CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ. С. М. КИРОВА
Том 279 1974
СТАБИЛИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА
ИМПУЛЬСНОГО БЕТАТРОНА ПРИ КВАЗИТРЕУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСАХ ТОКА
Б. А. БАГИНСКИИ, Ю. А. ОТРУБЯННИКОВ
(Представлена кафедрой промышленной и медицинской электроники)
Проведенные в последние годы исследования в области конструирования малогабаритных бетатронов [1, 2, 3] доказали преимущества раз-, личных способов' импульсного питания по сравнению с непрерывным. При этом структура систем стабилизации питания электромагнитов существенно изменилась и потребовала специальных исследований и разработок.
Настоящая работа посвящена стабилизации магнитного поля ускорителя при квазитреугольной форме тока в обмотках электромагнита [2]. Для таких схем может быть применен известный способ стабилизации поля, заключающийся в регулировке величины вводимой энергии-Однако такие системы стабилизации являются САР по отклонению по отношению к максимальному значению индукции. При этом [4] для получения высокой стабильности необходим большой коэффициент усиления цепи обратной связи. В дднном случае стабилизация максимальной величины магнитного поля может осуществляться необходимым моментом коммутации соответствующих вентилей. Привязка момента коммутации к заданному уровню поля определяет потребляемую контуром электромагнита энергию (энергию потерь). Количество же вводимой энергии ^вв зависит от напряжения питающей сети, параметров цепи ввода и без стабилизации может изменяться в широких пределах. Если энергия потерь за импульс тока меньше вводимой энергии, то это приведет к увеличению напряжения на контурной емкости, увеличению скорости нарастания тока в обмотке электромагнита, на которую разряжается емкость, и к увеличению потерь. Переходный процесс окончится при равенстве №ВВ=\РП . Увеличение напряжения может привести к аварийному режиму. Для определения величины перенапряжения необходимо провести энергетический анализ и сформулировать требования к способу стабилизации. Потери энергии в бетатроне складываются из потерь в конденсаторах и потерь в электромагните- Потери энергии в конденсаторах в диапазонах частот и напряжений, в которых работают большинство импульсных бетатронов, определяются в основном величиной переменной составляющей напряжения [3]. При увеличении напряжения на контурной емкости переменная составляющая при постоянстве индукции Вт уменьшается, поэтому потери в конденсаторах не возрастут.
Суммарные потери в магните складываются из потерь в меди и потерь в стали:
Р = (1)
При квазитреугольных импульсах тока в намагничивающей обмотке[5]
п 2тг/?
=yWfJ
t ra2— 1 / d
А
(2)
где R — средний радиус обмотки; w — число витков обмотки; d — радиальный размер провода обмотки; п — число слоев обмотки;
л 68 Л
Д=—:=_ — глубина проникновения тока в меди; .
V /у
/у — эквивалентная частота импульсов тока; /у
J- — скважность импульсов тока;
/п
fп—частота повторения циклов ускорения. Величиной, зависящей от напряжения на контурной емкости, в нашем случае является скважность 5. Для анализа выражение (2) упростим:
PM = /^L(l+mS2). (3)
у о о
Коэффициент m учитывает влияние добавочных потерь за счет поверхностного эффекта, эффекта близости, а также за счет вихревых токов. Такая запись возможна, так как все указанные составляющие зависят от квадрата частоты, а следовательно, и от скважности. Разлагая (3) в ряд Тейлора и ограничиваясь двумя членами, найдем относительные изменения величин:
= к Aü®!---L. (4)
Рм * S 1+wS2 2
Потери в стали слагаются из потерь на вихревые токи и на гистерезис:
Р.т= PcТ.В + Рст.г = -Y /у2*2 flm V + /г В2т (5)
о о
где
у — удельна^ проводимость материала, 8 — толщина листа, V — объем листа, т] — коэффициент,
Вт—максимальная индукция в электромагните. Потери на гистерезис определяются площадью петли и числом циклов перемагничивания в единицу времени и, следовательно, от скважности не зависят. Анализируя (5), имеем:
Р
ст
Таким образом, при увеличении вводимой энергии ее компенсация лри 5тах=сопз1 должна произойти за счет изменения потерь в меди и потерь на вихревые токи стали:
АЯВВ-АРМ+ЛРМСТ.В. Используя выражения 4 и 6, получим
Л^вв АРвр ......Д5
(«К (7)
где
а
Р Р
* м и 1 ст»
пот Р^
тот
Считая контурную емкость источником напряжения (что не вносит существенную погрешность при работе с малым уровнем пульсаций и при малом угле коммутации), можно записать
Л»=у^у; (3)
отсюда
Из уравнений (7,9)
Л1/Ск А5 иск ~ 5
1/ск аК$+Ь
(9)
(10)
Отсюда видно, что превышения напряжения на контурной емкости могут быть существенными. Так, при т— 0,1; а— 0,4; 6=0,2 (примерла
ные данные для МИБ-6) для ^ вв =25% напряжение па контурной
™ вв
емкости Ск увеличится вдвое. Чем меньшую долю от Рв составляют потери в меди и чем меньше .гст.в. , тем больше будет возможное превышение иск при данном способе стабилизации Втах. Приведенные выше приближенные вычисления и полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что строить систему уравнения генератора импульсов тока при нестабилизироваином вводе и точной фиксации максимума поля практически нельзя. Это может привести к недопустимо большим перенапряжениям на контуре и к выходу коммутирующих приборов из строя. Если даже увеличение потерь скомпенсирует избыток вводимой энергии на допустимом для примененных коммутирующих приборов (тиристоров и диодов) уровне по напряжению, то такой режим нежелателен из-за неоправданного увеличения потерь.
Для получения высокой стабильности поля и исключения возможных аварийных режимов необходимо импульс на запуск тиристоров коммутации формировать, как и указывалось, по полю, однако при этом необходимо стабилизировать величину вводимой энергии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ю. А. Отрубя н ников. Некоторые вопросы импульсного питания электромагнитов индукционных ускорителей. Диссертация. Томск, 1967.
2. В. В. Ивашин. Коммутация тока в схемах получения магнитных полей и электрических машинах. Диссертация. Томск, 1968.
3. Э. Г. Фурман. Разработка и исследование схем импульсного питания электромагнитов ускорителей. Диссертация. Томск, 1972.
4. М. В. М е е р о в. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. М., «Наука», 1967.
5. Ю. П. Ярушкин и др. Разработка и исследование систем импульсного пи-таиия малогабаритного бетатрона. Научный отчет НИИ ЯФЭА при ТПИ, 1972.
