Исследование и разработка полупроводниковых коммутаторов для емкостных накопителей энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.13, кандидат наук Серебров Роман Александрович

• Серебров Роман Александрович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Серебров Роман Александрович

Оглавление

Введение 6 Глава

Компактные емкостные накопители энергии - источники

импульсного тока

1.1. Состояние вопроса

1.1.1. Применение в физических экспериментах

1.1.2. Применение в промышленности

1.1.2.1. Установки для обработки металлов давлением импульсного магнитного поля

1.1.2.2. Установки для электрогидравлической обработки металлов

1.1.3. Применение в строительстве

1.1.4. Применение в медицине

1.1.5. Применение на транспорте

1.1.6. Описание емкостных накопителей энергии

1.1.7. Большие емкостные накопители энергии в России

1.1.8. Большие емкостные накопители энергии за рубежом

1.1.9. Новые проекты емкостных накопителей энергии в России

1.1.10. Заключение

1.2. Конденсаторная ячейка 18 кВ, 50 кА

1.2.1. Параметры и особенности конденсаторной ячейки 18 кВ, 50 кА

1.2.2. Условия работы конденсаторной ячейки 18 кВ, 50 кА

1.2.3. Устройство конденсаторной ячейки 18 кВ, 50 кА

1.3. Режимы работы основных элементов и обеспечение их функционирования

1.3.1. Конденсаторы Bioenergy D-65

1.3.2. Индуктор

1.3.3. Испытания полупроводниковых приборов

1.3.3.1. Стенды для испытания полупроводниковых приборов и устройств

их защиты

1.3.3.2. Испытание реверсивно включаемых динисторов (РВД113-10-22 и РВД153-70-22)

1.3.3.3. Испытания отсекающих (ДИ153-1600-30) и кроубарных (ДИ173-

5000-22) диодов

1.3.3.4. Испытания варисторов и лавинных диодов

1.3.4. Заключение

1.4. Емкостной накопитель энергии 1 МДж 46 1.4.1 Состав установки и технические характеристики

1.4.2. Система управления

1.4.3. Режим программированного разряда

1.4.4. Результаты испытаний

1.5. Выводы

Глава

Емкостные накопители энергии батарей противотока для международного экспериментального термоядерного реактора

ИТЭР

2.1. Описание системы питания и защитного вывода энергии из сверхпроводящих магнитных систем для ИТЭР

2.2. Переходный процесс при разряде CPC в системе FDU

2.3. Исследование работы полупроводниковых коммутаторов в ячейке конденсаторной батареи противотока

2.3.1. Исследование предельных токовых нагрузок тиристоров и 63 фототиристоров

2.3.2. Обратное восстановление тиристоров

2.3.3. Включение тиристоров

2.3.4. Ресурсные испытания тиристора и фототиристора

2.3.5. Основные результаты исследования полупроводниковых приборов, предназначенных для батарей противотока ИТЭР

2.4. Конструкция батареи противотока

2.4.1. Конденсаторы

2.4.2. Полупроводниковые коммутаторы

2.4.2.1. Блоки коммутаторов на основе тиристоров

2.4.2.2. Блоки коммутаторов на основе фототиристоров

2.4.3. Индукторы 88 2.4.4 Зарядные устройства

2.4.5. Управление

2.4.6. Выводы

2.5. Испытания батареи противотока

2.5.1. Система обеспечения качества для батарей противотока ИТЭР

2.5.2. Испытания ячейки конденсаторной 5 кВ

2.5.2.1. Испытания в режиме короткого замыкания

2.5.2.2. Испытания при длительном воздействии высокого напряжения

2.5.3. Испытания батареи противотока 5 кВ в составе ББИ

2.5.4. Испытания ячейки конденсаторной 10 кВ 98 2.5.3. Заключения

2.6. Выводы

Глава

Полупроводниковый коммутатор для эксплуатации в жестких

условиях

3.1. Обзор полупроводниковых коммутаторов для эксплуатации в жестких условиях

3.2. Конденсаторная ячейка 6 кВ, 120кА

3.3. Режимы работы полупроводниковых коммутаторов

3.4. Ячейка конденсаторная

3.4.1. Конденсаторы

3.4.2. Блок коммутаторов

3.4.3. Индуктор

3.4.4. Элементы системы управления и диагностики в ячейки конденсаторной

3.4.5. Выводы

3.5. Испытания экспериментальных образцов

3.6. Выводы

Глава

Нелинейный скин-эффект в разрядных резисторах ИТЭР

4.1. Постановка задачи

4.2. Магнитные характеристики низкоуглеродистой стали

4.2.1. Электромагнитное поле в резистивном элементе

4.2.2. Постоянное магнитное поле в полосе из неферромагнитного материала

4.2.3. Магнитные свойства резистивного материала

4.3. Проникновение импульсного магнитного поля в стальную полосу из низколегированной стали

4.3.1. Начальная стадия до насыщения поверхностных слоев металла

4.3.2. Вторая стадия проникновения магнитного поля в ферромагнитный резистивный элемент - стадия насыщения

4.3.3. Третья стадия проникновения магнитного поля в ферромагнитный резистивный элемент - стадия проводимости

4.4. Переходные процессы в разрядных контурах с резистором

4.5. Выводы

Заключение

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка полупроводниковых коммутаторов для емкостных накопителей энергии»

Актуальность работы

Емкостные накопители энергии находят широкое применение в различных областях экспериментальной физики и техники. Они способны генерировать импульсы тока амплитудой до десятка мегампер длительностью от долей микросекунды до нескольких миллисекунд, не требуют большой мощности на стадии накопления энергии (заряда), способны длительное время находиться в заряженном состоянии. Генерация импульса тока в емкостном накопителе энергии может быть относительно просто синхронизирована с работой других электрофизических установок.

До недавнего времени в емкостных накопителях энергии использовались газоразрядные коммутаторы, которые не в полной мере обеспечивали выполнение требований эксплуатации и надежности электрофизических установок. С появлением мощных полупроводниковых приборов, способных коммутировать импульсные токи амплитудой в десятки и сотни килоампер, стало возможным создание импульсных установок, свободных от недостатков емкостных накопителей энергии с газоразрядными коммутаторами и обладающих высокими эксплуатационными качествами. В настоящее время работам по созданию импульсных установок с полупроводниковыми коммутаторами, в том числе емкостных накопителей энергии, уделяется большое внимание; такие разработки ведутся в ряде стран, занимающих ведущие позиции в области мощной импульсной техники (Россия, США, Франция, Германия, Корея и другие).

Использование полупроводниковых ключей при номинальных режимах приводит к громоздким и дорогим конструкциям. Существенное упрощение и удешевление полупроводниковых коммутаторов возможно при их работе в режимах, близких к режимам ударных токов, при генерации одиночных импульсов тока с амплитудой, превышающей на один - два порядка величину номинального тока. Однако, при этом возникают вопросы обеспечения работоспособности ключей в условиях, отличных от условий эксплуатации, заданных производителем.

Особенностью мощных полупроводниковых приборов является то, что в отличие от газоразрядных коммутаторов они, как правило, разрушаются при отклонениях от допустимых условий эксплуатации, в том числе при кратковременном превышении амплитуды разрядного тока, при коммутационных перенапряжениях, при перегреве коммутируемым током полупроводниковой структуры.

Каждое новое применение полупроводниковых коммутаторов в импульсных установках требует выполнения комплекса новых исследований и разработок. Это объясняется новизной и

небольшим опытом работы с полупроводниковыми ключами, особенностями использования разных типов полупроводниковых приборов в разрядных контурах различных импульсных установок, отсутствием отработанных стандартных решений в этой области. Свидетельством этому является постоянная готовность ведущих периодических изданий и конференций в области мощной импульсной техники публиковать материалы подобных исследований и разработок.

Использование полупроводниковых ключей при номинальных режимах приводит к громоздким и дорогим конструкциям. Существенное упрощение и удешевление полупроводниковых коммутаторов возможно при их работе в режимах, близких к режимам ударных токов, при генерации одиночных импульсов тока с амплитудой, превышающей на один - два порядка величину номинального тока. Однако, при этом возникают вопросы обеспечения работоспособности ключей в условиях, отличных от условий эксплуатации, заданных производителем.

Поэтому задача создания полупроводниковых коммутаторов для емкостных накопителей энергии, работающих в режимах, близких к режимам ударных токов, является актуальной. Решение этой задачи требует выполнения работ по разработке и исследованию полупроводниковых ключей, по обеспечению их работоспособности в емкостных накопителях энергии.

В связи с этим разработка полупроводниковых коммутаторов больших импульсных токов и исследование условий их работы является актуальной задачей

Цель работы

Основной целью работы является создание емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами для генерации импульсов тока длительностью в десятки и сотни микросекунд.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

• Разработать методы экспериментального исследования и стенды для испытаний элементов полупроводниковых коммутаторов больших импульсных токов.

• Исследовать переходные процессы в разрядных контурах емкостных накопителей энергии разных типов для выявления особенностей работы полупроводниковых коммутаторов в этих накопителях.

• Экспериментально исследовать особенности работы сильноточных полупроводниковых приборов (диодов, реверсивно включаемых динисторов (РВД), тиристоров и фототиристоров) при коммутации импульсных токов во временном диапазоне 0,5 - 1 мс и амплитудой тока до 120 кА и определить условия их надежной эксплуатации.

• Разработать методы и устройства защиты и диагностики полупроводниковых приборов в коммутаторах больших импульсных токов емкостных накопителей энергии.

• Создать высоковольтные блоки коммутаторов тока и исследовать их работу в емкостных накопителях энергии.

• Создать емкостные накопители энергии для различных применений, в том числе для систем защитного вывода энергии Международного Термоядерного Экспериментального Реактора (ИТЭР) и для эксплуатации в жестких условиях.

Научная новизна работы

В силу малого опыта применения мощных полупроводниковых коммутаторов и отсутствия отработанных технических решений для установок больших импульсных токов каждая новая мощная импульсная установка с полупроводниковыми коммутаторами, доведенная до практического применения, может рассматриваться как новое научно-обоснованное техническое решение, имеющее существенное значение для развития мощной импульсной техники.

1. Впервые выполнены исследования и разработка коммутаторов на основе новых отечественных силовых полупроводниковых приборов - фототиристоров при импульсных токах до 120 кА длительностью 550 - 750 мкс; определены предельные токовые нагрузки и рабочие режимы фототиристоров. Эти исследования позволили обосновать применение фототиристоров в мощных импульсных установках двух типов: в батарее противотока и в емкостном накопителе энергии с формирующей цепью, состоящей из кроубарного диода и индуктора. Созданные коммутаторы обеспечивают большой срок службы, характеризуются относительной простотой обслуживания, экологической чистотой и возможностью работы в частотном режиме.

2. Описаны и систематизированы методы испытаний и отбора элементов полупроводниковых коммутаторов, обеспечивающие работоспособность разрядных контуров емкостных накопителей энергии. Были выявлены и обоснованы признаки нестабильной работы РВД и фототиристоров, которые могут быть положены в основу предварительной отбраковки элементов полупроводниковых коммутаторов.

3. Исследовано влияние интенсивности протонного облучения при изготовлении мощных импульсных диодов на вольтамперные характеристики и процессы обратного восстановления диодов. Показано существование оптимального уровня протонного облучения, обеспечивающего наилучшие эксплуатационные характеристики диодов.

4. Исследованы особенности переходного процесса в батарее противотока при гашении дуги в коммутационном аппарате, которые определяют режим работы полупроводниковых коммутаторов в этих батареях.

5. Найдены соотношения и исследованы особенности переключения тока в цепь кроубарных диодов в разрядном контуре с формирующей цепью; определены условия безопасной работы полупроводникового коммутатора в таком контуре.

6. Систематизированы и исследованы экспериментально различные варианты построения разрядных контуров конденсаторной ячейки с формирующей цепью, что позволило выбрать оптимальный вариант разрядного контура с малыми потерями энергии в разрядном процессе, обладающего высокой работоспособностью.

7. Исследовано влияние обрыва тока в конденсаторной ячейке с формирующей цепью на разных стадиях разрядного процесса, на работу полупроводникового коммутатора. Показано, что индуктор и снабберные цепи кроубарных диодов обеспечивают гашение перенапряжений, возникающих при обрыве тока в индукторе.

8. Новым является исследование проникновения импульсного магнитного поля в тонкой полосе малоуглеродистой стали на фронте мощного импульса тока и применение результатов этого исследования для выявления особенностей работы разрядных резисторов системы защитного вывода энергии ИТЭР.

Практическая значимость работы

Все разработки, представленные в работе, реализованы в конструкциях действующих импульсных установок и доведены до практической реализации.

1. Создан мощный коммутатор на основе РВД (18 кВ, 50 кА), который вошел в состав конденсаторной ячейки, используемой в компактном емкостном накопителе энергии 1 МДж. Накопитель энергии успешно выдержал приемо-сдаточные испытания и введен в эксплуатацию в лаборатории Нанкинского Университета Науки и Технологии (Китай).

2. Созданные два типа полупроводниковых коммутаторов на основе фототиристоров на рабочее напряжение 12 кВ и током до 100 кА вошли в состав конденсаторных батарей противотока (нереверсивной TF CPC и реверсивной PF/CS CPC) коммутационной аппаратуры проекта ИТЭР. Конденсаторные батареи выдержали испытания (с участием представителей ИТЭР) и допущены к серийному производству и поставке для ИТЭР.

3. Разработан блок коммутаторов, состоящий из фототиристоров и кроубарных диодов, с рабочим напряжением 6 кВ и максимальным током 120 кА, предназначенного для эксплуатации в жестких условиях. Этот блок коммутаторов выдержал испытания в стационарных и жестких условиях эксплуатации.

4. Результаты исследования проникновения импульсного магнитного поля в полосе малоуглеродистой стали на фронте импульса тока доказали, что наблюдаемое при защитном выводе энергии в ИТЭР кратковременное увеличение падения напряжения на разрядных резисторах не требует применения дополнительных демпфирующих устройств, что позволило упростить коммутационную аппаратуру ИТЭР.

Разработки полупроводниковых коммутаторов, описанные в диссертации, были представлены Р.Ш. Еникеевым и автором в докладе «Высоковольтные коммутаторы больших импульсных токов», который победил в конкурсе фонда академика Ж.И. Алферова на лучшую исследовательскую работу в области естественных наук для молодых ученых в номинации «ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ». Автор диссертации и Р.Ш. Еникеев стали лауреатами этого конкурса и награждены золотыми медалями.

Методология и методы диссертационного исследования

Исследования базируются на разработанных автором методах экспериментальных исследований мощных полупроводниковых коммутаторов, на аналитических и экспериментальных методах изучения электрических переходных процессов в установках больших импульсных токов и процессов проникновения в проводящие материалы импульсных магнитных полей.

Личный вклад автора в представленную работу

1. Автор разработал методы испытаний элементов полупроводниковых коммутаторов и конденсаторных ячеек, а также создал необходимые для этого стенды и испытательные установки. Выполненные испытания и подбор по характеристикам элементов коммутаторов и ячеек обеспечили работоспособность конденсаторных ячеек емкостного накопителя энергии 1 МДж с коммутаторами на основе РВД и импульсных диодов.

2. Автор внес основной вклад в создание семейства конденсаторных батарей противотока 10 кВ, 100 кА для систем защитного вывода энергии, которые прошли испытания и допущены к серийному производству для проекта ИТЭР.

3. Автор внес решающий вклад в создание конденсаторной ячейки 6 кВ с коммутатором на основе фототиристоров и импульсных диодов при эксплуатации в жестких условиях.

4. Автор выполнил комплекс экспериментальных исследований проникновения импульсного магнитного поля в стальную полосу разрядного резистора системы защитного вывода энергии ИТЭР.

На защиту выносятся следующие результаты

1. Методы и устройство оборудования для испытаний и отбора элементов разрядных контуров емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами.

2. Создание двух конденсаторных батарей противотока для коммутационных аппаратов систем защитного вывода энергии ИТЭР. Доказательство возможности коммутации в электрической цепи тока до 100 кА с помощью фототиристоров при воздействии на коммутатор волны обратного напряжения.

3. Конструкция коммутатора на основе фототиристоров и диодов для конденсаторной ячейки 6 кВ с высокой плотностью энергии (до 0,4 Дж/см3), предназначенного для эксплуатации в жестких условиях.

4. Результаты исследования проникновения импульсного магнитного поля в полосу малоуглеродистой стали разрядного резистора, которые показали кратковременное увеличение напряжения на фронте импульса тока. При этом в условиях работы разрядных резисторов ИТЭР к моменту максимума тока сталь переходит в насыщенное магнитное состояние и магнитные свойства стали не влияют на амплитуду напряжения на резисторе.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в АО «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова при выполнении зарубежных контрактов с Нанкинским университетом науки и технологии (Китай) и с организацией ИТЭР (Франция). Акты использования прилагаются.

Достоверность полученных результатов

Обеспечивается применением современной аппаратуры, большим объемом полученных экспериментальных данных, а также использованием результатов исследований в действующих импульсных установках, которые выдержали многочисленные испытания и сданы в эксплуатацию.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 17th IEEE International Pulsed Power Conference, June 28-Jule 2, 2009, Washington DC, USA (3 доклада).

2. International Conference for Power Conversion Intelligent Motion (PCIM Europe 2011), 17-19 May 2011, Nuremberg, Germany (1 доклад).

3. 18th IEEE International Pulsed Power Conference, June 19-23, 2011, Chicago, USA (3 доклада).

4. 4th Euro-Asian Pulsed Power Conference and 19th International Conference on High-Power Particle Beams, October 30 - September 4, 2012, Karlsruhe, Germany (1 доклад).

5. Конференция «Силовая электроника», 17 ноября 2012 года, Москва, Россия (1 доклад).

6. 20th IEEE International Pulsed Power Conference, June 19-22, 2017, Brighton, UK, (1 доклад).

Публикации

Основные материалы диссертации опубликованы в 16 работах из них 3 статьи в Российских журналах, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ, 5 статей в журналах, включенных в международную библиографическую базу Web of Science, 9 докладов на международных конференциях. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на _ страницах печатного текста, состоит из

введения, четырех глав и заключения, содержит_таблиц,_рисунков. Список используемой

научной литературы содержит_наименований.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности

Содержание диссертации соответствует пункту 2 паспорта специальности 01.04.13 Электрофизика, электрофизические установки: «Исследование физических процессов в накопителях энергии индуктивного, емкостного, инерционного, высокочастотного, взрывомагнитного и других типов, разработка конструкций накопителей».

Основное содержание работы

В первой главе приведен краткий обзор больших емкостных накопителей и определены современные тенденции развития источников больших импульсных токов. Новые задачи физического эксперимента потребовали увеличения запасаемой энергии (до десятков мегаджоулей) и амплитуды разрядного тока (до единиц и десятков мегаампер) в емкостных накопителях энергии.

Современным тенденциям создания больших емкостных накопителей энергии соответствует проект емкостного накопителя энергии с запасаемой энергией 1 МДж, напряжением 18 кВ, который был разработан и испытан с участием автора диссертационной работы.

Основной структурной единицей емкостного накопителя энергии является конденсаторная ячейка. Создание конденсаторных ячеек потребовало выполнения большого объема работ по испытанию и отбору элементов конденсаторной ячейки, по разработке и изготовлению экспериментальных стендов для выполнения испытаний, по доработке и улучшению первоначальной конструкции некоторых элементов и сборок.

В конденсаторной ячейке используется 9 видов полупроводниковых приборов (2 вида РВД, 3 вида высоковольтных импульсных диодов, 4 вида нелинейных ограничителей напряжения - варисторов). Полупроводниковые ключи (РВД и диоды) испытывались в закрытом и в открытом (проводящем) состоянии, для ограничителей напряжения проверялась и подбиралась вольт-амперная характеристика.

Для измерения вольт-амперных характеристик ключей в закрытом состоянии и ограничителей напряжения был разработан и изготовлен высоковольтный стенд, состоящий из источника постоянного высокого напряжения (3,5 кВ), приборов для измерения тока и напряжения, а также устройств защиты и блокировки.

На этом стенде было испытано порядка 400 РВД двух типов, 600 диодов трех типов и порядка 3000 варисторов 6-и типов. По результатам испытаний производился отбор и согласование вольтамперных характеристик полупроводниковых приборов.

При измерении вольт-амперных характеристик РВД у некоторых приборов наблюдался увеличенный ток утечки, шумы и неустойчивость закрытого состояния прибора. Это явление было объяснено пробоями внутри корпуса РВД. Подобные полупроводниковые приборы отбраковывались и не использовались в конденсаторных ячейках.

Динамические испытания диодов производились на стенде, где при испытаниях контролировался процесс обратного восстановления диодов. Был обнаружен резкий обрыв тока и неустойчивость процесса обратного восстановления. Такие диоды с «жестким» обратным восстановлением выходили из строя при испытаниях конденсаторных ячеек. Это стало основанием для введения в технологический процесс на заводе-изготовителе операции протонного облучения диодов.

Была выполнена оценка влияния дозы протонного облучения на характеристики обратного восстановления отсекающих и кроубарных диодов. Опытные партии диодов были подвергнуты протонному облучению. Облученные протонами диоды показали «мягкое», устойчивое обратное восстановление. По результатам исследования было выбрано для отсекающих диодов - «средняя» степень облучения протонами, для кроубарных диодов -«сильная» степень облучения протонами. Впоследствии облученные протонами диоды надежно работали в составе конденсаторных ячеек.

Выдержавшие испытания и отобранные полупроводниковые приборы собирались в высоковольтные сборки. Ограничители напряжения изолировались посредством заливки полимерной изоляцией. Подготовленные таким образом компоненты соединялись между собой и устанавливались между стяжными плитами, обеспечивающими контактное давление в сборках полупроводниковых ключей.

Все работы по испытанию и отбору элементов конденсаторных ячеек были успешно выполнены, что явилось основанием для завершения всего комплекса работ по созданию емкостного накопителя энергии с рекордной плотностью энергии 0,4 Дж/см3. Емкостной накопитель энергии 1 МДж испытывался в лабораторных условиях и у Заказчика при коротком замыкании в нагрузке и в режиме холостого хода. Все испытания подтвердили заданные параметры и работоспособность установки.

Во второй главе описываются разработанные с участием автора конденсаторные ячейки для системы быстрого защитного вывода энергии (Fast Discharge) из сверхпроводящих катушек ИТЭР. Эта система работает при напряжении до 12 кВ и токе в сверхпроводящих магнитных системах до 70 кА.

В ИТЭР имеется несколько сверхпроводящих магнитных систем, которые создают постоянные или медленно меняющиеся сильные магнитные поля с общей энергией более 40 ГДж. При возникновении аварийной ситуации быстрый защитный вывод энергии обеспечивается замыканием контура катушек с помощью мощного контактора (PMS) и переключением тока в разрядные резисторы (DR) посредством размыкания контакторов, входящих в состав Fast Discharge Units (FDU).

FDU включает в себя двухступенчатый коммутационный аппарат (Switchgear, SWG) и ряд дополнительных устройств, обеспечивающих функционирование системы. В проекте ИТЭР используются FDU двух типов:

• Для сверхпроводящей магнитной системы тороидального поля (TF), где направление тока в сверхпроводящих магнитных системах не изменяется, применяются униполярные TF FDU;

• Для сверхпроводящих магнитных систем полоидального поля (PF) и центрального соленоида (CS), где направления тока в сверхпроводящих магнитных системах изменяется во время цикла работы реактора, применяются биполярные (реверсивные) PF/CS FDU.

При размыкании FDU сначала размыкаются силовые контакты выключателя с пневматическим приводом BPS, и ток переходит в цепь вакуумных размыкателей VCB. Затем, после размыкания контактов VCB, зажигается дуга между контактами VCB. Для гашения дуги через VCB пропускается импульс встречного тока, который генерируется конденсаторной

батареей противотока (СРС). Произведен расчет переходного процесса разряда конденсаторной ячейки (СРС) в ББИ. Было найдено аналитическое решение, и выведены формулы для тока разряда конденсатора Iс и напряжения на конденсаторе ис. Построенные по этим формулам

зависимости от времени токов и напряжений при переключении тока из УСБ в БЯ при параметрах ББИ.

Полученное решение позволило определить параметры переходного процесса, амплитуду, заряд и интеграл действия импульса разрядного тока конденсаторной ячейки. Значения этих параметров не превышают величин при разряде в режиме короткого замыкания. Это стало основанием применения режима короткого замыкания для испытания элементов ячеек конденсаторных и для выбора полупроводниковых коммутаторов ББИ.

Предельные токовые нагрузки тиристоров и фототиристоров исследовались Р.Ш. Еникеевым и автором на специальном созданном для этого стенде. Была разработана и использована методика определения максимальных значений амплитуды импульсного тока, коммутируемого заряда и интеграла действия импульса тока, при которых появляется термогенерационный пик на осциллограммах прямого падения напряжения на полупроводниковых приборах. Это позволило обосновать применение выбранных тиристоров и фототиристоров в батареях противотока ИТЭР при разрядных токах до 100 кА.

Выполненные исследования процесса обратного восстановления полупроводниковых приборов позволили установить и обосновать параметры снабберных цепей для подавления перенапряжений при выключении полупроводниковых коммутаторов. Были использованы Я-С-Б снабберные цепи для подавления импульсных перенапряжений в момент обратного восстановления. Для этих снабберных цепей характерно отсутствие опасного для фототиристоров разряда конденсаторов снабберной цепи в момент включения.

Включение фототиристора может затянуться и протекать неустойчиво из-за ограничения анодного тока внешней индуктивностью и недостаточной величины этого тока для работы усилителей во внутренней структуре фототиристора в начале разрядного процесса. Предложено и экспериментально обосновано использование форсирующих Я-С цепей, которые снабжают необходимым током внутренние усилители фототиристора и обеспечивают быстрый и устойчивый переход полупроводниковой структуры в проводящее состояние.

Ресурсные испытания фототиристоров доказали отсутствие деградации полупроводниковой структуры при коммутации тока амплитудой не менее 100 кА. Эти испытания выполнялись на специально созданном для этого экспериментальном стенде в объеме 5000 импульсов.

Надежное включение фототиристоров возможно только при мощности запускающего импульса света порядка 150 - 300 мВт. Уменьшение мощности запускающего импульса света

неизбежно приведет к выходу из строя не только одного фототиристора, но и всего блока коммутатора. Для контроля мощности света в тракте запуска фототиристора был разработан метод измерения, основанный на замещении излучателя одиночных импульсов драйвера периодическими импульсами, которые допускают применение сертифицированных средств измерения мощности света. Этот метод обеспечил проверку выходных каналов драйверов и световодных трактов, подводящих импульсы света к фототиристорам, и был включен в программы и методики испытаний блоков коммутаторов и батарей противотока.

Выполненные исследования обосновали надежную работу фототиристоров в батареях противотока ИТЭР. Были созданы средства управления и диагностики для обеспечения надежного и длительного функционирования батарей противотока при длительном воздействии постоянного высокого напряжения.

Созданные образцы ячеек конденсаторных и батарей противотока выдержали многочисленные испытания, в том числе:

• испытания в режиме короткого замыкания, при которых на все элементы действуют максимальные нагрузки;

• испытания при длительном воздействии высокого напряжения;

• испытания в составе FDU.

Прототип батареи противотока 10 кВ выдержал типовые испытания, которые выполнялись с участием представителей организации ИТЭР. Батареи противотока двух типов приняты к серийному производству и допущены к поставке во Францию.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Серебров Роман Александрович, 2018 год

Список литературы

1. Безуглов В.Г., Галахов И.В., Гашаеев А.С. и др. «Комплекс емкостных накопителей энергии установки ИСКРА-5», ПТЭ, №3, 1991, с. 100-103.

2. E.S. Fulkerson, M.A. Newton, S. Hulsey, J. Hammon, W.B.S. Moore «NIF Power Conditioning System Testing at LLNL», PPPS-2001, Digest of technical papers, vol. 2, pp. 1524-1527.

3. Тезисы докладов Всесоюзной конференции по МИОМ, Харьков, ХПИ, 1966.

4. Юткин Л.А. «Электрогидравлический эффект», «Машгиз», Ленинград, 1955, 50 с.

5. Б.И. Голуб, А.А. Дятленко, В.Н. Калинин, Л.М. Корнюшко, Н.М. Крашенинин, Ю.Я. Лившиц, И.В. Политов, В.И. Розин, Б.Э. Фридман. Оборудование для магнитно-импульсной сварки экранов кабелей в полевых условиях. Доклад на 2-ой Всесоюзной конференции по МИОМ, Тезисы докладов конференции, изд-во ХПИ, Харьков, 27 - 28 ноября, 1973, с. 212.

6. Tom Mehlhorn. National security Research in Plasma Physics and Pulsed Power: past, present, and future. In Procedings of IEEE Pulsed Power Conferencem, 2013.

7. Безуглов В.Г., Галахов И.В., Гаранин С.Г, Осин В.А. «Конденсаторная батарея 25кВ, 5МДж с полупроводниковыми РВД - коммутаторами для питания импульсных ламп неодимового лазера установки «Луч»». Международная конференция Х Харитоновские чтения «Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергии». Саров, Россия. 2008.

8. J. Herbig, R. Appleton. «A Compact Pulsed Power Supply for ETI Application», in Proc. IEEE IPPC, 2005, p. 1195.

9. J.M. Nery, B.M. Human. «Operation of a 5-MJ capacitor bank for EML materials testing», in Proc. IEEE IPPC, 2007, p. 1736.

10. Р.Ш. Еникеев «Переходные процессы в емкостных накопителях энергии с полупроводниковыми коммутаторами», диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Еникеев Р.Ш, Санкт-Петербург, 2011 г.

11. Б.Э. Фридман, Р.Ш. Еникеев, С.В. Коротков, В. А. Мартыненко, Н.А. Коврижных, Ю.В. Аристов, В.А. Беляков, Э.Н. Бондарчук, А.А. Дроздов, А.Л. Жмодиков, А.К. Козлов, В.П. Муратов, В.Ф. Прокопенко, А.Г. Рошаль, О.В. Фролов, А.А. Хапугин, А.Т. Чагодаев, Г.Д. Чумаков. «Конденсаторная ячейка емкостного накопителя энергии с коммутатором на основе реверсивно-включаемых динисторов», Приборы и техника эксперимента, 2008, № 6, с. 51-57.

12. B.E. Fridman, N.A. Kovrizhnykh, R. Sh. Enikeev, , A.A. Drozdov, A. Yu. Konstantinov, Yu. L. Krukov, A.A. Malkov. «Inductive Storage - Inductor for Capacitor Cell», Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th, International Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2, 2009, p. 646-651.

13. Б.Э. Фридман. «Переходные процессы при программируемом разряде емкостного накопителя энергии», Электричество, № 12, 1989, с. 36-41.

14. P.Yu. Emelin, B.E. Fridman, Ph.G. Rutberg. «Programmed Discharge of the Capacity Energy Storage» Digest of Technical Papers of 1993 IEEE, 9th International Pulsed Power Conference, Albuquerque, NM, USA, June 1993, p. 568-574.

15. Б.Э. Фридман. «Формирование импульса тока при программируемом разряде емкостного накопителя энергии», Электричество, № 6, 1999, с. 42-48.

16. R.Sh. Enikeev, B.E. Fridman. «Transients in the Capacitor Cell Circuit and Semiconductor Switches Workability», Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th International Pulsed Power Conference, Washington, USA, June28-July 2, 2009. p. 382-388.

17. B.E. Fridman, R.Sh. Enikeev, N.A. Kovrizhnykh, K.M. Lobanov, R.A. Serebrov. «0,5 MJ, 18 kV Module of Capacitive Energy Storage», Digest of Technical Papers of 2009 IEEE, 17th International Pulsed Power Conference, Washington, USA, June 28-July 2, 2009. p. 61-65.

18. Б.Э. Фридман, И.Г. Благодатов, Н.И.Варава, А.П.Карижский, А.Г. Лекс, Ф.Г. Рутберг, А.Ю. Стогов, В.С. Стогов. «Система коммутации для емкостных накопителей энергии», Приборы и техника эксперимента, № 3, 2001, с. 93.

19. П.Ю. Емелин, Ф.Г. Рутберг, Б.Э. Фридман. «Емкостной накопитель Е7-25», приборы и техника эксперимента, 1993 г., № 5.

20. Ю.Э. Адамьян, А.И. Березкин, Ю.Н. Бочаров и др. Стенд для создания сильных магнитных полей. ПТЭ, 1994, №5.

21. А.М. Балтаханов, Е.Н. Иванов, В.И. Жерлыгин и др. Емкостной накопитель энергии на 2.5 МДж, 5(10) кВ. ПТЭ, 1991, №3.

22. Р.Т. Зоткин, В.А. Капитанов, В.С. Койдан и др. 10 МДж конденсаторная установка для питания соленоида установки ГОЛ-3. Тезисы докладов третьей Всесоюзной конференции «Импульсные источники питания», Ленинград, 20-22.06.1989, М, Цнииатоминформ, 1989.

23. W.L. Baker, J.H. Degnan, J.D. Beason et al. Current delivery and radiation yield in plasma flow switch-driven implosions. Fusion technology, vol. 27, Mar. 1995, p. 124-131.

24. D. Larson. Beam let Pulsed-Power System. In Report LLNL No UCRL-LR-105821-95-1, p. 62-67.

25. E. Spahn, G. Buderer. «A flexible pulse power supply for em- and etc- launchers», Pulsed Power Conference, 1999, Digest of Technical Papers, vol. 1, pp. 1353-1356.

26. Borelli G., Galakhov I., Osin V., Picci G., Rabuffi M. «ISKRA-6 Main Energy Storage and Preionization Capacitor Development». Научно - техническая конференция «Магнито -импульсная обработка материалов. Пути совершенствования и развития». Самара, Россия. 2007.

27. B. E. Fridman, V. A. Belyakov, E. N. Bondarchuk, A. T. Chegodaev, A. A. Drozdov, R. S. Enikeev, N. A. Kovrizhnykh, V. P. Muratov, V. P. Prokopenko, A. G. Roshal, Y. V. Aristov, S. V. Korotkov, G. D. Chumakov, O. V. Frolov, A. A. Khapugin, and V. A. Martynenko, «Energy storage capacitor cell with semiconductor switches», in Proc. 16th IEEE Int. Pulsed Power Conf., Albuquerque, NM, 2007, pp. 542-545.

28. B. E. Fridman, S. V. Korotkov, V. A. Martynenko, R. Enikeev, N. Kovrizhnykh, Y. Aristov, V. Belyakov, E. Bondarchuk, A. Drozdov, A. Zhmodikov, A. Kozlov, V. Muratov, V. Prokopenko, A. Roshal', O. Frolov, A. Khapugin, A. Chegodaev, and G. Chumakov, "A capacitor cell of a capacitive energy storage with a switch based on reverse switch-on dynistors," Instrum. Exp. Tech., vol. 51, no. 6, pp. 826-832, Nov. 2008.

29. B E. Fridman, R.Sh. Enikeev, S.V. Korotkov, N.A. Kovrizhnykh, K M. Lobanov, and R.A. Serebrov «A 0.5-MJ 18-kV Module of Capacitive Energy Storage», IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 39, no. 2, February 2011.

30. Grekhov I.V., Gorbatyuk A.V., Kostina L.S. Yakovchuk N.S. Superpower Switch of Microsecond Range. Solid-State Electronics. 1983. V. 26. №11. P. 1132.

31. Коротков С.В. «Коммутационные возможности реверсивно включаемых динисторов и принципы РВД - схемотехники (обзор)» ПТЭ. 2002. № 4. C. 3-39.

32. Грехов И.В., Коротков С.В., Козлов А.К., Степанянц А.Л. «Генератор мощных высоковольтных импульсов на основе реверсивно включаемого динистора для систем питания-электрофильтров». ПТЭ, 1997, № 5, C. 125-127.

33. Б.Э. Фридман. Скин-эффект в массивных проводниках электроимпульсных установках. I. Электромагнитное поле в массивных проводниках. II. Массивные проводники в электрических цепях. Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 9, с. 41-56.

34. Емелин П.Ю., Рутберг Ф.Г., Фридман Б.Э. «Исследование программируемого разряда емкостного накопителя энергии», Энергетика, 1994 г., №3, с. 41-49.

35. F. T. Warren, D. Bhasavanich, J. Curry, H. G. Hammon, S. Hitchcock, and J. T. Naff «Development and Miniaturization of High-Charge Transfer Switches and High-Current Pulse Shaping Inductors», Proceedings of IEEE IPPC-1991. p.p.63-67.

36. M. Kanter, A. Pokryvailo, N. Shaked and Z. Kaplan. «Factors in Inductive Storage System Design», Proceedings of IEEE IPPC-1995. p.p. 186-191.

37. A. Pokryvailo, I. Ziv, E. Shviro. «Status of 5 MW Inductive Storage Facility at SOREQ NRC», Proceedings of IEEE IPPC-2003. p.p. 445-448.

38. Yun-Sik Jin, Hong-Sik Lee, Jong-Soo Kim, Young-Bae Kim, Geun-Hie Rim. «Compact 200 kJ Pulse Power System with a Simple Crowbar Circuit», Proceedings of IEEE IPPC-2003. p.p. 1239-1242.

39. Th.H.G.G. Weise. «High Energy Pulsed Power Supply System for Large Calibre ETC-Guns Ready for Platform Integration», Proceedings of IEEE IPPC-2003. p.p. 547-550.

40. Kovalchuk B.M., Kim A.A., Kharlov A.V., Kumpyak E.V., Tsoy N.V., Vizir V.A., Smorudob G.V., Kisekev V.N., Chupin V.V., Bayol F., Frescaline L., Cubaynes F., Drouilly C., Eyl P., Cassany B., Courtois L., Patelli P., Mexmain J.-M., Cervens D.R. «Capacitor bank module for a Multimegajoule Energy Storage». IEEE Trans. Plasma Science - Вып. 36. - 2008, - № 5. - c. 26512657 (4319069).

41. B.E. Fridman, R.Sh. Enikeev. «Massive Conductor Impedance and Peculiarities of Transients in Electrical Circuits with Massive Conductors of Pulsed Power Facilities». In Proceedings of IEEE IPPC-2005, p. 1301 - 1304.

42. B.E. Fridman. Skin Effect in Massive Conductors Used in Pulsed Electrical Devices: I. Electromagnetic Field of Massive Conductors. Technical Physics, 2002, Vol. 72, No. 9, pp. 44 - 51.

43. Алферов Д.Ф., Воздвиженский В.А., Сибиряк И.О., Сидоров В.А., «Ваккумный управляемый разрядник с пространственно чередующимися стержневыми электродами», ПТЭ, 5, 1990 г., стр. 139-142.

44. B. Fridman, R. Enikeev, K. Harcheva, N. Kovrizhnykh, A. Roshal, R. Serebrov. Capacitor Bank for ITER Fast Discharge Unit. In proceedings of the 18th IEEE International Pulsed Power Conference.

45. V. Chibirkin, V. Martynenko, A. Khapugin, A. Konuchov, S. Tundykov, A. Grishanin, R. Enikeev, R. Serebrov. Development and Investigations of Light Triggered Thyristors for Pulse Application. PCIM-Europe 2011, 17-19 May 2011, Nuremberg, Germany, p.p. 640-645.

46. Fridman B.E., Drozdov A.A., Kuchinski V.G. Prokopenko V.T., Vesnin V.V., «5 kV, 300 kJ Capacitive Energy Storage», IEEE PPC-2005, Digest of Technical Papers of 2005, pp 704-707.

47. R. Serebrov, R. Enikeev, B. Fridman. Semiconductor Switches in a Counterpulse Capacitor Bank. IEEE Transactions on Plasma Sciences, 2013, vol. 41, No. 1, p. 250 - 256.

48. B. Fridman R. Enikeev, R.Serebrov. Semiconductor Switches in Counter Pulse Capacitor Bank. IEEE Pulsed Power Conference, Digest of Technical papers, Chicago, 19 - 23 June, 2011, p. 1542 - 1548.

49. R.A. Serebrov, R.Sh. Enikeev, B.Fridman. Light Triggered Thyristors in Capacitor Banks of Fast Discharge Units of Superconductive Magnet Systems. 4th Euro-Asian Pulsed Power Conference and 19th International Conference on High-Power Particle Beams, Karlsruhe, Germany, September 30, October 4, 2012, paper O7A-3.

50. R. Enikeev, B. Fridman. Transients in the Capacitor Cells Circuits and Semiconductor Switches Workability. 17th IEEE 2009 Pulsed Power Conf., Digest of technical papers, Washing-ton, DC, June 28 - July 2, 2009, p. 382.

51. B.E. Fridman, Baoming Li, В.А.Беляков, Р.Ш.Еникеев, Н.А.Коврижных, Ю.Л. Крюков, А.Г.Рошаль, Р.А.Серебров. Емкостной накопитель энергии 1 МДж. Приборы и техника эксперимента, 2011, №5, с. 101-105.

52. Б.Э. Фридман, Р.А. Серебров. Нелинейный скин-эффект в разрядном резисторе системы защитного вывода энергии ИТЭР. Известия Российской Академии наук. Энергетика, 2013, №5, с. 44-58

53. Б.Э. Фридман, Р.А. Серебров, В.А. Мартыненко, А.А, Хапугин. Разработка и исследование коммутаторов больших импульсных токов на основе фототиристоров. Электротехника, 2016, №7, с. 35-43

54. B. Fridman, R. Serebrov, A. Khapugin, V. Martynenko. Development Research of Heavy Pulse Current LTT Switch. IEEE Transaction on Plasma Science, 2016, vol. 44, No. 7, p. 1195-1201.

55. B.E. Fridman, Baoming Li, V.Belyakov, R.Enikeev, N.Kovrizshnykh, Yu.Kryukov, A.Roshal, R.Serebrov. 1MJ Pulsed Current Source. IEEE Pulsed Power Conference, Digest of Technical papers Chicago, 19-23 June 2011 p. 135-139.

56. B.E. Fridman, R.Enikeev, N.Kovrizshnykh, A.Pekhotnyi, A.Roshal, R.Serebrov, K.Kharcheva. Capacitor Bank for Fast Discharge Unit of ITER Facility. IEEE Pulsed Power Conference, Digest of Technical papers Chicago, 19-23 June 2011 p. 1536-1541.

57. B. Fridman, R. Enikeev, K. Kharcheva, N. Kovrizhnykh, R. Serebrov. Counter pulse capacitor bank for 70kA, 10 kV commutation system. IEEE Pulsed Power Conference. Digest of Technical Papers, 2013, San Francisco, 16-22 June, p. 784-789.

58. B.Fridman, R.A. Serebrov. Nonlinear skin-effect in the discharge resistors fabricated from type of low-carbon steel. IEEE Pulsed Power Conference. Digest of Technical Papers, 2013, San Francisco, 16-22 June, p. 1738-1744.

59. B. Fridman, V. Martynenko, A. Khapugin, R Serebrov. Heavy pulse currents LTT switch unit. Abstract book of PPC 2017, Brighton, 18-22 Jule, abstract 30.

60. Th.H.G.G. Weise. High Energy Density Pulsed Power Supply System for Large Calibre ETC-Guns Ready for Platform Integration.

61. J. Herbig, R. Appleton. A Compact Pulsed Power Supply For ETI Applications.

62. E. Spahn, G. Buderer. Low Weight and Size Pulse Forming Unit, Switched by a Novel High Current Rate SCR.

63. N.A. Kovrizhnykh, A.A. Drozdov, R.Sh. Enikeev, B.E. Fridman et al. Inductive storage -inductor for capacitor cell. 2009 IEEE Pulsed Power Conference, Washington, DC, June, 2009, Digest of Technical Papers, p. 646 - 651.

64. N.A. Kovrizhnykh, A.A. Drozdov, R.Sh. Enikeev, B.E. Fridman, A.Yu. Konstantinov, Yu.L. Krukov, A.A. Malkov. Inductive storage - inductor for capacitor cell. 2009 IEEE Pulsed Power Conference, Washington, DC, June, 2009, Digest of Technical Papers, p. 646 - 651.