Генерирование мультимегаамперных импульсов тока для ускорения и сжатия твердых тел

4
11
11
16
24
32
42
53
55
56
56
57
60
67
70
75
84
85
85
86
90
92
92
97
103
105
105
2
СОДЕРЖАНИЕ Введение
Концепция построения мультимегалжоульнмх и мульгнмегяачперных емкостных накопителей энергии и ее реализация в установке Е7-25.
Источники мегаамперных импульсных токов
Режимы зарядки и зарядные устройства больших емкостных
накопителей энергии.
Модульная структура большой конденсаторной батареи.
Нейтрализация заряда конденсаторной батареи н аварийные ситуации на стадии заряда.
Конденсаторная ячейка емкоспюго накопителя энергии.
Выходные цепи мультимегаамперного емкостного накопителя энергии. Предельные импульсные токи для проводников.
Система управления большою емкостною накопителя энергии. Выводы.
Теория программируемого разряда большого емкостного накопителя энергии.
Постановка задачи.
Разряд конденсаторной батареи при неодновременном включении коммутаторов.
Метод усреднения для анализа режима программируемого разряда. Аппроксимация в конечных разностях "медленного* переходного процесса.
Приближенное описание "медленного" переходного процесса с использованием непрерывной аппроксимации емкости. Программируемый разряд при различных нагрузках накопителя энергии.
Синтез оптимальных режимов программируемого разряда Выводы.
Система измерений емкостного накопителя энерг ин Е7-25.
Постановка задачи.
Алгоритмы восстановления сиг налов.
Библиотека процедур математической обработки сигналов.
Применение системы.
Расчет индуктивности и сопротивления нагрузки по осциллограммам тока и напряжения
Расчет индуктивности и сопротивления нагрузки по осциллограммам тока и напряжения при программируемом разряде емкостного накопителя энергии.
Выводы.
Некоторые применения мегаамперных импульсных токов для ускорения твердых тел.
Работа накопителя Е7-25 с электроразрядным ускорителем макротел
106
107
ИЗ
116
117
117
118
120
136
138
149
166
167
170
182
18^
- з-
Работа емкостного накопителя энергии Е7-25 с двухступенчатым (электроразрядным и рельсотронным) ускорителем тел.
Импульсный плазмотрон как нагрузка емкостного накопителя энергии. Особенности генерации мегаамперных токов для больших рельсотронов Выводы.
Применение мультнмсгаамперных импульсов тока для получения сверхвысокого давления и изучения фазовых превращений веществ.
Постановка задачи.
Схема импульсного сжатия.
Нелинейная диффузия импульсного магнитного поля в цилиндрические проводники.
Предельные параметры электродинамического сжатия Стенд для электродинамического сжатия Исследование импульсного нагрева стали и графита на электродинамическом стенде.
Выводы.
Заключение.
Список литературы.
Приложение I. Аппаратные средства и программное обеспечение системы осциллографических измерений.
Приложение 2. Теплофизические свойства металлов при атмосферном давлении
Введение
Актуальность проблемы. В последние годы возникла значительная потребность в источниках импульсов, способных создавать в нагрузке электрический ток в единицы и десятки мегаампер при энергии импульса - единицы и десятки мегаджоулей. Такие источники требуются для различных физических исследовании, в том числе для опытов с высокотемпературной и низкотемпературной плазмой, для получения сильных и сверхсильных импульсных магнитных полей, для изучения свойств веществ в экстремальных состояниях при высоких давлениях и температурах и при других исследованиях. Велика потребность в таких установках для исследований в области электрических методов ускорения твердых тел, где благодаря прогрессу в этих исследованиях стала реальной задача достижения кинетической энергии метаемого тела величиной в несколько мегаджоулей.
До недавнего времени 1енерация мультнмегаамперных импульсов тока с энергией в десятки мегаджоулей была возможна только при использовании взрывомагнитных генераторов. Таким генераторам свойственен принципиальный недостаток, •заключающийся и том, иго после каждою импульса уничтожается большая часть энергетического оборудования и объект исследования Для большинства приложений требуются стационарные источники импульсного тока, которые можно использовать многократно и которые не уничтожают экспериментальные установки, являющиеся нагрузкой генератора В настоящее время такими стационарными источниками могут быть большие емкостные накопители энергии, создание которых стало возможным из-за увеличения плотности запасаемой энергии и уменьшения стоимости импульсных конденсаторов благодаря достижениям в области технологии конденсаторного производства Поэтому в настоящей работе рассматриваются генераторы импульсных токов на основе больших емкостных накопителей энергии с запасаемой энергией в единицы и десятки мегаджоулей.
Сравнительный анализ характеристик больших емкостных накопителей энергии показывает, что в основном имеется две группы мегаджоульных накопителей, отличающихся длительностью импульса и величиной разрядного тока. Первую группу составляют «быстрые» конденсаторные установки, для которых характерно высокое рабочее напряжение (50 - 240 кВ), большая величина тока 1 разряда (3 - 25 МА) и малая длительность импульса (2-13 мкс). Эти установки предназначены для изучения высокотемпературной плазмы, для опытов с источниками мощного импульсного излучения, для получения сверхсильных магнитных полей.
Ко агорой группе можно отнести «медленные» установки, которые генерируют импульсы сравнительно низкого напряжения (5 - 25 кВ), относительно малой величины тока / £ЗМА и большой продолжительности (1-6 мс). Такие установки строились в основном для исследований в области физики плазмы, для создания сильных, медленно меняющихся магнитных полей, для питания рельсотронных ускорителей тел.
Имеется область параметров импульсов, которая не охватывается накопителями первой и агорой групп. Эю импульсы тока в несколько мегаампер (3-10 МА), длительностью в десятки микросекунд (40 - 200 мкс). Такие импульсы необходимы для изучетшя электрического разряла в плотных средах, питания электроразрядных и крупных рсльсотронных ускорителей твердых тел, для получения сверхвысоких
импульсных давлений и для других областей физики. Для этих импульсов характерно то,
*»
что величина интеграла действия тока У = превосходит величину интеграла для
о
конденсаторных установок первой и второй групп. Это в сочетании с проблемами
5
накопления и коммутирования большой энергии определяет сложность научных и технических задач, которые необходимо решить при создании таких установок.
Одним из крупнейших источников импульсов тока с большим И1ГГе1раЛОМ действия является емкостной накопитель энергии Е7-25, созданный в институте ИПЭФ РАН с участием автора. Создание этого накопителя потребовало разработки ряда новых технических решений, которые излагаются в настоящей работе Теоретическое и экспериментальное исследование процессов генерации импульсов мультимегаамперного тока, а также отработка конструкции накопителя и основных его составных частей, является актуальной задачей, имеющей важное значения для развития этой области техники.
Мультимсгаджоульные емкостные накопители энергии являются чрезвычайно дорогими установками; затраты на их создание сосгавляют миллионы и десятки миллионов долларов. С другой стороны такой накопитель энерг ии разрабатывается под вполне определенный импульс разрядного тока Изменение ф°Рмы импульса мультимегаамперного тока требует проведения сложных, трудоемких и дорогих работ по созданию и встраиванию в разрядную цепь формирующих ток элементов (индуктивностей, сильноточных полупроводниковых приборов и др.). С другой стороны, присущая большим емкостным накопителям модульная структура и возможность использования большого количества разрядников позволяют решить задачу изменения формы импульса тока без выполнения указанных работ только за счет управления разрядным процессом Это управление реализуется в так называемом режиме программируемого разряда, при котором модули могут заряжаться до различного начального напряжения, а разрядные коммутаторы в модулях включаются не одновременно по заданной временной программе.
Автор предложил и обосновал новый метод формирования импульсов тока в больших емкостных накопителях энергии - режим программируемого разряда. Разработка теории программируемого разряда и создание методов расчета оптимальных режимов такого разряда является актуальной задачей, которая также рассматривается в настоящей работе.
Современные методы экспериментального исследования импульсных процессов базируются на применении цифровых измерительных приборов, в первую очередь на применении цифровых осциллографов Обработка измерительной информации должна в наше время осуществляться на персональных компьютерах Большинство современных цифровых приборов оснащаются приборным интерфейсом, который позволяет достаточно просто соединить приборы с компьютером. Чтобы полноценно использовать преимущества цифровых приборов (оецшикирафов) и компьютеров необходимы новые подходы к применению приборов и к проведению импульсных измерений Необходимо также создание специальных алгоритмов и программных средств для обработки измерительной информации
Следует отметить, что ведущие изготовители цифровых приборов (фирмы Тетроникс, Хьюлет Паккард, Симмеис, и др.) оснащают приборы программным обеспечением для обработки измерений. Такое программное обеспечение может быть встроенным в прибор или поставляется для установки его на компьютер Однако изготовители приборов нс в состоянии предусмотреть все множество ситуаций, возникающих при измерениях в высоковольтных импульсных установках, а системы программного обеспечения не открыты в достаточной степени для дополнения их алгоритмами, требующимися в каждом конкретном случае измерений. Выход состоит в создании открытой сисгемы обработки осциллографической информации, в которую пользователь измерительных приборов включает свои алгоритмы и подпрограммы. Это определяет актуальность разработки открытых для пользователя программных сисгем
-6 -
для импульсных измерений. В виду отсутствия подобных систем пришлось выполнить разработку программных средств для осциллоГрафических измерений. Актуальным также является разработка алгоритмов и подпрограмм обработки сигналов, характерных для высоковольтных импульсных измерении, которые представлены в настоящей работе
Генерация мультимсгаампсрного импульса с большим значением интеграла действия тока является сложной технической задачей Не менее сложной научной и инженерной задачей является создание устройств, способных принять такой импульс и использовать его в электрофизическом эксперименте. Для накопителя энергии Е7-25 такими устройствами стали элекгроразрядный ускоритель твердых тел и стенд для динамического сжатия. Задача разработки электрических цепей нагрузки, способных принять импульс тока до 10 МА при интеграле действия тока до 5109 А2с, рассматривается подробно на примере стенда для электродинамического сжатия. Стенд создавался для изучения фазовых превращений веществ, происходящих при высоких давлениях и температурах
Традиционные методы получения сверхвысоких импульсных давлений основаны на использовании взрыва бризантных взрывчатых веществ При этом получают давлении в течение одной - двух микросекунд или долей микросекунд Разрабатываемый в работе метод, основанный на явлении г-пинч сжатия толстостенного лайнера, создает давление в течение нескольких десятков микросекунд, ^о позволяет исследовать свойства веществ в условиях близких к условиям статического нагружения. Кроме того, в опытах с углеродом, с нитридом бора и с другими материалами следует ожидать, »по увеличение длительности импульса давления приведет к увеличению доли выхода кристаллической фазы и к росту размера кристаллов. Поэтому разработка оборудования и методов применения мультимегаамперных импульсов тока для получения сверхвысоких давлений и изучения фазовых превращений веществ является актуальной задачей, имеющее научное и практическое значение.
Целями работы являются решение научной проблемы создания стационарных источников мультимегаамперных импульсов с большим значением интеграла дейсгвня тока на основе емкостных накопителей энергии, а также разработка научных основ применения таких источников для ускорения и сжатия твердых тел.
В соответствии с поставленными целями решались следующие задачи.
1. Разработка и теоретическое обоснование концепции построения больших емкосгных накопителей энергии для генерации импульсов тока с большим значением шгтеграла действия
2. Разработка и исследование структур, схем и конструкций основных составных частей емкостного накопителя энергии (ячейка, модуль, выходные устройства, разъемные контактные соединения сильноточных выходных цепей и др.).
3. Разработка структур, схем и конструкций для нейтрализации заряда конденсаторов и защиты при аварийных ситуациях
4 Разработка методов анализа и выполнение исследования переходных процессов при программируемом разряде емкостного накопителя энергии.
5. Разработка методов синтеза оптимальных режимов программируемого разряда емкостного накопителя энергии.
6. Разработка концепции осциллографическнх измерений в мощных импульсных установках и создание системы для ее реализации.
7. Разработка методов обработки оецнллотрамм разрядных процессов, позволяющих определить электрические параметры элементов электрических цепей накопителя в случае постоянных или меняющихся во времени индуктивности и сопротивления этих элементов.
8. Экспериментальное исследование режимов разряда большого емкостного накошггеля энергии при генерировании мегаамперных импульсов тока для электроразрядных и комбинированных (электроразрядлых и рельсотронных) ускорителей макротел.
9. Теоретическое обоснование применения больших импульсных токов для получения сжимающего давления до 10 ГПа и разработка методов импульсного электродинамического сжатия.
10. Создание экспериментальной установки для импульсного сжатия и нагрева твердых тел и для изучения происходящих при этом фазовых превращений веществ.
Автор защищает следующие положения.
1. Концепцию построения емкостного накопителя энергии для генерирования мультимсгаампсрных импульсов тока длительностью в десятки микросекунд. Концепция включает в себя следующие положения.
• Применение линейного режима зарядки конденсаторов, при котором обеспечивается максимальный КПД и минимальная установленная мощность зарядного устройства. Реализация линейною режима с помощью тиристорных регуляторов тока в цепях первичных обмоток повышающего трансформатора.
• Разделение всей конденсаторной батареи на ячейки, которые через балластные сопротивления по цепи высоковольтного литания объединены в модули, управление зарядом и разрядом у каждого модуля осуществляется независимо.
• Применение кабельно-коллекторной системы для электрического соединения ячеек с нагрузкой.
• Обеспечение возможности работы накопителя в режиме программируемого разряда за счет выбора характеристик кабельно-коллекторной системы и наличия необходимой для этого системы синхронизации накопителя.
• Применение конструкций инерционного и механического удержания
проводников в выходных цепях накопителя для поглощения кинетической энергии, приобретаемой проводниками при больших импульсных токах.
• Использование установленных предельных токовых нагрузок для проводников и контактных соединений в выходных цепях накоиигеля. Применение конструкций и методов сборки контактных соединений, обеспечивающих линейную плотность импульсного тока до 80 кА/см
• Организация иерархической системы управления емкостным накопителем энергии с компьютером на верхнем уровне управления.
2. Применение нелинейных резисторов из карбида кремния в качестве балластных сопротивлений.
3. Режим программированного разряда как способ формирования тока в нагрузке большого емкостного накопителя энергии.
4. Методы и результаты теоретического анализа переходных процессов при программируемом разряде емкостного накопителя энергии Применение метода усреднения и эквивалентной схемы с непрерывно возрастающей емкостью для расчета тока в нагрузке емкостного накопителя при программированном разряде. Метод синтеза оптимальных программ разряда, обеспечивающих формирование заданного импульса тока при минимальной запасенной в конденсаторах энергии.
5. Методы расчета индуктивности и сопротивления элемента сильноточной электрической цепи по осциллограммам тока и напряжения в случаях постоянных или меняющихся во времени индуктивности и сопротивления
6. Методы и результаты расчега нелинейной диффузии сильного импульсного магнитного поля в соосные цилиндрические проводники, а также найденные при этом
- в -
расчете режимы для получения даиления до 10 ГПа, при которых зона плавления металла внешнею проводника не достигает его внутренней поверхности и нс происходит разрушения исследуемого вещества, размещенного внутри цилиндрических проводников
7. Принципы построения неразрушаемой установки для импульсного сжатия и нагрева твердых тел, обеспечивающие подвод к исследуемому образцу мудьтимегаамперных токов длительностью в десятки микросекунд.
Методы исследования. Решение рассмотренных в работе теоретических задач базировалось на использовании методов теоретической электротехники и математики В том числе анализ работы узлов емкостного накопителя энергии выполнен с применением методов теории цепей и вариационного исчисления. При разработке теории программируемого разряда использовались методы теории обобщенных функций, метод усреднения, который, например, широко используется в теории колебаний, а также вариационные методы для поиска и обоснования оптимальных режимов программируемого разряда. При анализе нелинейной диффузии сильного импульсного магнитного поля в цилиндрические проводники использовались методы низкочастотной электродинамики, теория параболических уравнений с частными производными, сеточные методы численного решения нестационарных задач Все эти методы были реализованы автором на компьютере в виде численных моделей исследуемых процессов.
Экспериментальные исследования выполнялись на стендах института ИГТЭФ РАН, в том числе на емкостном накопителе Е7-25 и электродинамическом стенде для импульсного сжатия, создание которых является главным результатом настоящей работы. При проведении импульсных измерений и при математической обработке измерительной информации применялись разработанные автором программные системы «05С$сгу» и «МуоИ». Первая система («0«»егу») обеспечивала управление цифровыми осциллографами, получение и математическую обработку осциллографической информации по разработанным в работе алгоритмам. Вторая система («МуоИ») осуществляла регистрацию напряжения на модулях емкостного накопителя энерг ии Е7-25 до и после разрядного процесса При исследовании импульсных процессов применялась также высокоскоростная киносъемка.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработана концепция построения больших емкостных накопителей энергии для генерирования мультимсгаампсрных импульсов с большим значением интеграла действия тока и создан один из крупнейших в мире накопитель Е7-25. в котором -реализована эта концепция
2. Предложен и обоснован новый метод управления разрядным процессом в большом емкостном накопителе энергии - метол программируемого разряда
3. Разработаны методы анализа и методы синтеза оптимальных режймов программированного разряда, основанные на использовании метода усреднения для описания электрического переходного процесса в нагрузке.
4. Разработаны методы расчета индуктивносги и электрического сопро'гивления постоянной и меняющейся со временем нагрузки по осциллограммам тока и напряжения
5. В результате решения задачи нелинейной диффузии сильного импульсного магнитного азимутального поля в соосггые цилиндрические проводники обоснована возможность сжатия вещества до давления .- 10 ГПа в условиях, когда зона плавления металла не достигает внуфенней поверхности наружного проводника и не происходит разрушение исследуемых веществ.
9
6, Разработан метод создания импульсных давлений до 10 ГПа, основанный на применении больших импульсных токов, и создан неразрушающийся экспериментальный стенд для получения таких давлений.
Практическая значимость работы заключается:
1. В использовании научных положений, обоснованных в диссертации, для создания импульсных установок мсгаджоульного диапазона энергии, генерирующих или использующих мегаамперные импульсы с большим значением интеграла действия тока,
2 В создании уникального источника импульсного тока - емкостного накопителя энергии Е7-25. который по запасаемой энергии и величине разрядного тока является крупнейшим в России и превосходит по величине интеграла действия тока большинство подобных установок в мире.
3. В создании и применении режима программируемого разряда для оптимизации процессов, происходящих при сильноточном электрическом разряде. Режим программируемого разряда применяется на стендах Института проблем электрофизики РАИ для формирования импульса тока в электроразрядных ускорителях тел.
4. В создании концепции измерений однократных процессов и системы для осциллографирования в мощных импульсных системах, которая позволяет автоматизировать обработку осциллограмм по алгоритмам пользователя, учитывающим применяемые датчики и требования эксперимента
5. В возможности установить в эксперименте постоянные или меняющиеся во времени величины индуктивности и сопротивления в сильноточных цепях электрофизических установок
6. В генерировании мегаамиерных токов для элекгроразрядиых и комбинированных (электроразрядиых + рельсотронных) ускорителей макротел.
7. В создании экспериментального стенда, способного многократно создавать давления до 10 ГПа длительностью несколько десятков микросекунд для исследования веществ в условиях, близких к условиям статического сжатия.
Реализация результатов работы.
1. Теоретические положения и результаты экспериментальные исследований,
представленные в диссертации, явились научной основой создания крупнейшего источника импульсных токов - емкостного накопителя энергии Е7-25, способного генерировать импульсы тока 10 МА при интеграле действия 5-109 А2с.
2. Разработанный в работе режим программируемого разряда был впервые
реализован и используется при изучении и разработке электроразрядиых ускорителей в Институте проблем электрофизики В новых крупных емкостных накопителях энергии, создаваемых в развитых промышленных странах, как правило, предусматривается режим программируемого разряда
3. Разработанные автором система для осциллографирования однократных
процессов и алгоритмы математической обработки сигналов применяются на всех импульсных установках Института проблем электрофизики и обеспечивают получение и обработку измерительной информации при выполнении исследований
4. Созданный емкостной накопитель энергии Е7-25 применяется как источник мегаамперного тока с регулируемой формой импульса для исследования элсктроразрядных и комбинированных ускорителей макротел, состоящих из элсктроразрядной и рельсотронной ступеней ускорения.
5. Созданный электродинамический стенд обеспечивает выполнение экспериментальных исследований материалов при воздействии высоких давлений (до 10 ГПа) и темпера тур.
-/о-
Апробация работы и публикации.
Материалы работы представлялись на 3-сй Всесоюзной конференции "Импульсные источники энергии" (Ленинград, июнь 1989), на конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, июнь 1995), на 4-ом и 5-ом Европейском Симпозиуме по технологии электромагнитного ускорения (Целле, Германия, июнь 1993 и Тулуза, Франция, апрель 1995), на 7-ом и 9-ом Международных симпозиумах по электромагнитным методам ускорения (Сан-Диего, США. апрель 1994 и Эдинбург, Англия, май 1998), на 9-ой, 10-ой, 11-ой Международных конференциях по мощной импульсной техники (Альбукерк. США, июнь 1993, июль 1995, Балтимор, США. июнь 1997), на международных конференциях "Мегагаусс-7" и "Мегагаусс-8" (Саров, август 1996 и Таллахасси США. окгябрь 1998), на международной конференции по высоким давлениям (Киого, Япония, август 1997), на семинаре "Капица-98" (Саров, ВНИИЭФ, сентябрь 1998).
По теме диссертации опубликовано 56 научных работ и получено 2 авторских свидетельства на изобретения. Основное содержание диссертации изложено в 35 научных работах
-11-
1. Концепция построения мультнмегаджоульных и мультнмегаамперных емкостных накопителей энергии н ее реализация в установке Е7-25.
1.1. Источники мегаампериых импульсных токов
В последние годы возникла потребность в генерации больших импульсных токов (порядка нескольких единиц и даже десятков мегаампер), несущих в нагрузку большое количество энергии (десятки мегаджоулей) при длительности в десятки микросекунд. Такие токи требуются в экспериментах в области физики конденсированных состояний, для исследования высокотемпературной и низкотемпературной плазмы, для получения в больших объемах сильных магнитных полей для различных физических исследований Велика потребность в таких импульсных токах для электрических ускорителей макротел (рсльсотронов, элсктроразрядных и индукционных ускорителей), где благодаря достигнутому техническому прогрессу стала реальной задача достижения кинетической энергии метаемого тела в единицы и десятки мегаджоулей.
Общую картину современного развития техники генерирования больших импульсных токов можно составить из опубликованных материалов международных конференций и симпозиумов (IEEE International Pulsed Power Conferences, International and European Symposiums on Electromagnetic launch Technology и лр ) [I - 6]. Источником мультнмегаамперных импульсов тока, мощность которых достигает десятков и сотен гигаватт, могут быть взрывомагннтные генераторы или накопители энергии. Взрывомагнитным генераторам свойственен принципиальный недостаток, состоящий в том, что после каждого импульса уничтожается объект исследования и большая часть энергетического оборудования. Поэтому в настоящей работе мы не рассматриваем применение этих генераторов в качестве источников импульсного тока.
В качестве источника больших импульсных токов можно рассматривать накопители энергии следующих типов: емкостные накопителя энергии, индуктивные накопители энергии и элсктромашинныс преобразователи, у которых энергия накапливается во вращающих маховиках или в роторе электрической машины. Сравнительные оценки для предельной плотности энергии, запасенной в электрическом поле конденсатора, магнитном поле индуктивного накопителя и в маховиках даются в виде следующего соотношения 1:10:100 [7, 8]. Максимальная плотность энергии достигается в электромашинных преобразователях (с маховиками или без маховиков). Для таких накопителей характерно большое время выделение накопленной энергии (от десятых долей секунды до нескольких секунд) и, соответственно, недостаточный уровень мгновенной мощности. В последние годы появились специальные типы электрических машин для генерации мощных импульсов тока - ком пульсаторы и компрессионные генераторы [7, 9]. К настоящему времени уровень выходных токов этих машин достигает нескольких сотен килоампер, что не достаточно для решения рассматриваемых в работе задач. Несомненно, что компульсаторы и компрессионные генераторы в дальнейшем будут совершенствоваться. Однако на основании нашего опыта работы с большими токами мы считаем чрезвычайно сложным генерировать высоковольтный импульс тока в несколько мегаампер в обмотках какой-либо электрической машины.
Применение индуктивных накопителей для генерирования мультимегаамперного импульсов тока также является трудноразрешимой задачей. Это объясняется двумя причинами. Первая причина состоит в том, что для работы индуктивного накопителя требуется прерыватель тока, а для больших токов задача создания такого прерывателя является чрезвычайно сложной технической задачей. Вторая причина состоит в том. что для простейшего одноконтурного накопителя максимум тока в нагрузке примерно равен
12
максимуму зарядного тока Следовательно, увеличение мощности на выходе одноконтурного индуктивного накопителя возможно только, если внутреннее сопротивление зарядного источника тока будет меньше импеданса нагрузки. Для рассматриваемой задачи это трудно осуществимо, так как импеданс потребителей мультнмегаамперных токов чрезвычайно мал (единицы или доли миллиома) Кроме того, создание зарядного источника на токи в несколько мегаампер также является не мснсс сложной задачей Этот недосгагок индуктивных накопителей можно устранить двумя способами Первый способ реализован в трансформаторных индуктивных накопителях. Во втором способе обмотка индуктора секционирована; заряд осуществляется при последовательном соединении секций, а разряд - при параллельном. В обоих случаях проблемы коммутации становятся более сложными по сравнению с простейшим одноконтурным индуктивным накопителем, что пока не позволяет достичь на выходе накопителя мультнмегаамперного уровня тока. Таким образом, индуктивные накопители не могут пока рассматриваться как источники мультнмегаамперных токов.
Все это объясняет, почему большие емкостные накопители энергии являются основным источником сильных импульсных токов [10 - 12J. Преимуществом емкостных накопителей является то, что зарядка конденсаторных батарей производится от устройств со сравнительно небольшой мощностью, и для их разряда требуются более простые и надежные замыкающие ключи. Недостаток этих накопителей заключается в относительно малой плотности запасаемой энергии Однако, по мере прогресса в создании импульсных конденсаторов с высокой энергоемкостью, конденсаторные батареи становятся по массогабаритным характеристикам сравнимыми с другими источниками импульсной мощности.
В настоящее время в развитых промышленных странах эксплуатируются и строятся емкостные накопители энергии с запасаемой энергией в единицы и десятки мегаджоулей и с разрядным током в несколько MeiaaMiiep. Ранее такие накопители энергии использовались главным образом для физических экспериментов:
- для опытов по лазерному термоядерному синтезу [ 13, 22J,
- для получения сверхсильных магнитных полей [14, 19],
- для изучения плазмы с высокой плотностью энергии и в качестве источников мощного импульсного излучения [17, 19-21],
В последние годы емкостные накопители энергии стали основным источником импульсной мощности для электрических гипсрскоростных ускорителей твердых тел [15,18,23-30].
Несмотря на то, что большие емкостные накопители энергии являются основным источником сильных импульсных токов для электрофизических исследований, известно немного литературных источников, в которых комплексно рассматриваются вопросы создания таких устройств. С 1970 г, и до сих пор основной книгой на эту тему, изданной на русском языке, считается монография В.С.Комелькова и коллектива авторов из Ленишрадского Политехнического института [10]. Комплексному рассмотрению принципов создания больших емкостных накопителей энергии посвящена небольшая статья Е.Кемиа [11], а также обзор Г.С.Кучинского, П И Шкуропата и Г.А.Шнеерсона (также ЛГ1И), изданный в 1987 г. [12]. Общую картину современного развития этой области техники можно составить из опубликованных материалов международных конференций и симпозиумов (IEEE International Pulsed Power Conferences, International and European Symposiums on Electromagnetic launch Technology и др.) [1-6].
В таблице 1 представлены некоторые характеристики емкостных накопителей энергии, информация о которых была опубликована. Наибольшие достижения в строительстве таких накопителей имеются в США (Maxwell Laboratories Inc., Physics
-1 з-
International Co. и др.). Американские фирмы построили также крупные емкостные накопители энергии в Германии (25] и Англии (26].
В России также имеются большие емкостные накопители энергии По величине запасаемой энергии крупнейшим в России является комплекс емкостных накопителей энергии экспериментальной установки для изучения лазерного термоядерного синтеза «Искра-5» [13]. Этот комплекс эксплуатируется во ВНИИЭФ и обладает обшей энергией 67,3 МДж. В накопителях каждая конденсаторная ячейка разряжается на свою нагрузку. Максимальный ток в каждой нагрузке составляет 300 кА. Со стороны разрядных цепей эти накопители представляют собой набор большого количества источников импульсов с небольшой запасаемой энергией в каждом. Поэтому при разработке и эксплуатации этого комплекса отсутствовали проблемы, связанные с подводом мегаамперных токов к нагрузке.
Второе место в России по величине запасаемой энергии и первое по величинам разрядного тока и интеграла действия тока занимает емкостной накопитель энергии Е7-25, построенный в Институте проблем элеюрофизики РАН. Этот накопитель входит в число крупнейших источников импульсного тока в мире
Сравнение больших емкостных накопителей энергии показывает, что в основном имеется две группы мегаджоульных накопителей, отличающихся длительностью импульса и величиной разрядного тока Первую группу составляют «быстрые» конденсаторные установки, для которых характерно высокое рабочее напряжение (50 ~ 240 кВ), большая величина тока разряда (3 - 25 МА) и малая длительность импульса (2 -13 мке) [14, 17 - 21]. Ко второй группе можно отнести «медленные)) установки, которые генерируют импульсы низкого напряжения (5 - 25 кВ) относительно малой величины тока (до 3 МА) и большой продолжительности (1 - 6 мс) [23 - 30].
Существует область параметров импульсов, которая не охватывается накопителями первой и второй групп. Эго импульсы тока в несколько мегаампер (3-10 МА) длительностью в несколько десятков микросекунд (40 - 200 мкс). Такие импульсы необходимы для изучения электрического разряда в плотных средах, для получения сверхвысоких импульсных давлений и для других областей физики. Для этих импульсов характерно то, что величина интеграла действия тока существенно превосходит величину интеграла для установок первой и второй групп. Это в сочетании с проблемами накопления и коммутирования большой энергии определяет сложность научных и технических задач, которые необходимо решить при создании таких установок. Установкой этого класса является емкостной накопитель энергии Е7-25.
В настоящей главе рассмотрен ряд научных и технических задач, возникающих при создании мультиме1аджоульных и мультимегаамперных емкостных накопителен энергии, и приведено обоснование основных технических решений, заложенных в конструкции накопителя Е7-25
-щ-
Основные характеристики емкостных накопителей энергии
Таблица 1.1.
Наименование установки Запасае- мая энергия, _..мдр Напря- женке. кВ Дтнтсль- ность импульса. МКС Максимальный ток, МА Разрядные комму- таторы Приме- чания
Большие емкостные накопители энергии в России
Искра-5, ВНИИ ЭФ. Россия 113] (предеазкачен для питания установки ЛТС) 67.28 50 Т = 70 I, = 0.3 (для одной ячейки) 665 разрядников при повышенном 665 ячеек к нагрузок
Е7-25 ИПЭФРАН 17.2 (9.6) 25 70 - 400 10 Вакуумные ратрялпики 23(12) модулей
Устройство для получения СИЛЬНЫХ м.икктных полей. СпГТУ, Россия 1141 1.6(0 8) 50 Т- 12 5 (Период колебаний при к/у) 3 24 ратрвдммкж Ы1 твердо лячхпрмке
Мустанг. НПО «Союз». Россия [15] 2.5 5. 10 2500 1.65 20 игнитро- нов
ГОЛ-3, Институт гидродинамики. Новосибирск, Россия 116] 10 6 26000 0.008 (рилелгапм ПО СОП1ИНМ иягрумы) 4 пссаадо# тиуску К ижд*Х* 40 секции
Большие емкостные накопители энергии за рубежом
*1>ыстрмс* емкостные накопители энергии
АИм, ЬАИЬ. иБА, 12 П 36 240 (* ШМІЖ модо» 4-спи. ГИН) 4 - 5 р« (фронт импульса) 25 Проект. 20 модулей
БЬіеа 5іаг. РІііІІір* ІлЬогаїогу. иБАДП] 9.4 120 Т = 13 (Период колебаний при ка) 14
РеваяіЗ ЬАЫЬ, и$А,[20] 4.3 2-50=« 100 Т=16 (Период колебаний при ка) 12-14 4 (шдодиикд сі тт«р.-ом дмчосприк«
Сіюстаїе, МахмеІІ ЬаЬ. Іпс. ІІБА, (18) 1 (йиджш і*зауяе> 44 20 2 4 рельсовых разряд- ника Лоб модулей на одну нагрузку
Конлакатаріия бвпірся дня экспериментов по плазменному фокусу, Нявсві. Ііаіу. |І9) 1.0 40 Т-20 (Период колебаний при КА) 6 96 доівдтхо» ■у повипешюм ДМ.ННИИ
Емкоспюй накопитель эиерпш для установки ЛТЇ »
Всапікі Риіьсяі-Ромсг ЗуЗДт, ШЩ и$>А [22] 13 (9.1) 22 500 0.1 (для ошюа жп с£жм) 256 (00 2 ктимтрог.1 ■оелвдаж) 256 нагрузок н ячеек
-45~-
Продолжение таблицы 1.1.
Наименование установки Запасае- мая энергия. m;u Напря- жение. кВ Діілель- ность импульса. МКС Максимальный ток. МА Разрядные комму- таторы Приме- чания
Емкостные накопиісли энергии для электрических ускорителей тел
52 MJ Electric Gun Test Facility. USA. (23) 16 • 3.25 = 52 24 1000 16 • 0.335 16 -воздушные ратрявооск икроубір-KUC д иоды 16 модулей
Groen Farm Electric Gun Facility. USA, [24] 32 11 4000 3.6 Вомуішше раїрядикги икроубар-КЫС ДИОДЫ
Feuerstellung 2000. TZN, FRG. 125]. 30(5) 22. 44 2000 16(0.9) B0W)HIHUC рчирвЛ4ИКИ
Kirkudbright EML Facility, UJC.. [26| 29-1.1 = 31.1 5/10/15 3000 3.7 Bow>tиные разрядники и vpo)t\ip-ИНС ДИОДЫ 29 модулей
Elcctro-thcrmal Launch Research Facility. IAT UT. Austin. USA. [27]. 3 10 19 650 0.6 2.5 Игшгтрммв кро^риме и II ДЖКПІ
Pegasus, Saint-Louis. Franoc. [28]. 10 10 3000 0.09 (для одного модуля) ТіфНГІСри И к;»уГириие лікда Проект, 200 модулей. Изготовлен о2 модуля по 50 кДж
Eketro-Magnetic Launch Test Facility. DRA, Fon Halstead, U.K. [30]. 4.2 5 4000 14 .0.2 Воздушные розрядники икроуСор-іаїс диоды 14 модулей
Mobile Pulse Power Facility, Abeidoen, USA. [29]. 4 20 0.1 (для одного модуля) Ря ЩОДНИНИ N Kpo>6ipuue П.П. ДВООМ
-и-
1.2. Режимы зарядки и зарядные устройства больших емкостных накопителей энергии
Функционирование любого накопителя энергии заключается в выполнении двух циклов: цикла накопления энергии (заряд) и цикла выделения энергии в нагрузке (разряд) Для осуществления зарядного цикла в емкостных накопителях энергии применяются специальные схемы и устройства
Существует обширная литература, посвященная режимам зарядки конденсаторных батарей и конструкциям зарядных устройств. Только у нас в стране было издано, по меньшей мере. 9 монографий (31-39], которые либо посвящены целиком изучению теории зарядных устройств [35-37], либо в которых имеются обширные разделы на эту тему [31-33. 38. 39]. Условно зарядные режимы и устройства можно разделить на три класса в зависимости от соотношения длительности зарядки и периода колебаний питающей электрической сети.
1. Режим зарядки, при котором длительность зарядного процесса существенно меньше периода питающей сети и в течение одного периода происходит много циклов заряд-разряд. Такие режимы характерны для радиолокации, для стробоскопических источников света, для электроэрозионной обработки металлов и др. В этих режимах энергия одного цикла небольшая, хотя мощности, протекающие через элементы этих устройств, могут быть чрезвычайно велики. Как правило, при этом зарядка осуществляется от выпрямленного и сглаженного напряжения.
2. Режим зарядки, при котором длительность зарядного процесса сопоставима с периодом питающей сети или составляет несколько периодов. Такие режимы применяются в конденсаторных сварочных машинах, в импульсных высоковольтных газовых фильтрах, в устройствах для электроимпульсной очистки воды, и др. В этих режимах энергия одного цикла может достигать десятков килоджоулей. Зарядка, как правило, осушествляегся от элекгрнческой сети через пассивные токоограничивающие элементы (сопротивления, индуктивности, емкости) или через схемы из пассивных элементов (например, индуктивно-емкостные преобразователи [31]).
3. Режим зарядки, при котором длительность зарядного процесса существенно больше периода питающей сети Для этих режимов характерно то, что за время одного периода сети напряжение на конденсаторах меняется незначительно. Это позволяет при анализе переходных процессов в масштабе времени одного периода считать напряжение на конденсаторах постоянным. Такие режимы характерны для емкостных накопителей энергии с запасаемой энергией от единиц килоджоулей до десятков мегаджоулей, и они рассматриваются далее в этом разделе.
Для зарядки мегаджоульных конденсаторных батарей требуются большие мощности в сотни киловольт-ампер Поэтому большое значение имеет реализация оптимальных режимов зарядки, при которых обеспечиваются минимальные потери энергии и минимальная установленная мощность энергетического оборудования.
В первом приближении потери энергии при зарядке конденсаторов определяются функционалом
1.2.1. Режимы зарядки конденсаторов.