УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ КВАЗИПОСТОЯННОГО СИЛЬНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ В БОЛЬШИХ ОБЪЕМАХ
DEVICE FOR FORMATION OF QUASI-PERMANENT STRONG MAGNETIC FIELD IN LARGE VOLUMES

3
Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, к сильноточной электронике, физике плазмы и может быть использовано для создания стационарных магнитных полей с напряженностями ~10 кА/м в объемах ~10 м в целях проведения научно-исследовательской деятельности.
Из предшествующего уровня техники известно устройство для формирования квазипостоянного магнитного поля, выполненное на основе катушек Гельмгольца диаметром ~1 м, запитываемых от источника тока небольшой мощности [1].
Основными недостатками этого устройства, обусловленными особенностями конструкции магнитной системы и источника питания являются, соответственно, резкий спад магнитной индукции в рабочем объеме за пределами катушек и ее малая величина.
Известно устройство для формирования квазипостоянного сильного магнитного поля на лабораторном стенде LAPD [2], состоящее из сегментированного соленоида диаметром ~1 м с общей длиной ~10 м и набора мощных источников питания. Каждый сегмент соленоида запитывается независимо друг друга от отдельного источника.
Электрические параметры источников и сегментов различаются друг от друга, поэтому через разные сегменты соленоида протекают отличные друг от друга токи. Неидентичность токов в сегментах соленоида отрицательно сказывается на однородности, а также на стабильности параметров формируемого устройством магнитного поля.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для формирования квазипостоянного сильного магнитного поля в составе лабораторного стенда LVPD [3]. Это устройство содержит соленоид и источник питания в виде мощного AC/DC преобразователя, питаемого от электросети.
AC/DC преобразователь выполнен на основе сильноточных тиристоров и при их работе в цепи соленоида возникают интенсивные электромагнитные помехи. Также при длительном прохождении тока соленоид разогревается и его сопротивление возрастает, в результате чего ток уменьшается и, следовательно, изменяются параметры магнитного поля в рабочем объеме соленоида. Вышеперечисленные обстоятельства негативно влияют на стабильность параметров формируемого магнитного поля.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для формирования квазипостоянного сильного магнитного поля в больших объемах с более стабильными параметрами.
Техническим результатом предложенного изобретения является повышение стабильности параметров формируемого магнитного поля за счет стабилизации тока в соленоиде.
Технический результат достигается тем, что в устройстве формирования квазипостоянного сильного магнитного поля в больших объемах, содержащем последовательно соединенные источник питания и соленоид, новым является то, что источник питания выполнен в виде батареи гальванических элементов, между источником питания и соленоидом включен сильноточный коммутатор, причем параллельно выводам сильноточного коммутатора подключена схема, защищающая его от импульсного перенапряжения, также параллельно соленоиду к участку цепи между сильноточным коммутатором и соленоидом катодом подключен замыкающий диод, а между точкой присоединения катода замыкающего диода к цепи и соленоидом включена схема контроля параметров тока.
Использование батареи гальванических элементов обеспечивает гальваническую развязку источника питания от паразитных токовых контуров, а также исключает необходимость использования преобразовательных схем, создающих в соленоиде интенсивные электромагнитные помехи, и тем самым позволяет повысить стабильность параметров магнитного поля, формируемого устройством.
Включение в участок цепи между источником питания и соленоидом сильноточного коммутатора позволяет осуществлять подключения источника питания к соленоиду в импульсно-периодическом режиме. Благодаря этому обеспечивается работа устройства в режиме импульсной стабилизации тока в индуктивной нагрузке, что, в свою очередь, позволяет повысить стабильность параметров формируемого устройством магнитного поля.
Подключение параллельно выводам сильноточного коммутатора схемы, защищающей его от импульсного перенапряжения, позволяет гасить губительные для коммутатора выбросы напряжения, возникающие на его выводах при переключениях. Тем самым обеспечивается функционирование устройства в режиме импульсной стабилизации тока, что, как следствие, позволяет повысить стабильность параметров магнитного поля, формируемого устройством.
Диод замыкает при отключениях коммутатора, работающего в импульсно-периодическом режиме, токовый контур с соленоидом. Благодаря этому обеспечивается работа устройства в режиме стабилизации тока, что, в свою очередь, позволяет повысить стабильность параметров формируемого устройством магнитного поля.
Включение схемы контроля параметров тока позволяет автоматически измерять величину тока в соленоиде и производить переключения сильноточного коммутатора в моменты времени, точно соответствующие заданным верхней и нижней границам диапазона стабилизации тока. Тем самым обеспечивается функционирование устройства в режиме импульсной стабилизации тока, что, как следствие, позволяет повысить стабильность параметров магнитного поля, формируемого устройством.
На Фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства, где 1 - батарея гальванических элементов (источник питания), 2 - сильноточный коммутатор, 3 - схема контроля параметров тока, 4 - соленоид, 5 - схема защиты сильноточного коммутатора от перенапряжения, 6 - замыкающий диод.
На Фиг. 2 приведена типовая осциллограмма стабилизированного тока, протекающего через соленоид.
Устройство для формирования квазипостоянного сильного магнитного поля в больших объемах (Фиг. 1) содержит батарею гальванических элементов 1, состоящую из последовательной сборки стартерных аккумуляторных батарей. Клеммой с отрицательной полярностью батарея 1 подключена к схемной «земле», а клеммой с положительной полярностью - к сильноточному коммутатору 2. С другой стороны к коммутатору 2 катодом подключен замыкающий диод 6 и формирующий магнитное поле прямолинейный соленоид 4. С другой стороны соленоид соединен с арюдом замыкающего диода 6, а также со схемной «землей». Параллельно выводам коммутатора 2 подключена схема его защиты от импульсного перенапряжения 5. Между точкой присоединения к цепи катода замыкающего диода 6 и соленоидом 4 подключена схема контроля параметров тока 3.
Устройство работает следующим образом. При подаче логического сигнала управления сильноточный коммутатор 2, выполненный на основе полупроводникового IPM IGBT-модуля («Mitsubishi» PM800HSA120), замыкается и между выводами соленоида 4 появляется напряжение источника питания 1, состоящего из 64 последовательно соединенных стартерных аккумуляторных батарей («Optima Red Тор», 12 В, 50 А⋅ч). При появлении напряжения в соленоиде 4 начинает плавно нарастать электрический ток, максимальная величина которого ограничивается активным сопротивлением соленоида 4.
Схема контроля параметров тока 3 содержит линейный датчик Холла (HASS 100-S), аналого-цифровой преобразователь (AD7105), микроконтроллер (ATmega85I5) и драйвер (74АС241). Датчик Холла измеряет величину тока в соленоиде 4 и формирует соответствующий данной величине тока слаботочный аналоговый сигнал, который посредством аналого-цифрового преобразователя трансформируется в цифровой код. Далее цифровой код транслируется на микроконтроллер, который сравнивает его с кодами, соответствующими токам верхней и нижней границ предварительно заданного диапазона стабилизации тока. При достижении верхней границы диапазона стабилизации микроконтроллер через драйвер, усиливающий сигналы управления, выдает команду сильноточному коммутатору 2 на размыкание. При этом источник питания 1 отключается от соленоида 4, и ток начинает плавно спадать до нижней границы диапазона стабилизации. По достижению нижней границы микроконтроллер схемы контроля параметров тока 3 выдает команду на включение, коммутатор 2 замыкается, и ток в соленоиде 4 снова начинает плавно возрастать. Плавность нарастания и спада тока обеспечивается индуктивностью соленоида 4. Диодом 6 («Mitsubishi» RM400HA-34S) обеспечивается замкнутый токовый путь «схема контроля параметров тока 3 - соленоид 4 -диод 6» при разомкнутом коммутаторе.
Из-за наличия магнитной энергии, накапливаемой на паразитных индуктивностях подводящих проводов, на выводах коммутатора 2 при его переключениях возникают высоковольтные выбросы напряжения, губительные для полупроводникового IGBT-модуля. Схема защиты 5, выполненная в виде последовательной сборки из четырех параллельно соединенных конденсаторов (EPCOS B32656-S7105-K500, 1250 В) с суммарной емкостью 4 мкФ и резистора с сопротивлением 1 Ом (ТВО-60), поглощает энергию паразитных индуктивностей и тем самым снижает амплитуду выбросов напряжения до допустимого уровня.
Функционирование сильноточного коммутатора 2 в импульсно-периодическом режиме позволяет получать в соленоиде 4 стабилизированный ток и, соответственно, магнитное поле со стабилизированными параметрами. Границы диапазона стабилизации тока регулируются посредством изменения интервалов времени между переключениями сильноточного коммутатора 2.
Также следует отметить, что за счет использования стартерных аккумуляторных батарей, имеющих большой энергозапас, выходные параметры источника питания 1 в процессе импульсно-периодической работы сильноточного коммутатора 2 практически неизменны.
В примере конкретного исполнения на предприятии ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» при проведении экспериментальной деятельности посредством заявляемого устройства в соленоиде длинной 7 м и диаметром ≈1,5 м многократно формировалось стабилизированное квазипостоянное магнитное поле с индукцией ~0,1 Тл для замагничивания низкотемпературной гелиевой плазмы. Величина стабилизированного тока в соленоиде составляла ~200 А (Фиг. 2). Как правило, в опытах ширина диапазона стабилизации составляла два процента от величины формируемого в соленоиде тока. При этом происходило несколько десятков переключений силового коммутатора, в которых выбросы напряжения были ниже предельно допустимого уровня в 400 В и составляли ≈100 В.
Источники информации:
[1] Garima Joshi, G. Ravi, S. Mukherjee Pramana - J. Phys. (2018) 90:79.
[2] Gekelman W., Pfister H., Lucky Z., Bamber J., Leneman D., Maggs 3. Rev. Sci. Instrum. 1991,62 (12), p. 2875.
[3] S.K. Mattoo, V.P. Anitha, L.M. Awasthi, G. Ravi J. Rev. Sci. Instrum. 2001, 72 (10), p. 3864.