Стабилизация питания электромагнита импульсного бетатрона при квазитреугольных импульсах тока

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА ИМ. С. М. КИРОВА

Том 279 1974

СТАБИЛИЗАЦИЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА

ИМПУЛЬСНОГО БЕТАТРОНА ПРИ КВАЗИТРЕУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСАХ ТОКА

Б. А. БАГИНСКИИ, Ю. А. ОТРУБЯННИКОВ

Проведенные в последние годы исследования в области конструирования малогабаритных бетатронов [1, 2, 3] доказали преимущества раз-, личных способов' импульсного питания по сравнению с непрерывным. При этом структура систем стабилизации питания электромагнитов существенно изменилась и потребовала специальных исследований и разработок.

Настоящая работа посвящена стабилизации магнитного поля ускорителя при квазитреугольной форме тока в обмотках электромагнита [2]. Для таких схем может быть применен известный способ стабилизации поля, заключающийся в регулировке величины вводимой энергии-Однако такие системы стабилизации являются САР по отклонению по отношению к максимальному значению индукции. При этом [4] для получения высокой стабильности необходим большой коэффициент усиления цепи обратной связи. В дднном случае стабилизация максимальной величины магнитного поля может осуществляться необходимым моментом коммутации соответствующих вентилей. Привязка момента коммутации к заданному уровню поля определяет потребляемую контуром электромагнита энергию (энергию потерь). Количество же вводимой энергии ^вв зависит от напряжения питающей сети, параметров цепи ввода и без стабилизации может изменяться в широких пределах. Если энергия потерь за импульс тока меньше вводимой энергии, то это приведет к увеличению напряжения на контурной емкости, увеличению скорости нарастания тока в обмотке электромагнита, на которую разряжается емкость, и к увеличению потерь. Переходный процесс окончится при равенстве №ВВ=\РП . Увеличение напряжения может привести к аварийному режиму. Для определения величины перенапряжения необходимо провести энергетический анализ и сформулировать требования к способу стабилизации. Потери энергии в бетатроне складываются из потерь в конденсаторах и потерь в электромагните- Потери энергии в конденсаторах в диапазонах частот и напряжений, в которых работают большинство импульсных бетатронов, определяются в основном величиной переменной составляющей напряжения [3]. При увеличении напряжения на контурной емкости переменная составляющая при постоянстве индукции Вт уменьшается, поэтому потери в конденсаторах не возрастут.

Суммарные потери в магните складываются из потерь в меди и потерь в стали:

Р =

При квазитреугольных импульсах тока в намагничивающей обмотке[5]

п 2тг/?

=yWfJ

t ra2— 1 / d

А

где R — средний радиус обмотки; w — число витков обмотки; d — радиальный размер провода обмотки; п — число слоев обмотки;

л 68 Л

Д=—:=_ — глубина проникновения тока в меди; .

V /у

/у — эквивалентная частота импульсов тока; /у

J- — скважность импульсов тока;

/п

fп—частота повторения циклов ускорения. Величиной, зависящей от напряжения на контурной емкости, в нашем случае является скважность 5. Для анализа выражение (2) упростим:

PM = /^L

у о о

Коэффициент m учитывает влияние добавочных потерь за счет поверхностного эффекта, эффекта близости, а также за счет вихревых токов. Такая запись возможна, так как все указанные составляющие зависят от квадрата частоты, а следовательно, и от скважности. Разлагая (3) в ряд Тейлора и ограничиваясь двумя членами, найдем относительные изменения величин:

= к Aü!---L.

Рм * S 1+wS2 2

Потери в стали слагаются из потерь на вихревые токи и на гистерезис:

Р.т= PcТ.В + Рст.г = -Y /у2*2 flm V + /г В2т

о о

где

у — удельна^ проводимость материала, 8 — толщина листа, V — объем листа, т] — коэффициент,

Вт—максимальная индукция в электромагните. Потери на гистерезис определяются площадью петли и числом циклов перемагничивания в единицу времени и, следовательно, от скважности не зависят. Анализируя (5), имеем:

Р

ст

Таким образом, при увеличении вводимой энергии ее компенсация лри 5тах=сопз1 должна произойти за счет изменения потерь в меди и потерь на вихревые токи стали:

АЯВВ-АРМ+ЛРМСТ.В. Используя выражения 4 и 6, получим

Л^вв АРвр ......Д5

где

а

Р Р

* м и 1 ст»

пот Р^

тот

Считая контурную емкость источником напряжения (что не вносит существенную погрешность при работе с малым уровнем пульсаций и при малом угле коммутации), можно записать

Л»=у^у;

отсюда

Из уравнений

Л1/Ск А5 иск ~ 5

1/ск аК$+Ь

Отсюда видно, что превышения напряжения на контурной емкости могут быть существенными. Так, при т— 0,1; а— 0,4; 6=0,2 (примерла

ные данные для МИБ-6) для ^ вв =25% напряжение па контурной

™ вв

емкости Ск увеличится вдвое. Чем меньшую долю от Рв составляют потери в меди и чем меньше .гст.в. , тем больше будет возможное превышение иск при данном способе стабилизации Втах. Приведенные выше приближенные вычисления и полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что строить систему уравнения генератора импульсов тока при нестабилизироваином вводе и точной фиксации максимума поля практически нельзя. Это может привести к недопустимо большим перенапряжениям на контуре и к выходу коммутирующих приборов из строя. Если даже увеличение потерь скомпенсирует избыток вводимой энергии на допустимом для примененных коммутирующих приборов (тиристоров и диодов) уровне по напряжению, то такой режим нежелателен из-за неоправданного увеличения потерь.

Для получения высокой стабильности поля и исключения возможных аварийных режимов необходимо импульс на запуск тиристоров коммутации формировать, как и указывалось, по полю, однако при этом необходимо стабилизировать величину вводимой энергии.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ю. А. Отрубя н ников. Некоторые вопросы импульсного питания электромагнитов индукционных ускорителей. Диссертация. Томск, 1967.

2. В. В. Ивашин. Коммутация тока в схемах получения магнитных полей и электрических машинах. Диссертация. Томск, 1968.

3. Э. Г. Фурман. Разработка и исследование схем импульсного питания электромагнитов ускорителей. Диссертация. Томск, 1972.

4. М. В. М е е р о в. Синтез структур систем автоматического регулирования высокой точности. М., «Наука», 1967.

5. Ю. П. Ярушкин и др. Разработка и исследование систем импульсного пи-таиия малогабаритного бетатрона. Научный отчет НИИ ЯФЭА при ТПИ, 1972.