Модернизация источников питания, системы защиты и эвакуации энергии структурных магнитов и линз

3.  Модернизация источников питания, системы защиты и эвакуации энергии структурных магнитов и линз

3.I. Система защиты и эвакуации энергии структурных магнитов и линз

Существующая схема электропитания структурных магнитов и линз Нуклотрона показана на Рис. 5. Основой силовой части 19ТВ и 20 ТВ является доработанный 6-ти фазный выпрямитель типа ТПВ - 3150/230 с номинальными параметрами 150(В) х 3150(А).

Рис. 5. Существующая схема электропитания структурных магнитов (20ТВ) и

фокусирующих (F) + дефокусирующих (D) (19ТВ) линз Нуклотрона.

Источник 19ТВ состоит из двух таких выпрямителей, соединенных параллельно и совместно образующих 12-ти фазную схему выпрямления с номинальными данными 150 В х 6300 А. Источник 20ТВ также состоит из двух таких же выпрямителей, соединенных последовательно и совместно образующих 12-ти фазную схему выпрямления с номинальными параметрами 300 В х 3150А.

Для эвакуации энергии из сверхпроводящих элементов в случае возникновения нормальной зоныв сверхпроводящей цепи используются 7 блоков тиристорных ключей (КТ) ( 5 блоков в цепи питания дипольных магнитов и 2 блока в цепи квадрупольных линз), размыкающих соответствующие цепи питания сигналу от системы детектирования нормальной зоны - «датчиков перехода»

Система регулирования поля в магнитах (20ТВ) и градиента поля в линзах F и D (19ТВ) построена следующим образом. Опорная функция эталонного поля поступает в регулятор 20ТВ, который формирует реальное поле в магнитах. Сигнал этого поля, умноженный на коэффициент связи (К1) поступает в качестве опоры в регулятор 19ТВ, который в свою очередь формирует градиент поля в линзах. При этом значение реального градиента поля должно отличаться от собственно поля умноженного на К1 не более чем на 0,01% во всем динамическом диапазоне поля.

Для источника токодобавки 42ТВ-Ф опорной функцией является реальный градиент в линзах D (или F) умноженный на коэффициент связи (К2). Ток источника должен изменять градиент в линзах F (или D) с точностью не хуже 0,1% от заданного значения во всем динамическом диапазоне градиента D (или F).

Основные недостатки существующей системы:

1.  Система эвакуации энергии из сверхпроводящих магнитов и линз не имеет достаточной надежности. В случае срыва сверхпроводимости и одновременном возможном выходе из строя одного из силовых тиристоров ключа КТ (по причине пробоя или короткого замыкания) может возникнуть недопустимый перегрев элемента сверхпроводящей цепи. Кроме того поскольку управление всеми ключами КТ1…КТ7 осуществляется из одного блока, то нарушение его работы приведет к невозможности эвакуировать энергию из магнитов и линз в необходимом случае.

2.  Источник 20ТВ может обеспечить номинальный ток 6000А в цепи квадруполей только при среднем токе, не превышающем 3150 А. Работа с длинными столами тока на уровне 6000 А возможна только при большой скважности циклов.

3. Источник питания линз 19ТВ в силу предъявляемых к нему противоречивых требований, а именно: минимальные мгновенные пульсации и при этом высокая точность регулирования во всем динамическом диапазоне от 80 А до 6000А требует прецизионной настройки и, как следствие, уровнь надежности работы источника в целом снижается.

4. Оптимальные настройки регулятора 19ТВ, определяемые условиями ускорения пучка таковы, что использование существующего токодобавочного источника 42ТВ-Ф для гибкого выбора рабочей точки ускорителя практически невозможно.

Работы по модернизации системы в рамках проекта:

На основе детального анализа и экспериментальных данных, полученных в сеансах работы Нуклотрона, обоснованы выбор составных элементов и схема блока КТ с требуемыми параметрами. Разработан и изготовлен прототип КТ на ток 6кА.(Рис.6)

Рис. 6. Общий вид прототипа нового блока тиристорного ключа.

Выбраны места размещения модернизированных ключей и начата работа по конструированию узлов коммутации ТК с существующим силовым оборудованием.

Проектом предусматривается создание и ввод в действие семи блоков КТ1...7.

Разработана модернизированная система электропитания структурных дипольных и квадрупольных магнитов, основанная на принципе общей связи этих структурных элементов кольца Нуклотрона, источников питания 19ТВ и 20ТВ, ключей эвакуации энергии КТ1…КТ6(КТ7) и системы датчиков перехода. Принципиальная возможность такого подхода основана на том, что при интегральных значениях магнитного поля в диполях и градиента в квадруполях, заданных на этапе проектирования Нуклотрона, номинальные токи их питания отличаются не более чем на ± 2 % в требуемом диапазоне изменения бетатронных частот. Модернизированная схема питания представлена на Рис.7.

Рис. 7. Схема электропитания при последовательном соединении структурных дипольных магнитов, фокусирующих (F) и дефокусирующих (D) линз Нуклотрона.

Данная схема имеет ряд преимуществ по сравнению с существующей, главным из которых является возможность существенного уменьшения пульсаций в токе питания квадрупольных линз и, тем самым, улучшение стабильности рабочей точки ускорителя в полном динамическом диапазоне изменения магнитного поля в Нуклотроне. Однако приведенная схема обеспечивает скорость нарастания поля не более 0.6 Тл/с. В рамках проекта Нуклотрон-М будет продолжена работа по анализу возможностей увеличения мощности источника тока №1 в рассмотренной схеме.

3.2. Источники питания магнитных элементов ввода и вывода пучка кольца Нуклотрона.

Инжекция и вывод пучков тяжелых ионов с отношением заряда к массе меньше 0.38 потребует модернизации существующих источников питания 1ТВ и 2ТВ поворотных магнитов ПМ1 и ПМ2 канала ввода пучка из ЛУ-20 в кольцо Нуклотрона, а также источника 103ТВ, питающего квадрупольные линзы системы медленного вывода пучков из Нуклотрона. Необходимые схемные решения разработаны. Для обеспечения требуемых токовых режимов в ПМ1 и ПМ2 планируется модернизировать имеющиеся источники 37ТВ и 38ТВ, включив в их состав активные фильтры для повышения стабильности тока.

Составной силовой элемент широкополосного источника тока – прототипа источника 103ТВ находится в стадии макетирования.

Основные затраты по данному разделу проекта связаны с изготовлением и вводом в действие семи блоков ключей эвакуации энергии.

3.3. Модернизация системы защиты и эвакуации энергии структурных магнитов и линз.

Основные цели:

Изменение системы контроля датчиков перехода и управления агрегатами вывода энергии. Отказ от параллельных линий связи (250-300 проводов) и перевод узлов обмена информацией на работу в последовательном режиме (2 – 4 линии связи). Модернизация аппаратуры для контроля формы сигнала на контролируемом магнитном элементе. Модернизация датчиков перехода для повышения надежности их работы, снижения помех, повышения надежности работы системы защит в целом. Разработка и создание датчика перехода с другим (не мостовым) методом детектирования активной фазы.

На сегодняшний день аппаратура контроля состояния и управления датчиками перехода устарела и морально и физически. Система СОИ была создана в конце 80-х начале 90-х годов прошлого века. В сущности это был работающий макет системы, которым он и остался до сих пор. Конечно, было проведено много изменений и улучшений, которые тем более требуют переработки и обновления этой системы.

Реалии сегодняшнего дня требуют переработки не только технических и конструктивных решений, но и смены всей концепции построения такой системы. Сейчас система отображения информации построена таким образом, что с каждого датчика перехода к ней идет линия связи. Таким образом, имеется столько линий связи, сколько есть датчиков перехода (см. рис.). Только одно это обстоятельство требует содержание штата людей, которые обязаны проводить осмотры, предупредительные ремонты и т. п. этих проводов, которые находятся далеко не в идеальных климатических условиях. В последние годы обрыв (перегнивание) этих проводов стал самой частой неисправностью.

Поэтому дальнейшее развитие

системы предполагается проектировать, используя последовательные интерфейсы.

Все датчики подключаются к одной двухпроводной линии, по которой производится обмен информацией (см. Рис. 2).

Это решение позволяет оперативно менять количество датчиков при необходимости, не разделять физически групповые и индивидуальные датчики, и организовать полное резервирование канала воздействия на систему эвакуации энергии.

В систему также вводится контроль текущего состояния всех узлов, контроль сигналов воздействия на внешние устройства и индикация неисправностей.

При этом увеличивается сложность электронных блоков, но становится проще оперативное обслуживание, которое фактически сводится к замене однотипных блоков при неисправности.

Аппаратура монтируется в блоках стандарта Евромеханика (рис.3) с применением стандартных узлов (источников питания =, буферов и т. д.) в стойках 19'' Датчики перехода дорабатываются для возможности обмена по последовательному каналу.

Следующий этап – доработка существующих датчиков.

Измерительный мост выносится из датчика. Это позволяет производить замену датчика без балансировки.

Электронная схема перерабатывается с целью улучшить режим проверки и позволить вывести сигнал на мосте для визуального наблюдения. Датчики монтируются в блоках Евромеханика U3. Все датчики одного измерительного участка (СДП) располагаются в одном крейте.

Одним из узких мест системы защиты являются соединительные провода от криостатов до места расположения датчиков перехода – так называемые «потенциальные концы». При построении детектора перехода на основе моста избавится от них не представляется возможным, так как элементы моста располагаются на значительном расстоянии.

Возможным решением может быть изменение принципа детектирования активной фазы.

В настоящее время появились доступные 32-разрядные микропроцессоры с быстродействием 60 MIPS и более (например LPC21xx фирмы Philips). На их основе возможно построить детектор, анализирующий форму сигнала на магнитном элементе.

В этом случае есть два пути анализа активной фазы:

Непосредственное измерение напряжения на магнитном элементе и анализ его формы. Непосредственное измерение напряжения на магнитном элементе и сравнение его изменения с опорным сигналом (сигналом поля с измерительной катушки).

В обоих случаях датчик активной фазы располагается непосредственно на криостате и используется минимум соединительных проводников.

В настоящее время произошли большие сдвиги в области передачи данных по радиочастотному (RF) каналу. Уже выпускается однокристальные RF-приемопередатчики для широкого использования (Например Nordic Semiconductor).

Однокристальные приемопередатчики - это микросхемы, предназначенные для организации передачи данных по радиоканалу на частоты 433МГц, 868МГц, 915 МГц, 2400МГц с выходной мощностью до 10 мВт, что не требует получать разрешения на использования частоты. Это дает возможность производить и использовать изделия на основе этих микросхем в короткие сроки с минимальными затратами и в любых количествах.

Основные возможности

Частотный диапазон 433МГц, 868МГц, 915 МГц, 2400МГц Необходимо только несколько компонентов Простое использование Очень простой последовательный интерфейс Помехоустойчивая частотная модуляция Регулируемая выходная мощность Широкий диапазон напряжения питания Малая потребляемая мощность Низкая цена и малый размер корпуса Широкий температурный диапазон Доступные средства разработки

Чрезвычайно перспективным является применение таких устройств для обмена данными с нескольких сотен датчиков и промежуточной рабочей станцией.

ПЛАН-ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА

ПО РАЗРАБОТКЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ЗАЩИТ

№	Наименование работ	Период выполнения
2007	2008	2009
1	Разработка и изготовление системы управления
2	Доработка существующих ДП
3	Разработка новых ДП
4	Разработка и испытание макетов по беспроводной системе передачи данных с датчиков перехода