В последние годы особый интерес вызывает изучение эффектов, требующих приложения гигантских электрических мощностей. К таким эффектам можно отнести получение сверхсильных импульсных магнитных полей и изучение широкого круга задач, связанных с нимизучение свойств материалов в экстремальных условияхзадачи, связанные с ускорением заряженных частицряд прикладных задач, относящихся к поджигу термоядерных мишеней, запитки крупных лазерных установок, генерированию мощных пучков рентгеновского излучения и т. п.
Для выделения больших мощностей на нагрузке требуется сформировать импульс сверхсильного тока с коротким временем нарастания, т. е.
введение
в нагрузку большой энергии за очень малое время. В технике получения сильных и сверхсильных импульсных токов стандартным методом формирования импульсов является переброс тока из накопительной цепи генератора или накопителя энергии в нагрузку. Обычно в накопительной цепи каким-либо способом за относительно большое время накапливается необходимая энергия. Затем эта энергия, в виде импульса тока, либо напрямую, либо через несколько ступеней формирования (или преобразования) передается в нагрузку за очень короткие времена. Часть энергии, естественно, при этом теряется.
Таким образом, при перебросе тока наиболее существенными являются задачи:
• передать энергию с наименьшими потерями при коммутации повысить КПД передачи энергии);
• по возможности сократить время ввода энергии в нагрузку обострить фронт импульса тока).
При прямой передаче энергии из накопителя (или генератора) в индуктивную нагрузку очень сложно выполнить эти требования одновременно, поскольку скорость ввода энергии и КПД ввода энергии определяются соотношением между собственной индуктивностью накопителя и индуктивностью нагрузки: максимальную скорость ввода энергии можно получить когда индуктивность нагрузки много меньше индуктивности накопителя, а оптимальное значение КПД переброса тока — при их равенстве.
Таким образом, исходя из конкретной задачи приходится выбирать один наиболее важный критерий и применять дополнительные устройства для улучшения второго.
При идеальной работе коммутирующего элемента — мгновенном изменении тока от начального значения до 0, — передача энергии магнитного поля из индуктивности в индуктивность без преобразования ее в другие виды энергии определяется известным соотношением: АЛ где Ь0 — величина накопительной индуктивности, Ья — величина индуктивности нагрузки, и имеет максимальный КПД 77тах =0.25 при ЬН=Ь0 и отсутствии начального тока в нагрузке. Как показано в работе [1], с вводом начального тока в нагрузку, равного половине тока в накопителе, КПД системы определяется выражением 4.
0+24) и при выполнении условия «1, можно получить максимальное значение =0.5. Это, по всей видимости, максимально достижимая величина КПД при однократной коммутации без преобразования энергии.
Возможность дальнейшего повышения коэффициента передачи энергии в нагрузку связывается уже с другими схемами построения источника (накопителя). В работе [2] упоминаются два класса схемных решений ИН:
1. Применение промежуточных преобразований энергии. Например, из магнитной энергии ИН в электрическую емкостного накопителя (ЕН) (такой способ будет рассмотрен в работе в качестве одного из примеров при передаче энергии) или многофазное преобразование тока ИН посгоянный-переменный-посгоянный.
2. Существенно увеличить коэффициент передачи энергии можно с помощью применения схем многосекционных ИН, предложенных А. П. Потоцким [3] с последовательным подключением к нагрузке очередных секций накопителя (г| —>0.65) или переключением секций с последовательного соединения на параллельное. При достаточно большом количестве модулей ЛГ, максимальное значение КПД может достигать величины.
7тя = * ~ ^ %у2/3 и стремиться к единице.
Второй способ не всегда приемлем. Например, при получении экстремальных магнитных полей и исследовании скоростных процессов, необходимыми условиями эксперимента являются отсутствие предварительного воздействия на нагрузку предымпульсом тока и времена ввода энергии, лежащие в микросекундном диапазоне. В этом случае как применение многосекционных ИНЭ так и введение в нагрузку предварительного тока невозможно.
С точки зрения плотности накапливаемой энергии наиболее эффективным являются индуктивные накопители энергии (ИНЭ), в которых энергия накапливается в индуктивности при пропускании по ней тока. ИНЭ в свою очередь могут быть переходным звеном между накопителями (или генераторами импульсных токов) других типов и нагрузкой, позволяя увеличить плотность вводимой энергии. Например, достаточно распространенным использованием ИНЭ является его применение в комбинации с емкостным накопителем энергии (индуктивно-емкостной накопитель — ИЕНЭ). Тогда вначале энергия накапливается в емкости конденсаторной батареи, а потом передается в индуктивный накопитель, формирующий на нагрузке импульс тока.
Для быстрой передачи энергии в малоиндуктивную нагрузку из индуктивного накопителя энергии критической стадией является переброс тока из накопительной цепи в нагрузочную.
В этом случае ключевую роль играет размыкатель тока (opening switch), который должен обладать рядом специфических и трудновыполнимых требований. Предложить универсальный метод решения этой задачи невозможно — тип размыкателя должен определяться исходя из конкретных целей (требуемых характеристик) и реальных возможностей (т.е. исходя из технико-экономических соображений).
Сейчас наиболее эффективными размыкателями для коммутации сверхсильных (мегаамперных) токов можно считать взрывные, электровзрывные и плазменные размыкатели и их вариации (эрозионные, рельсотронные, диффузионные и т. п.).
Наиболее перспективным направлением является разработка размыкателей, не имеющих в составе частей, совершающих механические перемещения в процессе коммутации, что позволяет создавать устройства многоразового использования с короткими временами срабатывания. Принцип работы таких коммутаторов основан на обратимом изменении характеристик рабочего материала размыкателя каким-либо внешним воздействием. Таким образом, подобные коммутаторы являются практически безынерционными по отношению к управляющему воздействию.
В данной работе предлагается использовать нелинейные свойства ферромагнитной среды для создания управляемого размыкателя сверхсильных токов — ферромагнитного размыкателя (ФР). Ферромагнитный размыкатель — это включенная в цепь накопителя катушка индуктивности с сердечником, намагниченность которой может резко изменяться с помощью дополнительного (управляющего) ортогонального поля. При соответствующем выборе параметров ФР, управляющее поле может быть создано током, много меньшим рабочего.
Ферромагнитный размыкатель является альтернативой известным методам коммутации в мощных импульсных источниках энергии, использующих плазменные размыкатели, разрушение проводников взрывом, нагрев и электрический взрыв проводников. Предлагаемая система является системой многократного использования, поскольку в ней нет элементов конструкции, которые разрушались бы или совершали механические перемещения во время коммутации.
Таким образом, можно сформулировать цели данной работы.
Поскольку никогда ранее в сильноточной импульсной технике подобные устройства не применялись, то первой из них является исследование возможности использования ферромагнитного размыкателя для создания коммутатора в системах мощной импульсной техники.
Возможность изменения характеристик среды с помощью внешнего ортогонального поля использовалась в промышленной энергетики для создания управляемых реакторов. Подобные устройства использовались в сетях промышленной частоты для регулирования реактивного сопротивления при относительно малых токах. Достаточно подробно они будут рассмотрены ниже. Основными требованиями к таким устройствам являются малость потерь, длительность эксплуатации и глубина регулирования, т. е. в основном они рассматривались с точки зрения экономичности.
В условиях работы со сверхсильными токами, приходиться решать ряд специфических проблем, поэтому второй целью работы будет разработка методологии численного и упрощенного аналитического (инженерного) расчета электромагнитных процессов в цепях с ферромагнитным размыкателем.
Основные результаты работы:
1. Предложена расчетная аналитическая модель ФР с использованием кусочно-линейной аппроксимации нелинейной кривой намагничивания.
2. На базе расчетной модели показана возможность использования ФР для коммутации токов мегаамперного уровня и разработана методика расчета ФР для реальных устройств.
3. Показана возможность и проведена оптимизация геометрических характеристик ФР в рамках расчетной модели. Найдены условия, при которых объем сердечника минимален.
4. Проведен подробный анализ энергобаланса в случае взаимо-деисгвия двух ортогональных магнитных полей в нелинейной изотропной ферромагнитной среде. На примере модельных задач и случае работы ФР в составе индуктивного накопителя показано, что в процессе коммутации происходит обмен энергией между контурами, создающими тороидальное и полоидальное поле. Этот обмен имеет место несмотря на отсутствие магнитной связи между контурами и обусловлен нелинейными свойствами материала сердечника.
5. Предложена математическая модель работы ФР в индуктивно-емкостном накопителе энергии в качестве коммутирующего элемента для трех вариантов управления: 1) с помощью зануления тока в цепи управления- 2) с помощью компенсации магнитного поля полои-дальной составляющей поля- 3) с первоначальным намагничиванием от источника коммутирующего тока. Создано сооответствующее программное обеспечение для численного исследования ФР с использованием реальной кривой намагничивания.
6. Проведены численные исследования работы ФР в составе индуктивно-емкостного накопителя энергии, подтверждающие применимость предложенного аналитического метода расчета характеристик ФР.
7. Приведены численные и аналитические расчеты ФР для демонстрации возможности его применения в реальных электрофизических установках.
7.1. На примере обострителя мегаамперного тока при получении мегагауссных магнитных полей показана эффективность использования ФР д ля формирования импульса тока с малым временем нарастания в малоиндуктивной нагрузке.
7.2. Показана возможность использования ФР тока в качестве коммутатора при формировании паузы тока в установке «БАЙКАЛ» при передаче энергии около 8 МДж из модуля ИНЭ с индуктивностью 750 нГн в нагрузку с индуктивностью 450 нГн.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В диссертационной работе проведены расчеты с целью обоснования возможности использования ферромагнитного размыкателя в качестве коммутирующего элемента индуктивных и индуктивно-емкостных накопителей энергии.
Области применения ферромагнитного размыкателя можно определить путем сопоставления его характеристик и возможностей с традиционными устройствами, используемыми для коммутации тока в ИНЭ и ИЕНЭ.
Одним из параметров, характеризующих размыкатель, является энергия ДИ7, которая, как отмечалось, передается в цепь управления в процессе коммутации.
В схеме, где для компенсации тока гв используется конденсаторный разряд, энергия Шс, которую надо запасти в емкости С, близка к А1¥-1, а в случае, когда индуктивность нагрузки мала, обе эти энергии мало отличаются от передаваемой в нагрузку энергии Т¥-2.
Ферромагнитный размыкатель с компенсацией тока целесообразно применять для «обострения» импульса тока в цепях с малоиндуктивной нагрузкой, когда выполнено условие Ь2 «Ьь и эффективность передачи энергии в нагрузку не имеет значения. Примером может быть задача получения резко нарастающего магнитного поля в соленоиде малого объема (п. 5.1.), когда индуктивность Ь2 мала, амплитуда тока определяется индуктивностью цепи разряда батареи {Ь2 «Ь0), а время нарастания тока необходимо резко уменьшить. Непосредственный разряд конденсаторной батареи с энергией ¥-г на соленоид с энергетической точки зрения достаточен для решения этой задачи, но практически удобнее использовать ФР, а не создавать батарею, собственная индуктивность которой в приведенном примере (п. 5.1.) должна быть много меньше 3 нГн, что весьма трудно обеспечить на практике. Батарея в цепи управления при энергии, близкой к Ж2, не должна быть малоиндуктивной и может быть выполнена в виде генератора импульсных напряжений (например, генератор Аркадьева-Маркса). Параметры подобной батареи, приведенные в таблице 5.3, легко достижимы и позволяют обеспечить требуемое время нарастания тока в нагрузке.
Конкурирующим вариантом в данном случае может быть традиционная схема со взрывом широкой фольги — устройство, содержащее в отличии от ФР, разрушаемые элементы.
Близким к рассмотренному является пример переброса тока в схеме с дополнительной емкостью (установка «БАЙКАЛ»). В этом случае вначале небольшая доля энергии перебрасывается в относительно небольшую индуктивность батареи С1. Энергия, перебрасываемая в эту индуктивность, относительно мала, что делает целесообразным применение схемы с компенсацией тока. Альтернативой схеме с ФР в этом случае могла бы быть схема с непосредственным разрядом дополнительной батареи с целью формирования паузы тока. Как и в предыдущем примере, эта батарея должна была бы иметь очень малую индуктивность (много меньше паразитной индуктивности батареи С-) и обеспечить ток масштаба 5 МА, тогда как в цепи управления ФР можно использовать батарею с меньшим током (-0.5 МА) и напряжением 1800 кВ, которая может быть выполнена по схеме ГИНа без жестких требований к ее индуктивности.
В обоих указанных примерах с малоиндуктивной нагрузкой объем сердечника также относительно мал, поскольку он определяется энергией, перебрасываемой в нагрузку.
Во всех рассмотренных примерах вместо компенсации тока в цепи управления может быть использован его обрыв с помощью обычно используемых устройств (например, путем электрического взрыва фольги). Мощность этого устройства должна быть приблизительно такой же, как и при его включении по традиционной схеме, однако конструкция размыкателя в цепи управления может быть существенно облегчена по сравнению с его применением в основной цепи, т.к. в цепи управления коммутатор должен быть рассчитан на существенно меньший ток, и может иметь большую индуктивность. Лишь проработка конкретных конструкций может показать, насколько эти преимущества ФР реализуются на практике при учете того, что напряжение на коммутаторе в цепи управления возрастает в той же пропорции, в какой уменьшается ток.
Главной задачей работы был первоначальный анализ схемы с ферромагнитным размыкателем, разработка методики его расчета в рамках идеализированной модели, описывающей свойства материала (безгистерезисная кривая намагничивания). При этом основным первоначальным стимулом для этого исследования была попытка создания обостряющего устройства для системы генерирования мегагаусс-ного поля в малоиндуктивных соленоидах малого объема. Поэтому рассмотренные в работе примеры охватывали случаи, когда передаваемая в нагрузку энергия мала как по отношению к запасаемой, так и по абсолютному значению. Первое обстоятельство позволяет предложить схему с компенсацией тока путем разряда батареи в цепи управления, т.к. энергия этой батареи может быть значительно меньше, чем энергия накопителя. Небольшие масштабы абсолютного значения перебрасываемой в нагрузку энергии не привели в примерах к необходимости использовать сердечники с большим объемом железа.
Вопрос о возможности применения ФР для более широкого круга задач выходит за рамки данной диссертации и должен быть предметом достаточно обширного дополнительного изучения.
Следует отметить некоторые моменты, которые могут представлять интерес при дальнейших исследованиях и разработках:
1. Применение материалов с повышенным значением порога намагничивания может привести к резкому снижению объема сердечника (пропорционально В'2).
2. Особенностью ФР является то, что энергия коммутационных потерь передается в контур управления, а не диссипируется в основной цепи. Это открывает принципиальную возможность рекуперации этой энергии: частичного возврата в основную цепь. Предварительный анализ показывает, что это возможно, в частности, в системе бездиссипативной коммутации с использованием конденсаторной батареи в цепи управления.
