Вывод и рекуперация энергии в индуктивных и емкостных накопителях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.20, кандидат технических наук Ерохин, Александр Иванович

• Ерохин, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ерохин, Александр Иванович

Введение

Глава 1. Сверхпроводящие магниты и срыв сверхпроводимости. Обзор существующих систем защиты.

Глава 2. Постановка задачи.

2.1. Общий вид магнитной системы Большого Адронного Коллайдера.

2.2. Основные принципы защиты магнитов БАК при срыве сверхпроводимости.

2.3. Особенности регистрации срыва сверхпроводимости для магнитов БАК.

2.4. Системы вывода энергии из 13кА дипольпых и квадрупольных магнитов.

2.5. Надежнос ть систем вывода энергии.

2.6. Постановка задачи для автора.

Глава 3. Размыкатель тока для системы вывода энергии из основных магнитов.

3.1. Общее описание и устройство размыкателя.

3.2. Принцип работы размыкателя.

3.3. Эквивалентная схема магнитной цепи электромагнитного привода.

3.4. Результаты моделирования.

3.5. Оптимизация быстродействия размыкания импульсной катушкой.

3.6. Выводы.

Глава 4. Система вывода энергии из корректирующих магнитов.

4.1. Параметры цепей корректирующих магнитов, требования к системам вывода энергии.

4.2. Элементы системы вывода энергии.

4.3. Выводы.

Глава 5. Испытания систем вывода энергии из корректирующих магнитов.

5.1. Экспериментальная отработка основных решений, испытания на соответствие требованиям и на долговременную надежность.

5.2. Производственные испытания, монтажные испытания.

5.3. Испытания в режиме короткого замыкания. Тепловой прогон.

5.4. Испытания систем вывода энергии из корректирующих магнитов на этапе запуска БАК.

5.5. Результаты испытаний.

Глава 6. Система четырехквадраптных преобразователей напряжения, 600В, 500А с рекуперацией энергии.

6.1. Описание установки.

6.2. Обоснование требований и выбор схемы системы питания электродов. -1!

6.3. Преобразователь (схемные решсиия).

6.4. Рекуператор (схемные решения).

6.5. Применение снабберов для подавления коммутационных перенапряжений. Тепловые потери.

6.6. Контроллер, система защиты, измерения и обратная связь.

6.7. Результаты испытаний па испытательном стсндс в ИЯФ.

6.8. Результаты испытаний на испытательном стенде Archimedes.

6.9. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Вывод и рекуперация энергии в индуктивных и емкостных накопителях»

В электрофизических установках, содержащих индуктивные или емкостные накопители энергии, является актуальной проблема безопасного вывода запасенной энергии. В сверхпроводящих магнитах запасенная энергия потенциально может вызвать серьезные повреждения при срыве сверхпроводимости в случае, если дополнительные меры предосторожности не будут приняты.

Институт ядерной физики СО РАН принимал активное участие в строительстве Большого адронного коллайдера (БАК) (ЦЕРН, Швейцария), являющегося на сегодняшний день самым большим коллайдером в мире. Автор диссертации принимал непосредственное участие в контрактной деятельности ИЯФ с ЦЕРН с 1997 года. Магнитная система коллайдера, периметром около 27км, состоит преимущественно из сверхпроводящих магнитов с рабочей температурой 1.9К. Энергия, запасенная во всей магнитной системе, составляет порядка ЮГДж, а максимальный ток варьируется от сотеп ампер в цепи корректирующих магнитов до 13кА в цепи основных магнитов. Большинство сверхпроводящих магнитов коллайдера требуют защиты в случае перехода проводника в резистивное состояние. Это обусловлено тем, что скорость распространения срыва сверхпроводимости не достаточно высока, чтобы избежать локального перегрева и дальнейшего разрушения того участка обмотки, где произошел срыв. При этом основным элементом защиты является система вывода энергии из сверхпроводящих элементом защиты является система вывода энергии из сверхпроводящих магнитов, включая внешний балластный резистор, размыкатели тока и всю необходимую электронику управления. Основной задачей автора в данной работе, была разработка элементов систем вывода энергии, обеспечение их надежности и необходимого быстродействия систем. При этом важна высокая надежность как с точки зрения предотвращения выхода из строя магнитов БАК, так и с точки зрения бесперебойного функционирования всего комплекса в целом.

Вторая часть работы посвящена 5МВт системе питания плазменной аксиально-симметричной установки со скрещенными электрическими и магнитными полями. В этой установке, выполненной в виде цилиндрического объема, на торцах размещены две группы электродов, которые задают электрическое поле в плоскости, перпендикулярной оси установки, создавая особые условия для удержания плазмы. Система питания такой установки состоит из 20 четырехквадрантных преобразователей с диапазоном выходных напряжений источников в пределах до ± 600В и диапазоном токов до ± 500А, обеспечивая при этом рекуперацию энергии буферных конденсаторных батарей.

Автор выносит на защиту:

1. Для 4кА размыкателей тока, являющихся коммутирующим элементом в 13кА системах вывода энергии, впервые было проведено компьютерное моделирование магнитной цепи размыкателя с учетом динамики подвижных частей электромагнитного привода и совместно с моделью электрических цепей его управления. В компьютерной модели была построена эквивалентная электрическая схема, отражающая все указанные типы элементов, а также проведена оригинальная сшивка моделей электрической, магнитной и механической систем размыкателя. На основании проведенного моделирования выработаны и реализованы рекомендации по управлению размыкателем.

2. В качестве коммутирующего элемента (размыкателя) системы вывода энергии из 600А корректирующих магнитов был предложен промышленно выпускаемый выключатель переменного тока. Его конструкция и схема управления была изменена на основании разработки автора и по его рекомендации с учетом особенностей цепи питания сверхпроводящих магнитов, а также с учетом требований по увеличению надежности размыкания цепи. Как результат модернизации, предложенной автором, в конструкцию размыкателя встроен второй независимый канал расцепления, что существенно повышает надежность всей системы вывода энергии. Также, на основе анализа, проведенного в ЦЕРН, было решено использовать в каждой цепи по три, полностью независимых, размыкателя, соединенных последовательно, что существенно уменьшает вероятность отказа системы в целом. При этом третий выключатель, оставаясь резервным при штатной работе двух других, срабатывает только тогда, когда появляется информация о сбое при размыкании двух основных выключателей этой цепи.

3. Для гашения дуги, возникающей между контактами при их размыкании, и для увеличения ресурса размыкателей впервые было предложено установить конденсаторный снаббер в цепи сверхпроводящих магнитов. В отличие от релейных цепей переменного тока, где традиционно используются RC-снабберы, в цепи постоянного тока (в данном случае — цепи сверхпроводящих магнитов) допустимая емкость снабберного конденсатора ограничена не возникающими импульсными токами, а требованием на ограничение времени размыкания цепи. Использование токоограничивающего резистора в данном случае нецелесообразно, а емкость конденсатора выбирается такой, чтобы за время размыкания силовых контактов размыкателя обратное напряжение, возникающее в цепи, не успевало дорасти до величины достаточной для образования дуги.

4. Электроника, непосредственно управляющая выключателями, разрабатывалась и изготавливалась в ИЯФ. При определяющем участии автора были заложены основные принципы управления выключателями: использование независимых каналов управления каждым из выключателей; внештатные (аварийные) ситуации приводят к размыканию цепи и дальнейшему выводу энергии из корректирующих магнитов, что не приводит ни к повреждению магнитов, ни к сбросу пучка; обрыв сигнальных и сетевых проводов, а также пропажа напряжения питания собственных нужд не приводят к бездействию системы вывода энергии — в случае замкнутой цепи происходит ее размыкание, в случае разомкнутой цепи замыкание последней невозможно. Заметим, что платы электроники, ответственные за логику системы и за связь с внешним миром, изготавливались в ЦЕРН.

5. Для системы питания плазменной установки (г. Сан-Диего, США) была проведена разработка, которая обеспечила устойчивую работу комплекса преобразователей на общую нагрузку в виде плазмы. Для рекуперации энергии конденсаторных батарей на каждую группу преобразователей установлено по одному рекуператору. Решена задача по ограничению коммутационных перенапряжений и минимизации тепловых коммутационных потерь на IGBT.

Заключение диссертации по теме «Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника», Ерохин, Александр Иванович

6.9. Выводы

На испытательных стендах, как преобразователь, так и рекуператор показали возможность работы при максимальной мощности до 300 кВт во всех четырех квадрантах вольт-амперной характеристики. Позднее, по завершению монтажа всей установки (Рис.54.), была испытана вся система питания из 20 преобразователей и 2 рекуператоров. Испытания проводились при работе на плазму при полном токе до ±500А и напряжении до ±300В (выше поднять напряжение не удалось по причине пробоев между электродами). При этом была обеспечена необходимая точность регулировки и стабильность не хуже 1%, что вполне достаточно для поддержания необходимых параметров плазмы. Несмотря на нелинейность нагрузки (плазмы), обратная связь преобразователей и рекуператоров обеспечила устойчивую работу во всем диапазоне токов и напряжений. [29]

Заключение

Результаты проделанной работы:

1. Для систем вывода энергии из основных магнитов БАК проведено моделирование работы электромагнитного привода автоматического размыкателя тока с учетом нелинейности (насыщения) участков магнитной цепи, с учетом изменения зазора в магнитной цепи и с сопряжением электрических цепей управления с магнитной цепыо привода. Па основании выполненного моделирования выработаны рекомендации, которые позволили обеспечить оптимальный режим работы всех 254 размыкателей ВЛБ-49, установленных позднее в тоннель БАК. При этом сами размыкатели были выпущены заводом с учетом результатов моделирования.

2. Разработаны, произведены и испытаны 205 систем вывода энергии из корректирующих магнитов. Было решено использовать в каждой цени по три, полностью независимых (с независимыми каналами управления), размыкателя, соединенных последовательно, что существенно уменьшает вероятность отказа системы в целом. При этом третий выключатель, оставаясь резервным при штатной работе двух других, срабатывает только тогда, когда появляется информация о сбое при размыкании двух основных выключателей этой цени. Такая топология существенно увеличила надежность систем вывода энергии.

3. Проведенная автором доработка автоматических выключателей ВА57-35 позволила использовать их в качестве размыкателей тока в системах вывода энергии из корректирующих магнитов. Конструкция выключателей была изменена на основании разработки автора и по его рекомендации с учетом особенностей цепи питания сверхпроводящих магнитов, а также с учетом требований по надежности размыкания цепи. Как результат модернизации, предложенной автором, в конструкцию размыкателя встроены два независимых канала расцепления, что существенно повысило надежность всей системы вывода энергии.

4. Предложенные конденсаторные снабберы позволили минимизировать время горения дуги между контактами, а, следовательно, уменьшить общее время размыкания и увеличить ресурс размыкателей.

5. Для плазменной установки со скрещенными электрическими и магнитными полями проведена разработка, обеспечившая устойчивую работу всего комплекса преобразователей (двадцати штук) на одну общую нагрузку в виде плазмы, являющейся в данном случае нелинейной нагрузкой. Предложенная автором разработка позволила рекуперировать энергию конденсаторных батарей. Устойчивость и стабильность системы обеспечена в полосе частот от режима постоянного напряжения до двухсот герц. Решена задача по ограничению коммутационных перенапряжений и минимизации тепловых коммутационных потерь на IGBT.

В заключение автор выражает глубокую благодарность В.В. Анашину за интерес и постоянное внимание к данной работе, А. С. Медведко, без руководства и постоянной заботы которого, данная работа просто не могла бы появиться, К.М. Горчакову, Д.Н. Скоробогатову за плодотворное сотрудничество, М.Н. Кондаурову и П.А. Селиванову за разработанное интерфейсное программное обеспечение, О.А. Павлову, А.Р. Штейнке, В.Н. Степановой и Т.Г. Митяниной за творческий подход и высокий профессионализм при конструировании систем вывода энергии и элементов силовой электроники, З.М. Абловой, В.В. Березкину, В.Н. Васильеву, А.В. Семенову, A.M. Ошуркову, С.О. Суворову, А.А. Морозову за высокий профессионализм и мастерство при монтаже систем, В.Ф. Веремеенко и В.А. Шкаруба за ценные дискуссии и дружеское участие.

141

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ерохин, Александр Иванович, 2010 год

1. A. Devred. Review of superconducting storage-ring dipole and quadrupole magnets. CERN Accelerators School General Accelerator Physics Course, 1997.

2. С. Фонер, Б. Шварц, Металловедение и технология сверхпроводящих материалов, М., Металлургия, 1987.

3. Брехна Г. Сверхпроводящие магнитные системы, М., Мир, 1976.

4. М.Уилсон. Сверхпроводящие магниты, М., Мир, 1995.

5. К. Н. Mess. Quench Protection at HERA. РАС, Washington, 1987, p. 1474.

6. LHC design report. Vol.1 The main ring. CERN. 2004.

7. R. Schmidt. Accelerator physics and technology of the LHC. CERN Yellow Report 99-01, 1998.

8. R. Schmidt. Protection of the superconducting corrector magnets of the LHC. Proceedings of EPAC, Austria, 2000.

9. F. Rodriguez, D. Hagedorn. Modelling of the Quenching Processes in Complex Superconducting Magnet Systems. 12th International Conference on Magnet Technology, Leningrad, Note 159, 1991.

10. R. Denz. Description of QPS signals in LHC. CERN EDMS Doc. No356568.

11. K. Dahlerup-Petersen et al. The CERN/LHC Energy Extraction Switches and their Arc Detector System. IPMC, San-Francisco, 2004. pp. 580-583.

12. Procurement of a 13 1<A Current Distribution Bus-way for a D. C. Power Transmission Line. Technical Specification. October, 1998.

13. A.V. Fernandez. Reliability of the quench protection system for the LHC superconducting elements. A PhD Thesis, Barcelona, 2003. pp. 151-155.

14. ГОСТ 50030.2-99 (МЭК 60947-2-98). Автоматические выключатели. Москва, 1999.

15. Мешков И., Чириков Б. «Электромагнитное поле», Новосибирск, 1973.

16. Смирнов А. «Программа NL3 для компьютерного моделирования нелинейных электронных схем». Новосибирск, ИЯФ, 1998.

17. К. Dahlerup-Petersen et al. Simulations and operational experience with energy extraction in the LHC superconducting magnet chains. IPMC, Las Vegas, 2008.

18. G. J. Coelingh, B. Bellesia. Short Circuit Tests: First Step of LHC Hardware Commissioning Completion. EPAC, Italy, 2008. p.304.

19. A.V. Fernandez, F. Rodriguez. Test procedure and acceptance criteria for the 600A. CERN EDMS document No874716.

20. G. J. Coelingh, K. Dahlerup-Petersen, K.H. MeB. Results from commissioning of the energy extraction facilities of the LHC machine. EPAC, Italy, 2008. p. 1383.

21. Литвак А.А., Путвинский С.В., Семенов В.Е.// Материалы XXX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС. М.: ИОФ РАН, 2003. С. 47.

22. С.Е. Ahlfeld, J.G. Gilleland. Commercial Application of Plasma Mass Separation in the Archimedes Filter Plant. Waste Management Conference, Tucson, 2003.

23. ABB Review. Корпоративный технический журнал группы АББ, Март 2008.

24. Technical information FZ1200R17KF6CB2. Datasheet; http:// www.eupec.com /gb/2PRODUCTS/2l JProductRange/pdf/fzl 200r 17kf6cb2 v.pdf.

25. Беркович Е.И. Полупроводниковые выпрямители. M.: Энергоатомиздат, 1986.

26. Смирнов А. «Программа LES для компьютерного моделирования линейных электронных схем». Новосибирск, ИЯФ, 1991.

27. I.N. Churkin, A.G. Steshov. Electrode system for plasma source with crossed fields. International Conference on Open Magnetic Systems for Plasma Confinement №5, Novosibirsk, vol.47, 2005, pp.348-350.

28. A. Erokhin et al. LHC 600A corrector magnets with energy extraction systems. Attachment for the CERN EDMS Doc.No874713, 2007.

29. A. Erokhin. LHC Main dipoles MB. Attachment for the CERN EDMS Doc. No874716. 2007.

30. Ерохин А.И., Медведко A.C. Компьютерное моделирование импульсной цепи управления размыкателя постоянного тока в системе вывода энергии из 13кА сверхпроводящих магнитов. Препринт ИЯФ, 2007г.

31. A. Erokhin, A. Medvedko. Modeling and computer simulation of the pulsed powering of mechanical D.C. circuit breakers for the CERN/LHC Superconducting Magnet Energy Extraction System. 6th ICAP, Darmstadt, Germany, 2000.

32. A. Erokhin, A. Medvedko, K.D. Petersen. Modeling and computer simulation of the pulsed powering of mechanical D.C. circuit breakers for the CERN/LHC Superconducting Magnet Energy Extraction System. LHC PR442, 2001.

33. K. D. Petersen, A. Erokhin et al. Energy extraction in the CERN Large Hadron Collider. A project overview. 13th IPMC, Las Vegas, 2001.

34. A. Erokhin et al. Design and commissioning of the Energy Extraction systems for the LHC corrector magnet circuits. IPMC, Las Vegas, 2008.

35. Ерохин А.И., Медведко A.C., Скоробогатов Д.Н. Четырехквадрантный преобразователь напряжения, 500В 600А. Препринт ИЯФ, 2006г.

36. Ерохин А.И., Медведко А.С. Компьютерное моделирование импульсной цепи управления размыкателя постоянного тока в системе вывода энергии из 13кА сверхпроводящих магнитов. Вестник НГУ, Серия «Физика», Том 4, №2, 2009, стр. 84-91.

37. Ерохин А.И., Медведко А.С., Скоробогатов Д.Н. Четырехквадрантный преобразователь напряжения 600В, 500А. Приборы и техника эксперимента, № 2, 2010.f