CC BY
21
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ. С. М. КИРОВА
Том 279 1974
СХЕМА ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА БЕТАТРОНА ТРЕУГОЛЬНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ ТОКА
В. В. ИВАШИН, Э. Г. ФУРМАН ;
(Представлена научно-исследовательским институтом " ядерной физики, электроники и автоматики)
В ускорительной технике широкое применение получили схемы питания в виде колебательного контура конденсаторная батарея— электромагнит ускорителя, настроенного на частоту источника питания. Такая схема имеет, однако, ряд существенных недостатков, основным из которых является неиспользование второй полуволны синусоиды тока для цели ускорения. Известны импульсные схемы питания электромагнитов ускорителей от емкостных накопителей энергии, в которых для целей ускорения используются обе полуволны импульса тока. При этом наиболее экономичными являются схемы питания, в которых емкостный накопитель работает в однополярном по напряжению режиме [1, 2, 3]. Однополярный по напряжению режим работы накопительного конденсатора обеспечивает уменьшение потерь (и увеличения долговечности) не менее чем в 4-^6 раз по сравнению с двухполярным режимом работы. Это позволяет использовать в схемах питания энергоемкие импульсные конденсаторы и тем самым существенно уменьшить вес конденсаторной батареи без снижения ее ресурса работы по сравнению с синусоидальным режимом [4].
Наиболее рациональной формой магнитного цикла в электромагните бетатрона является треугольная форма. Однополярные схемы принципиально позволяют получать треугольную форму импульсов тока путем прерывания процесса разряда емкости на электромагнит при углах меньше п/2 периода разряда и осуществлять через обратные вентили рекуперацию энергии магнитного поля в конденсаторную батарею. Например, уже при угле 75 эл. град, потери энергии в обмотке электромагнита уменьшаются в 2,96 раза, а при угле 60° — в 12 раз. Максимальное же значение тока и поля магнита при этом уменьшается соответственно только на 3,5°/о и 13%. Применение схем с треугольной формой тока магнита позволяет существенно повышать частоту импульсов ускорения, а следовательно, и среднюю интенсивность его излучения [I].
На рис. 1 приведена наиболее простая схема питания электромагнита бетатрона импульсами тока треугольной формы. Емкостный накопитель С1 через управляемые вентили Т\, Тч и обратные диоды Д\ и Дз, Д4, Дъ подключен к обмотке электромагнита ¿м. Параллельно диодам Д4, Дь подключены коммутирующие конденсаторы С3, С4, имеющие зарядную цепь, состоящую из диода и индуктивности Ь\. Последова-
только с диодами Д\ и Д2 включены обмотки дросселя насыщения, магнитопровод которого подмагничивается током электромагнита. Для компенсации потерь в колебательном контуре ускорителя и стабилизации максимальной величины энергии ЬС контура применен импульсный ввод энергии от источника постоянного тока [3,5]. Цель импульсного ввода энергии состоит из буферной емкости С% зарядной индуктивности Ь2 и управляемого вентиля Г3.
В исходном состоянии конденсатор С{ заряжен до требуемого уровня напряжения, энергия в остальных элементах силового контура системы питания отсутствует. С приходом управляющих импульсов на
тиристоры Т\ и Т2 конденсатор С\ начинает разряжаться на электромагнит. В это же время конденсаторы С3 и С4 начинают заряжаться через диод Дъ и зарядную индуктивность Ь\. При равенстве напряжений на конденсаторах С3, С4 и С\ диоды Д\ и Д2 открываются и дроссель насыщения в интервале — ¿3 начинает перемагничиваться под действием разности напряжений конденсаторов. В момент времени t3 дроссель насыщается, и под действием напряжений конденсаторов С3 и С4, которые больше напряжения конденсатора Сь тиристоры Т{ и Т2 выключаются. Ток электромагнита коммутирует из цепи тиристоров в цепь — конденсатор С4, обмотка дросселя насыщения, диод Д% конденсатор Си диод Д\, обмотка дросселя насыщения, конденсатор С3. При этом конденсаторы С3 и С4 полностью разряжаются током электромагнита и шунтируются соответственно диодами Д3 и Д4. Энергия коммутирующих конденсаторов переходит в энергию магнитного поля электромагнита, за счет чего ток в нем возрастает на величину А /. К моменту разряда конденсаторов С3 и С4 в зарядной индуктивности остается энергия, которая переходит в энергию электрического поля накопительного конденсатора С\. Ввод энергии от источника питания
С/7)
Рис. 1. Схема питания электромагнита импульсами тока треугольной формы
для компенсации потерь в контуре происходит на спадающей части импульса тока магнита, для чего тиристор Г3 открывается после перевода тока из тиристоров в диоды. Ввод энергии сопровождается уменьшением длительности спада тока в электромагните.
Таким же способом возможно формировать в электромагните поля трапецеидальной формы, которая может потребоваться при медленном выводе электронов. Для этого необходимо последовательно с диодами Д\ и Д2 включить отдельные дроссели насыщения и за счет изменения параметров коммутирующих конденсаторов или величин индуктивности зарядных дросселей разнести во времени момент коммутации тока тиристора Т\ относительно Т2.
Регулирование угла коммутации тока тиристоров возможно осуществлять за счет изменения индуктивности дросселя L\. Если вентиль Д5 выполнить управляемым, то путем изменения момента включения вентиля Д5 относительно момента включения тиристоров Т\, Т2 возможно регулирование угла коммутации тока тиристоров без изменения величины зарядной индуктивности.
Отличительной особенностью схемы является то, что искусственная коммутация тока из управляемых вентилей в неуправляемые осуществляется без использования специальных управляемых приборов, что повышает надежность и упрощает эксплуатацию схемы питания.
Энергия, запасаемая в индуктивности и конденсаторах коммутирующей цепи, во много раз меньше энергии емкостного накопителя, поэтому с достаточно высокой степенью точности дифференциальное уравнение процесса заряда конденсаторов можно записать как
11 Uc(t) = Ucm.cos«,t, (1) С3+С4 at
где со — собственная круговая частота контура С\ L . Решение этого уравнения
tfсз(0 = Uu(t) = о"?""1' (C°sw '-cos<V), (2)
где coi — круговая частота контура Lx> Съ, C4. Момент времени включения диодов Д\ и Д% т. е. момент равенства напряжений коммутирующих конденсаторов и накопительного конденсатора, можно выразить как
1 /' (О2-О)«2 \
ш /2= arc cos——| 1--ггт)' (3
Величина угла коммутации тока тиристоров Т\ и Т2 зависит только от соотношения частот контуров L , С\ и С3, L\, С4. На рис. 2 приведены зависимости величины угла коммутации от соотношения частот этих контуров. Зависимость 1 приведена для случая, когда конденсаторы С3 и С4 имеют отдельные зарядные индуктивности, зависимость 2 — когда общую, рис. 1. Величина потокосцепления коммутирующего дросселя зависит от разности напряжения коммутирующих конденсаторов С3 или С4 и накопительного Ci и времени перемагничи-вания дросселя /3—¿2, рис. 1. Потокосцепление дросселя можно определить как
t* 2 Uc;n- С(ш-Нoj)
где С — эквивалентная емкость двух последовательно соединенных конденсаторов С3 и С4; —время, отводящееся тиристорам для восстановления вентильных свойств; Iт — максимальное значение тока электромагнита при полном разряде накопительного конденсатора.
Величины коммутирующих конденсаторов, зарядной индуктивности в основном зависят от времени восстановления вентильных свойств тиристорами Ти Т2 и угла коммутации тока тиристоров. Время восстановления вентильных свойств определяется как
Гв /,„(С1+С3)5тшг3 ' ^
Экспериментальная проверка схемы проводилась на электромагните бетатрона с частотой следования 50 имп/сек и энергией магнитного поля 3-Ю3 дж. Максимальное значение тока электромагнита составляло 1020 а. В качестве управляемых коммутирующих приборов использованы тиристоры ТЛ2-200-8, имеющие время восстановления 100-10~6 сек. Угол коммутации тока тиристоров регулировался в пределах 30-^85 эл. град. Собственная частота силового контура 45 гц. Запасаемая энергия в коммутирующих конденсаторах и зарядной индуктивности при угле коммутации 75 эл. град, составляет 15% от энергии накопительного конденсатора С\. При этом 12°/о этой энергии за время коммутации тока поступает в поле электромагнита, за счет чего происходит форсирование поля при максимальном значении, а 30/<> энергии остается в зарядной индуктивности. За время формирования спада тока в электромагните эта энергия поступает в. накопительный конденсатор. В случае использования высокочастотных тиристоров типа ТЧ со временем восстановления порядка 5-10~6 сек, энергия, запасаемая в коммутирующей цепи, составит около 1°/о энергии накопительного конденсатора. В рассмотренной схеме возможно осуществлять подзаряд коммутирующих конденсаторов от отдельного источника питания. В этом случае, наряду с форсировкой магнитного, поля, обеспечивается и ввод энергии для компенсации потерь контура. В схеме возможно использовать для целей смещения электронов элементы коммутирующей цепи, например, можно подключить последовательно с диодами £)3 и /)4 обмотки смещения.
Средние значения токов тиристоров и диодов в рассматриваемой схеме практически равны между собой и могут быть определены при импульсах квазитреугольной формы как
/ср=-^Ч1-С05с.И,/К„-АГ, (6)
ТС
где
© £к —угол коммутации тока тиристоров,
¡и —длительность импульса тока электромагнита,
Рис. 2. Зависимость изменения угла коммутации тока от соотношения частот силового и коммутирующего .контура: 1 — при отдельных зарядных индуктивностях коммутирующих конденсаторов, 2— при общей зарядной индуктивности
N — число импульсов в секунду.
Максимальное напряжение, прикладываемое к тиристорам и диодам (Ть Т2, Дь Дч), равно амплитудному напряжению накопительного конденсатора, а мощность коммутирующих приборов Т\ или Д\, необходимая для коммутации энергии магнитного поля, равной С}м, определим как
р= 4-(?м-ц>Л'#
1 -1—СОЭ со
а общая мощность управляемых приборов схемы равна 4Р.
В настоящее время отечественной промышленностью освоено производство таблеточных тиристоров и диодов, позволяющих коммутировать мощности до 106 вт. Применение таких тиристоров в схемах питания сильноточных бетатронов позволит двумя тиристорами (Ть Т2у рис. 1) коммутировать энергию 5*103 дж при 200 имп/сек. Применение высокочастотных тиристоров типа ТЧ со временем восстановления 5 -10—6 сек позволит создавать схемы питания бетатронов на энергии 200 дж при (2-^3).-103 импульсов ускорения в секунду.
ЛИТЕРАТУРА
В. В. Ивашин, Г. А. С и п а й л о в. Генератор одногтолярпых импульсов тока треугольной и трапецеидальной формы. ПТЭ, № 5, 1966.
■2. «Научные труды». М., Изв. РИАН СССР, т. 9, 1967.
3. В. В. Ивашин. Экономичная тиристорная схема питания электромагнита бетатрона. В сб. «Электронные ускорители». Вып. 3, Атомиздат, 1970.
4. В. В. Ивашин, Э. Г. Фурма н. Экспериментальное исследование потерь в схеме питания бетатрона однополярными импульсами. Изв. ТПИ, т. 212, изд-во ТГУ, 1971.
5. Э. Г. Фурма н. Стабилизация энергии колебательного контура ускорителя. ПТЭ, № 5, 1971.
5 Заказ 9516
