОМАРНОГО ИНЖЕКТОРА ТОКАМАКА ALCATOR-CMOD»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 6, с. 74-81

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.316.722.9

ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО АТОМАРНОГО ИНЖЕКТОРА ТОКАМАКА ALCATOR-CMOD

© 2009 г. В. В. Колмогоров

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 E-mail: V.V.Kolmogorov@inp.nsk.su Поступила в редакцию 15.06.2009 г.

Диагностический атомарный инжектор для обеспечения активной спектроскопической диагностики параметров плазмы в токамаке Alcator-Cmod (Massachusetts Institute of Technology (MIT), Бостон, США) спроектирован и изготовлен в Институте ядерной физики (Новосибирск). Энергия "быстрых" атомов диагностического инжектора определяется уровнем выходного напряжения источника высоковольтного питания и может задаваться от 20 до 55 кэВ. Ионный источник диагностического атомарного инжектора генерирует пучки протонов с эквивалентным током до 7 А. Ускоренные протоны после "нейтрализации" на газовой мишени формируют потоки нейтральных частиц — "быстрых" атомов с эквивалентным током до 4 А. Диагностический атомарный инжектор имеет возможность формировать 100%-модулированные по энергии пучки "быстрых" атомов водорода, что обеспечивается работой по соответствующему закону источника высоковольтного питания. Источник высоковольтного питания построен на основе модулей, состоящих из высокочастотных трансформаторов и диодных выпрямителей, размещенных в герметичном баке, заполненном изолирующим газом SF6. Плавное регулирование выходного напряжения от 20 до 55 кВ осуществляется с помощью IGBT-инверторов с широтно-импульсным управлением, питающих первичные обмотки повышающих высокочастотных трансформаторов. Источник высоковольтного питания допускает "многопробойный" режим работы нагрузки с восстановлением напряжения через заданное после пробоя время. Номинальная мощность источника высоковольтного питания равна 450 кВт. Приведены схема и конструкция источника высоковольтного питания.

PACS: 84.30.Jc, 84.70.+p

ВВЕДЕНИЕ

Диагностические атомарные инжекторы необходимы для формирования пучков "быстрых" атомов с энергией десятки килоэлектронвольт для активной корпускулярной диагностики параметров плазмы в крупных термоядерных установках. Для такой диагностики требуются атомарные пучки с кинетической энергией частиц десятки килоэлектронвольт, эквивалентным током единицы ампер и длительностью от единиц миллисекунд до нескольких секунд. Главной проблемой при спектрометрическом измерении параметров плазмы с помощью "быстрых" атомов является малое отношение сигнал/шум. Основным методом для выделения полезного спектрометрического сигнала на фоне помех является формирование модулированных по энергии потоков атомов.

Одним из эффективных способов построения источников высоковольтного питания с широким динамическим диапазоном, способных формировать амплитудно-модулированное напряжение, является использование высокочастотного преобразования напряжения [1]. Создание источника высоковольтного питания диагностическо-

го атомарного инжектора требует решения двух основных задач: разработки регулируемого преобразователя напряжения на необходимую мощность (до 500 кВт) при частоте преобразования 10—20 кГц и разработки высоковольтного выпрямителя с минимальной накопленной энергией фильтра.

Параметры источника высоковольтного питания диагностического атомарного инжектора, созданного для токамака Alcator-Cmod (MIT, США): выходное напряжение 20—55 кВ; максимальный выходной ток 8 A; шаг перестройки напряжения <100 В; пульсация выходного напряжения ±1%; время нарастания и спада напряжения при емкости нагрузки 3 нФ — <250 мкс; минимальная длительность импульса 5 мс, максимальная — 3 с; частота модуляции выходного напряжения 0—100 Гц; минимальный интервал между циклами работы 300 с.

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА ИСТОЧНИКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ

Источник высоковольтного питания диагностического инжектора (рис. 1) состоит из двух

Рис. 1. Функциональная схема источника высоковольтного питания.

функциональных частей: низковольтной части, гальванически связанной с напряжением сети переменного тока, и высоковольтной части, гальванически связанной с элементами ионно-оптической системы инжектора, находящимися под высоким потенциалом. Низковольтная часть содержит регулируемый тиристорный выпрямитель с ХС-филь-тром, систему формирования непрерывного тока выпрямителя при работе с модуляцией высоковольтного напряжения — устройство активного демпфирования прерывистых токов, преобразователи напряжения повышенной частоты — инверторы.

Высоковольтная часть источника питания состоит из восьми одинаковых высоковольтных модулей, содержащих повышающие высокочастотные трансформаторы, диодные выпрямители с емкостными фильтрами и элементы защиты от превышения напряжения. Диодные выпрямители высоковольтных модулей включены последовательно и обеспечивают формирование выходного напряжения до 55 кВ при максимальном токе 8 А.

Высоковольтная изоляция на напряжение до 100 кВ обеспечивается межобмоточными зазорами 20 мм, конструкция находится в сосуде с изолирующим газом (рис. 2). Высоковольтная часть источника питания, состоящая из восьми повышающих высокочастотных трансформаторов и диодных выпрямителей с емкостными фильтрами и варисторной защитой, размещена в герметичном баке, заполненном изолирующим газом SF6 с избыточным давлением 0.7 ати (рис. 3).

Низкий уровень пульсации выходного напряжения и широкий динамический и частотный диапазон источника высоковольтного питания достигаются за счет как высокой частоты преобразования напряжения, так и оригинального способа таймирования транзисторных преобразователей, питающих повышающие трансформаторы [2, 3].

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Низковольтная часть источника питания диагностического атомарного инжектора содержит тиристорный выпрямитель с системой импульс-

Рис. 2. Конструкция модуля высоковольтного выпрямителя, состоящего из изолирующего высокочастотного трансформатора, диодного выпрямителя с емкостным фильтром и варисторной защитой. 1 — первичная обмотка; 2 — вторичная обмотка; 3 — высоковольтный изолятор; 4 — экран вторичной обмотки; 5 — конденсаторы выходного фильтра; 6 — сборка варисторов; 7 — выпрямительные высоковольтные диоды.

семь модулей высоковольтного выпрямителя).

но-фазового управления и системой защит и блокировок; ХС-фильтр, состоящий из двух дросселей Х1, Х2 (рис. 4) и батареи электролитических конденсаторов С1; устройство активного демпфирования ХС-фильтра, состоящее из восьми каналов ответвления тока, содержащих транзисторные (ЮВТ) ключи с платами управления и восемь охлаждаемых водой резисторов; восемь мостовых ЮВТ-инверторов, работающих на ча-

стоте 16 кГц, генерирующих регулируемое переменное напряжение для питания первичных обмоток повышающих трансформаторов.

На рис. 4 приведены функциональная схема и временная диаграмма, поясняющая принцип тай-мирования низковольтной части источника питания атомарного диагностического инжектора.

Сетевой тиристорный выпрямитель при появлении таймирующего сигнала Вкл-1 плавно по-

I*

Вкл-1

Вкл-2

Вкл-3

1 ,

\

Рис. 4. Функциональная схема и диаграмма управления низковольтной частью источника питания диагностического инжектора. Транзисторы ключей — BSM200GAL120DN2 (ЕиРЕС, Германия).

Г

г

Г

й

Г

вышает уровень напряжения до заданного значения за время 0.3—0.5 с. Значение выходного напряжения тиристорного выпрямителя задается цифроаналоговым преобразователем ЦАП-1. При этом к выходу ХС-фильтра тиристорного выпрямителя подключена резистивная нагрузка с дискретно управляемым с помощью транзисторных ключей Кл1—Кл8 сопротивлением (сборкой резисторов Величина этого сопротивления задается исходя из ожидаемой величины выходной мощности диагностического атомарного инжектора [3]. Ток тиристорного выпрямителя 1й плавно нарастает до номинального значения и остается практически неизменным и непрерывным весь цикл работы инжектора.

Транзисторные ключи демпфера включаются одновременно с сетевым выпрямителем сначала в момент ввода мощности от питающей сети, а затем противофазно с работой ЮБТ-инверторов, формирующих высоковольтное напряжение пи-

тания атомарного инжектора. Количество резисторов задается вспомогательным цифроаналого-вым преобразователем ЦАП2 таким образом, чтобы ток, потребляемый ЮБТ-инверторами, и ток через резисторы Я1—был примерно одинаковым. Напряжение на ХС-фильтре сетевого выпрямителя при таком "перехвате" тока меняется незначительно, а выходной ток выпрямителя остается практически неизменным независимо от частоты модуляции выходного напряжения источника питания инжектора. Такой подход вполне допустим для установок, работающих с большой скважностью, так как средняя мощность, потребляемая из сети, остается относительно небольшой.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное частотой 16 кГц построен по обычной схеме мостового транзисторного инвертора с ши-ротно-импульсным (ш.и.м.) управлением (рис. 5).

Каждый из восьми инверторов имеет индивидуальный сдвиг фазы выходного напряжения (рис. 6),

Инв8

Инв2

+ и(П)

-ищ

М1

М2 Х

16 кГц

тт

О

16 кГц

Инв1

• ) Выходной \ ток инвертора

ЦАП3

От делителя

высоковольтного

напряжения

Рис. 5. Функциональная схема ЮВТ-инвертора мостового типа с широтно-импульсным управлением. ТТ — трансформатор тока; М1, М2 - BSM200GB120DN2 (ЕиРЕС).

частота пульсации выходного напряжения при этом равна произведению удвоенной частоты выходного напряжения инвертора на число высоковольтных модулей: Дпульс) = 2Динв)^, в данной схеме N = = 8, поэтому Дпульс) = 2 х 16 кГц х 8 = 256 кГц. Такая высокая частота пульсации выходного напряжения позволяет использовать фильтры высокого напряжения с емкостью всего лишь несколько нанофарад, при этом накопленная в высоковольтном фильтре и паразитных емкостях энергия не превышает 3-4 Дж. Такой подход позволяет отказаться от применения дорогостоящих и ненадежных тиристорных или ламповых схем активной защиты ионных источников от высоковольтных пробоев.

Инв1

Инв2

Инв3_[

Инв8

Рис. 6. Импульсы т

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