Об одной схеме коммутации тока при создании магнитных полей с большой энергией

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 156

1969

ОБ ОДНОЙ СХЕМЕ КОММУТАЦИИ ТОКА ПРИ СОЗДАНИИ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ С БОЛЬШОЙ ЭНЕРГИЕЙ

В. В. ИВАШИН, А. И. БЛУДОВ, В. Л. ГРОМОК

Создание мощных магнитных полей в электрофизических установках различного типа, например, в ускорителях элементарных частиц требует мощных коммутационных приборов, обладающих вентильными свойствами. В работах [1, 2, 3] было предложено такие приборы создавать ионно-механического типа. Весьма перспективным является применение в устройствах такого типа индукционно-динамических приводов, которые позволяют создавать быстродействующие контактные аппараты на токи до 100 ка и более при напряжении 10-^-15 кв с временем замыкания и размыкания контактов 3-^-5• 10~3 сек [3]. Конструкция устройства с применением индукционно-динамических приводов получается простой и надежной в работе. Но индукционно-динамические приводы требуют, как правило, сравнительно мощных импульсных источников питания, введение которых в коммутирующее устройство значительно его усложняет.

В настоящей работе рассматривается одна из возможных электрических схем бездугового ионно-механического коммутирующего устройства с индукционно-динамическим приводом контактов. Импульсное питание приводов обеспечивается при этом за счет энергии коммутируемой цепи, что позволяет существенно упростить принципиальную схему устройства в целом, повысить надежность ее работы. Естественно, что использование отдельных вспомогательных элементов не является максимальным и эффективным, но в целом устройство получается наиболее совершенным из известных устройств подобного типа.

Принцип работы

Принципиальная электрическая схема коммутирующего устройства 1 при питании индуктивной нагрузки 2 от источника энергии 3 приведена на рис. 1. Предположим, что в электромагните Ьм от источника энергии 3, например, от мощной конденсаторной батареи создается магнитное поле большой энергии. Разряд конденсаторной батареи на индуктивность Ьм имеет колебательный характер, и коммутирующее устройство 1 должно обеспечить прохождение в нагрузку Ьм только первой, максимальной по амплитуде, полуволны тока.

Для этого достаточно в необходимый момент времени ¿0 открыть вентиль В]. Конденсаторная батарея источника энергии 1 начинает разряжаться через вентиль Вх на индуктивность нагрузки Ьм и парал-

лельную нагрузке цепочку с катушкой Ьх индукционно-динамического привода замыкания контактов К. При протекании через Ьх тока, величина и форма которого определяется параметрами С\, Ьб , гь контакты замыкаются, и ток из вентиля Вх под воздействием падения напряжения на вентиле и на сопротивлении г2 переходит за время ¿з в цепь с контактами К. Дроссель насыщения, индуктивность которого в насыщенном состоянии невелика, задерживает нарастание тока в контактах при их соприкосновении на время —12. Индуктивность Ь6 и емкость С\ ограничивают напряжение, а также амплитуду и длительность тока, протекающего через привод Ьи До допустимой и необходимой величины.

Рис. 1. Схема понно-мехаиической коммутации больших токов

На рис. 2 показана кривая тока ¿3, коммутируемого контактами Л', кривая тока ¿^ коммутируемого вентилем Вх, и кривая тока проходящего через катушку привода замыкания Ь\.

Процесс отключения начинается в момент ^ открыванием вентиля В2 за (Зн-5) • 10 сек до прохождения тока [рис. 2 и 4] нагрузки через нулевое значение. Емкость С2 при этом разряжается через цепь — контакты Д", ток в вентиле В2 быстро нарастает до величины тока в индуктивной нагрузке, а в контактах К уменьшается до величины тока перемагничивания дросселя насыщения. Дроссель насыщения удерживает ток в контактах на нулевом уровне отрезок времени /г»—tp до их размыкания. После изменения на емкости С2 знака напряжения вентиль открывается от схемы управления и ток из В2 за время —ts * переходит в Вх. За время ¿4—пока ток проходит через вентиль В2, а затем через вентиль Ви обесточенные контакты успевают разомкнуться на необходимый зазор, выдерживающий напряжение отключенной цепи.

Катушка Ь4 индукционно-динамического привода размыкания контактов включена, как это следует из рис. 2, последовательно с емкостью

С2, обеспечивающей искусственное обесточивание контактов. При таком включении катушка привода получает необходимое питание от емкости С2 непосредственно в момент выключения. Это существенно упрощает схему самого коммутирующего устройства и блок управления устрой-

ством, поскольку вырабатывать сигнал для управления системой питания привода размыкания не требуется. Вместе с этим введение последовательно с емкостью С2 катушки привода потребляющей много энергии, увеличивает размеры конденсаторной батареи С? и, как следствие, увеличивает габариты дросселя насыщения.

Для нормальной работы устройства при бездуговом замыкании контактов необходимо выполнить два условия:

1. Катушка Ьх привода замыкания должна получить достаточное питание, чтобы обеспечить замыкание контактов за (3-ь5)-10~3 сек с момента открытия вентиля Вг.

2. После замыкания контактов основной ток нагрузки должен протекать не по вентилю Вх, а через контакты.

Индукциоино-динамический привод может быть охарактеризован максимальной намагничивающей силой катушки скоростью на-

Г* ул з

растания намагничивающем силы- и магнитнои проводимостью й

йЬ

катушки Понятие скорости нарастания намагничивающей силы можно заменить временем нарастания намагничивающей силы Ртз до номинальной величины. Чтобы обеспечить достаточную изоляцию катушки обычно известно максимальное допустимое напряжение на катушке привода замыкания.

В общем случае для силы, развиваемой электродинамическим приводом, можно записать [4]:

Рис. 2. Токи в цепи при замыкании

Выбор параметров элементов, работающих при* замыкании контактов

ам

где

¿1 — ток в катушке привода, ?

¿2 — индуктированный в металлическом диске тока,

йЬА

<и

производная коэффициента взаимоиндуктивности по расстоя

нию между диском и катушкой. На рис. 3. показана характерная форма тока через катушку На быстродействие сказывается практически только первый импульс

тока, поскольку вторая, отрицательная полуволна имеет существенно мень-шуюамплитуду, и производная взаимоиндуктивности становится во время второй полуволны тока небольшой.

Выведем приближенные зависимости между необходимыми параметрами первого импульса и параметрами цепи Ьи Си ¿6, Для максимального значения напряжения на катушке привода можно записать

Рис. 3. Импульс тока в катушке привода замыкания

У и = <»1,

г де

со,

1т — амплитуда тока без учета затухания, —^-—угловая частота без учета затухания,

Затухание в цепи сказывается в основном на амплитуду тока Учитывая уменьшение тока за счет затухания, для Ь{ имеем:

=

и и •г»-2<)

1 т-\ ' "Я

Выражая амплитудное значение тока 1тз через намагничивающую силу и учитывая, что

Ь

- в

где

— число витков катушки привода замыкания, после преобра зований получаем:

=

4 Ь\-иъ

•2 Ы

Если максимальное напряжение на источнике питания ¿7°, то

I,

и

Сг =

¿-I

4 Г\

ъЦЦ + Ц)

Сопротивление г, определяется допустимыми перенапряжениями на емкости С,. При г1 = 0 емкость заряжается до двойного напряжения источника питания. В случае критического процесса, когда

+ и

С

емкость заряжается до напряжения источника питания. При критическом режиме сопротивление оказывает на амплитуду тока в цепи сильное влияние, эффективность схемы питания привода существенно уменьшается. Во многих случаях сопротивление гх рационально выбирать из условия:

__г,

е 2 [Lq + Li) ~ 0,5,

что приводит к небольшим, до 20°/0, перенапряжениям на емкости, а работа схемы получается достаточно эффективной.

Расчет токов и напряжений в цепи при замыкании

После приближенного определения всех параметров по точным формулам можно построить кривые тока в катушке привода и напряжения на емкости Сг при замыкании схемы.

/= .¿-«sine!>o¿,

ü)0¿

UCl = — Uсо + Uco e~bt

co0

где

Uсо — напряжение на заряженной емкости, о>п — угловая частота контура включения, ¿ — его постоянная времени.

В конце основного импульса, когда ток в вентиле Вх и, следовательно, в нагрузке достигает нуля, емкость Сх оказывается заряженной до напряжения перезаряда емкости С — UCT. При запирании вентиля В± при ¿у емкость Схначинает разряжаться по контуру Lx — Ci— —¿6 — — Lm- В катушке привода замыкания Lx возникает импульс тока, описываемый уравнением:

i = UcT •е-*'* sin ci)

Ч ¿экв

где

1Экв = + ¿6 + L м,

¿I-ЭКВ Г ¿-ЭКВ '-'l

Этот ток аналогично току в начале импульса приводит к возникновению электро-динамических сил в приводе замыкания.

Величина тока в катушке при этом существенно уменьшается, поскольку в цепь разряда оказывается включенной значительная индуктивность Lm. Сила, возникающая в приводе, при протекании тока разряда емкости С2 должна быть недостаточна для осуществления замыкания контактов /(.

В момент t2 начинается перехват тока из цепи с вентилем Вх в цепь с контактами. Решение операторным методом уравнения напряжений для контура с контактами и вентилем Вх дает следующее приближенное уравнение для тока в вентиле В{:

i2 = - е~и) + ^ sin оit + — (1 - cos соt) + О to Ü)2

+ I2e~"+

О

где

— cos а°sin Ф (a'¿CQS ~ sin

i

0-

_ , аг cos ф + «г sin ф \ oj2 ( шо (а2 eos 0 — sin ф) л2 —

0-

at cos ф + а2 sin ф \ ш2 ш3 (а2 eos ф — а{ sin ф) Ш2 | зГ Cü2 + 0a

О-

_ _ 7 О . _ J

~ь ¿3 +

Гя + г2 о — - ,

¿3 + ¿2

^ — угол сдвига основного тока относительно тока в вентиле,

• /о ф = are sin — ;

Iт

Im — максимальный коммутируемый ток; U — напряжение горения вентиля.

Сопротивление г2, от величины напряжения на котором зависит время перемагничивания дросселя D, не должно быть очень малым, чтобы напряжение на не\м было достаточно для перемагничивания дросселя за время не менее 1 мкеек. Ток в контактах:

h = ¿' — h = Im sin

На рис. 2 показан вид кривой тока i2, характерный для реальных параметров коммутируемых цепей.

Выбор параметров и расчет токов и напряжений при размыкании контактов

Индуктивность катушки размыкания ¿4 выбирается исходя из необходимого быстродействия аппарата, заданного значением максимальной намагничивающей силы с учетом величины тока в контактах при

Емкость С> должна быть достаточно большой, чтобы амплитуда разрядного тока была не меньше выключаемого тока, и был возможен полный перехват тока в коммутирующую емкость С2.

Ток и напряжение в емкости С> при перехвате тока из контактов в емкость описываются синусоидальными затухающими функциями:

e-Vsino>K¿;

«>я LK

и с 2 = - U с 2|Я е-Vsín

где

Uс1т напряжение на емкости С2 в начальный момент размкания;

' Lk ' С> о

ьк =

Г 4 f Г-л

= arc tg

2 LK -, ~ Ьк Ток в контактах в это время убывает по формул;

•з •—* 1

I\ Kt ¿i,

где

/, — Kt — ¿4 -f = i — ток в главном контуре, К — производная тока при t = t.¡.

К =

di U

dt

L

Ток в емкости С, при перехвате его из емкости в вентиль В1 {t-¡ — tu) определяется по

— Sin U)Q t +

/4¿4 + ¿-3-y7 e_bt, cos

¿4 + L, \

+

A r, — L , К — Uro (¿4 + L2) «o0

e_&'sinu>0¿.

где

i7eo — напряжение на емкости Св момент i7- Для тока в вентиле 5t запишем: t2 = г — г4 ~/7 —/ci—г4- Ток в емкости С, между перехватами — ¿7) определяется, как

i^Ib-Kt.

Напряжение на емкости на этом промежутке времени

U,2 =

di

С,

С,

Рис. 4. Токи в цепи при размыкании,

А на дросселе или на вентиле:

di а

= Í/bi = Uc2 + ¿4 —f- + г, dt

h-t Kt2

Со 2 C>

Весь процесс отключения показан на рис. 4.

По формулам 17 и 18 можно определить по заданным параметрам напряжение на дросселе с начала движения контактов до полного их размыкания которое в свою очередь определит необходимое потокосцепление дросселя, обеспечивающее перемагкичивание дросселя за нужный промежуток времени, не менее 1 мксек.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. В. Ивашин, Г. А. С и п а й л о в. Бездуговое отключение больших токов. Электротехника, № 9, 1964.

2. В. В. Ивашин. Авторское свидетельство № 155206.

3. В. В. И в а ш и н, А. И. Б л у д о в. Новый мощный коммутирующий прибор. Труды VI Межвузовской конференции по электронным ускорителям, 1966.

4. В. Н. Б о н д а л е т о в. Метод расчета электромагнитных сил и работа их при произвольном изменении потокосцеплений, токов, собственных и взаимных индук-тивностей. ТВН, Труды МЭИ, в. ЬХ1У, 1965.

#