Приборы и техника эксперимента, 2023, № 1, стр. 56-61

1. ВВЕДЕНИЕ

В ИЯФ СО РАН была разработана серия импульсных высокочастотных (ВЧ) ускорителей электронов типа ИЛУ на энергию 1–10 МэВ, которые используются как в режиме облучения электронами, так и в режиме тормозного излучения. Для питания этих мощных импульсных ускорительных устройств, состоящих из одного или нескольких резонаторов, использованы генераторы на основе мощных высокоэффективных электровакуумных приборов – триодов ГИ-50А. Анодное питание генераторов формируется модуляторами, основу устройства которых составляют формирующие линии с сосредоточенными параметрами и коммутирующие элементы из силовых тиристоров. Каждый модулятор содержит: низковольтный трехфазный выпрямитель, собранный по мостовой схеме (схема Ларионова), накопительный дроссель, формирующую линию, импульсный трансформатор, согласующий параметры модулятора и генератора; коммутационными элементами являются тиристоры [1]. Все ускорители серии ИЛУ работают с одним модулятором, лишь ускоритель ИЛУ-14 с энергией ускоренных электронов до 10 МэВ и мощностью тока пучка до 100 кВт при частоте повторения импульсов тока пучка до 50 Гц питается от трех модуляторов [2]. Импульс формируется за счет предварительно заряженной до заданного напряжения емкостной составляющей линии. Модулятор выдает высоковольтный импульс напряжения на анод ВЧ-генератора амплитудой до 32 кВ и длительностью около 500 мкс. Формирующая линия заряжается от сети питания без трансформации до напряжения 8 кВ. Основные технические характеристики модулятора представлены ниже:

2. УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО МОДУЛЯТОРА

Рассмотрим работу одного модулятора, предназначенного для импульсного питания промышленных ускорителей электронов типа ИЛУ (с одним модулятором работают ускорители ИЛУ-7, ИЛУ-8, ИЛУ-10 и др.). Каждый модулятор содержит: управляемый трехфазный выпрямитель; линейный (с большим, равномерно распределенным по длине стального сердечника воздушным зазором) дроссель накопления L₁; емкость формирующей линии С₁, равную 120 мкФ; синхронизируемые сборки коммутаторов Т₁–Т₃, набранные из тиристоров типа ТБ333-500-14. Принципиальная схема модулятора приведена на рис. 1а, на рис. 1б показаны временные диаграммы, поясняющие работу модулятора.

Рис. 1.

а – схема импульсного накопления тока в индуктивности и зарядки емкости формирующей линии (Т₁–Т₃ – синхронизируемые сборки коммутаторов; ИТ – импульсный трансформатор); б – временные диаграммы, поясняющие работу модулятора.

Рассмотрим выбор основных параметров и элементов модулятора. Время накопления для рабочего режима ускорителя электронов T_нак равно 16 мс. При этом величина среднего тока накопления согласуется с величиной среднего тока тиристора Т₁ (500 А). Величину индуктивности L₁ получаем из энергетического соотношения: W_E = = $\frac{{{{L}_{1}}{{I}^{2}}}}{2}$. При W_Е = 4000 Дж, I = 1200 А получаем L₁ = 6 мГн. Время перезаряда T_зар получаем из формулы Томсона: $T = 2\pi \sqrt {{{L}_{1}}{{C}_{1}}} $, откуда T_зар = Т/4 = = 1.33 мс.

Схематичный чертеж дросселя накопления приведен на рис. 2. Два металлических керна, каждый по 4 секции, набраны пластинами из электротехнической стали толщиной 0.35 мм и сечением 16 × 16 см², высота кернов составляет 50 см. Сверху и снизу керны связаны стальными плитами длиной 50 см. Общая длина воздушного зазора, разделяющего секции кернов и плиты, составляет 28 см: 3 зазора по 2 см между секциями, а также верхний и нижний зазоры по 4 см.

Рис. 2.

Расчетная картина распределения магнитного потока по магнитопроводу дросселя накопления модулятора.

Равномерное распределение воздушных зазоров по периметру магнитопровода обеспечивает отсутствие большого рассеяния магнитного потока в зазорах, а также минимизацию возможных вихревых потерь от наведенных токов в металлических элементах конструкции дросселя. Картина распределения магнитного поля дросселя показана на рис. 2. Катушки дросселя накопления w₁ и w₂, расположенные на кернах, намотаны медной полой шиной марки OF-OK сечением 12.5 × × 12.5 мм² с круглым отверстием диаметром 7 мм, каждая катушка состоит из трех секций по 30 витков.

Расчетный эффективный ток для времени накопления 16 мс и частоты повторения импульсов 50 Гц равен 670 А. Величина магнитной индукции в железе дросселя составляет порядка 1 Тл. Общие активные потери в шести обмотках достигают 8 кВт. Эффективные токи в фазах сети питания до выпрямителя достигают 570 А и накладывают ограничение на длину кабелей, соединяющих модулятор с питающим трансформатором. Так, использовав для соединения трехфазный медный кабель длиной 100 м (сечение 150 мм², сопротивление 0.1 Ом/км), можно потерять около 10 кВт.

3. РАБОЧИЙ ЦИКЛ МОДУЛЯТОРА

При запуске тиристорной сборки Т₁ в индуктивности L₁ начинает линейно нарастать ток и накапливаться энергия (время накопления Т_нак на рис. 1). Для случая включения индуктора без активных потерь на постоянную ЭДС ток в индукторе линейно нарастает от времени: $i(t) = \frac{E}{{{{L}_{1}}}}t$. Расчет дает величину Т_нак = 14 мс для запасаемой энергии до 4.3 кДж и тока до 1.2 кА. Величина выходного напряжения выпрямителя равна амплитудному значению линейного напряжения сети – 537 В. Экспериментально эти рабочие параметры (с учетом активных потерь) достигаются при времени накопления около 15 мс. При запуске ключа Т₂ тиристор ключа Т₁ восстанавливает изолирующее состояние (ключ Т₁ размыкается), при этом процесс накопления прекращается, и вся энергия, запасенная в индуктивности L₁, резонансно перебрасывается в емкость формирующей линии C₁ (время заряда Т_зар = 1.33 мс на рис. 1).

Остановка нарастающего тока в дросселе или принудительное выключение Т₁ достигается возможностью схемы подключать к аноду проводящего тиристора Т₁ предварительно заряженный конденсатор – емкость C₁ формирующей линии. Отрицательная полярность до напряжения –1 кВ на рабочей емкости предварительно формируется дополнительным источником через элементы R и D на рис. 1. Тиристорный ключ Т₂ подключает С₁ (практически ЭДС) к проводящему тиристору Т₁. Время действия обратного напряжения определяется временем перезаряда этой емкости и накопительного дросселя от –1 до +8 кВ. Время перезаряда от –1 кВ до 0, когда к Т₁ приложено отрицательное напряжение, под действием которого восстанавливается запирающая способность тиристора, равно не менее 100 мкс (время выключения тиристора ТБ333-500 по паспорту меньше 50 мкс). Таким способом осуществляется зарядка емкости с плавной регулировкой величины напряжения временем накопления заряда Т_нак.

После окончания процесса заряда емкости тиристорный ключ Т₂ запирается, поскольку ток в дросселе становится равным нулю (ток через Т₂ отсутствует), срабатывает управляемый тиристорный ключ Т₃, и формирующая линия подключается к нагрузке R_н. При этом время накопления энергии в дросселе и перекачки ее в емкость, а также время формирования рабочего импульса (до 1 мс) определяют частоту повторения импульсов до 50 Гц (Т_раб = 20 мс на рис. 1), с которой работает устройство, и величины токов и напряжений для выбора элементов приведенной схемы. Конструктивно все элементы модулятора размещены в стальных электротехнических шкафах (рис. 3).

Рис. 3.

Шкаф: а – с формирующей линией C₁; б – с импульсным трансформатором; в – с накопительным дросселем L₁.

4. РАСЧЕТЫ ТОКОВ В ФАЗАХ СЕТИ ПИТАНИЯ

Рассмотрим временные диаграммы всех токов (рис. 4) для различных схем включений модуляторов. При включении одного модулятора (см. рис. 4а) видна значительная несимметричность формы сигнала тока за период сети, о чем свидетельствует вид кривых роста среднего тока за один период в фазах. Это приводит к появлению постоянной составляющей тока в фазах питающего трансформатора при работе одного модулятора. Из-за этого в токе вторичных обмоток, питающих модулятор, в каждом из трех стержней магнитопровода трансформатора (входящего в схему установки или на подстанции) возникает однонаправленный поток подмагничивания трансформатора, который уменьшает допустимый диапазон изменения индукции в сердечнике. Трансформатор при этом может намагничиваться (магнитные сопротивления сердечника возрастают), и магнитные потоки замыкаются по воздуху и конструктивным элементам трансформатора. Это приводит к возникновению аварийных токов и перегреву трансформатора.

Рис. 4.

Кривые токов накопления, суммарных токов по фазам (каждая фаза выделена своим цветом) и средние токи в каждой фазе сети питания для одного (а), двух (б) и трех (в) модуляторов. На верхних рисунках для понимания приведена синусоида напряжения питающей сети (50 Гц).

Для решения данной проблемы было предложено токовое симметрирование времени начала накопления в устройствах зарядки емкостных нагрузок [3]. При включении трех модуляторов для получения симметричной системы несинусоидальных токов модуляторы запускаются каждый через 6.67 мс, а при включении двух модуляторов – через полпериода сети [4]. С помощью такого метода удается выравнивать величины эффективных токов по фазам. Симметрирование токов по фазам одного модулятора не достигается за период сети, и для обнуления среднего тока необходимо пропустить еще один период сети. Начинать следующий цикл накопления следует через 10 мс (частоты повторения импульсов при этом равны 33.3, 20, 14.3, 12.5 Гц и т.д.). Анализ формы средних токов по фазам (см. рис. 4а) показывает, что для одного модулятора полное размагничивание стержней трансформатора в питающих фазах происходит только на втором импульсе накопления, когда фазные токи сменят полярность. С учетом постоянной составляющей в токе приходится удваивать мощность трансформатора. Эффективные токи по фазам также приходится симметрировать. Следует отметить удобство контроля намагниченности стержней трансформатора по кривым средних токов в фазах.

Средние токи за период сети для вариантов включения двух (рис. 4б) и трех (рис. 4в) модуляторов обнуляются за период, а следовательно, нет намагничивающих токов в питающей ускоритель сети. Для варианта на рис. 4в эффективные токи по фазам одинаковы.

5. ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ЧАСТОТЫ СЕТИ ПИТАНИЯ

Модулятор представляет собой устройство, потребляющее несинусоидальный ток (т.е. является нелинейной нагрузкой). Рассмотрим спектры гармоник, создаваемых токами 6-пульсного выпрямителя в трехфазных сетях, для случая трех модуляторов (рис. 4в). В схеме электропитания применен трехфазный мостовой выпрямитель, который формирует и распределяет по фазам импульсные токи. Основным генератором высших гармоник является не нагрузка, а выпрямитель (индуктивная нагрузка линейна). Для снижения высших гармоник предлагается устанавливать в каждой фазе до выпрямителя дополнительные индуктивности (фильтрующие дроссели) по 0.5 мГн. На рис. 5 приведены кривые токов одной фазы сети без индуктивностей и с фильтрующими дросселями.

Рис. 5.

Влияние фильтрующих дросселей на форму периода тока фазы А.

С помощью разложения Фурье получаем представление функции периода тока тригонометрическим рядом суммы 15-ти гармоник. Соответствующие гистограммы приведены на рис. 6. Коэффициент гармоник К_U в ГОСТ 13109-97 определяется как коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения и вычисляется по формуле:

где U_K – действующее значение межфазного напряжения высших гармоник, кратных по частоте основной гармонике.

Рис. 6.

Разложения тока фазы А по гармоникам: а – без дополнительных индуктивностей, б – с фильтрующими дросселями.

Предельно допустимое значение коэффициента гармоник К_U, согласно ГОСТ 13109-97, составляет 12%, расчет без дополнительных дросселей в фазах сети питания дает величину 21.2%, а при расчете на гармоники тока с фильтрующими дросселями – 10%.

6. ВЫВОДЫ

Мощности современных промышленных ускорителей выросли до сотен киловатт, и применяемые для их питания устройства, которые потребляют несинусоидальный ток, могут искажать всю питающую сеть. Для устранения нежелательных эффектов, связанных с эксплуатацией систем питания с линейной зарядкой индуктивного накопителя и емкостной нагрузкой, было предложено несколько методов усовершенствования их работы, позволяющих добиться симметрирования эффективных токов по фазам питающей сети, а также уменьшения гармонических искажений в электросети. В частности, установка линейных дросселей по 0.5 мГн в фазах сети позволяет уменьшить гармонические искажения до требуемых по ГОСТ 13109-97 значений, а запуск трех модуляторов через 6.67 мс позволяет выравнять эффективные токи по фазам.