Прецизионные источники тока с высокими динамическими характеристиками для питания электромагнитов ускорителей заряженных частиц

• Автор: Мизинцев, Александр Витальевич
• Шифр специальности: 01.04.20
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 111 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЯ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ ТОКА.
АНАЛИЗ ЭЛЕМЕНТОВ ИУЗЛОВ
1.1. Основные требования к источникам тока. Возмущающие воздействия
1.2. Тиристорный преобразователь и устройство фазового управления .
1.3 Типовая структура источника питания электромагнита и расчет
характеристик основных узлов
1.4 Первичные преобразователи тока. Задающее устройство. Усилитель
ошибки
2 СИНТЕЗ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТОКА
ПРЕЦИЗИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ С ВЫСОКИМИ ДИНАМИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
2.1 Параметрический синтез систем регулирования тока
с активным устройством сглаживания пульсаций
2.2. Повышение динамических характеристик источников тока
3. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ
3.1 Промышленная серия прецизионных регулируемых источников
стабилизированного тока ИСТ
3.2. Особенности источников питания соленоидов магнитных полей и
кольцевого электромагнита ускорительно-накопительного комплекса
3.3 Другие применения
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Электрофизические установки и, в частности, ускорительные комплексы как инструмент для физических исследований всегда находились на переднем крае науки. Эти установки отражают последние достижения в области науки, техники и технологии и в своем постоянном развитии инициируют дальнейший прогресс в этих областях.
Система энергообеспечения электрофизических установок содержит в своем составе большое количество мощных источников питания, управляемых в широких диапазонах токов и напряжений по сложным законам. Источники должны обладать высокими метрологическими характеристиками, что было всегда серьезной проблемой на всех этапах развития ускорительной техники.
В научно-исследовательском институте электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова со дня его основания ведутся работы по созданию электромагнитных систем с соответствующими источниками питания для крупнейших ускорителей заряженных частиц высоких энергий: Дубнинского синхрофазотрона, протонного синхротрона Института теоретической и экспериментальной физики в г. Москве, электронного синхротрона в г. Ереване, Серпуховского протонного синхротрона, циклотрона У 240 в г. Киеве, а также других ускорителей на средние энергии.
Развитие ускорительных комплексов идет в направлении непрерывного повышения энергии и интенсивности ускоренного пучка, растет индукция магнитного поля в поворотных и фокусирующих магнитах, увеличивается длина кольца. Одновременно возрастают требования к характеристикам формируемого магнитного поля по точности, стабильности, уровню пульсаций и соответствующие требования к обеспечивающим их системам питания.
Требования возрастают также и к питанию электромагнитного оборудования физического эксперимента и каналов пучков заряженных частиц. Работы по созданию прецизионных систем питания с высокими динамическими характеристиками актуальны не только при создании новых ускорительных комплексов, но и при модернизации оборудования для экспериментов при постановке и решении новых задач физики.
По данной теме имеется большое число публикаций [1-4], что обусловлено уникальностью каждого создаваемого ускорителя.

Прецизионные источники системы питания электромагнитных систем ускорительных комплексов могут быть разбиты на три категории, отличающиеся своими динамическими характеристиками.
К первой категории относятся источники, предназначенные для питания накопительных колец, коллайдеров и каналов транспортировки пучка. Для этой категории наиболее характерен режим работы, когда после прогрева системы устанавливается и поддерживается постоянное значение тока с малым уровнем пульсаций в течение длительного промежутка времени.
Вторая категория источников питания предназначена для ускорения частиц в клистронах. Источники этой категории обеспечивают быстрый подъем тока для экономии энергии и затем ток стабилизируется на плоской вершине. Перерегулирование должно быть минимальным.
Третья категория источников питания обеспечивает требуемый закон изменения магнитного поля в кольцевом магните, в котором происходит ускорение заряженных частиц. Наличие частиц, испытывающих влияние магнитного поля на всех участках формируемого цикла, определяет жесткие требования к источникам питания. На рисунке 1 представлены характерные участки обобщенного токового цикла с указанием наиболее существенных требований.
Рисунок 1 - Характерные участки токового цикла источников питания
При формировании магнитного цикла ускорителя основной задачей всегда оставалось обеспечение питания от источников тока с высокой точностью (в том числе и динамической), стабильностью и низким уровнем пульсаций выходного тока. Важным фактором является при этом обеспечение надежности работы оборудования, его ремонтопригодности, высоких экономических показателей.

где: 1)1 - основные гармоники пульсаций напряжения;
— - амплитуда гармоники тока во вторичной обмотке, вызванной

пульсациями напряжения;
I. - индуктивность обмотки трансформатора;

тах —— - максимальная скорость изменения тока нагрузки в источнике

питания.
При этом важным является обеспечение управления, исключающего насыщение канала с усилителем мощности отдельно от параллельно-сопряженного канала низких частот с тиристорным преобразователем.
Значение частоты среза контура /с ограничивается паразитными параметрами нагрузки и силового токопровода. Обычно без особых затруднений удается получить /с =(5-г 10)кГц, что обеспечивает на основной гармонике пульсаций значение ./Т,-20-ь80. При допустимом значении коэффициента пульсаций тока в нагрузке, равном 0,01 %, получим для основной гармоники при Тн = 20 мс и 1й / 14иом = 0,2: КСПФ > 2,2 • 103 • 1йном /(КСА - Кси • 1а) = 3 4-12. С учетом Других гармоник в источниках обычно принято Кх-14, что и определило использование однозвенного 1_С-фильтра .
Во внешнем контуре КОС~1н регулятор РТ формирует управляемый сигнал для замкнутого контура КОС-11н, приводя напряжение на нагрузке 11н в соответствие с требуемым значением ИнЫо- Параллельные компенсирующие связи с выхода задатчика ЦАЗ и с выхода РТ на входы PH позволяют на основе принципа частичной инвариантности до г увеличить точность автоматического регулирования и уменьшить динамический диапазон регуляторов РТ и РНШ.
В переходных режимах, например при скачкообразных управляющих сигналах, из-за ограничения динамического диапазона, прежде всего, усилителя мощности в канале верхних частот возникает задача сохранения устойчивости системы "в большом" с учетом особенностей динамических характеристик управления выпрямителя как элемента системы автоматического регулирования. Задача усугубляется сохранением при этом требования монотонного характера процесса