Быстродействующий источник тока поворотного магнита

Настоящая полезная модель относится к ускорительной технике, а именно к источникам питания магнитов, и может быть использована в ускорительных комплексах заряженных частиц.
Поворотный магнит - электромагнит, служащий для перенаправления пучка протонов в один или другой канал.
Устройство для стабилизации тока относится к области промышленной электроники.
Совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков заявляемой полезной модели, присуща известному устройству ИСТ-500/230, которое является источником стабильного тока для питания поворотного магнита канала ввода пучка протонов из линейного ускорителя ЛУ-30 в кольцевой ускоритель У-1,5.
Известный источник стабильного тока является источником питания постоянного тока Iвых=500А, Uвых=100 В, содержащим:
- тиристорный выпрямитель с асинхронной схемой управления,
- задатчик тока,
- датчик выходного тока,
схему сравнения и усилитель ошибки, управляющий схемой управления выпрямителя. [См. Патент: SU 1455987 А1]
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является низкое быстродействие.
Указанный недостаток обусловлен малой частотой преобразования - 300 Гц.
Известное устройство не позволяет достичь вывода энергии из магнита за время меньше 60 миллисекунд. Это обусловлено малым напряжением инвертирования - 100 В.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка и замена устаревшего источника питания магнита, выполненного по схеме 3-фазного мостового выпрямителя с асинхронной системой импульсно-фазового управления.
Объектом разработки является управляемый источник тока с максимальным током 250А, напряжением 50V с быстрым выводом энергии из нагрузки т.к. ток поворотного магнита за 60 миллисекунд должен уменьшится от номинального - 220А до 0А. Индуктивность магнита - 36,5 мГн.
Техническим результатом (эффектом) настоящей полезной модели является быстрый вывод энергии из поворотного магнита: часть серии циклов ЛУ-30 направляется в один канал, часть - в другой без потерь пучка.
Наиболее просто задача решается исполнением источника по ключевой схеме с широтно-импульсной модуляцией с частотой преобразования 40кГц. Задача быстрого вывода энергии решается с помощью дополнительного устройства - коммутатора.
Источники питания магнитов коррекции, поворотных магнитов управляются импульсами, формируемыми таймерной системой пульта управления У-1,5 «Бустер». Данный источник использует следующие импульсы управления:
- опорный, с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), сигнал задает значение тока источника.
- импульс Во (начало работы) разрешает работу источника.
- импульс Ти - инжекция (ввод пучка протонов) в У-1,5 в этот момент измеряем ток источника и записываем на дисплей. Величина тока непосредственно влияет на правильную инжекцию.
- импульс «конец работы » запрещает работу источника.
Ключевой коммутатор состоит из 6-ти управляемых ключей, выполненных на биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ), поддерживающих вывод энергии из магнита при квазипостоянном напряжении; основного ключа, отключающего нагрузку от источника и шунтирующего ключа, выполненных на БТИЗ модулях. Защита от перенапряжений при неправильной работе коммутатора осуществляется 2-мя тиристорными разрядниками на 100 и 450 вольт.
Полезная модель иллюстрируется структурными схемами (фиг. 1, 2) На фиг. 1 представлена структурная схема источника тока, выполненного по стандартной ключевой схеме с широтно-импульсным управлением. Выделенная из опорного ШИМ сигнала постоянная составляющая, сравнивается с выходным напряжением датчика тока, пропорциональным току нагрузки и разностный сигнал через усилитель ошибки поступает на ШИМ - контроллер, формирующий сигнал для ШИМ инвертора, формирующего ток нагрузки. Цепь охвачена 100% отрицательной обратной связью, т.о. ток нагрузки с точностью 0.5% соответствует сигналу ШИМ опоры. Точность определяется датчиком тока фирмы LEM - LT 200s.
На фиг. 2 изображена структурная схема коммутатора. Коммутатор предназначен для вывода энергии из магнита за время меньшее 60 мсек.
Устройство управления при получении импульса «конец работы» останавливает работу источника тока, затем открывает шунтирующий ключ, для разряда индуктивностей фильтра, затем открывает 6 регулирующих ключей, затем закрывает основной ключ коммутатора, отключая нагрузку от источника. Энергия из магнита начинает выводиться на 7 параллельно подключенных резисторов номиналом 11Ом. Напряжение на выводах магнита становится равным 400 В. Um=Im*Rн Устройство управления, закрывая поочередно регулирующие ключи поддерживают квазипостоянное напряжение вывода энергии примерно на уровне 400 Вольт. Разрядник 100 В защищает выход источника от перенапряжения в случае неправильной работы шунтирующего ключа. Разрядник 450 В защищает магнит от перенапряжения в случае неправильной работы регулирующих ключей.
На фиг. 3 приведены осцилограммы работы источника.
Левая осцилограмма показывает нарастание тока нагрузки
Временной масштаб - 250 миллисекунд в делении.
Ток нагрузки - 50 Ампер в делении.
Напряжение нагрузки - 10 Вольт в делении.
Правая осцилограмма показывает спад тока нагрузки
Временной масштаб - 5 миллисекунд в делении.
Ток нагрузки - 50 Ампер в делении.
Напряжение нагрузки - 100 Вольт в делении.