20140624 FHI VE dag 2014 Voedingsysteem HFML

Vermogenselektronica event 2014
Voedingssysteem voor
hybride magneet van 45 T
L. van Lieshout
Imtech Power Conversion
Imtech Power Conversion
1
Onderwerpen
- 45 T hybride magneet voedingssysteem Radboud Universiteit
- Bestaande voeding opgeboord naar 22 MW voor 38 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
Imtech Power Conversion
2
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.
Imtech Power Conversion
3
Originele 20 MW voeding opgeboord naar 22 MW
§ Spanningsreserve ±10% in gelijkrichtertransformatoren uitgenut
§ 50 kV/10 kV voedende trafo regelt belaste netspanning bij.
Imtech Power Conversion
4
Watergekoelde Resistieve Magneet 38 T
Wereldrecordhouder magnetisch veld resistieve magneet is
Radboud Universiteit Nijmegen HFML met 38 T
Imtech Power Conversion
5
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
Imtech Power Conversion
6
Eigenschappen/gevolgen magnetische koppeling
- Koppelfactor tussen magneten is 0,31, relatief zwak, maar toch
- Overzetverhouding spanning binnen- : buitenmagneet is 7,3x
- 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
Imtech Power Conversion
7
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.
Imtech Power Conversion
8
Overzichtstekening 20 kA stroombron
=A1
=CONV
CONVERTER SYSTEM
6 PULSE UNIT 1
+1
CONVERTER
TRANSFORMER
-Q1
3
3
-1T1
-1B1
-T1
-B1
VD
-1Q1
-R1
-B2
3L+
-Rd
3
3
3
-2B1
3
3
3 AC 400 V 50 Hz
PASSIVE FILTER
+
-2T1
-B3
-2Q1
-Cm
-Cd
VD
+
-B2
3
VD
3
OUTPUT
VOLTAGE
20 V ≅ 10 V
6 PULSE UNIT 2
+2
CONVERTER
TRANSFORMER
-Q1
-B1
3
3
3
-1T1
-1B1
-T1
PASSIVE FILTER
+
VD
-1Q1
-R1
-B2
-Rd
3
3
-2B1
3
3
-2T1
-2Q1
VD
-B3
-Cm
-Cd
+
3L-
-B1
DCCT
20 kA ≅ 10 V
- Hoge precisie stroomregeling voor een
Super Geleidende Magneet
- Gevoed vanuit het 400 V net
Imtech Power Conversion
9
OUTPUT
CURRENT
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
Imtech Power Conversion
10
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
Imtech Power Conversion
11
Lay-out 12-puls converter
DC Railsysteem
DC scheiders
DCCT meetkop
Thyristorframes met
transformatoren, spoelen
en condensatorbanken
Imtech Power Conversion
12
DC circuit vanaf condensatorbank met energiedump
Hybride magneet met Lo
het supergeleidende deel
Slow dump circuit met
2 st. DCCB’s Q4, static switch
Q3, en dump weerst. Rd2
Fast dump circuit met
6 st. DCCB’s Q1 en Q2,
en dump weerst. Rd1
Imtech Power Conversion
13
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.
Imtech Power Conversion
14
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
Imtech Power Conversion
15
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
Imtech Power Conversion
16
Transformator aanzicht en thyristorbrug
Trafo met opgebouwde 3-puls
thyristorbrug met vrijloopthyristor
Gelijkrichtertrafo met
5- benige kern
Imtech Power Conversion
17
Vervolg converter en DC railsysteem
DC smoorspoel per 6-puls
onderdeel van passief filter
Imtech Power Conversion
18
Stroom meetkop van
DCCT 20 kA – 25 ppm
DC schakelaars fast dump, 3 parallel voor 20 kA
Halve deel DC schakelaars;
onderdeel van fast dump circuit
Imtech Power Conversion
19