Переходные процессы в емкостных накопителях энергии с полупроводниковыми коммутаторами

2
Оглавление
Введение 5
Глава 1
Исследование коммутационных процессов в емкостном накопителе энергии с полупроводниковым коммутатором на основе РВД 15
1.1. Проблема разработки коммутатора больших импульсных токов 15
1.1.1. Искровые коммутаторы 16
1.1.2. Вакуумные разрядники 17
1.1.3. Игнитроны 18
1.1.4.11олупроводниковые коммутаторы 18
1.2. Обоснование схемотехники цепи формирования импульса 21
1.2.1. Цепи формирования импульса конденсаторных ячеек 21
1.2.2. Цепь формирования импульса на основе РВД 23
1.2.3. Нагрев полупроводниковых ключей 24
1.2.4. Переключение тока в кроубарную цепь 26
1.3. Переходные процессы в конденсаторных ячейках емкостного накопителя энергии
и обеспечение работоспособности полупроводниковых коммутаторов 28
1.4. Методы защиты полупроводниковых приборов от перенапряжений 34
1.5. Варисторная защита полупроводниковых диодов 35
1.6. Применение ИС цепей вместе с варисторами для защиты
полупроводниковых диодов 37
1.7. Перенапряжения при электрическом взрыве проводников 38
1.8. Экспериментальная проверка гибридной (УК-ЯС) защиты диодов в режиме программируемого разряда 39
1.9. Использование диодов с мягким восстановлением в формирующих
цепях конденсаторных ячеек 40
1.10. Предельные токовые нагрузки диодов 41
1.11. Выводы 45
Глава 2
Разработка и исследование компактного емкостного накопителя энергии с полупроводниковым коммутатором на основе РВД 47
2.1. Известные большие емкостные накопители энергии 47
з
2.2. Исходные требования для разработки ЕНЭ 49
2.3. Модульная структура емкостного накопителя энергии 50
2.4. Основные параметры разрядных контуров ЕНЭ 51
2.5. Технические характеристики и состав ЕНЭ 52
2.6. Конденсаторная ячейка ЕНЭ 55
2.6.1. Структура и конструкция конденсаторной ячейки ЕНЭ 56
2.6.2. Обеспечение безопасной эксплуатации конденсаторной ячейки ЕНЭ 59
2.6.3. Полупроводниковый коммутатор конденсаторной ячейки ЕНЭ 60
2.7. Запуск РВД 62
2.7.1. Принцип работы контура запуска РВД 62
2.7.2. Однородное включение РВД 63
2.7.3. Математическое моделирование переходных процессов
в схеме запуска РВД 64
2.7.4. Блоки запуска РВД 70
2.7.5. Особенности работы низковольтного блока запуска РВД 72
2.8. Зарядное устройство 73
2.9. Система управления 74
2.10. Исследование переходных процессов в разрядных контурах ЕНЭ 76
2.10.1. Режим холостого хода 77
2.10.2. Режим короткого замыкания 79
2.10.3. Режим программируемого разряда 80
2.10.4. Сравнение полученных характеристик ЕНЭ с режимами, определенными
в техническом задании 81
2.11. Выводы 82
Глава 3
Исследование переходных процессов в конденсаторной батарее противотока для коммутационной аппарату ры ИТЭР 84
3.1. Устройство защитного вывода энергии 84
3.2. Полупроводниковый коммутатор конденсаторной ячейки батареи противотока 86
3.3. Исследование предельных токовых нагрузок тиристоров с мягким восстановлением 88
3.3.1. Описание стенда и методики исследования 89
3.3.2. Предельные токовые нагрузки тиристора 90
3.3.2.1. Предельные токовые нагрузки SCR 90
3.3.2.2. Предельные токовые нагрузки LTT 91
4
3.3.3. Оценка токовой нагрузки тиристоров 92
3.4. Исследование процесса обратного восстановления тиристоров 93
3.5. Исследование процесса включения тиристоров 98
3.5.1. Включение SCR тиристоров 99
3.5.2. Включение LTT тиристоров 100
3.6. Ресурсные испытания сборки LTT тиристоров 102
3.7. Описание конденсаторной ячейки батареи противотока ИТЭР 103
3.8. Выводы 105
Глава 4 Скип-эффект в разрядных контурах емкостных накопителей энергии 106
4.1. Скин-эффект в массивных проводниках 106
4.2. Измерение параметров массивных проводников в частотной области 107
4.3. Вычисление переходных процессов 111
4.4. Выводы 112
Заключение 114
Список литературы 115
5
Введение
Актуальность работы
Развитие современной импульсной энергетики требует создания сильноточных устройств, способных генерировать мощные импульсы тока длительностью от десятков микросекунд до нескольких миллисекунд. Такие устройства - источники больших импульсных токов, находят применение в различных физических исследованиях, в том числе в опытах с сильноточным электрическим разрядом в плотных средах, для получения сильных импульсных магнитных полей, в схемах питания и защиты обмоток токамаков, в экспериментах по электромагнитному метанию твердых тел и др.
В качестве источника больших импульсных токов наибольшее распространение получили накопители энергии следующих типов: емкостные накопители энергии (ЕНЭ), индуктивные накопители энергии и электромашинные накопители энергии. Среди перечисленных видов накопителей емкостные накопители энергии обладают наименьшей плотностью запасаемой энергии. В то же время, они характеризуются рядом преимуществ перед другими типами накопителей энергии. Они удобны и просты в эксплуатации, допускают возможность изменения в широких пределах параметров импульса разрядного тока, способны работать на разные тины нагрузок с высокой эффективностью передачи накопленной энергии.
Одной из основных задач при создании источников больших импульсных токов является разработка надежного и малогабаритного коммутатора тока. До недавнего времени задачи коммутации больших импульсных токов решались с помощью газоразрядных коммутаторов, таких как управляемые воздушные разрядники, игнитроны, тиратроны, вакуумные разрядники и др. Такие коммутаторы имеют недостатки, наиболее серьезными из которых являются: «самоходы» (самопроизвольные срабатывания), ограниченный ресурс работы, невозможность применения в мобильных установках, экологическая опасность (для игнитронов)и др.
При современном уровне развития элементной базы переход к полупроводниковым приборам представляется неизбежным, поскольку они обладают высокой надежностью и достаточно большим сроком службы. Кроме того, известными достоинствами полупроводниковых приборов являются: высокий КПД, мгновенная готовность к работе и экологическая безопасность.
Достигнутый в настоящее время прогресс в создании конденсаторов с высокой плотностью энергии (более 1,5 Дж/см3) и полупроводниковых коммутаторов для больших
6
импульсных токов сделал реальной задачу создания емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами способных в сравнительно небольшом объеме запасать энергию в несколько сотен килоджоулей и генерировать импульсные токи амплитудой в сотни килоампер.
Создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами является задачей, которая имеет существенное значение для современной мощной импульсной техники. Эта задача требует решения ряда инженерных проблем. Следует разработать схемотехнику и конструкции полупроводникового коммутатора для емкостных накопителей энергии. Необходимо обеспечить стабильную, надежную работу коммутатора в условиях одиночных импульсов ударного тока, при которых происходит сильный нагрев полупроводниковых структур и, возможно, их разрушение под действием импульсных перенапряжений, возникающих при выключении тока (обратном восстановлении ключа) в цепи с большой индуктивностью. Компактное размещение всех компонентов ЕНЭ выдвигает задачу обеспечения работоспособности этих компонентов в условиях одновременного действия электрических, магнитных, тепловых и силовых полей. Поэтому исследование процессов в емкостных накопителях энергии и поиск условий для надежной работы полупроводниковых коммутаторов в этих накопителях является актуальной задачей.
Цель работы
Основной целью работы является создание компактных емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
• исследовать переходные процессы в разрядных контурах емкостных накопителей энергии и определить условия возникновения опасных для полупроводниковых ключей режимов;
• найти и обеспечить условия для функционирования в режимах ударных токов полупроводниковых коммутаторов двух типов, на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) и на основе фототирисгоров при различных режимах разряда и разных нагрузках;
• разработать и исследовать конструкции разрядных контуров емкостных накопителей энергии с полупроводниковыми коммутаторами;
• исследовать влияние скин-эффекта в массивных проводниках разрядных контуров на процессы формирования импульса тока в емкостном накопителе энергии.
7
На защиту выносятся следующие результаты
1. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов в разрядных контурах емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ при синхронном и программируемом разряде на различные виды нагрузок (активная нагрузка, короткое замыкание, холостой ход, разряд на взрывающуюся проволочку).
2. Методы и схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность полупроводниковых ключей в режиме ударных токов при синхронном и программируемом разряде 1 МДж 18 кВ емкостного накопителя энергии на различные виды нагрузок.
3. Результаты экспериментального исследования предельной токовой нагрузки диодов в режиме ударных импульсных токов. Метод экспериментального исследования нагрузочной способности полупроводниковых ключей в режиме ударных импульсных токов, основанный на увеличении токовой нагрузки до появления термогенерационного пика на осциллограмме прямого падения напряжения и сравнении интегральных параметров импульса тока (заряд и интеграл действия) к моменту достижения термогенерационного пика с интегральными параметрами рабочего импульса тока.
4. Конструкция разрядных контуров емкостного накопителя энергии 1 МДж 18 кВ с плотностью энергии 0,38 Дж/см3, характеризующегося компактностью, малыми потерями энергии при разряде, способностью работать на различные виды нагрузок в режимах синхронного и программируемого разряда.
5. Результаты экспериментальных исследований переходных процессов, возникающих при включении и выключении высоковольтных тиристорных (Silicon controlled rectifier, light triggered) сборок в конденсаторной батарее противотока Международного
экспериментального термоядерного реактора ИТЭР. Схемотехнические решения, обеспечивающие работоспособность высоковольтных полупроводниковых тиристорных сборок в режимах работы конденсаторной батареи противотока ИТЭР.
6. Метод измерения частотно-независимых параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скинового параметра, основанный на применении
изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки измеренных значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводника в диапазоне частот резко-выраженного поверхностного эффекта.
Научная новизна работы
1. Разработан комплекс методов и аппаратных средств защиты ключей,
обеспечивающих сохранение работоспособности полупроводников в условиях перегрева
8
полупроводниковых структур ударными токами при различных условиях, возникающих при разрядах емкостных накопителей энергии.
2. Впервые описаны и систематизированы условия работы полупроводниковых коммутаторов в режиме программируемого разряда емкостного накопителя энергии, в том числе условия возникновения коммутационных перенапряжений и токовых пауз. Эти условия подтверждены в многочисленных экспериментах, где одновременно были зарегистрированы переходные процессы программируемого разряда и быстрые процессы возникновения коммутационных перенапряжении.
3. Впервые обнаружено явление токовой паузы в разрядном коммутаторе при программируемом разряде ёмкостного накопителя, в течение которой происходит рекомбинация и уменьшение концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах, что может привести к разрушению коммутатора при его повторном включении. Предложено поддерживать при токовой паузе начальную концентрацию носителей заряда в коммутаторах за счёт протекания тока по цепи гарантированного разряда, впервые использованной в составе конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии.
4. При комплексной защите полупроводниковых ключей варисторами и К. С цепями предложено и обосновано техническое решение выбирать конденсаторы снабберных цепей из условия подавления перенапряжений только на период времени задержки варисторов. Это обеспечило малые размеры устройств защиты полупроводниковых коммутаторов и компактность высоковольтного оборудования конденсаторных ячеек.
5. Новой является схема ИСЮ снабберной цепи, при которой исключены броски тока при включении тиристоров и обеспечивается эффективное подавление коммутационных перенапряжений при выключении тока и обратном восстановлении тиристоров в цепи с индуктивностью.
6. Новым является совместное использование КСЭ снабберной цепи и форсирующей КС цепи для обеспечения оптимальных условий выключения и включения фототиристоров в разрядном контуре с индуктивностью.
7. Новым является метод измерения двух не зависящих от частоты параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скинового параметра, основанный на применении изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки методом наименьших квадратов значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления проводников в диапазоне частот резко выраженного скин-эффскта. Указанный метод дает значения параметров массивных проводников, определяющих
9
влияние скин-эффекта на переходные процессы в разрядных контурах импульсных установок.
Практическая значимость работы
1. Разработанные методы и аппаратные средства обеспечения работоспособности полупроводниковых коммутаторов позволили создать новые конструкции импульсных установок и могут быть в дальнейшем использованы при разработке других источников импульсного тока.
2. Создан компактный емкостной накопитель с полупроводниковыми коммутаторами на основе РВД с запасаемой энергией 1 МДж, максимальным напряжением 18 кВ и рекордной плотностью энергии 0,38 Дж/см'). Накопитель выдержал приемо-сдаточные испытания и передан в эксплуатацию Заказчику (Китай, Нанкинский Университет Науки и Технологии).
3. Разработан и испытан опытный образец конденсаторной батареи противотока с полупроводниковыми коммутаторами двух типов: на основе мощных импульсных тиристоров и фототиристоров. Конструкция опытного образца конденсаторной батареи включена в проект комплекса коммутационной аппаратуры для быстрого защитного вывода энерг ии из сверхпроводящих обмоток ИТЭР.
4. Разработанный метод измерения внешней индуктивности и скинового параметра проводников позволил ввести параметризацию устройств с массивными проводниками и измерять при приемочных испытаниях только два частотно независимых параметра, которые полностью определяют соотношения между током и падением напряжения на массивных проводниках в частотной и временной областях.
Личный вклад автора в представленную работу
1. Автор выполнил экспериментальное исследование переходных процессов и условий работы полупроводниковых коммутаторов при различных режимах разряда емкостных накопителей энергии.
2. Автор разработал методы и схемотехнические решения для защиты полупроводниковых ключей емкостного накопителя энергии.
3. Автор создал экспериментальные стенды для исследования переходных процессов и методов защиты полупроводниковых коммутаторов, которые в дальнейшем были использованы для отработки конструкций разрядных контуров емкостных накопителей энергии.
10
4. Автор участвовал в создании емкостного накопителя энергии 1 МДж, 18 кВ в качестве ответственного исполнителя комплекса работ, включающих в себя сборку, наладку и испытания элементов разрядных контуров и всего емкостного накопителя энергии, а также приемочные испытания и сдачу накопителя энергии в эксплуатацию.
5. Автор участвовал в разработке и испытаниях опытных образцов конденсаторной батареи противотока для коммутационной аппаратуры ИТЭР.
6. Автор разработал и осуществил на практике метод измерения параметров массивных проводников, внешней индуктивности и скипового параметра. Указанный метод автор применил для параметризации индукторов с массивными витками емкостных накопителей энергии. Эго позволило установить в технической документации индукторов и контролировать при их изготовлении два не зависящих от частоты параметра, которые полностью определяют соотношение между током и падением напряжением на индукторах.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 16th IEEE International Pulsed Power Conference, June 17-22, 2007, Albuquerque, USA, (2 доклада)
2. 2nd Euro-Asian Pulsed Power Conference, 22-26 September 2008, Vilnius, Lithuania. (1 доклад)
3. 17th IEEE International Pulsed Power Conference, June 28-July 2, 2009, Washington DC, USA. (3 доклада)
4. 18th IEEE International Pulsed Power Conference, 19-23 June, 2011, Chicago, USA. (3 доклада).
Публикации
Основные материалы диссертации опубликованы в 14 работах; из них 4 статьи в журналах [57, 62, 64, 65J, 7 статей в трудах международных конференции [55, 56, 58-61, 63] и 3 тезиса докладов [66 - 68].
Структура и объем диссертации
Диссертация работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Диссертация содержит 120 страниц машинописного текста, 25 таблиц, 75 рисунков по тексту, список использованной литературы из 68 наименований.