Системы питания и управления серии высоковольтных промышленных ускорителей электронов с мощностью выведенного пучка сотни киловатт (20.09.2010)

Автор: Немытов Пётр Иванович

Список основных научных работ, представляющих важнейшие результаты диссертации, составляет 24 наименования, из них 11 в рецензируемых изданиях.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 61 наименование. Объем диссертации составляет 231 страницы, в том числе 80 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится изложение проблем создания систем управления и питания промышленных ускорителей электронов, сформулированы цели диссертации, обосновывается их актуальность, схематично изложено распределение материала по главам. Приведен краткий обзор параметров мировых производителей промышленных ускорителей на этапе начала настоящих работ (начало 70-х годов) и показано место ускорителей типа ЭЛВ Института ядерной физики. Из обзора видно, что в то время наши ускорители заметно уступали лучшим мировым образцам по энергии электронов и мощности пучка. В настоящее время, благодаря разработкам ИЯФ наши ускорители не уступают мировым в своем диапазоне энергий.

В главе 1 описывается конструкция ускорителя ЭЛВ и формулируются требования к параметрам систем питания и управления, выбираются способы их стабилизации и регулирования.

В разделе 1.1 сформулированы основные требования, предъявляемые к системам управления и питания промышленных ускорителей электронов.

В разделе 1.2 приведен состав серии высоковольтных ускорителей электронов типа ЭЛВ, указаны их параметры и предложена функциональная схема систем питания и управления (рис. 1).

Рисунок 1. Функциональная схема ускорителя ЭЛВ и его связи с системами питания и управления. В баке, заполненном изолирующим газом, расположены первичная обмотка – PW, колонна высоковольтного выпрямителя – HVR, ускорительная трубка – AT, источник питания накала – ICU, вакуумная система – ED. Откачка вакуумной системы производится двумя магниторазрядными насосами – MDP. Снаружи вакуумной системы расположены электромагниты системы формирования растра – SS. Фольга выпускного окна охлаждается вентилятором обдува – FCD. Напряжение повышенной частоты для питания первичной обмотки вырабатывается преобразователем частоты – FC. Силовой шкаф – SM1 распределяет входное напряжение по системам и обеспечивает их включение или выключение. Система управления, диагностики и стабилизации – CS включает: модули системы стабилизации энергии ускоренных электронов – ESS; модули системы стабилизации тока пучка – CSS; модули системы формирования растра на фольге выпускного окна – RFS,;модули измерительной системы – MS; модули системы блокировок – ISS; специализированная управляющая станция – LCS; управляющий компьютер – PC. GS – газовая система, FP – форвакуумный насос, TCC – модули управления транспортной линией, TL – транспортная линия.

Все указанные на схеме элементы связаны в единое целое комплексной системой управления и питания, обеспечивающей полную автоматизацию ускорительного комплекса для радиационной обработки тех или других изделий. Для всех элементов схемы были разработаны, управляемые источники напряжения (тока), обеспечивающие требуемые параметры и требуемую точность.

В разделе 1.3 рассмотрены варианты компоновки ускорителя (один высоковольтный выпрямитель, либо два, соединенных параллельно).

В разделе 1.4 рассмотрены схемы выпрямления, применяемые в ускорителях типа ЭЛВ.

В разделе 1.5 предлагается линейная схема замещения высоковольтного трансформатора, учитывающая схему компенсации реактивной мощности и большую индуктивность рассеяния.

В главе 2 проведен анализ системы силового питания ускорителя и сформулированы требования к этой системе.

В разделе 2.1 кратко рассматриваются преобразователи частоты на основе электромашинного преобразователя, формулируются основные недостатки преобразователей такого типа. Предлагается система бескон-тактного управления силовыми цепями, включающая схему плавного разгона мощных (сотни киловатт) 3-фазных асинхронных электродвигателей, которая позволяет в несколько раз понизить пусковой ток двигателя и уменьшить механические нагрузки на его элементы. Программная реализация алгоритма разгона позволяет, не меняя аппаратуру, разгонять и включать любой 3-фазный асинхронный электродвигатель с минимальными перегрузками питающей сети. Так, для преобразователя частоты типа ВПЛ-200, двигатель которого при прямом пуске потребляет из сети ток до 4 кА, разработанная система разгона позволяет понизить пусковой ток до 700...800 А.

Обосновывается выбор схемы преобразователя частоты на базе мощных транзисторных полумостов.

В разделе 2.2 предлагается схема преобразователя частоты на базе мощных IGBT транзисторных полумостов, выполненная по классической мостовой схеме инвертора напряжения [6,9]. Регулирование выходного напряжения осуществляется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Описан разработанный ШИМ-контроллер с 100% диапазоном регулирования фазы. Произведена оценка максимальной мощности инверторного модуля, зависящая от максимального тока используемых транзисторов.

В разделах 2.3, 2.4 показан метод расчета индуктивностей рассеяния и намагничения высоковольтного трансформатора.

В разделе 2.5 показаны расчетные линейная и нелинейная схемы замещения высоковольтного выпрямителя. Показано, что для выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой, напряжение на вторичной обмотке трансформатора с большой индуктивностью рассеяния имеет форму, близкую к прямоугольной, несмотря на то, что первичная обмотка питается синусоидальным напряжением.

В разделах 2.6, 2.7 производится анализ амплитудно-частотных и фазовых характеристик линейной схемы замещения (Рис. 2).

Рисунок 2. Упрощенная линейная схема замещения высоковольтного трансфор-матора: UВХ – входное синусоидальное напряжение (напряжение первой гармоники входного прямоугольного напряжения от преобразователя частоты); LDR – индуктивность в схеме компенсации реактивной мощности; С – емкость в схеме компенсации реактивной мощности; LS1 – индуктивность рассеяния высоковольтного трансформатора; Lµ – индуктивность намагничения высоковольтного трансформатора; R/–- сопротивление нагрузки, проведенное к индуктивности намагничения.

Аналитические выражения, описывающие данную схему, достаточно громоздки, и мы не будем их здесь приводить. Целью анализа являлось нахождение величин LDR и C, которые при заданной частоте обеспечивают коэффициент мощности на входе схемы равный единице. При этом для максимальной мощности ток, отбираемый от преобразователя частоты, будет минимально возможным. Полученные уравнения могут быть решены численными методами.

На рис. 3 схематически показаны формы амплитудно-частотных и фазовых характеристик данной схемы.

Рисунок 3. Амплитудно-частотные и фазовые характеристики линейной схемы замещения. Верхний график показывает значение модуля коэффициента передачи схемы (К) в зависимости от частоты, на нижнем графике показана фаза входного тока.

Значение коэффициента пере-дачи, равное А, соответствует максимальному напряжению на первичной обмотке в/в трансфор-матора, которое выше входного напряжения схемы. Для данного коэффициента передачи необхо-димо обеспечить нулевое значе-ние фазы входного тока. В работе показан метод, как пользуясь программами моделирования ли-нейных схем подобрать искомые значения индуктивностей и емкостей, удовлетворяющих поставленным условиям.

В разделе 2.8 показано как, решить данную задачу графически методом векторных диаграмм.

В разделе 2.9 обсуждается конструкция инверторного модуля, обосновывается плоскопараллельная ошиновка силовых цепей, произведена оценка минимального значения емкости на стороне постоянного напряжения.

В разделе 2.10 оценивается к.п.д. ускорителя. При питании ускорителя от транзисторного преобразователя частоты к.п.д. составляет около 87%. При работе с электромеханическим преобразователем к.п.д. близок к 65%. Можно сказать, что транзисторный преобразователь более экономичен.

Раздел 2.11 посвящен сложению мощности инверторных модулей и организации 2-фазного питания ускорителя [13]. Данная разработка позволила реализовать транзисторный преобразователь частоты мощностью 500…600 кВт для питания ускорителя ЭЛВ-12.

Раздел 2.12 посвящен теоретическому и экспериментальному исследо-ванию пульсаций напряжения в/в выпрямителя. Проанализированы источ-ники пульсаций. Исследован источник пульсаций, связанный с неодно-родностью распределения напряжения по длине колонны в/в выпрямителя в последовательно-параллельной схеме выпрямления. В этой схеме фильтрующие конденсаторы секций в 2-х соседних полупериода заряжаются от разных соседних катушек. Так как напряжения на катушках отличаются (см. рис. 4), возникают пульсации с частотой питающего напряжения.

Рисунок 4. Распределение напряжения по секциям высоковольтного выпрямителя ускорителя ЭЛВ-12, снятое экспериментально. Горизонтальная ось – высота выпрямителя в см, вертикальная ось – напряжение измерительной катушки. На первичные обмотки (PW) подано переменное напряжение. Колонны в/в выпрямителя (HVR) – удалены из первичных обмоток.

Под нагрузкой распределение напряжения по колонне меняется, так как в этом случае поток, пронизывающий секции выпрямителя, складывается из потока первичной обмотки и противоположно направленного потока вторичных обмоток. Численными методами кривая распределения напряжения по секциям была скорректирована для работы под нагрузкой. Это дало возможность определить величину пульсаций связанных с неравномерностью распределения напряжения.

Таблица 1

выпрям. ?U/U

300 Гц ?U/U

неравномерность ?U/U

ЭЛВ-8, 2.5 МэВ, 100 кВт ±1.7% ±0.8% – ±2.5%

ЭЛВ-8, 1.0 МэВ, 50 кВт ±4.3% ±0.7% – ±5.0%

ЭЛВ-12, 0.9 МэВ, 400 кВт

(однофазный режим) ±7.2% ±0.8% ±0.5% ±8.5%


загрузка...