научная статья по теме ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ Физика

Текст научной статьи на тему «ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 3, с. 68-71

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.316.722.9

ИСТОЧНИК ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ НА ОСНОВЕ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

© 2010 г. В. В. Колмогоров, Г. Ф. Абдрашитов

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 E-mail: V.V.Kolmogorov@inp.nsk.su, G.F.Abdrashitov@inp.nsk.su Поступила в редакцию 16.11.2009 г.

Для корпускулярного нагрева плазмы в плазменной установке MST (Мэдисон, США) в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск) разработан и введен в эксплуатацию в 2009 г. инжектор атомов водорода с энергией частиц 25 кэВ, эквивалентным током атомов >45 А и длительностью импульса 20 мс. Период повторения импульсов 5 мин. Выходной ток ионного источника атомарного инжектора превышает 50 А. Для высоковольтного питания атомарного инжектора разработан источник высокого напряжения мощностью 1.5 МВт, длительность работы источника питания с номинальными параметрами >20 мс. Источник питания построен на основе распределенного емкостного накопителя энергии, что позволяет снизить потребляемую от промышленной сети мощность до 10 кВт при импульсной мощности в нагрузке 1.5 МВт. Источник высоковольтного питания обеспечивает плавное регулирование выходного напряжения от 0 до 30 кВ и способен быстро выключаться в случае высоковольтного пробоя нагрузки. Описываются схема и элементы конструкции системы высоковольтного питания атомарного инжектора и приведены результаты ее испытания.

ВВЕДЕНИЕ

Одной из наиболее важных характеристик источника питания атомарного инжектора для нагрева плазмы в плазменной установке является большая импульсная мощность, достигающая единиц мегаватт. Так, выходная мощность атомарного инжектора, разработанного в ИЯФ СО РАН для нагрева плазмы в установке М8Т (США) достигает 1.3 МВт. Ток ионного пучка инжектора превышает 50 А при номинальном напряжении 25 кВ. Требуемое время работы атомарного инжектора составляет 20 мс при интервале между импульсами 5 мин. Относительно небольшая длительность работы атомарного инжектора предопределила выбор схемы источника высоковольтного питания — с использованием емкостного накопителя энергии. Основные параметры источника высоковольтного питания атомарного инжектора: диапазон выходного напряжения 0—30 кВ; максимальный выходной ток 55 А; длительность фронтов импульса напряжения <200 мкс, максимальная длительность импульса 25 мс; пауза после срабатывания защиты 2 мс, минимальная пауза между импульсами 300 с; параметры питающей сети — 380 В/220 В/10 кВА, стабильность выходного напряжения ±2%.

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ

Источник высоковольтного питания атомарного инжектора состоит из 32 последовательно

включенных модулей (рис. 1). Каждый модуль состоит из емкостного накопителя энергии С1, транзисторного (ЮВТ) ключа М1, дросселя Ь, конденсатора С2 и защитного ЮВТ-ключа М2. Емкостный накопитель С1 = 18 мФ заряжается до напряжения 1000 В от источника зарядного тока, состоящего из повышающего трансформатора Тр2-Ы N = 1—32), выпрямителя Д и резистора Я1. Изоляция всех модулей на напряжение до 30 кВ осуществляется с помощью изолирующих высокочастотных трансформаторов Тр1-Ы.

Схема модуля допускает различные способы регулирования выходного напряжения источника высоковольтного питания — как амплитудно-импульсное, так и широтно-импульсное регулирование с использованием повышенной частоты преобразования. При амплитудно-импульсном регулировании выходное напряжение источника высоковольтного питания задается как включением различного числа модулей, так и управлением уровнем начальной зарядки емкостных накопителей. Широтно-импульсное регулирование (ш.и.м.) напряжения модуля с частотой 20 кГц позволяет при необходимости осуществлять точную стабилизацию выходного напряжения источника высоковольтного питания.

Каждый из тридцати двух модулей оснащен системой быстродействующей защиты от превышения тока, а также предохранителем. В случае отказа одного или нескольких модулей выходной

Рис. 1. Функциональная схема источника высоковольтного питания на основе распределенного емкостного накопителя энергии.

Рис. 2. Схема модуля источника высоковольтного питания на основе распределенного емкостного накопителя. Мъ М2 - транзисторные ЮБТ-модули BSM75GB170DN2 (ЕиРЕС, Германия).

70

КОЛМОГОРОВ, АБДРАШИТОВ

ток источника питания протекает через обратный диод транзистора М2. Транзисторный ключ М2 служит для закорачивания модуля в случае высоковольтного пробоя нагрузки и, в общем случае, работает противофазно с ключом М1.

Питание электронных схем модуля (питание собственных нужд) осуществляется напряжением повышенной частоты (20 кГц), которое передается через трансформатор с высоковольтной изоляцией Тр3-Ы N = 1—32). Это напряжение выпрямляется, стабилизируется на уровне +15 В и является источником постоянного напряжения для автогенератора с выходным напряжением 16 В, 40 кГц (рис. 2). Это переменное стабилизированное напряжение подается на все управляющие схемы модуля — драйверы транзисторов.

Управление работой каждого модуля источника высоковольтного питания осуществляется с помощью трех сигналов, поступающих от системы управления через оптоволоконные кабели: сигнала разрешения зарядки накопителя модуля (С1), поступающего на плату управления зарядкой и разрядкой накопителя, сигнала управления транзистором М1 и сигнала управления транзистором М2. При исчезновении светового сигнала управления разрядом накопителя вследствие срабатывания блокировок (например, открывание дверей, отсутствие охлаждения, перегрев и т.д.) накопитель С1 автоматически разряжается. Плата управления модулем М1 формирует необходимое напряжение управления ЮВТ-транзистором и оснащена быстродействующей токовой защитой. Сигнал управления закорачивающим транзисто-

(а)

(б)

Рис. 4. Типичные осциллограммы выходного напряжения (а) и тока (б) источника высоковольтного питания. Масштаб по вертикали 5 кВ/деление (а), 10 А/деление (б), по горизонтали — 5 мс/деление.

ром М2 имеет фиксированную длительность 2 мс и поступает от системы быстродействующей защиты источника высоковольтного питания в случае высоковольтного пробоя нагрузки независимо от уровня выходного напряжения.

КОНСТРУКЦИЯ ИСТОЧНИКА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПИТАНИЯ

Все основные компоненты источника высоковольтного питания с распределенным накопителем энергии — управляемые модули, развязывающие трансформаторы, генераторы питания собственных нужд — размещены в четырех шкафах с размерами 800 х 800 х 2000 мм. Модули источника высоковольтного питания изолированы от заземленной конструкции шкафа с помощью стек-лотекстолитовых пластин (рис. 3).

Полупроводниковые элементы закреплены на дюралевой пластине, являющейся как основой конструкции системы управления модулем, так и эффективным радиатором. Модульная конструк-

ция источника высоковольтного питания позволяет тестировать и настраивать каждый модуль независимо.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

При не очень высоких требованиях к стабильности выходного высоковольтного напряжения (единицы процентов), как при использовании источника питания в составе атомарного инжектора для нагрева плазмы, возможно применение простейшей амплитудно-импульсной стабилизации, при которой спад выходного напряжения компенсируется подключением с временной задержкой дополнительных модулей. При работе источника высоковольтного питания с амплитудно-импульсной стабилизацией амплитуда пульсации выходного напряжения определяется начальным запасом энергии емкостного накопителя и величиной выходного тока (рис. 4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Атомарный инжектор, изготовленный в ИЯФ СО РАН для нагрева плазмы в установке MST (США), введен в эксплуатацию в ноябре 2009 года. Разработанный принцип построения импульсных источников высоковольтного питания с использованием распределенного накопителя энергии позволяет создавать источники высоковольтного питания большой мощности с длительностью работы единицы—десятки миллисекунд. В зависимости от требуемой стабильности высоковольтного напряжения возможно применение как простейших способов регулирования и стабилизации выходного напряжения, таких как амплитудно-импульсное регулирование, так и более сложных способов формирования выходного напряжения.

Автор выражает признательность А.С. Медведко за помощь в разработке основных принципов построения, А.В. Булатову за разработку конструкции высоковольтного выпрямителя, В.А. Капитонову за помощь в изготовлении узлов источника высоковольтного питания.

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

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»