Источники стабилизированного тока для корректирующих магнитов в ускорителях и накопителях заряженных частиц
На правах рукописи
БЕЛИКОВ Олег Витальевич ИСТОЧНИКИ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ТОКА ДЛЯ КОРРЕКТИРУЮЩИХ МАГНИТОВ В УСКОРИТЕЛЯХ И НАКОПИТЕЛЯХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 01.04.20 – физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
НОВОСИБИРСК – 2010
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:
Медведко – кандидат технических наук, Анатолий Степанович Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
АУЛЬЧЕНКО – доктор технических наук, профессор, Владимир Михайлович Учреждение Российской академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.
ВАГИН – кандидат технических наук, Алексей Ильич Учреждение Российской академии наук Московский радиотехнический институт, г. Москва.
ВЕДУЩАЯ – Объединенный институт ядерных ОРГАНИЗАЦИЯ: исследований, г. Дубна.
Защита диссертации состоится «» _ 2010 г.
в «» часов на заседании диссертационного совета Д 003.016. Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.
Адрес: 630090, г. Новосибирск-90, проспект Академика Лаврентьева, 11.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.
Автореферат разослан «» _ 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук А. В. Бурдаков
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН со времени его основания проводятся эксперименты со встречными электрон-позитронными пучками. Для этих целей создаются сложные уско рительно-накопительные комплексы, периметры синхротронов которых со ставляют десятки и сотни метров.
Жёсткие требования к структуре магнитного поля современных ускори телей и накопителей заряженных частиц приводят к необходимости исполь зовать множество дополнительных электромагнитов (корректоров) для кор рекции возмущений магнитного поля на орбите. Для раздельного управления и питания этих элементов необходима современная автоматизированная сис тема, содержащая большое количество стабилизированных источников тока, управляемых и контролируемых от компьютера. Набор специфических тре бований, предъявляемых к питанию корректоров, не позволяет использовать промышленно выпускаемые источники. Актуальность настоящей работы была обусловлена необходимостью создания нового поколения источников стабилизированного тока для питания корректоров возмущений магнитного поля орбиты для вновь разрабатываемых и модернизируемых ускорителей и накопителей заряженных частиц.
Целью настоящей работы является обобщение опыта, накопленного автором в процессе разработки, изготовления и эксплуатации автоматизиро ванных систем питания корректоров равновесной орбиты, корректоров час тот бетатронных колебаний и регулировки мультипольных возмущений маг нитного поля ускорителей и накопителей заряженных частиц.
Методы исследования. При решении задач связанных с разработкой электрофизического оборудования и электроники автором использовались программы моделирования нелинейных электрических схем типа NL и LES разработки ИЯФ, пакеты программ Micro-Cap, Mathcad и Excel, а также ана литические методы анализа электрических цепей.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Основываясь на изучении поведения пучка в ускорителях и накопителях заряженных частиц, обоснованы допуски на долговременные нестабиль ности и на величины пульсаций тока в обмотках различных корректоров с учётом их частотных характеристик.
2. Изучены особенности работы импульсных преобразователей для их при менения в качестве силовых регуляторов в источниках стабилизирован ного тока. Предложена методика выбора несущей частоты преобразова теля с учётом спектра частот собственных колебаний пучка в ускорите лях и накопителях заряженных частиц, а также на основании анализа ус тойчивости работы цепи обратной связи источников питания, найдено решение системы регулирования, которая остаётся устойчивой при изме нении постоянной времени нагрузки в широких пределах.
3. Предложен способ построения многоканальных систем питания коррек торов, позволяющий увеличить эксплуатационную надёжность физиче ской установки.
4. Предложено схемное решение исполнения источников подшунтирования электромагнитов как элементов коррекции равновесной орбиты, с воз можностью рекуперации отобранной энергии в основной источник пита ния электромагнитов. Проанализированы условия получения оптималь ных параметров подшунтирования предложенным способом.
5. Предложен и реализован способ построения электропривода для шести фазного шагового двигателя с применением программируемой логики, позволяющий улучшить эксплуатационные характеристики системы привод – двигатель. Осуществлён режим работы двигателя с дроблением шага, позволяющий уменьшить дискретность шага, а также увеличить плавность хода на малых скоростях вращения.
Практическая ценность работы заключается в том, что рассмотрен ные и решённые в ней вопросы способствовали разработке систем питания электромагнитов, предназначенных для коррекции параметров магнитной системы и частот бетатронных колебаний в ускорителях и накопителях заря женных частиц.
Наиболее значимыми, по мнению автора, являются работы по созданию систем питания корректоров комплекса ВЭПП-2000 (около 180 каналов пи тания) и инженерно-производственного комплекса с синхротроном «Зелено град» – специализированного источника синхротронного излучения (около 30 каналов питания и подшунтирования).
Успешные физические результаты, полученные на комплексе ВЭПП-2000 и малом накопителе синхротрона «Зеленоград», свидетельствует о том, что перечисленные системы питания вполне соответствуют или лучше требуемых параметров. Как следствие, рассмотренные в диссертации методы могут быть применены при разработке новых подобных систем.
Автор выносит на защиту следующие результаты проделанной работы:
1. Предложена методика разработки систем питания электромагнитов, предназначенных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите ускорителей и накопителей заряженных частиц, заключающаяся в сле дующем:
1.1. Сформулированы основные требования, предъявляемые к системам питания корректоров на основе анализа поведения пучка в ускори телях и накопителях заряженных частиц.
1.2. На основе четырёхквадрантных широтно-импульсных преобразова телей разработаны варианты структурных схем стабилизаторов тока с использованием полевых транзисторов в качестве ключевых эле ментов. Проанализированы переходные процессы в ключевых эле ментах и даны рекомендации, позволяющие улучшить коммутаци онные процессы.
1.3. Предложен вариант структурной схемы источника подшунтирова ния электромагнитов на основе обратноходового преобразователя, позволяющий работать с рекуперацией отобранной энергии в ос новной источник питания электромагнита.
1.4. На основе методов теории систем авторегулирования, предложена методика анализа структурных схем, позволяющая обеспечить тре буемое качество регулирования для индуктивных нагрузок с харак терными частотами от 0,1 Гц до 500 Гц.
2. Разработаны следующие типы управляемых от компьютера четырех квадрантных источников стабилизированного тока, предназначенных для питания корректоров:
2.1. УМ-6, PA-6, MPS-6 – источники с максимальным выходным током ±6A, максимальным выходным напряжением ±100 В. Дисперсия выходного тока у этих источников за 10 часов работы не превышает значения 100 ppm.
2.2. УМ-20, УМ-25, PA-25, MPS-20, MPS-25 – источники с максималь ным выходным током ±(2025) A, максимальным выходным напря жением ±160 В. Дисперсия выходного тока у этих источников, не превышает значения 100 ppm, за 10 часов работы.
3. Для коррекции радиального положения пучка разработан источник под шунтирования SHUNT-20, позволяющий отбирать ток от обмотки элек тромагнита до 20 A при падении напряжения на обмотке в диапазоне от 5 до 30 В. При этом дисперсия тока подшунтирования за 10 часов работы не превышает значения 100 ppm. Разработанное устройство позволяет работать как с рекуперацией отобранной энергии в основной источник питания электромагнита, так и со сбросом энергии в балласт ную нагрузку.
4. При определяющем участии автора были созданы следующие системы, содержащие перечисленные источники питания и подшунтирования:
4.1. Системы питания корректоров равновесной орбиты и мультиполь ный возмущений магнитного поля накопителя БЭП и коллайдера ВЭПП-2000, содержащие около 180 каналов питания, включая кана лы транспортировки пучков заряженных частиц. Системы успешно работают в составе комплекса ВЭПП-2000 (ИЯФ).
4.2. Системы питания и подшунтирования электромагнитов, предназна ченных для коррекции возмущений магнитного поля на орбите ма лого и большого накопителей синхротрона «Зеленоград». Общее количество раздельно управляемых каналов питания и подшунтиро вания составляет около 30шт. Оборудование поставлено по кон тракту с НИИФП им. Ф.В. Лукина (г. Зеленоград), где в настоящее время продолжается сборка большого накопителя.
4.3. Система питания поворотного магнита выпускного устройства им пульсного линейного ускорителя ИЛУ-8. Система разработана в рамках контракта по поставке ускорителя ИЛУ-8 в “e-Energy Corporation” (Япония) в 2006 году, где продолжает успешно рабо тать по настоящее время.
4.4. Систему питания двух дублетов квадрупольных линз линейного ус корителя электронов ЛУЭ-200. Система успешно работает в составе установки ИРЕН (ОИЯИ, г. Дубна).
5. Автором разработан электропривод ЭШД-5, предназначенный для управления шестифазным шаговым двигателем типа ШД-5, с дискретно стью шага 22,5 MOA (угловых минут). С использованием этого устрой ства была произведена модернизация механизма подавителя фона реля тивистского пучка заряженных частиц на комплексе ВЭПП-4, а также модернизированы сверлильные станки типа КД-46, фрезерные станки типа Н33 и электроэрозионные станки станочного парка в эксперимен тальном производстве ИЯФ, где в настоящее время успешно работают около 50 электроприводов ЭШД-5.
Апробация работы. Работы, составляющие материал диссертации, док ладывались и обсуждались на научных семинарах ИЯФ. Основные результа ты диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
1. XX Russian Conference on Charged Particle Accelerators (RuPAC 2006), Novosibirsk, September 10-14, 2006, Russia (1 доклад).
2. XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenig orod, 28.09 – 03.10 2008, Russia (3 доклада).
3. XII International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2009), Kobe, 12.10 – 16.10 2009, Japan (2 доклада).
Публикации. Все материалы диссертации опубликованы в 14 статьях в журналах и трудах конференций.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, семи глав, заключения и списка использованной литературы (55 наиме нований). Содержит 130 стр. основного текста, 57 иллюстраций и 14 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель ра боты и её научная новизна, дано краткое описание работы.
В первой главе описываются магнитные системы ускорительно накопительного комплекса ВЭПП-2000 и синхротрона «Зеленоград». От дельно рассматриваются дипольные, квадрупольные, Skew-квадрупольные, секступольные и октупольные корректора магнитного поля. Проводятся сравнения различных способов коррекции радиального положения пучка при помощи: отдельно расположенных дипольных корректоров, дополнительных обмоток, намотанных в поворотных магнитах, или при помощи подшунтиро вания основных обмоток магнитов специальными источниками, осуществ ляющими частичный отбор тока. На основании изучения поведения пучка в накопителе заряженных частиц формулируются требования к источникам питания корректоров.
Во второй главе рассматриваются варианты возможных группирова ний корректоров по потребляемой мощности, позволяющие систематизиро вать систему их питания. Из приведённых рассуждений определяются две группы источников питания корректоров: с максимальными выходными то ками 5 A и 20 A.
Основываясь на изучении частотной зависимости связи магнитного по ля и тока в обмотке корректора, формулируются требования на допустимую погрешность коэффициентов передачи системы питания, а также на допус тимый уровень пульсаций выходного тока в спектре частот синхротронных и бетатронных колебаний.
Исходя из требуемых параметров регулирования тока в обмотках кор ректоров на участках перестройки энергии ускорителей и накопителей заря женных частиц показана необходимость использования источников питания корректоров с четырёхквадрантной вольт-амперной характеристикой выход ного тока (четырёхквадрантных источников тока).
В третьей главе показана и обоснована целесообразность применения широтно-импульсных преобразователей (импульсных преобразователей). С учётом требований к стабильности выходного тока источников питания кор ректоров, рекомендована область рабочих частот широтно-импульсного пре образования. Показана целесообразность использования полевых транзисто ров в качестве ключевых элементов импульсных преобразователей в области рабочих частот.
На основании изучения переходных процессов в полупроводниковых ключах приводятся различные варианты коммутации этих элементов, реали зованные автором при разработке источников питания корректоров. Рассмат риваются достоинства и недостатки приведённых схем коммутации полупро водниковых ключей, а также приводятся рекомендации по минимизации по терь при их переключении.
В четвёртой главе приводятся схемные решения и способы реализации четырёхквадрантных источников стабилизированного тока на основе им пульсного мостового преобразователя, обосновывается выбор способов по давления ВЧ-пульсаций выходного тока.
Рассмотрены возможные возмущающие факторы в системе стабилиза ции тока, а также, исходя из допустимых нестабильностей регулируемого тока, изучены регулировочные характеристики, обосновано наличие звеньев регулирования с дифференцирующей и интегрирующей характеристикой в цепи обратной связи по току, а также приводятся оценки качества регулиро вания выходного тока для различных параметров нагрузок.
Предложены конкретные практические реализации схем источников питания с максимальными выходными токами ±6 A и ±(2025) A. Абсолют ное значение выходного напряжения этих источников выбирается от 0 В до 100 В, в зависимости от индуктивного и активного сопротивлении питаемых обмоток корректоров и подводящих трасс, а долговременная нестабильность выходного тока не превышает 0,01% от максимального значения за 10 часов работы.
Показана целесообразность исполнения многоканальной модульной системы питания, позволяющей улучшить эксплуатационные характеристи ки. Продемонстрированы различные варианты исполнения многоканальных модулей питания в конструктиве «ВИШНЯ» и «Евромеханика». В последнем варианте межблочные соединения выполнены на кросс-плате, что позволило упростить процесс тиражирования этих устройств. Показана целесообраз ность применения аппаратных защит в источниках питания, а также приведе на схема узла рекуперации энергии, запасённой в индуктивности обмотки корректора.
Приводятся результаты лабораторных испытаний разработанных источ ников тока, контроль и управление которыми осуществляется при помощи многоканальных цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, позволяющих контролировать выходной ток и напряжение источников тока и вспомогательных устройств.
В пятой главе рассмотрены существующие варианты исполнений ис точников подшунтирования электромагнитов, а также предложена новая схема, позволяющая осуществлять рекуперацию отобранной энергии в ис точник питания основного магнита, что избавляет от необходимости приме нять нагрузочные резисторы. В качестве основного схемного решения обос нован выбор схемы обратноходового преобразователя, обеспечивающего требуемый режим работы с гальванической развязкой входной и выходной частей источника подшунтирования.
Предлагается схемное решение источника с максимальным током под шунтирования 20 A, для магнита с максимальным падением напряжения на обмотке до 30 В. Абсолютная погрешность регулирования тока подшунтиро вания составляет 0,1% от максимального значения, а ширина полосы пропус кания токовой петли обратной связи составляет примерно 500 Гц. Двухка нальный источник подшунтирования выполнен в конструктиве «Евромеха ника» с воздушным охлаждением силовой части обратноходового преобразо вателя.
Предложен способ увеличения тока подшунтирования на энергии ин жекции, при низком напряжении на обмотке подшунтируемого магнита.
Приводятся расчёты максимального тока подшунтирования при напряжении на обмотке менее 3 В.
В шестой главе даётся описание систем питания корректоров возмуще ний магнитного поля коллайдера ВЭПП-2000, синхротрона «Зеленоград», и других физических установок. Описанные системы разработаны автором на основе стабилизированных источников тока. Демонстрируется целесообраз ность разбиения систем питания на отдельные группы. Приводятся измерен ные на физических установках гистограммы выходного тока, осциллограммы переходных процессов источников питания, а также результаты измерений равновесной орбиты в коллайдере ВЭПП-2000. Демонстрируется соответст вие расчётных и измеренных параметров источников питание.
Приводится описание спроектированной автором системы коррекции радиального положения пучка в Малом накопителе синхротрона «Зелено град», реализованной подшунтированием обмоток поворотных магнитов ос новного поля. Система подшунтирования реализована с рекуперацией энер гии, отобранной от обмоток магнитов, в источники питания поворотных маг нитов. Приводятся осциллограммы переходных процессов в цепи рекупера ции.
В седьмой главе демонстрируется ещё одно применение импульсных преобразователей – для управления шаговыми электродвигателями. Предла гается практическая реализация схемы шестифазного электропривода, пред назначенного для управления шаговыми двигателями типа ШД-5. Исполни тельный алгоритм работы электропривода, а также регулирование тока в об мотках двигателя реализовано в цифровом виде на программируемой логиче ской интегральной схеме, что позволило реализовать дробление шага двига теля на четыре, автоматическое уменьшение токов в обмотках двигателя в режиме удержания и другое.
Приводятся результаты испытаний, демонстрирующие улучшение ха рактеристик двигателя за счёт добавления новых режимов работы электро привода, позволяющих уменьшить влияние неустойчивостей пошагового режима вблизи резонансных частот, а также уменьшить нагрев двигателя в процессе работы. Рассматриваются примеры модернизации сверлильных, фрезерных и электроэрозионных станков станочного парка ИЯФ.
В заключении перечислены основные результаты диссертационной ра боты, выносимые на защиту. Подчёркнуто, что разработанная аппаратура является частью ускорителей и накопителей заряженных частиц.
Основные результаты по теме диссертации содержатся в следующих работах:
1. О.В. Беликов, Э.Л. Неханевич, Ш.Р. Сингатулин. Электропривод для шагового двигателя ШД5. // Препринт 2002-66, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.
2. O.V. Belikov, D.E. Berkaev, V.R. Kozak, A.S. Medvedko. Power supply system for correcting magnets of VEPP-2000 complex. // XX Russian Conference on Charged Particle Accelerators (RuPAC 2006), Novosibirsk, September 10-14, 2006, Russia.
3. О.В. Беликов, А.С. Медведко, Ш.Р. Сингатулин. Привод для 6-тифазного шаго вого двигателя. Журнал “Силовая интеллектуальная электроника” №1(7), 2007г., стр. 27, Новосибирск.
4. О.В. Беликов, Д.Е. Беркаев, В.Р. Козак, А.С. Медведко. Усилители мощности УМ-6 и УМ-20 для питания корректоров комплекса ВЭПП-2000. // Препринт 2007-014, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.
5. О.В. Беликов, В.А. Журавлёв, Э.Л. Неханевич. Модернизация системы ЧПУ сверлильного станка КД-46. // Препринт 2007-023, ИЯФ СО РАН, Новосибирск.
6. О.В. Беликов, М.О. Жуков. Источник питания корректирующих элементов уско рительной техники на базе цифрового сигнального процессора. // Вестник НГУ.
Серия: Физика. Том 2, выпуск 3. 2007, Новосибирск.
7. O. Belikov, V. Kozak, A. Medvedko. Four-quadrant power supplies for steering elec tromagnets for electron-positron colliders. // XXI Russian Particle Accelerators Con ference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 – 03.10 2008, Russia.
8. O. Belikov, A. Chernyakin, V. Kozak, A. Medvedko. Bypass system for shunting of electromagnets for accelerators and storage rings. // XXI Russian Particle Accelerators Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 – 03.10 2008, Russia.
9. D. Berkaev, O. Belikov, V. Kozak, P. Shatunov, A. Medvedko. System of Power Sup ply Ripples Measurement for VEPP-2000 Collider. // XXI Russian Particle Accelera tors Conference (RuPAC 2008), Zvenigorod, 28.09 – 03.10 2008, Russia.
10. O. Anchugov et all. Status of "Zelenograd" storage ring. // Nuclear instruments and methods in physics research. Sec. A. - 2009. - Vol. A603, No 1/2. - P. 4 -6.
11. О.В. Беликов, А.С. Медведко, В.Р. Козак. Источник подшунтирования электро магнитов для коррекции параметров пучка в ускорителях и накопителях заря женных частиц. // Вестник НГУ. Серия: Физика. Том 4, выпуск 3. 2009, Новоси бирск.
12. A.S. Medvedko, D.E. Berkaev, O.V. Belikov, P.Yu. Shatunov, V.R. Kozak. System of Power Supply Ripples Measurement for VEPP-2000 Collider. // XII International Con ference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2009), Kobe, 12.10 – 16.10 2009, Japan.
13. A.S. Kasaev, A.S. Stankevich, D.E. Berkaev, F.V. Podgorny, O.V. Belikov, P.B. Che blakov, V.R. Kozak. Control System for Injection Channels of VEPP-2000 Collider, // XII International Conference on Accelerator and Large Experimental Physics Control Systems (ICALEPCS 2009), Kobe, 12.10 – 16.10 2009, Japan.
БЕЛИКОВ Олег Витальевич Источники стабилизированного тока для корректирующих магнитов в ускорителях и накопителях заряженных частиц АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Сдано в набор.31.03. 2010 г.
Подписано в печать 31.03. 2010 г.
Формат 60x90 1/16 Объем 0.6 печ.л., 0.5 уч.-изд.л.
Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № Обработано на PC и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева,