авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Быстрые ступени линейного трансформатора (ltd) с масляной изоляцией

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Синебрюхов Вадим Анатольевич

Быстрые ступени линейного трансформатора (LTD)

с масляной изоляцией

01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Томск - 2009

Работа выполнена в учреждении Российской Академии наук Институте сильноточной электроники СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Ким Александр Андреевич

(ИСЭ СО РАН, г. Томск)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, Филатов Александр Леонидович

(Институт электрофизики

УрО РАН, г. Екатеринбург)

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Абдулин Эдуард Нуруллович

(ИСЭ СО РАН, г. Томск)

Ведущая организация: Государственный Научный Центр

Российской Федерации

Троицкий институт инновационных

и термоядерных исследований

г. Троицк, Московской области.

Защита состоится «___»____________200 г. в ___ час на заседании диссертационного совета Д 003.031.02 при Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический 2/3.

Автореферат разослан «___»____________2009 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН.

И. о. учёного секретаря

диссертационного Совета

доктор физико-математических наук Орловский В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

На современном этапе развития импульсной техники остро стоит вопрос создания установок, способных передать в нагрузку за время ~100 нс энергию мегаджоульного диапазона. Традиционная технология формирования мощных наносекундных импульсов предусматривает использование многомодульной системы, где каждый модуль включает первичный накопитель энергии в виде генератора Маркса, разряжающийся за время ~1 мкс на промежуточный емкостной накопитель в виде водонаполненной линии, которая через мегавольтный разрядник с лазерным запуском разряжается на передающую линию и далее на общую нагрузку. Эта технология отрабатывалась в течение последних ~30 лет на многочисленных установках, ее работоспособность доказана при уровне выходной мощности до ~60 ТВт (современный генератор ZR в лаборатории Сандия, США).

В то же время, опыт эксплуатации современных установок показывает, что выходная мощность ~60 ТВт является, по-видимому, предельной для описанной традиционной технологии. При дальнейшем повышении мощности основные проблемы возникают (W.A. Styger, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.10, 030401, 2007) из-за необходимости поддержании требуемого качества воды, высокой вероятности выхода из строя мегавольтных разрядников (~1%), малого времени жизни системы их лазерного запуска (~100 выстрелов) и необходимости ее юстировки перед каждым выстрелом.

В связи с изложенным, актуальной задачей современной импульсной техники является поиск альтернативных принципов построения мощных импульсных генераторов. С середины 90-х годов прошлого века в ИСЭ СО РАН разрабатывается технология построения мощных импульсных генераторов индукционного типа, получивших название LTD-генераторы (от английского Linear Transformer Driver). LTD-генераторы представляют собой первичный накопитель энергии, способный без каких-либо промежуточных накопителей передать в согласованную нагрузку импульс электрической энергии с временем нарастания порядка 100 нс и менее. Основным элементом такого генератора является индуктор, включающий в себя первичный накопитель энергии и получивший название «ступень LTD». Данная диссертационная работа посвящена созданию и исследованию двух типов быстрых ступеней LTD и искровых разрядников, которые в них используются для коммутации первичного накопителя на нагрузку.



Цели и задачи исследования

1. Исследование коммутационной характеристика газовых разрядников быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией и определение ее влияния на параметры разрядного контура ступени.

2. Определение предельных возможностей по снижению длительности выходного импульса быстрых ступеней LTD за счет снижения емкости накопительных конденсаторов.

3. Разработка быстрой ступени LTD, позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~100 ГВт при токе ~ 1 МА, нарастающий за время ~100 нс.

4. Разработка быстрой ступени LTD, позволяющей получать на согласованной нагрузке импульс с мощностью ~20 ГВт при токе ~200 кА, нарастающий за время ~40 нс.

Положения, выносимые на защиту

  1. Разработана и исследована быстрая ступень 1 МА LTD, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью ~100 ГВт и током ~1 МА, нарастающий за время ~100 нс.
  2. Разработана и исследована быстрая ступень LTD16-8, позволяющая получить в согласованном режиме выходной импульс с мощностью ~20 ГВт и током ~200 кА, нарастающий за время ~40 нс (при длительности ~75 нс на полувысоте импульса напряжения).
  3. Уменьшение длительности выходного импульса быстрых ступеней LTD за счет снижения емкости накопительных конденсаторов производства компании General Atomics до ~ единиц нФ ведет к снижению эффективности передачи энергии из накопителя в согласованную нагрузку на ~5%. С помощью технологии LTD можно строить установки с длительностью на полувысоте выходного импульса напряжения до ~ 30 нс и эффективностью до ~70%.
  4. При проектировании LTD-генераторов, построенных на быстрых ступенях LTD с масляной изоляцией с конденсаторами производства General Atomics емкостью 8-40 нФ, можно использовать линейный RLC-контур, эквивалентный параллельному включению секций на нагрузку и импеданс сердечника в предположении, что полная индуктивность секции и сопротивление разрядника постоянны и равны 240 нГн и 0.12 Ом, соответственно.

Научная новизна

        1. Показано, что несовершенство коммутационной характеристики искрового разрядника эквивалентно внесению в разрядный контур накопителя не только сопротивления, но и индуктивности, величина которой зависит от тока, протекающего через разрядник.
        2. Показано, что эффективность передачи энергии быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией в согласованную нагрузку составляет ~70-75% и определяется, в основном, потерями энергии в использованных накопительных конденсаторах и ферромагнитных сердечниках.
        3. Показано, что достигнутая нестабильность включения искровых многозазорных разрядников позволяет создавать ступени LTD в составе 40-ка параллельных секций, обеспечивающих выходной импульс с временем нарастания ~100 нс, и в составе 16-ти параллельных секций, обеспечивающих выходной импульс с временем нарастания ~50 нс.
        4. Продемонстрирована работа модуля в составе 5-ти ступеней 1 МА LTD в режиме ЛИТ на нагрузку в виде вакуумного электронного диода.

Практическая значимость

Электрические параметры ступени 1МА LTD, разработанной в ходе данной диссертационной работы, позволяют рассматривать ее в качестве основного элемента для создания LTD-генератора с выходной мощностью ~1000 ТВт для проведения исследований в области инерциального термоядерного синтеза на основе Z-пинчей (W.A. Styger, et al. Architecture of petawatt-class Z-pinch accelerators. Phys.Rev. ST Accel. Beams, v.10, 030401, 2007). В 2007 году одна такая ступень поставлена в лабораторию плазмы, импульсной техники и СВЧ-излучения университета Мичиган, США. В 2008 г. ступени 1 МА LTD в количестве 10 шт. поставлены в Лабораторию Сандия, США.

Ступень LTD16-8, разработанная в ходе данной работы, поставлена для изучения и проведения дополнительных исследований в компанию ITHPP, Франция.

Апробация и достоверность результатов работы

Материалы работы докладывались на научных семинарах Института сильноточной электроники СО РАН, на 13-м (Томск, 2004 г.) и 14-м (Томск, 2006 г.) Международных симпозиумах по сильноточной электронике; на 14-й (Альбукерк, 2002 г.) и 15-й (Санкт-Петербург, 2005 г.) Международных конференциях по мощным пучкам заряженных частиц; на 16-й (Альбукерк, 2007 г.) и 17-й (Вашингтон, 2009 г.) Международных конференциях по импульсной технике; на 4-м (Нагаока, 2003 г.) Международном симпозиуме по применениям импульсной техники и плазмы; на 12-й (Новосибирск, 2008 г.) Международной конференции по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам.

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в проектировании, исследованиях и анализе результатов экспериментов с разрядниками типа Fast LTD, быстрыми ступенями 1МА LTD и LTD16-8. При его активном участии проводились все физические эксперименты на установках, созданных на основе быстрых ступеней LTD с масляной изоляцией в ИСЭ СО РАН.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано: 3 статьи в научных журналах, 10 докладов в материалах Международных симпозиумов и конференций.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и двух приложений. Полный объём диссертации составляет 103 страницы, включая 55 рисунков, 3 таблицы, два приложения и список литературы из 54-х наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется её цель, перечисляются результаты, представляющие научную и практическую ценность, приводятся положения, выносимые на защиту.

В первой главе описаны известные типы индукционных генераторов, рассмотрены основные схемы их включения и конструктивные особенности.

В индукционных генераторах используется закон электромагнитной индукции, согласно которому изменение потока индукции в полости разрезанного тороидального экрана (индуктора) приводит к появлению на разрезе электродвижущей силы, пропорциональной скорости изменения потока индукции, ~ d/dt. Изменение потока индукции в полости индуктора достигается в результате тороидального разряда в первичном контуре, расположенном внутри этой полости. К индукционным генераторам относятся линейные индукционные ускорители (ЛИУ), линейные импульсные трансформаторы (ЛИТ), индукционные сумматоры напряжения (IVA-генераторы) и LTD-генераторы. Важным свойством всех индукционных генераторов является то, что в момент срабатывания их индукторы имеют нулевой потенциал.

LTD-генераторы (рис. 1) имеют несколько индукторов, получивших название «ступени LTD». LTD-генераторы начались с идеи Б.М. Ковальчука использовать индукционный генератор в качестве первичного накопителя для генератора с промежуточным индуктивным накопителем и плазменным прерывателем тока. В качестве одного из основных достоинством такого генератора рассматривалось отсутствие изолятора на полное выходное напряжение, другим важным достоинством считалась возможность управляемого запуска ступеней, поскольку все они в момент выстрела имеют нулевой потенциал.

Рисунок 1. LTD-генератор: слева – в режиме ЛИТ, справа – в режиме IVA.

Ступени LTD отличаются от индукторов других типов индукционных генераторов тем, что емкостные накопители, питающие их первичные контуры, целиком расположены внутри самих ступеней. Это конструктивное отличие имеет важнейшие следствия, поставившие LTD-генераторы в ряд наиболее перспективных типов генераторов для создания импульсных установок нового поколения – компактность, простоту конструкции и возможность использования в режиме IVA. В режиме IVA LTD-генератор представляет собой генератор прямого действия, позволяющий без искажения формы передать на согласованную нагрузку умноженный на число ступеней импульс напряжения, формируемый емкостным накопителем каждой ступени.

С практической точки зрения представляют интерес быстрые ступени LTD, позволяющие получать на согласованной нагрузке импульсы тока с амплитудой ~1 МА, нарастающие за ~100 нс, а также с амплитудой ~200 кА, нарастающие за ~50 нс.

Малая длительность выходного импульса быстрых ступеней LTD в значительной мере определяется использованием накопительных конденсаторов с пониженной емкостью. Этот метод имеет ряд очевидных ограничений, связанных со снижением эффективности генератора и повышением требований к стабильности включения разрядников и надежности всей элементной базы при уменьшении длительности выходного импульса. В связи с этими ограничениями, к моменту начала данной работы было не очевидно, что существует реальная возможность создания ступеней LTD с параметрами, представляющими интерес для их практического применения в мощных импульсных установках нового поколения.





Первичный накопитель ступени LTD состоит из параллельных секций, каждая из которых включается на нагрузку своим искровым разрядником. В быстрых ступенях LTD с масляной изоляцией используются разрядники типа Fast LTD, исследованию коммутационной характеристики такого разрядника посвящена вторая глава.

Рис. 2. Многозазорный управляемый газовый разрядник типа Fast LTD.

Конструкция этого разрядника показана на рис. 2, это 6-ти зазорный управляемый разрядник, предназначенный для работы в трансформаторном масле при зарядном напряжении до ±100 кВ в атмосфере сухого воздуха с давлением до 4 ата.

Для распределения зарядного напряжения по зазорам разрядника используется коронный разряд. На рис. 3. приведены вольт-амперные характеристики коронного разряда в положительной и отрицательной половинах разрядника в зависимости от давления сухого воздуха. Эквивалентное сопротивление коронного разряда имеет порядок ~ 2 ГОм на зазор.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики коронного разряда с отрицательных острий длиной 6 мм в половинах разрядника в зависимости от давления сухого воздуха.

Запуск разрядника осуществляется подачей пускового импульса на средний промежуточный электрод, который при зарядке имеет нулевой потенциал.

Коммутационная характеристика разрядника исследовалась в контуре, содержащем два конденсатора GA35436 (8 нФ, 100 кВ), заряженных в противоположной полярности, которые при срабатывании разрядника включались последовательно на резистивную нагрузку RL ~ 5-20 Ом, выполненную в виде набора резисторов ТВО-20. Напряжение на нагрузке регистрировалось с помощью высоковольтного делителя напряжения и использовались в дальнейшем для сравнения с расчетами, для которых использовалась программа PSpice.

Было проведено две серии расчетов. В первой серии разрядный контур, включая разрядник, замещался эквивалентной схемой на линейных элементах, показанной на рис. 4. Здесь С2 –емкость двух последовательно включенных конденсаторов, заряженная до напряжения 2US, где US – амплитуда зарядного напряжения каждого конденсатора, R2 – внутреннее сопротивление конденсаторов, L2 – индуктивность конденсаторов, LL –индуктивность нагрузки, резистор 114 Ом – эквивалентное сопротивление делителя напряжения. Постоянные RSW и LSW – сопротивление и индуктивность разрядника, которые определялись из сравнения расчетных

 Схема RLC-контура на линейных-2

Рис. 4. Схема RLC-контура на линейных элементах, использованная для определения эквивалентных сопротивления RSW и индуктивности LSW разрядника в зависимости от протекающего через него тока.

Рис. 5. Расчетная и экспериментальная осциллограммы напряжения на нагрузке RL=8.7 Ом при US=100 кВ по окончании итерационного процесса при RSW =0.2 Ом, LSW =70 нГн.

осциллограмм напряжения на нагрузке с зарегистрированными в эксперименте. На рис. 5 показаны, для примера, расчетная и экспериментальная осциллограммы при US=100 кВ, RL =8.7 Ом по окончании итерационного процесса сравнения при RSW = 0.2 Ом, LSW =70 нГн.

Описанная первая серия расчетов показала, что эквивалентные сопротивление и индуктивность разрядника падают при увеличении протекающего по нему тока (рис. 6 и 7, соответственно).

Если падения сопротивления можно было ожидать, то падение индуктивности разрядника с ростом тока требовало объяснения. Для этого была выполнена вторая серия расчетов с использованием схемы с нелинейными элементами, показанная на рис. 8.

Рис. 6. Зависимость эквивалентного сопротивления разрядника RSW от протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при US=100 кВ, черными квадратами – при 90 кВ, черными треугольниками – при 80 кВ, серыми квадратами – при 70 кВ, черным точками – при 60 кВ. Рис. 7. Зависимость эквивалентной индуктивности разрядника LSW от протекающего по нему тока. Серыми треугольниками показаны данные, полученные при US=100 кВ, черными квадратами – при 90 кВ, черными треугольниками – при 80 кВ, серыми квадратами – при 70 кВ, черным точками – при 60 кВ.


Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.