Voedingssysteem voor hybride magneet van 45 T

Transcriptie

1 Vermogenselektronica event 2014 Voedingssysteem voor hybride magneet van 45 T L. van Lieshout 1

2 Onderwerpen -45 T hybride magneet voedingssysteem Radboud Universiteit -Bestaande voeding opgeboord naar 22 MW voor 8 T magneet -Hybride magneet en magnetische koppeling / gevolgen daarvan -Overzichtstekening stroombron 20 ka en eigenschappen -Middelpuntsschakeling voor 10 ka en lay-out 12-puls converter -DC circuit vanaf condensatorbank en energie dump circuits -Harde, vertraagde harde en zachte stop 22 MW voeding; gevolgen -Foto s diverse aanzichten van 20 ka stroombron 2

3 HFML Experiment bij 45 T met hybride magneet Fundamenteel onderzoek naar materie in hoge magneetvelden. Koeling magneetsysteem met water en vloeibaar Helium (cryostaat) Experiment: materie wordt in een hoog magneetveld (45 T) nader onderzocht naar zwakke magnetische eigenschappen 22 MW thyristor converter van 40 ka bij 550 V voor resistieve magneet. Plus 20 ka stroombron bij slechts10 Vdc voor supergeleidende magneet.

4 Originele 20 MW voeding opgeboord naar 22 MW Spanningsreserve ±10% in gelijkrichtertransformatoren uitgenut 50 kv/10 kv voedende trafo regelt belaste netspanning bij. 4

5 Watergekoelde Resistieve Magneet 8 T Wereldrecordhouder magnetisch veld resistieve magneet is Radboud Universiteit Nijmegen HFML met 8 T 5

6 Hybride magneet en magnetische koppeling Voedingssysteem voor hybride magneet 45 T: magnetische koppeling tussen binnen- en buitenmagneet heeft invloed op dynamisch gedrag stroom in vooral de SG Magneet 6

7 Eigenschappen/gevolgen magnetische koppeling -Koppelfactor tussen magneten is 0,1, relatief zwak, maar toch -Overzetverhouding spanning binnen- : buitenmagneet is 7,x - Voeding met de laagste spanning ziet hoogste spanningsinvloed -Een spanningsverandering van 550 V voeding komt hard door -Oppassen met stroomverandering in SuperGeleidende Magneet -SGM kan lokaal resistief worden en oververhit raken (quench) -Zorgvuldig afschakelen van 22 MW voeding bij foutcondities -Stroom SGM mag niet stijgen 7

8 In te bouwen resistieve binnenmagneet (HZB) Er omheen te plaatsen buitenmagneet in cryostaat met He koeling in geslagen supergeleidende kabel Binnenmagneet 2,45 mh voorbeeld HZB Berlijn. 8

9 =A1 Overzichtstekening 20 ka stroombron =CONV CONVERTER SYSTEM +1 6 PULSE UNIT 1 CONVERTER TRANSFORMER -1T1 + PASSIVE FILTER L+ AC 400 V 50 Hz +2 -Q1 -B1 -T1 6 PULSE UNIT 2 CONVERTER TRANSFORMER -2T1-1T1-1B1 VD -2B1 VD Q1-2Q1 -R1 -B2 -B -Rd -Cm -Cd PASSIVE FILTER -B2 VD OUTPUT VOLTAGE 20 V 10 V -Q1 -B1 -T1-2T1-1B1 VD -2B1 VD + -1Q1-2Q1 -R1 -B2 -B -Cm -Rd -Cd L- -B1 DCCT OUTPUT CURRENT -Hoge precisie stroomregeling voor een Super Geleidende Magneet -Gevoed vanuit het 400 V net 20 ka 10 V 9

10 Eigenschappen DC stroombron 20 ka -Uitgang 20 ka bij slechts 10 V i.v.m. langzame stroomstijging -Hoge precisie en stabiliteit, lage stroomrimpel (50 ppm = 1 A) - Geregeld stroombereik vanaf 1 ka -12-pulsige rimpelfactor voor het voedende 400 V net -Slechts verliezen dekken in voeding + DC railsysteem 10

11 Eigenschappen middelpuntsschakeling voor 10 ka -Gelijkrichtertrafo standaard primaire -Dubbele secundaire wikkeling met elk een thyristor per fase - DC deelstromen optellen via koppeltrafo -Per trafobeen toch wisselstroom door compensatie van DC deelstromen - Relatief lage verliezen door slechts een halfgeleider in serie met belasting -5-benige trafokern integreert koppelspoel 11

12 Lay-out 12-puls converter DC Railsysteem DC scheiders DCCT meetkop Thyristorframes met transformatoren, spoelen en condensatorbanken 12

13 DC circuit vanaf condensatorbank met energiedump Hybride magneet met Lo het supergeleidende deel Slow dump circuit met 2 st. DCCB s Q4, static switch Q, en dump weerst. Rd2 Fast dump circuit met 6 st. DCCB s Q1 en Q2, en dump weerst. Rd1 1

14 Harde stop 22 MW voeding en fast dump Blauwe curve: DC stroom Res Magneet afnemend naar nul; Zwart: Spanning 22 MW voeding, sprong naar nul Groen: SGM stroom naar nul Rood: Overstroom in SGM 100 A/div; 20 ka = nullijn Oranje: Stroom in soft dump weerstand Rd2 Voorbeeld harde stop van 22 MW voeding met overstroom in SGM. 14

15 Vertraagde harde stop 22 MW voeding en fast dump Blauw spoor: DC stroom Res Magneet afnemend naar nul; Zwart: Spanning 22 MW voeding, sprong naar nul Groen: SGM stroom naar nul Rood: Geen overstroom SGM 100 A/div; 20 ka = nullijn Oranje: Stroom in soft dump weerstand Rd2 Voorbeeld harde stop met fast dump weerstand 125 mohm in serie 15

16 Vertraagde zachte stop 22 MW voeding en soft dump Blauw spoor: DC stroom Res Magneet geregeld naar nul; Zwart: Spanning 22 MW voeding, afnemend naar nul Groen: SGM stroom afnemend Rood: Stroom in SGM dalend 100 A/div; 20 ka = nullijn Oranje: Stroom in soft dump weerstand Rd2 Voorbeeld zachte stop met soft dump weerstand 10 mohm in serie 16

17 Transformator aanzicht en thyristorbrug Gelijkrichtertrafo met 5- benige kern Trafo met opgebouwde -puls thyristorbrug met vrijloopthyristor 17

18 Vervolg converter en DC railsysteem DC smoorspoel per 6-puls onderdeel van passief filter Stroom meetkop van DCCT 20 ka 25 ppm 18

19 DC schakelaars fast dump, parallel voor 20 ka Halve deel DC schakelaars; onderdeel van fast dump circuit 19