Ферромагнитный размыкатель с ортогональными полями и его возможные применения для коммутации сверхсильных токов в цепях накопителей энергии

• Автор: Ефимов, Игорь Павлович
• Шифр специальности: 01.04.13
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 160 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Проблемы коммутации тока в ИНЭ и ИЕНЭ. Задачи работы
1.1. Обзор возможных методов и способов коммутации сверхсильных импульсных токов
1.2. Использование нелинейных индуктивностей с внешним управлением в промышленной энергетике
1.3. Некоторые качественные способы оценки энергии перемагничивания 34 ферромагнитного вещества
1.4. Постановка задач диссертационной работы
Глава 2. Принцип действия ФР и описание его работы в рамках идеальной зависимости B-f(H)
2.1. Экспериментальные данные по взаимодействию ортогональных магнитных полей в нелинейной ферромагнитной среде. Литературные данные
и их анализ
2.2. Принцип действия ферромагнитного размыкателя с поперечным под-магничиванием
2.3. Приближенный расчет индуктивного накопителя энергии с ферромагнитным размыкателем
2.4. Оптимизация характеристик ферромагнитного размыкателя, работающего в режиме слабого насыщения
2.5. Работа ферромагнитного размыкателя в режиме сильного насыщения
2.6. Влияние немагнитного зазора на эффективность ферромагнитного
размыкателя
2.4. Оценки характеристик системы подмагничивания
Глава 3. Энергетические характеристики ИНЭ с ФР
3.1. Общие сведения о преобразовании энергии при размагничивании и намагничивании соленоидов с ферромагнитным сердечником
3.2. Простейшие примеры процессов преобразования энергии в элементе цепи, включающем в себя соленоид с продольным подмагничиванием
3.2.1. Система с постоянным потоком
3.2.2. Система с постоянным током
3.3. Преобразование энергии при коммутации ИНЭ с помощью ФР
Глава 4. Численное моделирование процессов коммутации в индуктивно-емкостном накопители энергии с ферромагнитным размыкателем
4.1. Математическая модель взаимодействия ортогональных магнитных полей в ферромагнитной среде
4.2. Численное исследование переходных процессов дня различных вариантов схемных решений ИЕНЭ с ФР
4.2.1. Ферромагнитный размыкатель с компенсацией управляющего тока
4.2.2. Ферромагнитный размыкатель с компенсацией управляющего поля
4.2.3. Схема с самонамагничиванием
Глава 5. Численные исследования переходных процессов в конкретных устройствах с ФР и оптимизация их параметров
6.1. Устройство обострения мегаамперных токов дня получения сверхсиль-ного магнитного поля с малым временем нарастания
6.2. Система формирования импульсов тока с предельными параметрами (размыкатель тока промежуточной ступени для проекта «Байкал»)
Заключение
Список литературы

Введение
В последние годы особый интерес вызывает изучение эффектов, требующих приложения гигантских электрических мощностей. К таким эффектам можно отнести получение сверхсильных импульсных магнитных полей и изучение широкого круга задач, связанных с ним; изучение свойств материалов в экстремальных условиях; задачи, связанные с ускорением заряженных частиц; ряд прикладных задач, относящихся к поджигу термоядерных мишеней, запитки крупных лазерных установок, генерированию мощных пучков рентгеновского излучения и т.п.
Для выделения больших мощностей на нагрузке требуется сформировать импульс сверхсильного тока с коротким временем нарастания, т.е. введение в нагрузку большой энергии за очень малое время. В технике получения сильных и сверхсильных импульсных токов стандартным методом формирования импульсов является переброс тока из накопительной цепи генератора или накопителя энергии в нагрузку. Обычно в накопительной цепи каким-либо способом за относительно большое время накапливается необходимая энергия. Затем эта энергия, в виде импульса тока, либо напрямую, либо через несколько ступеней формирования (или преобразования) передается в нагрузку за очень короткие времена. Часть энергии, естественно, при этом теряется.
Таким образом, при перебросе тока наиболее существенными являются задачи:
• передать энергию с наименьшими потерями при коммутации
(повысить КПД передачи энергии);
• по возможности сократить время ввода энергии в нагрузку
(обострить фронт импульса тока).
При прямой передаче энергии из накопителя (или генератора) в индуктивную нагрузку очень сложно выполнить эти требования одновременно, поскольку скорость ввода энергии и КПД ввода энергии определяются соотношением между собственной индуктивностью накопителя и индуктивностью нагрузки: максимальную скорость ввода энергии можно получить когда индуктивность нагрузки много меньше индуктивности накопителя, а оптимальное значение КПД переброса тока - при их равенстве.
Таким образом, исходя из конкретной задачи приходится выбирать один наиболее важный критерий и применять дополнительные устройства для улучшения второго.
При идеальной работе коммутирующего элемента - мгновенном изменении тока от начального значения до 0, - передача энергии магнитного поля из индуктивности в индуктивность без преобразования ее в другие виды энергии определяется известным соотношением:

л_ ы±
где Ь0 - величина накопительной индуктивности, Ьи - величина индуктивности нагрузки, и имеет максимальный КПД =0.25 при Ь„ = Ь0 и отсутствии начального тока в нагрузке. Как показано в работе [1], с вводом начального тока в нагрузку, равного половине тока в накопителе, КПД системы определяется выражением

(£,+24)
и при выполнении условия Ц,Щ», можно получить максимальное значение 7тах-0.5. Это, по всей видимости, максимально достижимая величина КПД при однократной коммутации без преобразования энергии.
Возможность дальнейшего повышения коэффициента передачи энергии в нагрузку связывается уже с другими схемами построения источника (накопителя). В работе [2] упоминаются два класса схемных решений ИН:
1. Применение промежуточных преобразований энергии. Например, из магнитной энергии ИН в электрическую емкостного накопителя (ЕН) (такой способ будет рассмотрен в работе в качестве одного из примеров при передаче энергии) или многофазное преобразование тока ИН постоянный-переменный-постоянный.
2. Существенно увеличить коэффициент передачи энергии можно с помощью применения схем многосекционных ИН, предложенных А.П. Лотоцким [3] с последовательным подключением к нагрузке очередных секций накопителя (г) -> 0.65) или переключением секций с последовательного соединения на параллельное. При достаточно большом количестве модулей А, максимальное значение КПД может достигать величины
?)тах = 1 - и стремиться к единице.
Второй способ не всегда приемлем. Например, при получении экстремальных магнитных полей и исследовании скоростных процессов, необходимыми условиями эксперимента являются отсутствие предварительного воздействия на нагрузку предымпульсом тока и времена ввода энергии, лежащие в микросекундном диапазоне. В этом случае как применение многосекционных ИНЭ так и введение в нагрузку предварительного тока невозможно.
С точки зрения плотности накапливаемой энергии наиболее эффективным являются индуктивные накопители энергии (ИНЭ), в которых энергия накапливается в индуктивности при пропускании по ней тока. ИНЭ в свою очередь могут быть переходным звеном между накопителями (или генераторами импульсных токов) других типов и

ром [20], которая позволяет ограничить не только колебания напряжения, вызываемые пульсирующими нагрузками, но и разовые резкие понижения напряжения, создаваемые, например, пусковыми токами двигателей. Устраняются также медленные изменения напряжения на шинах одного из приемников при изменении нагрузки другого приемника. Иными словами, действие схемы не зависит от частоты возмущения, возникающего в нагрузке.
Такое устройство стабилизации напряжения пригодно для развязки двух нагрузок и в тех случаях, когда активное сопротивление сети соизмеримо с индуктивным.
Реактор, примененный для этой цели и описанный в [20], выполнен с вращающимся магнитным полем и кольцевым подмагничивани-ем. Для напряжения выше 35 кВ аппараты такого типа не изготовляются, и наиболее подходящим решением является применение поперечного подмагничивания. Дополнительным преимуществом двухобмоточного реактора с поперечным подмагничиванием является по-фазная настройка.
Можно также ожидать, что этот принцип окажется полезным при необходимости устранения взаимного влияния более чем двух нагрузок, питаемых от одной сети, а также в том случае, когда нужно устранить влияние возмущения в нагрузке на напряжения в точках, удаленных от этой нагрузки.
1.4. Некоторые качественные способы оценки энергии перемагничивания ферромагнитного вещества
1. Термодинамический метод описания процесса перехода ферромагнитного вещества из парамагнитной фазы в упорядоченную.
Корректный путь описания фазового перехода при магнитном упорядочении (и вообще описание магнитных кристаллов) должен был бы состоять в вычислении термодинамического потенциала по общим формулам статистической физики с использованием сложного многочастичного гейзенберговского гамильтониана [26]. Однако такая задача крайне сложна и далека от выполнимости. Поэтому, как рабочие методы для решения конкретных задач, активно используются феноменологические способы описания состояния магнитных кристаллов. В феноменологических теориях термодинамический потенциал не вычисляется (исходя из многочасгичного гамильтониана), но конструируется в виде некоторой функции от соответствующих параметров задачи (в случае ферромагнитных веществ - средних значений спинов 8;), совместимой с симметрией кристалла и с некоторыми дополнительными условиями, диктующимися физической задачей.
Согласно первому началу термодинамики, при любых (обратимых и необратимых) процессах между количеством полученного телом тепла ЛО и изменением энергии тела ДЕ в результате