Исследование импульсной передачи энергии из индуктивных накопителей с магнитосвязанными секциями

• Автор: Крылов, Михаил Константинович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Троицк
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Глава 1. Схемы и составные элементы систем импульсной передачи магнитной энергии

1.1 Схемы импульсной передачи магнитной энергии

1.2 Характеристики сильноточных коммутаторов и генераторов тока

Выводы к главе

Глава 2. Определение параметров элементов индуктивных каскадов с различными схемами импульсной передачи энергии

2.1 Введение

2.2 Расчет параметров каскада на основе секционированного ИН, формирующего в индуктивно-резистивной нагрузке импульс тока трапецеидальной формы

2.3 Тороидальный ИН в схеме пошаговой коммутации

2.4 Соленоидальный накопитель в схеме с согласующей емкостью

Выводы к главе

Глава 3. Исследование работы Магнитного усилителя

3.1 Введение
3.2 Принцип работы и согласование параметров усилительного каскада
3.3 Проектирование и изготовление рабочего макета
3.4 Эксперименты на макете Магнитного усилителя
3.5 Определение параметров тороидального ИН для МУ стенда МОЛ
Выводы к главе
Глава 4. Исследование работы отдельных элементов стенда МОЛ
4.1 Математическое моделирование работы Магнитного усилителя
4.2 Исследование работы кабельной линии до согласующей емкости
Выводы к главе
Заключение
Список литературы
Приложения

Физика высоких плотностей энергии является фундаментальным направлением современной науки, в рамках которого проводятся исследования поведения вещества в сверхсильных магнитных полях, высокоскоростного ускорения макротел, исследования в области термоядерного синтеза. К ним же относятся разработки сверхмощных источников лазерного и мягкого рентгеновского излучений, применяемых в экспериментах по программам «инерциального» термоядерного синтеза.
Так как разрядная мощность используемых электрофизических установок обычно на много порядков превышает величину мощности, обеспечиваемой промышленной электрической сетью, в системах питания этих установок применяются различные устройства накопления и импульсного преобразования электромагнитной энергии.
Для накопления энергии широко используются емкостные накопители (ЕН) отличающиеся простотой, надежностью и невысокой стоимостью. Они способны продолжительное время хранить запасенную энергию и сравнительно быстро отдавать ее в нагрузку. Для работы небольшой установки с мощностью менее 1011 Вт и энергозапасом до 1 МДж необходимо несколько сотен конденсаторов, зарядное и управляемое коммутирующее устройство. Эти элементы, включая электрические разрядники с рабочим напряжением до 40 кВ, хорошо отработаны и освоены промышленным производством. С ростом масштаба установки и увеличением ее мощности увеличивается размер батареи, количество и длина силовых кабелей, усложняются элементы защиты и управления. При этом надежность работы системы в целом снижается. Несмотря на существенные успехи в разработке новых типов конденсаторов [1-3] их стоимость оказывается очень высокой для обеспечения физического эксперимента, соответствующего современному уровню исследований.
Вместо ЕН могут применяться индуктивные накопители энергии (ИН),
плотность запасаемой энергии в которых на несколько порядков больше,' чем в конденсаторах [2, с.68]. При этом для работы ИН требуются сложные сильноточные высоковольтные прерыватели тока. Быстрое прерывание тока при относительно длительных временах накопления энергии в ИН (более 1 с) является непростой задачей, исследованию которой посвящено большое количество работ [5,6]. Разработаны конструкции многоступенчатых выключателей с большой величиной токонесущей способности (произведение величины тока через размыкатель на длительность импульса тока) и быстрым обрывом цепи, что достигается параллельным включением размыкателей с различными характеристиками. Однако в таких устройствах импульс разрядного напряжения прикладывается ко всей параллельной цепочке и поэтому требования к электрической прочности одинаковы для каждой ступени выключателя. По этой же причине мощность, которая может быть получена с одного ИН, ограничивается величиной Ю10 Вт [7]. В схемах с умножением тока при разряде нескольких параллельных секций ИН, мощность разрядного импульса может быть увеличена до 10й Вт.
Ряд установок с импульсной мощностью такого масштаба был создан в 70-е годы прошлого века в ГНЦ РФ ТРИНИТИ - в то время филиале Института атомной энергии им. ИВ.Курчатова (г.Троицк, Московская область. Далее ТРИНИТИ). По программе лайнерного термоядерного 9-пинча с магнитной термоизоляцией Э.А.Азизовым и И.В.Кочуровым были проведены исследования работы взрывных коммутаторов тока [15] и выполнены первые опыты по магнитному сжатию лайнера в соленоидальной катушке [16]. Создание системы с 30-ти секционным индуктивным накопителем на 20 МДж [17] было остановлено в связи с реализацией приоритетных задач по токамакам.
В установках с энергозапасом порядка 10 МДж и выше применение ИН может быть оправданно при введении дополнительного каскада усиления мощности - импульсного накопителя, плотность энергии в котором не должна быть меньше, чем у ИН. Применение каскада с еще одним ИН до определенного
тороидального накопителя, равном N. его магнитная система имеет N/2 плоскостей симметрии. Хотя в четных секциях ИН значения токов могут отличаться от токов в нечетных секциях, симметрия магнитной конфигурации относительно средней плоскости любой из катушек не нарушается, а боковые нагрузки на отдельные витки ИН компенсируются. При равенстве токов слева и справа от витка, результирующая сила направлена к центру ИН. Такое направление силы и ее величина допускаются существующей конструкцией накопителя. Схема компенсации силовых нагрузок на отдельный виток при равенстве токов слева и справа (Із=Іі), показана на рис.28.
Рис.28 Схема компенсации азимутальных силовых нагрузок, действующих на отдельный виток ТИН-900.
Разработана разрядная схема ТИН-900, которая представлена на рис.29. Элементы Ы - Ь32 соответствуют виткам вторичной обмотки накопителя, Ьг -дополнительный индуктивный накопитель. РВ1 - РВ32 - сильноточные размыкатели тока. Соответствующие им замыкатели, соединяющие выводы элементов с шинами ИН, идентичны между собой и индексами не обозначены.
В начальный момент времени индуктивности 1Л - Ь32 включены последовательно и в них течет электрический ток величиной 1о. Проходя против часовой стрелки (по схеме) по нечетным секциям он возвращается в обратном направлении по четным секциям. При этом не требуется организация обратного витка, компенсирующего полоидальное магнитное поле системы.